Стволовые клетки этих червей — «перевоплощенцы» в развитии

Планарии — мелкие водные черви, известные своей регенеративной способностью. Если разрезать одного на десять частей, получится десять полноценных червей.

В то время как у людей есть пулы специализированных стволовых клеток, которые могут создавать наши регенерирующие части тела, такие как волосы и кожа, эти черви обязаны своими регенеративными суперспособностями особому типу стволовых клеток — необластам. По крайней мере, некоторые из этих клеток являются «плюрипотентными», то есть могут делиться, создавая практически любой тип клеток в теле червя в любое время. Необласты — единственные делящиеся клетки у планарий; полностью дифференцированные клетки, например, глаз или кишечника, снова делиться не могут.

Теперь, в статье, опубликованной 20 апреля в журнале Cell Stem Cell, исследователи из Института Уайтхеда представляют новую модель того, как эти стволовые клетки определяют свою судьбу и создают полностью дифференцированные клетки. Процесс клеточной дифференцировки часто рассматривается как иерархия, где на вершине находится одна особая стволовая клетка, которая может пройти ряд потенциальных путей, чтобы достичь специализированного состояния. Считается, что это происходит в ходе серии клеточных делений, где судьба каждого поколения постепенно ограничивается.

«Мы предполагаем, что происходит нечто совершенно иное от общепринятого взгляда, — говорит старший автор Питер Реддиен. — Мы считаем, что стволовые клетки могут совершать большие скачки в состоянии, не проходя через серию делений с ограничением судьбы. Мы называем это моделью одношагового определения судьбы».

В новой модели необласты, вставшие на путь создания клеток кожи или кишечника, могут производить клетки-потомки, способные сменить судьбу и создавать клетки других типов.

Пересмотр иерархии

Необласты можно разделить на множество «классов». Например, один класс содержит все материалы для создания клеток кожи, другие — необходимый инструментарий для формирования примитивных почек или кишечника червя. Согласно иерархической модели, эти специализированные необласты являются промежуточными звеньями между плюрипотентной клеткой на вершине и неделящимися клетками тела.

Однако Рац, Реддиен и Омри Вурцель начали ставить это предположение под сомнение, заметив несколько загадочных свойств клеток планарий.

Во-первых, ранее исследователи наблюдали, что когда планарию облучают, чтобы убить все существующие стволовые клетки, один необласт может спасти животное, образовав колонию, содержащую множество различных классов необластов. Если бы, как предполагали предыдущие теории, существовал один класс необласта, порождающий все эти типы, то этот класс должен был бы присутствовать в каждой образовавшейся колонии. Однако, создав множество таких колоний и проанализировав их состав, исследователи увидели, что это не так. «Для каждого класса, который мы изучали, было множество колоний, в которых этого класса вообще не было», — говорит Реддиен.

Другой проблемой стало то, что математика делений клеток планарий и их потенциала не сходилась в рамках иерархической модели. В предыдущем исследовании по трансплантации клеток лаборатория Реддиена обнаружила, что многие протестированные необласты были плюрипотентными — в этом исследовании их доля оказалась больше, чем можно было бы ожидать, если бы плюрипотентными были только неспециализированные необласты. «Когда вы складываете все различные виды специализированных необластов, это как минимум три четверти популяции необластов, и почти наверняка больше», — говорит Рац. Поэтому исследователи задались вопросом, могут ли некоторые специализированные необласты также быть плюрипотентными.

Другое исследование той же лаборатории показало, что специализированные на коже необласты не сохраняли эту судьбу дольше одного клеточного деления. Кроме того, примерно в половине всех делений клеток планарий две дочерние клетки отличаются друг от друга. Это указывало на возможность того, что специализированные необласты могут делиться асимметрично как возможный путь к смене судьбы стволовых клеток.

Кроме того, временные рамки регенерации не соответствовали иерархической модели — скорость, с которой планарии могли отращивать части тела, не позволяла провести несколько раундов делений с ограничением судьбы.

Проведя эксперименты для изучения этих различных ситуаций, Рац, Вурцель и Реддиен смогли обосновать свою новую модель клеточной дифференцировки. «Мы думаем, что у планарий существует огромная пластичность в общей популяции стволовых клеток, где отдельные клетки могут переходить в разные специализированные стадии и выходить из них в процессе клеточного деления, чтобы дать начало тому, что требуется», — говорит Рац.

«Это только начало изучения этого процесса, хотя мы исследуем его много лет, — говорит Реддиен. — Основываясь на модели, мы предполагаем, что клетки могут выбрать одну судьбу, а затем в процессе деления с асимметричным исходом одна из дочерних клеток может снова делиться и выбрать другую судьбу. Этот процесс переключения судьбы может быть фундаментальным для объяснения плюрипотентности».

Лаборатория Реддиена продолжит исследовать механизмы спецификации судьбы необластов, в том числе то, как специализация соотносится с временем клеточного цикла.