Химическое перепрограммирование превращает клетки кожи человека и мыши в нейроны

Две лаборатории в Китае независимо друг от друга добились превращения клеток кожи в нейроны, используя только коктейль химических веществ. Одна группа работала с клетками человека от здоровых доноров и пациентов с болезнью Альцгеймера, другая — с клетками мышей. Оба исследования, опубликованные 6 августа в журнале Cell Stem Cell, подтверждают, что чисто химический подход — перспективный способ масштабирования исследований по перепрограммированию клеток, который может избежать технических сложностей и проблем безопасности, связанных с более популярным методом использования транскрипционных факторов.

Одна из проблем принудительного изменения идентичности клеток заключается в том, что полученные клетки могут выглядеть нормально, но иметь иную внутреннюю активность, чем их естественные аналоги. Обе работы предоставляют доказательства, что в нейронах, индуцированных химическими коктейлями, можно обнаружить сходный профиль экспрессии генов, потенциалы действия и формирование синапсов, как и в нейронах, полученных с помощью транскрипционных факторов. Обе группы использовали смеси из семи малых молекул, но разные рецепты (описанные в дополнительных материалах к статьям), так как фокусировались на разных видах.

«Мы обнаружили, что процесс конверсии, индуцированный нашей химической стратегией, сопровождается подавлением генов, специфичных для [клеток кожи], и повышенной экспрессией нейрональных транскрипционных факторов», — сказал соавтор исследования на клетках человека Цзянь Чжао из Шанхайского института биологических наук и Университета Тунцзи. «Координируя множественные сигнальные пути, эти малые молекулы модулируют экспрессию генов нейрональных транскрипционных факторов и тем самым способствуют переходу к нейрональной клетке». Авторы добавляют, что прямая конверсия обходит стадию пролиферации промежуточных клеток-предшественников, что позволяет обойти проблемы безопасности других методов перепрограммирования.

Работа Цзянь Чжао, выполненная совместно с клеточным биологом Ган Пэем, также показывает, что чисто химический протокол можно использовать для создания нейронов из клеток кожи пациентов с болезнью Альцгеймера. Большая часть работ с пациент-специфичными стволовыми клетками выполнялась с использованием транскрипционных факторов для создания индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Химическое перепрограммирование клеток рассматривается как альтернатива для моделирования заболеваний или даже потенциальной клеточной заместительной терапии неврологических расстройств, но «доказательство концепции» всё ещё формируется.

«По сравнению с использованием трансгенных факторов перепрограммирования, малые молекулы, применяемые в этом химическом подходе, проницаемы для клеток; экономически эффективны; их легко синтезировать, сохранять и стандартизировать; и их эффекты могут быть обратимыми», — говорит соавтор исследования на мышах Хункуй Дэн из Исследовательского центра стволовых клеток Пекинского университета. «Кроме того, использование малых молекул можно тонко настраивать, регулируя их концентрации и продолжительность воздействия. Этот подход обходит технические сложности и проблемы безопасности генетических манипуляций, что может быть перспективным для будущих применений».

Дэн в течение четырёх лет работал с Чжэнь Чай и Ян Чжао (также из Пекинского университета) над идентификацией малых молекул, способных создавать химически индуцированные нейроны мыши. Исследователи были близки к успеху в течение многих лет, но для завершения трансформации всегда требовался транскрипционный фактор. В результате множественных химических скринингов они определили ключевой компонент — I-BET151, который подавляет транскрипцию в клетках кожи. Затем они нашли правильные шаги и условия для созревания нейронов после трансформации.

Авторы обеих статей стремятся узнать больше о биологии химически индуцированного перепрограммирования и сделать протоколы более эффективными. Несмотря на успех, предстоит преодолеть ещё ряд препятствий.

«Мы надеемся, что в будущем химические подходы будут более эффективны в индукции функционально зрелых нейронов», — говорит Дэн. «Кроме того, мы пытаемся генерировать специфические подтипы нейронов и функциональные нейроны от конкретных пациентов для трансляционной медицины, используя только химические вещества».

Цзянь Чжао, автор исследования на клетках человека, говорит: «Должно быть возможно генерировать разные подтипы нейронов с помощью аналогичного химического подхода, но с использованием слегка модифицированных химических коктейлей». Она добавляет: «Также необходимо выяснить, можно ли индуцировать функциональные нейроны химическими коктейлями в живых организмах с неврологическими заболеваниями или травмами».