Учёные научились управлять эмбриональными стволовыми клетками с помощью света

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) впервые разработали метод точного управления дифференцировкой эмбриональных стволовых клеток с помощью лучей света, что позволяет превращать их в нейроны в ответ на внешний сигнал.

Техника также выявила наличие внутреннего таймера в стволовых клетках, который позволяет им игнорировать внешний биологический «шум», но быстро превращаться в зрелые клетки при обнаружении устойчивого и подходящего молекулярного сигнала. Результаты опубликованы 26 августа в журнале Cell Systems.

Как клетки принимают решение

Во время эмбрионального развития стволовые клетки следуют точно выверенному графику, превращаясь из нейтральной, недифференцированной формы во все основные системы органов. Учёные выявили множество молекулярных сигналов, указывающих клеткам, когда и во что превращаться. Однако на практике массовое управление стволовыми клетками оказалось сложной задачей.

Было обнаружено, что многие гены, кодирующие эти сигналы, постоянно включаются и выключаются в недифференцированных клетках, создавая «шум». Оставалось загадкой, как клетки игнорируют эти колебания, но быстро реагируют на истинные сигналы.

Эксперимент с контролем светом

Чтобы это выяснить, команда под руководством Мэтью Томсона сконструировала культивируемые эмбриональные стволовые клетки мыши, в которых импульс синего света мог включать ген Brn2 — мощный сигнал к нейронной дифференцировке. Регулируя силу и длительность световых импульсов, учёные могли точно контролировать «дозу» Brn2 и наблюдать за реакцией клеток.

Оказалось, что если сигнал Brn2 был достаточно сильным и длительным, клетки быстро начинали превращаться в нейроны. Если же сигнал был слишком слабым или кратким, клетки полностью его игнорировали.

Роль молекулярного таймера

Чтобы понять механизм, с помощью CRISPR-Cas9 был добавлен флуоресцентный метка к транскрипционному фактору Nanog, который обычно подавляет дифференцировку. Выяснилось, что Nanog сам является ключом к чувству времени клетки.

Когда сигнал Brn2 включается, он нарушает молекулярную петлю обратной связи, поддерживающую клетку в стабильном, недифференцированном состоянии. В ответ уровень белка Nanog начинает падать. Однако для его полного рассеивания требуется около четырёх часов, что делает Nanog идеальным внутренним секундомером.

• Если сигнал Brn2 окажется случайным, уровень Nanog может быстро восстановиться, и клетка не отреагирует.
• Если же Nanog иссякнет, а сигнал Brn2 всё ещё будет активен, срабатывает «звонок», и клетки начинают быстро превращаться в нейроны.

Перспективы и значение

Мэтью Томсон полагает, что аналогичные механизмы таймера могут управлять дифференцировкой стволовых клеток в различные ткани. В будущем эта технология, индуцируемая светом, может быть использована для изучения того, как стволовые клетки создают сложные трёхмерные ткани. Теоретически, можно будет осветить «ванну» из недифференцированных клеток определённым световым узором и получить сложную структуру из разных тканей, пригодную для трансплантации.

«Если мы хотим точно управлять судьбой клетки, мы должны понимать механизмы обработки информации в клетке, которые контролируют её реакцию на наши воздействия», — резюмирует Мэтью Томсон.