Стволовые клетки меняют свою структуру в ответ на механические силы

Учёные под руководством Сары Викстрём, главного исследователя в кластере передового опыта CECAD (Кёльнский университет), выяснили, как стволовые клетки ощущают и реагируют на внешние механические силы. Они меняют организацию ДНК в ядре, что влияет на экспрессию генов, необходимых для дифференцировки стволовых клеток.

Все клетки имеют один генетический код, но находятся в разных механических условиях. Например, ткань мозга мягкая, а кость — твёрдая. Клетки адаптируются к внешним силам, меняя структуру и экспрессию генов, но молекулярные механизмы этой регуляции были неясны.

«Наша кожа постоянно подвергается механическому напряжению, поэтому особенно важно, чтобы её клетки могли реагировать на силы», — говорит ведущий автор исследования Хюй Куанг Ле.

Эксперимент и результаты

Учёные использовали специальное устройство, чтобы подвергнуть культуры стволовых клеток кожи механическому растяжению, аналогичному тканевому. Анализ экспрессии генов (секвенирование нового поколения) показал:

• Тысячи генов были подавлены.
• Лишь немногие гены увеличили экспрессию.

Растяжение вызвало глобальные изменения в упаковке ДНК внутри ядра, что привело к широкому подавлению транскрипционной активности клетки. В результате растянутые стволовые клетки не могли дифференцироваться даже при наличии сигнала к дифференцировке.

«Было удивительно осознать, что мы можем изменить структурную организацию ДНК, просто прикладывая механические силы к стволовым клеткам», — отмечает Сара Викстрём.

Ключевой молекулярный механизм

Силы воспринимаются на ядерной оболочке, которая отделяет ДНК от остальной клетки. Ключевую роль в этом ощущении силы играет белок эмерин. Он связывает ядро и ДНК с цитоскелетом — структурой, воспринимающей силу.

Это открытие особенно важно, поскольку мутации в гене эмерина вызывают мышечную дистрофию Эмери-Дрейфуса. При этом заболевании дегенерируют ткани, подверженные механическому напряжению: скелетные мышцы, сердце и кожа.

«Поскольку точные патологические механизмы этой болезни неизвестны, а эффективного лечения нет, главная цель нашей лаборатории в будущем — выяснить, играют ли механизмы, обнаруженные в этом исследовании, роль в патогенезе заболевания», — говорит Сара Викстрём.

Другая цель — понять, как стареющие стволовые клетки ощущают силы и как на это влияют изменяющиеся с возрастом механические свойства окружающей ткани.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Cell Biology.