Успешная дифференцировка стволовых клеток требует компактизации ДНК

Новое исследование показывает, что эмбриональные стволовые клетки, неспособные полностью уплотнить свою ДНК, не могут выполнить свою главную задачу — дифференцироваться в специфические типы клеток, дающие начало различным тканям и структурам организма.

Учёные из Технологического института Джорджии и Университета Эмори установили, что для правильной дифференцировки эмбриональных стволовых клеток необходима компактизация хроматина. Хроматин, состоящий из гистоновых белков и ДНК, упаковывает ДНК в меньший объём, чтобы она поместилась в клетке.

Исследование, опубликованное 10 мая 2012 года в журнале PLoS Genetics, показало, что эмбриональные стволовые клетки, лишённые нескольких подтипов гистона H1 и демонстрирующие сниженную компактизацию хроматина, имели нарушения дифференцировки в различных сценариях и были неэффективны в подавлении генов, которые необходимо "замолчать" для запуска дифференцировки.

«Наше исследование впервые показывает, что эта компактизация — не просто следствие процесса дифференцировки, а необходимое условие для его нормального протекания», — заявила Юхун Фань, доцент Школы биологии Технологического института Джорджии.

Ключевые результаты исследования

• Для изучения влияния линкерных гистонов и укладки хроматина использовались эмбриональные стволовые клетки, лишённые трёх подтипов гистона H1 (H1c, H1d и H1e).
• Клетки с "тройным нокаутом" H1 долго сопротивлялись спонтанной дифференцировке, имели нарушения при образовании эмбриоидных тел (3D-скоплений клеток) и не могли сформировать качественную сеть нервных клеток.
• Большинство таких клеток сохраняли плотную структуру колонии, характерную для недифференцированных клеток, и долго экспрессировали высокие уровни гена Oct4, который поддерживает плюрипотентность и должен быть подавлен для начала дифференцировки.
• Образованные из H1-дефицитных клеток эмбриоидные тела в роторной суспензионной культуре часто не имели дифференцированных структур и демонстрировали признаки недифференцированных стволовых клеток. Их дифференцировка во все три зародышевых листка (эктодерму, мезодерму и эндодерму) была нарушена.
• Восстановление одного из удалённых подтипов H1 в эмбриоидных телах приводило к нормальному подавлению Oct4 и возобновлению дифференцировки.
• В эксперименте по направленной дифференцировке в нервные клетки только 10% H1-дефицитных эмбриоидных тел формировали нейриты (в среднем по 8 на тело), тогда как у нормальных клеток этот показатель составлял 50% (в среднем по 18 нейритов).

Значение и перспективы

Исследование выявило новую, регуляторную функцию гистона H1, который ранее был известен в основном как структурный компонент хромосом. Он участвует в контроле генов, направляющих дифференцировку стволовых клеток, через эпигенетическое подавление генов плюрипотентности.

«Значительное снижение уровня H1 не мешает самообновлению эмбриональных стволовых клеток, но, по-видимому, нарушает дифференцировку», — пояснила Юхун Фань.

В будущей работе учёные планируют выяснить, можно ли, контролируя уровни гистона H1, влиять на репрограммирование взрослых клеток для получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC).