• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Биологи выяснили, как стволовые клетки превращаются в клетки других типов на молекулярном уровне

Биологи выяснили, как стволовые клетки превращаются в клетки других типов на молекулярном уровне

© iStock

Международная группа ученых с участием биологов Высшей школы экономики разработала метод, который позволяет получать информацию одновременно об изменении экспрессии и свойств белков при переходе клеток из одного состояния в другое. Благодаря новому методу и разработанному для визуализации изменений веб-инструменту ProteoTracker ученым удалось выяснить молекулярный механизм замедления скорости синтеза белка в стволовых клетках, а также предложить способ поддержания плюрипотентных свойств клеток в условиях in vitro (вне организма). Работа опубликована в журнале Nature Communications. 

Способность стволовых клеток к дифференцировке — превращению в другие клетки организма — легла в основу регенеративной медицины и инженерии тканей. Превращение стволовых клеток в клетки другого типа осуществляется за счет глубоких изменений их белкового состава. Поэтому особый интерес для молекулярных биологов представляют химические основы процесса дифференцировки — каким изменениям подвергаются белки, входящие в состав стволовых клеток, и в каких условиях это происходит. 

Чтобы понять, что происходит с белками во время превращения стволовой клетки, требуется исследовать различия между белковым составом недифференцированных стволовых клеток и клеток, в которые они превращаются. 

Для экспериментов авторы работы получили клеточные культуры разных типов. Ученые перепрограммировали человеческие клетки соединительной ткани (фибробласты) в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, то есть такие клетки, которые способны превращаться в клетки практически любых тканей. Эти клетки затем превратили в так называемые эмбриоидные тельца, позволяющие смоделировать стадии ранней дифференцировки в процессе эмбриогенеза (развития зародыша организма). Также авторы статьи использовали для сравнения линии опухолевых и эмбриональных стволовых клеток человека.

Чтобы оценить изменения, происходящие в клетках, ученые предложили метод, сочетающий измерение экспрессии белков (то есть количества белков, которое синтезируется в клетке) и анализ изменения интегральной растворимости белков (PISA).  

В рамках метода PISA выполняется определенное воздействие на белок — температурное профилирование протеома (TPP, или  CETSA-MS). Оно основано на том, что при изменении структуры белка изменяется его термостабильность, то есть устойчивость белка к изменениям температуры.

Исследователи нагревали клетки перечисленных выше типов в узком диапазоне температур, затем клетки разрушали и с помощью масс-спектрометрического анализа получали информацию о белках, оставшихся в растворе, для каждого значения температуры. В результате такого анализа были получены кривые термостабильности для более чем 9000 белков в каждом типе исследуемых клеток. Одновременно с термостабильностью также оценивали экспрессию белков в каждом типе клеток.

Для анализа авторы работы использовали созданный ими инструмент многомерной визуализации ProteoTracker, основанный на диаграммах Sankey. Они отражали изменение свойств каждого белка (стабильность и уровень экспрессии) в процессе дифференцировки. 

Ученые показали, что термическая стабильность и экспрессия белков меняются при превращении стволовых клеток в соматические. Это отражает фундаментальные различия в клеточной физиологии и морфологии этих типов клеток. Оказалось, что более 75% исследованных белков существенно различались по экспрессии и термостабильности в плюрипотентных и дифференцированных клетках. В частности, во время превращения стволовых клеток в соматические изменяется экспрессия и стабильность белков, отвечающих за плотность хроматина — вещества, из которого состоят хромосомы. 

В процессе превращения стволовой клетки в соматическую в ней изменяется тип метаболизма глюкозы (выработки энергии в клетке). В частности, в стволовой клетке глюкоза подвергается гликолизу — последовательным ферментативным превращениям,  не требующим присутствия кислорода, тогда как в соматической клетке — окислительному фосфорилированию в митохондриях, необходимым условием которого является достаточное количество кислорода. 

Анализируя, в какой момент в клетках меняется экспрессия соответствующих белков, исследователи выявили, что изменение метаболизма происходит на ранних стадиях дифференцировки плюрипотентных стволовых клеток, еще до изменения структуры хроматина. Это предполагает, что именно смена типа метаболизма может запустить последующие изменения в структуре хроматина в процессе дифференцировки.

Ранее также отмечалось, что соматические стволовые клетки характеризуются низкой скоростью синтеза белка в клетке и увеличением ее при дифференцировке. Это позволяло предполагать, что снижение скорости синтеза белка важно для поддержания стволовых свойств клеток. Однако механизм такой регуляции скорости был неясен. В своем исследовании ученые показали, что плюрипотентные стволовые клетки обладают более низким содержанием зрелых рибосом, чем дифференцированные клетки. Это обуславливается низким уровнем экспрессии белка SBDS, отвечающего за созревание рибосом. 

Диана Мальцева

«Таким образом, низкий уровень экспрессии белка SBDS позволяет клеткам поддерживать стволовые свойства, тогда как увеличение его экспрессии способствует дифференцировке — превращению в другие клетки, — поясняет заведующая Лабораторией микрофизиологических систем НИУ ВШЭ Диана Мальцева. — Кроме того, подавление экспрессии или активности белка SBDS может оказаться универсальным подходом для поддержания стволовых клеток в условиях in vitro».

Полученные в работе данные также помогают лучше понять природу дефектов развития, вызванных синдромом Швахмана — Даймонда, генетическим заболеванием, связанным с мутацией белка SBDS. 

Предложенная методика может найти широкое применение в клеточной биологии, в исследованиях, связанных с регенеративной медициной. В частности, она может быть полезна как для поиска оптимальных условий культивирования различных клеток и разработки протоколов дифференцировки стволовых клеток, так и для глубокого изучения функций отдельных белков.

Вам также может быть интересно:

Российские ученые рассчитали, как лучше всего распределять награды в командных турнирах

Исследователи из Международной лаборатории экономики нематериальных активов ВШЭ вывели функцию расчета вознаграждений для победителей и призеров командных соревнований. В работе использовалась статистика турниров по киберспорту. Полученный принцип позволит выстроить оптимальную структуру призов в групповых турнирах в любой сфере, в том числе в бизнесе или битве патентов. Результаты исследования опубликованы в Journal of Economic Behavior & Organization.

Ученые предложили новый способ борьбы с раком

Коллаборация исследователей при участии специалистов Международной лаборатории биоинформатики факультета компьютерных наук НИУ ВШЭ представила новый способ борьбы с трудноизлечимой меланомой. Ученые обнаружили, что одна из форм молекулы ДНК, попадая в раковые клетки, способна вызвать иммунный ответ, аналогичный реакции организма на вирус. В результате погибают клетки, поддерживающие рост опухоли, а пациент снова начинает реагировать на противораковую терапию. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Ученые из Москвы и Владивостока вместе изучают институты и предпочтения в экономическом поведении

До 20 мая продолжается прием заявок от подразделений НИУ ВШЭ на открытый конкурс проектов «Зеркальные лаборатории» 2022 года. Одна из зеркальных лабораторий, успешно работающих сегодня, была создана по итогам аналогичного конкурса в 2020 году учеными-экономистами из НИУ ВШЭ и Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) для изучения институтов и предпочтений в экономическом поведении. Как организовано сотрудничество коллег из Москвы и Владивостока, рассказывает заведующий Международной лабораторией экспериментальной и поведенческой экономики НИУ ВШЭ Алексей Белянин.

Пандемия спровоцировала рост стрессовых расстройств среди врачей

Психологи из НИУ ВШЭ совместно с коллегами из Екатеринбурга провели исследование о влиянии пандемии на психологическое здоровье российских врачей: оказалось, что медицинские работники чаще стали страдать от стресса, тревоги и депрессии. Результаты работы опубликованы в журнале International Journal of Environmental Research and Public Health.

В НИУ ВШЭ начала работу Международная лаборатория ландшафтной экологии

Ее заведующим стал Роберт Сандлерский — специалист по изучению энергомассообмена и других свойств ландшафтов по данным космической съемки, старший научный сотрудник Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН. Чем будет заниматься лаборатория, он рассказал в интервью новостной службе портала.

В новой международной лаборатории будут изучать молнию и разряды в вулканических извержениях

В Высшей школе экономики открылась Международная лаборатория изучения и диагностики опасных геофизических явлений. Чем она будет заниматься, почему это важно для науки и практики, какая роль в ее работе отводится международному сотрудничеству, рассказал заведующий лабораторией, заместитель директора МИЭМ НИУ ВШЭ Александр Костинский.

Алексей Вагов: «Метаматериалы должны служить людям»

Одна из новых международных лабораторий, которая начнет работать в Высшей школе экономики в 2022 году, — Центр квантовых метаматериалов, создаваемый на базе МИЭМ. Об основных направлениях его исследований, о коллективе и перспективах научного сотрудничества рассказал заведующий центром Алексей Вагов.

В нижегородском кампусе НИУ ВШЭ продолжат изучение динамических систем под руководством ведущего ученого

Принято решение о продлении на 2022–2023 годы мегагранта, который был выделен российским правительством Международной лаборатории динамических систем и приложений нижегородского кампуса НИУ ВШЭ. Ее научным руководителем является крупнейший специалист в области динамических систем профессор Имперского колледжа Лондона Дмитрий Тураев. О результатах, которых удалось достичь коллективу лаборатории к сегодняшнему дню, и о планах работы на ближайшие два года он рассказал новостной службе портала.

Международная лаборатория социальной нейробиологии будет изучать влияние фейковых новостей на поведение человека

Принято решение о продлении на 2022–2023 годы мегагранта, который был выделен российским правительством Международной лаборатории социальной нейробиологии НИУ ВШЭ, созданной два года назад под руководством ведущего финского нейробиолога Ииро Яскелайнена. О научных результатах, которых удалось достичь за этот период, и о перспективах работы на следующие два года рассказал заведующий лабораторией Василий Ключарев.

В НИУ ВШЭ появятся три новые международные лаборатории

Две международные лаборатории будут созданы в МИЭМ, одна на факультете географии и геоинформационных технологий ВШЭ. Всего на конкурс было подано 17 заявок, 3 из которых поддержаны.