Новый метод для изучения болезней стволовых клеток

Исследование Стэнфордской школы медицины показало, что редкое генетическое заболевание дискератоз врожденный можно моделировать, изучая недифференцированные индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS-клетки). Заболевание, поражающее ~1 из миллиона человек, вызвано быстрым укорочением теломер (защитных "колпачков" на концах хромосом). Результаты могут облегчить изучение этой и других болезней, вызванных дисфункцией стволовых клеток, включая некоторые синдромы недостаточности костного мозга и, возможно, легочный фиброз.

Исследование на iPS-клетках, созданных из клеток пациентов с дискератозом, объясняет широкий спектр симптомов — от аномальной пигментации кожи и роста ногтей до рубцевания легких, недостаточности костного мозга и рака. Ключевую роль играет активность фермента теломеразы, критически важного для старения и обновления клеток.

"Мы были очень удивлены, обнаружив такую четкую корреляцию между количеством функциональной теломеразы, тяжестью клеточного дефекта и тяжестью клинических симптомов пациента", — сказал доцент медицины Стивен Артанди. — "Наша работа предполагает, что у пациентов с дискератозом тканевые стволовые клетки теряют способность к самообновлению по всему телу".

В отличие от большинства моделей заболеваний, где iPS-клетки специализируют в конкретный тип ткани, в этом исследовании клетки оставались недифференцированными. Это позволило оценить активность теломеразы, которая высока в стволовых клетках, но очень низка в большинстве нестволовых клеток. Результаты впервые демонстрируют полезность неспециализированных iPS-клеток для изучения болезней человеческих стволовых клеток.

Теломераза — большой белковый комплекс, активный в часто делящихся клетках (тканевые стволовые клетки, клетки иммунной системы). Она добавляет теломеры к концам хромосом. В большинстве взрослых клеток теломеры укорачиваются с каждым делением; достигнув критической длины, клетка больше не может делиться. Стволовые клетки обходят это, поддерживая активность теломеразы.

У пациентов с дискератозом теломеры короче нормы, и часто есть мутации в генах белков теломеразного комплекса. Но причина разной тяжести симптомов была неясна. Изучать комплекс было трудно из-за его низкой экспрессии в организме взрослого человека.

В этом исследовании Артанди и первый автор работы Луис Батиста создали iPS-клетки из клеток кожи пяти пациентов с разной тяжестью дискератоза. Вырастив достаточное количество недифференцированных клеток, они сравнили уровни активности теломеразы и длину теломер.

Результаты:

• Клетки пациентов с мутацией в одной из двух копий гена основного белка теломеразы (менее тяжелые симптомы) имели ~50% нормальной активности теломеразы.
• Клетки пациентов-мужчин с мутацией в связанном гене на X-хромосоме (одна копия) имели активность ~5–15% от нормы. Эти пациенты имели полный спектр симптомов и очень короткие теломеры.

"Мы обнаружили, что если продолжать выращивать эти iPS-клетки в культуре много недель, они внезапно теряли способность к самообновлению", — сказал Артанди. — "Их короткие теломеры индуцировали дифференцировку и вызывали потерю характеристик стволовых клеток".

Ученые пришли к выводу, что симптомы дискератоза, вероятно, вызваны постепенной потерей тканеспецифичных стволовых клеток в коже, костном мозге и других органах. Без них организм не может восполнять поврежденные или развивающиеся ткани.

"Это очень похоже на то, что происходит при старении", — отметил Артанди. — "Наши теломеры укорачиваются, и это может вызывать ту же потерю самообновления в наших тканевых стволовых клетках. Укорочение теломер также наблюдается в большинстве человеческих раков, поэтому изучение iPS-клеток может дать новое понимание рака и старения, а также предоставить систему для разработки новых методов лечения".

Исследователи продолжают создавать новые линии iPS-клеток от пациентов с другими формами дискератоза, чтобы углубить понимание клеточного самообновления. Исследование будет опубликовано 22 мая в журнале Nature.