Бессмертие зародышевых клеток
Зародышевые клетки — репродуктивные клетки, которые в итоге становятся яйцеклетками и сперматозоидами, — обособляются на ранней стадии эмбрионального развития, когда эмбрион представляет собой всего лишь полый шар клеток (гаструлу). Это означает, что клетки, передающие генетическую информацию следующему поколению, уже присутствуют у нас при рождении.
Исследователи из Института Уайтхеда, включая Юкико Ямаситу и директора института Рут Леманн, изучают уникальные аспекты зародышевых клеток. Центральный вопрос в их работе — как эти клетки используют уникальную регуляторную систему для поддержания потенциала делиться в любые типы клеток, фактически не делая этого десятилетиями. Когда зародышевые клетки производят потомство, программа старения сбрасывается. Это резко контрастирует с большинством нерепродуктивных (соматических) клеток тела, которые специализируются, стареют и в итоге умирают.
Изучение того, как зародышевые клетки сохраняют свою ДНК, чтобы производить жизнеспособные яйцеклетки и сперматозоиды из поколения в поколение, может дать ключ к пониманию старения других клеток организма.
Создание зародышевой линии
На ранней стадии эмбрионального развития зародышевая линия обособляется от соматических клеток. Эти клетки-предшественники называются примордиальными зародышевыми клетками.
Изучая плодовых мушек, Рут Леманн выявила многие аспекты того, как определяется судьба зародышевых клеток. Она обнаружила, что ген Oskar играет ключевую роль в сборке необходимых компонентов для зародышевых клеток в заднем конце эмбриона мухи. Oskar помогает формировать зародышевые гранулы — уникальные каплевидные структуры из РНК и белков. Эти гранулы регулируют трансляцию РНК в белок, контролируя экспрессию генов.
Примордиальные зародышевые клетки формируются до развития репродуктивного тракта. По мере развития гонад (яичников или семенников) эти клетки должны мигрировать через эмбрион, чтобы достичь их. Лаборатория Леманн обнаружила факторы, участвующие в этой миграции, включая сигнальную молекулу, которая служит «дорожкой из хлебных крошек».
В недавней работе её лаборатория выяснила, как тело мухи сигнализирует клеткам-предшественникам о необходимости созревать в нужное время и в нужном месте — в репродуктивном тракте. Исследователи под руководством бывшего постдока Торстена Баниша идентифицировали swarm cells как критическое звено, передающее эти сигналы. Если какой-либо из этих процессов нарушается, мушка, вероятно, потеряет свою зародышевую линию и станет бесплодной.
Поддержание здоровой зародышевой линии
Юкико Ямасита изучает зародышевые клетки самцов плодовых мушек и обнаружила, что делящиеся клетки распределяют компоненты асимметрично. Одна из дочерних клеток получает все лучшие компоненты за счёт другой. Например, одна клетка получает копии определённых генетических последовательностей, которые в противном случае могут быть утеряны с возрастом после многих делений.
Лаборатория также обнаружила, что пары хромосом сортируются в делящихся зародышевых клетках не случайным образом, в зависимости от того, у какой из них больше копий важных генетических последовательностей. Это один из способов, которым зародышевая линия предотвращает потерю важной генетической информации со старением. Клетка, получающая все лучшие материалы, продолжает делиться, сохраняя зародышевую линию здоровой.
Для других типов клеток такая «жертва» половиной клеток была бы слишком затратной. Зародышевые клетки — это небольшая популяция, которая может позволить выжить только лучшим из лучших, чтобы их потомки продолжали делиться долгое время после смерти остальных клеток тела.
Леманн также выявила некоторые способы, с помощью которых зародышевые клетки защищают себя на протяжении поколений. Её исследования показали, как эти клетки у мух защищают свои геномы от транспозонов («прыгающих генов»), которые могут приводить к мутациям. Зародышевые клетки должны быть защищены от таких изменений, так как они будут переданы потомству или могут привести к бесплодию.
Кроме того, Леманн изучает наследование не-ДНК компонентов по материнской линии. Яйцеклетки должны передавать не только ДНК матери, но и питательные вещества, стартовые органеллы и клеточные компоненты (например, РНК), необходимые эмбриону на самых ранних стадиях. Один из объектов её особого интереса — митохондрии, имеющие собственный геном. Мутации в митохондриальной ДНК могут вызывать серьёзные заболевания. Лаборатория Леманн изучает, как материнская зародышевая линия предотвращает передачу опасных мутаций в митохондриальном геноме.
Продолжая изучать сложные механизмы сохранения «бессмертия» зародышевых клеток, Ямасита и Леманн надеются получить новые данные о клеточном старении и омоложении.