Открытие сигнального пути может ускорить и сделать более надежной дифференцировку стволовых клеток человека
Исследование под руководством профессора химической инженерии Техасского университета A&M доктора Грегори Ривза обнаружило возможный путь улучшения здоровья человека через лучшее понимание управления дифференцировкой человеческих стволовых клеток.
Объектом открытия стал высококонсервативный сигнальный путь костного морфогенетического белка (BMP), который функционирует у всех животных и может приводить к различным результатам в зависимости от контекста.
"Это исследование начинает создавать "дорожную карту" того, как изменять клетки, например, взрослые стволовые клетки человека", — сказал Ривз. — "Они будут дифференцироваться быстрее и надежнее, что приведет к прогрессу в терапевтическом потенциале стволовых клеток".
Ученые наблюдали, как сигнальные пути, такие как BMP, управляют принятием клеточных решений в разных тканях и условиях.
"Клетка — это определенно сложная система, — отметил Ривз. — Поэтому неудивительно, что мы находим в клетке инженерные принципы. Биологические системы полны таких принципов".
Исследование подробно описано в статье, недавно опубликованной в журнале npj Systems Biology and Applications.
В работе изучается, как путь BMP балансирует компромиссы между тремя системными характеристиками или Целевыми Показателями (Performance Objectives, POs):
Скорость
Подавление шума (noise canceling)
Способность действовать как линейный сенсор
"В эмбрионах мух этот сигнальный путь активируется очень быстро. Но если посмотреть на тот же путь в других сценариях, например, в человеческих стволовых клетках, он работает гораздо дольше, что, возможно, дает ему больше способности фильтровать шум", — пояснил Ривз. — "Вопрос, который мы исследовали: как один и тот же путь с одними и теми же молекулами реагирует по-разному?"
Результаты исследования:
- Разная концентрация сигнальных белков BMP внутри клетки позволяет пути достигать различного баланса целевых показателей (POs).
- Хотя структура пути (connectivity) остается почти постоянной, его системное поведение меняется от контекста к контексту на протяжении жизненного цикла всех животных.
- Из-за конкуренции между POs путь не может одновременно оптимизировать все три показателя, а вынужден идти на компромиссы.
"В разных системах делается акцент на разных компромиссах, — сказал Ривз. — Даже если путь устроен одинаково во всех клетках, концентрации сигнальных белков различаются. Так, в эмбрионе мух могут быть высокие уровни сигнальных белков, что создает быструю систему, а в человеческой клетке — низкие уровни, что делает систему медленнее, но более свободной от шума".
Используя это знание, команда применила многокритериальную оптимизацию для выявления оптимальных компромиссов между различными требованиями. Было обнаружено, что путь BMP эффективно балансирует конкурирующие POs у разных видов.
"Мы можем настроить его так, чтобы он был немного быстрее, немного более свободным от шума, и мы пожертвуем качеством линейного сенсора", — резюмировал Ривз.