Порядок из шума: как случайность и коллективная динамика определяют стволовую клетку

Стволовые клетки играют ключевую роль в развитии и обновлении органов. Способность делиться и дифференцироваться в различные типы клеток — их ключевые свойства. Однако научное сообщество ведет дискуссию о том, возникают ли стволовые клетки благодаря внутренним свойствам или в результате коллективной динамики самой ткани. По второму сценарию, потенциальные стволовые клетки постоянно конкурируют за место в специфических «нишевых» областях. Функциональной стволовой клеткой становится та, что выигрывает эту конкуренцию, а проигравшие выталкиваются из ниши, дифференцируются и в итоге погибают.

Группа Эдуарда Ханнецо из IST Austria совместно с исследователями из Национального института рака Нидерландов и Кембриджского университета изучила механизмы преодоления этих выталкивающих сил. С помощью микроскопа для прижизненной визуализации они записали движения стволовых клеток в тканях молочной железы, кишечника и почки. Команда обнаружила, что помимо постоянного потока и выталкивающих сил, наблюдалось множество случайных движений.

«Знаменитая поговорка в сфере недвижимости — "место, место, место". В случае со стволовыми клетками это трансформируется в "место определяет стволовость" (а не наоборот). Тогда случайные движения становятся ключевыми, так как позволяют попасть в правильное место, даже если ты начал в неправильном», — резюмирует Эдуард Ханнецо.

В рамках этой модели ткани похожи на выход со станции метро в час пик, где некоторые люди могут случайным образом развернуться против общего потока, пытаясь снова сесть в метро. Случайные движения позволяют клеткам, удаленным от ниши, в конечном итоге вернуться в нее.

«Мы хотели понять, что определяет количество и динамику стволовых клеток, и в какой степени на это можно ответить, математически исследуя только движения клеток и геометрию органов», — говорит ведущий ученый исследования Бернат Короминас-Муртра.

Ученые математически сопоставили эту стохастическую клеточную динамику с геометрией органов и смогли предсказать, среди прочего, количество функциональных стволовых клеток (тех, что могут вовремя попасть в нужное место, учитывая уровень шума/подвижности в системе). Они обнаружили, что в процессе обновления или роста ткани стволовые регионы формируются естественным образом, без необходимости делать предположения о молекулярной природе клеток. Таким образом, ученые показали, что одна лишь динамика и геометрия играют существенную роль.

«Можно было бы ожидать, что случайность клеточных движений размывает свойства системы или делает ее менее стабильной. Вместо этого она является ключом к возникновению устойчивых, сложных паттернов, таких как область стволовых клеток, которая замечательным образом совпадает с ранее идентифицированной с помощью биомолекулярных маркеров отдельных клеток», — описывает результаты Бернат Короминас-Муртра.

Эти результаты вносят вклад в открытую дискуссию о природе стволовых клеток в тканях и потенциально открывают новое измерение в понимании обновления органов.