В совместном исследовании исследователи из Университета Кюсю и Гарвардской медицинской школы определили белки, которые могут трансформировать или «перепрограммировать» фибробласты; Наиболее распространенные клетки кожи и соединительной ткани — ; в клетки со свойствами, подобными клеткам-предшественникам конечностей. Опубликовано в Развивающаяся клеткаРезультаты исследователей расширили наше понимание развития конечностей и проложили путь к будущей регенеративной терапии.
Во всем мире около 60 миллионов человек страдают от потери конечностей. Ампутации могут быть результатом различных заболеваний, таких как опухоли, инфекции и врожденные дефекты, или травм, возникших в результате промышленных аварий, дорожно-транспортных происшествий и стихийных бедствий, таких как землетрясения. Люди с травмами конечностей часто полагаются на синтетические материалы и металлические протезы, но многие исследователи изучают развитие конечностей с целью приблизиться к регенеративной терапии или замене естественных тканей в качестве потенциального лечения.
«Во время развития конечностей плода клетки-предшественники конечностей в зачатке конечности дают начало большинству различных тканей конечностей, таких как кости, мышцы, хрящи и сухожилия. «Поэтому важно создать простой и доступный способ изготовления этих клеток». объясняет доктор Юджи Ацута, ведущий исследователь, который начал заниматься этим проектом в Гарвардской медицинской школе и продолжает его в качестве лектора в Высшей школе естественных наук Университета Кюсю.
В настоящее время обычным способом получения клеток-предшественников конечностей является непосредственное получение из эмбрионов, что вызывает этические проблемы в случае человеческих эмбрионов. Альтернативно, их можно получить с использованием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток; Взрослые клетки, которые перепрограммируются до эмбрионально-подобного состояния, которые позже могут трансформироваться в определенные типы тканей. Новый метод, разработанный Ацутой и его коллегами, который напрямую перепрограммирует фибробласты в клетки-предшественники конечностей, минуя плюрипотентные стволовые клетки, упрощает процесс и снижает затраты. Это также снижает опасения по поводу превращения клеток в раковые, что часто случается с плюрипотентными стволовыми клетками.
На первом этапе исследования ученые изучили гены, экспрессируемые в ранних зачатках конечностей эмбрионов мышей и кур. Почти все клетки организма, включая фибробласты и клетки-предшественники конечностей, содержат идентичную геномную ДНК, но в процессе развития возникают разные свойства и функции каждого типа клеток из-за изменений в экспрессии генов (иными словами, какие гены активны, а какие белки активны). вырабатывается клеткой). Одним из способов контроля экспрессии генов в клетках является использование специфических белков, называемых факторами транскрипции.
Исследовательская группа выявила 18 генов, в основном факторы транскрипции, которые более высоко экспрессируются в ранних зачатках конечностей, чем в других тканях. Они культивировали фибробласты из эмбрионов мышей и вводили эти 18 генов в фибробласты с помощью вирусного вектора, чтобы клетки производили эти 18 белковых факторов. Они обнаружили, что модифицированные фибробласты приобрели характеристики и продемонстрировали экспрессию генов, аналогичную естественным клеткам-предшественникам конечностей, обнаруженным в зачатках конечностей.
Затем, посредством серии экспериментов, исследователи сузили свой выбор и определили, что только три белковых фактора необходимы для перепрограммирования фибробластов мыши в клетки, подобные клеткам-предшественникам конечностей: Prdm16, Zbtb16, И Лин28а. Четвертый белок, Lin41, помогает клеткам-предшественникам пересаженных конечностей быстрее расти и размножаться.
Исследователи не только подтвердили, что перепрограммированные клетки-предшественники конечностей имели схожую экспрессию генов с нормальными клетками-предшественниками конечностей, но они также имели аналогичную способность. «Эти перепрограммированные клетки — не просто молекулярные имитаторы, — говорит Ацута. — Мы подтвердили их способность развиваться в специализированные ткани конечностей как в лабораторных посудах (in vitro), так и в живых организмах (in vivo)». «Тестирование in vivo было особенно сложным, поскольку нам пришлось трансплантировать перепрограммированные мышиные клетки в зачатки конечностей куриных эмбрионов».
В этих экспериментах исследователи использовали лентивирусы, которые встраивают гены непосредственно в геном инфицированных клеток, увеличивая риск превращения клеток в раковые. Вместо этого команда изучает другие, более безопасные векторы, такие как вирусы или аденоассоциированные плазмиды, которые доставляют гены в клетки, не встраивая гены в геном.
Команда лаборатории Ацута сейчас пытается применить этот метод к клеткам человека для будущих терапевтических целей, а также к змеям, чьи предки имели конечности, которые позже были потеряны в ходе эволюции.
«Интересно, что перепрограммированные клетки-предшественники конечностей производят органоиды, напоминающие зачатки конечностей, поэтому кажется возможным генерировать ткани конечностей у видов, у которых их больше нет. Изучение змей без конечностей может открыть новые пути и знания в эволюционной биологии».
источник:
Ссылка на журнал:
Ацута, Ю., и другие. (2024). Прямое перепрограммирование фибробластов, не относящихся к конечностям, в клетки с характеристиками предшественников конечностей. Развивающаяся клетка. doi.org/10.1016/j.devcel.2023.12.010.