Бактериальная модель показывает, как наши тела предотвращают взрывы популяций и рак

Для стабильности численности любой популяции во времени её рождаемость и смертность должны быть сбалансированы. Нарушение баланса может привести либо к взрывному росту, либо к сокращению популяции. Такое равновесие существует, например, среди ~10 000 миллиардов клеток, составляющих наше тело.

У взрослого человека стволовые клетки делятся для обновления тканей, но после нескольких делений они созревают, делятся ещё несколько раз и умирают. Мы замечаем это равновесие лишь при его нарушении — например, при неконтролируемом делении клеток и развитии рака.

Баланс между делящимися и зрелыми клетками — предпосылка существования любого многоклеточного организма. В новом исследовании, опубликованном в Cell, учёные из Института Вейцмана использовали одноклеточные организмы, чтобы понять, как многоклеточные поддерживают это равновесие и защищаются от рака.

Дифференцировка клеток — это биологическая «специализация», при которой стволовая клетка делится на две дочерние, одна из которых приобретает определённую роль и теряет способность к делению. Это полезно для организма, но делает дифференцированные клетки уязвимыми перед популяциями, которые делятся быстрее и могут захватить ткань и ресурсы. Например, при некоторых видах рака крови мутация в стволовых клетках костного мозга замедляет их дифференцировку, позволяя производить больше дочерних стволовых клеток и приводя к захвату популяции мутантами.

Несмотря на то, что в среднем одна мутация происходит при каждом делении клеток в нашем теле, большинство людей десятилетиями остаются здоровыми. Это указывает на существование эффективных механизмов противодействия угрозе захвата.

Учёные из исследовательской группы профессора Ури Алона решили создать модель на основе бактерий E. coli, которые в норме не дифференцируются. Они искусственно заставили их пройти процесс дифференцировки, чтобы изучить, как популяция клеток справляется с захватом мутантами.

«У модели E. coli есть ряд преимуществ, — объясняет доктор Дэвид Гласс, руководивший исследованием. — Одно из них — короткое время генерации, позволившее изучить развитие мутантов на протяжении сотен поколений в лаборатории».

Для создания дифференцирующихся E. coli исследователи вдохновлялись цианобактериями Anabaena, которые дифференцируются (вырезая определённые сегменты ДНК) в ответ на нехватку азота. Хотя дифференцированные бактерии теряют способность делиться, они получают важное преимущество для выживания: возможность снабжать себя и всю колонию азотом.

Чтобы смоделировать этот процесс, учёные выращивали E. coli в среде с антибиотиками, но без незаменимой аминокислоты. С помощью генной инженерии в каждую бактерию встроили несколько копий гена устойчивости к антибиотикам и несколько копий гена, производящего недостающую аминокислоту.

До начала искусственной дифференцировки (в состоянии, эквивалентном стволовым клеткам) гены устойчивости были активны, позволяя бактериям быстро делиться. При запуске дифференцировки (путём вырезания генов устойчивости) бактерии постепенно теряли способность к делению, но приобретали преимущество: разрезы в ДНК активировали гены, производящие необходимую аминокислоту.

«Чтобы определить оптимальную скорость дифференцировки, мы устроили соревнование между 11 штаммами E. coli, каждый из которых вырезал сегменты ДНК (то есть дифференцировался) с разной скоростью, — объясняет Гласс. — Мы смешали равные количества бактерий, выращивали их несколько дней и проверили, кто выжил».

Была обнаружена сильная селекция в пользу бактерий, дифференцирующихся с умеренной скоростью. Штаммы с умеренной скоростью дифференцировки поддерживали оптимальный баланс типов клеток в популяции: в любой момент лишь меньшинство клеток были «чистыми стволовыми» или «полностью дифференцированными», а большинство находились в промежуточных состояниях.

Эта оптимальная, умеренная скорость дифференцировки характерна и для различных систем человеческого тела, где поддерживается количественный баланс между стволовыми клетками, клетками-предшественниками на разных стадиях дифференцировки и зрелыми клетками, которые периодически умирают и заменяются новыми.

Чтобы проверить, сохраняется ли равновесие при изменении условий, исследователи выращивали бактерии в 36 различных комбинациях концентраций антибиотика и аминокислоты в среде.

«Мы увидели, что в каждой ситуации — кроме самых экстремальных, например, полного отсутствия антибиотиков — оптимальная скорость дифференцировки клеток оставалась в умеренном диапазоне, и равновесие поддерживалось, — говорит Гласс. — Это означает, что популяционное равновесие в нашей модели в значительной степени устойчиво к изменениям среды и угрозам».

Но устойчива ли такая популяция бактерий к захвату мутантами, как системы многоклеточных организмов?

Чтобы это проверить, учёные выращивали бактерии на протяжении многих поколений, проверяя, появятся ли случайные мутации, создающие бактерии, которые вообще не дифференцируются и делятся бесконтрольно.

В первом эксперименте захват мутантами произошёл в половине случаев. «Мы обнаружили, что когда генетическое изменение разрывает связь между замедлением дифференцировки и получением преимущества для выживания, мутанты, не дифференцирующиеся, могут захватить популяцию», — добавляет Гласс.

Затем эксперимент повторили с новым штаммом бактерий, генетически модифицированным для устойчивости к выявленной мутации. «Нам удалось вырастить около 270 поколений дифференцирующихся бактерий, и захват мутантами не произошёл. К сожалению, вторжение в Израиль 7 октября прервало эксперимент, и бактерии, возможно, ещё более устойчивы», — говорит Гласс.

«Мы показали, что система, в которой дифференцирующиеся клетки E. coli перестают делиться, но получают преимущество для выживания, может поддерживать оптимальный популяционный баланс и предотвращать захват мутантами. Многие болезни, такие как рак и аутоиммунные расстройства, уникальны для многоклеточных организмов. Когда мы генетически воссоздаём всё больше характеристик многоклеточных систем в одноклеточных организмах, мы можем выявлять слабые места и искать их также в человеческих тканях».

«Помимо фундаментальной науки, эти новые результаты могут повлиять на использование бактерий в промышленности, — добавляет Гласс. — Генно-инженерные бактерии в настоящее время используются для крупномасштабного производства инсулина, ферментов и других веществ. Создание популяции дифференцирующихся бактерий, которая поддерживает своё равновесие, обновляется и даже предотвращает захват мутантами, может быть очень полезным в этих производственных процессах».