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.