Как планарии сохраняют свои пулы стволовых клеток на протяжении поколений

Планарии — мастера регенерации, способные восстанавливать любую часть тела после ампутации. Эта способность зависит от большого количества плюрипотентных стволовых клеток. Чтобы изучить механизмы, позволяющие планариям поддерживать свой пул стволовых клеток, учёные разработали метод анализа состава этих клеток и оборота их белков. Они обнаружили белок, необходимый для поддержания пула стволовых клеток у планарий и потенциально активный также в плюрипотентных стволовых клетках млекопитающих.

Плюрипотентность не только у эмбрионов: необласты планарий

Ключ к регенерации — популяция мелких клеток, необластов, размером около пяти микрометров. Они ведут себя как стволовые клетки: делятся, обновляются и могут формировать различные утраченные типы клеток. Если необласты уничтожить (например, облучением), планария теряет способность к регенерации и погибает. Трансплантация даже одного необласта в облучённого червя может восстановить все типы клеток и регенеративную способность, что доказывает плюрипотентность по крайней мере части необластов. У здоровых млекопитающих плюрипотентность (способность одной клетки производить любой тип клеток организма) характерна только для ранней эмбриональной стадии. Таким образом, планарии представляют собой уникальную модель «in-vivo чашки Петри» для изучения плюрипотентных стволовых клеток в их естественной среде.

Современные технологии для изучения древних червей

Интерес к планариям резко возрос с появлением возможности «выключать» специфические гены с помощью РНК-интерференции (RNAi), секвенирования генома вида Schmidtea mediterranea и методов нового поколения (next generation sequencing). Эти методы позволяют анализировать профили экспрессии генов (мРНК), которые активируются, например, после ампутации. Однако наличие мРНК не обязательно отражает количество активного в клетке белка, который и контролирует большинство клеточных процессов. Поэтому потребовались подходы, выходящие за рамки анализа экспрессии генов.

«Белковый отпечаток» стволовых клеток

Для количественного измерения белков в стволовых клетках планарий был применён метод SILAC (Stable Isotope Labelling by Amino Acids in Cell Culture). Его удалось адаптировать, используя естественную диету червей: им скармливали печень от SILAC-мышей, содержащую «тяжёлые» аминокислоты (например, 13C₆ лизин). Примерно через 20 недель все белки планарий были помечены. Это позволило с помощью количественной масс-спектрометрии сравнить обилие белков в разных тканях и в разное время, а также оценить время жизни белков.

Было идентифицировано около 4000 белков. Примерно десятая часть из них накапливалась в стволовых клетках, формируя их «белковый отпечаток» (протеом стволовых клеток). Удивительно, что более трети этих белков могли быть связаны с регуляцией самой продукции белка, что подтверждает: уровень мРНК не всегда отражает количество соответствующего белка.

Ядерный белок с потенциалом: Ncoa5

В протеоме стволовых клеток был обнаружен ядерный белок Ncoa5 (nuclear receptor co-activator 5), ранее не связанный напрямую со стволовыми клетками. Он принадлежит к семейству белков, контролирующих активацию генов.

Целенаправленное отключение гена Ncoa5 с помощью RNAi привело к серьёзным дефектам регенерации: планарии теряли все свои стволовые клетки в течение нескольких недель. Интересно, что в экспериментах на эмбрионах мыши экспрессию Ncoa5 удалось обнаружить в плюрипотентных клетках раннего эмбриона.

Дальнейшие исследования направлены на выяснение механизма, с помощью которого Ncoa5 способствует сохранению пула стволовых клеток у планарий, и на то, необходим ли его аналог у мыши для поддержания плюрипотентности.