Эмбриональные стволовые клетки переключают метаболизм по принципу раковых при имплантации в матку

Исследователи из Сиэтла обнаружили, что вскоре после начала формирования эмбриона мыши часть его стволовых клеток претерпевает резкий метаболический сдвиг, чтобы перейти к следующей стадии развития. Эти клетки начинают использовать и производить энергию подобно раковым клеткам.

Исследование опубликовано в журнале EMBO.

«Эти результаты важны не только для изучения стволовых клеток и развития эмбрионов, но и для терапии рака», — отмечает старший автор работы, профессор биохимии Университета Вашингтона доктор Ханнеле Руохола-Бейкер.

Метаболический переход происходит на очень ранней стадии, когда эмбрион мыши, представляющий собой крошечную группу делящихся клеток, имплантируется в матку. Изменение запускается условиями низкого содержания кислорода (гипоксии).

Учёные также обнаружили специфическое замедление биохимической активности в митохондриях — «энергостанциях» клеток. Ранее этот феномен связывали со старением и болезнями. Впервые показано, что такое замедление управляет нормальным ранним эмбриональным развитием.

«Это замедление совпадает с моментом, когда формируется зародышевая линия — хранитель генома для следующего поколения. Возможно, снижение уровня активных форм кислорода в митохондриях — это природный способ защитить будущее», — поясняет Руохола-Бейкер.

Эмбриональные стволовые клетки плюрипотентны: они могут самообновляться и превращаться в любую клетку тела. Однако «плюрипотентные стволовые клетки бывают нескольких видов» и отличаются по своим свойствам.

Клетки внутренней клеточной массы свободно плавающего эмбриона мыши и клетки эпибласта (стадии имплантации) — разные. Клетки эпибласта мыши больше похожи на человеческие эмбриональные стволовые клетки и на раковые клетки.

У человеческих стволовых клеток и клеток эпибласта мыши митохондриальное дыхание менее активно, чем у клеток более ранней стадии, несмотря на наличие у них более зрелых митохондрий. Исследователи подтвердили, что при переходе от внутренней клеточной массы к эпибласту активность определённых генов, контролирующих митохондрии, снижается.

Вместо этого клетки получают энергию исключительно за счёт расщепления сахара — глюкозы. Клетки более ранней стадии имеют больше вариантов и могут динамически переключаться между митохондриальным дыханием и гликолизом.

Условия низкого кислорода активируют транскрипционный фактор гипоксия-индуцибельный фактор 1α (HIF-1α). Этого фактора достаточно, чтобы заставить эмбриональные стволовые клетки мыши полностью перейти на гликолиз. Следующая задача — выяснить, является ли это метаболическое переключение определяющим для судьбы этих клеток как при нормальном развитии, так и при развитии рака.

У раковых клеток такой переход к метаболизму на основе расщепления глюкозы известен как эффект Варбурга. Он запускает биохимические процессы, обеспечивающие топливо и материалы для быстрого роста и деления опухолевых клеток.

Учёные предполагают, что эффект Варбурга в эмбриональных клетках может выполнять аналогичную функцию, подготавливая организм к резкому скачку эмбрионального роста и формированию зародышевых листков, из которых впоследствии образуются органы и другие структуры тела.