Изменение «губчатости» ядер клеток помогает им определять свою судьбу

Исследователи из Столичного университета Токио обнаружили, как губчатость и липкость ядер стволовых клеток контролирует их «дифференцировку» в специализированные клетки. Они выяснили, что ядро изначально ведет себя как твердое тело, но со временем становится более жидкообразным. Меньше силы передается его внутренним частям, что позволяет клеткам окончательно выбрать определенный путь дифференцировки. Вопрос о том, как стволовые клетки выбирают и сохраняют пути дифференцировки, остается ключевым для медицинской науки.

Подход новой области механобиологии заключается в изучении реакции живых материалов на физические стимулы, такие как мягкость внутренней и внешней среды клетки. Комплексные смеси, подобные содержимому клетки, обладают как губчатыми, твердообразными (упругость), так и липкими, жидкообразными (вязкость) свойствами, что в сумме дает более полное описание реакции материалов на силы — вязкоупругость.

Команда под руководством доцента Хироми Миёси изучала ядра мезенхимальных стволовых клеток человека, которые могут созревать («дифференцироваться») в широкий спектр клеток, включая мышечные, жировые, костные и хрящевые. Они вводили крошечные инертные шарики в ядра, где те колебались под действием тепловой энергии окружающей среды. Изучая это движение и измеряя вязкоупругость внутренней части ядра методом микрореологии, команда получила две величины: модули накопления и потерь, соответствующие упругости и вязкости материала. Впервые вязкоупругость ядер была отслежена на протяжении всего процесса дифференцировки в остеобласты (клетки костной ткани) в человеческих стволовых клетках.

По мере дифференцировки и специализации клеток ядра становились менее твердыми и более жидкообразными. Когда твердый шар вещества толкают, сила передается непосредственно к его ядру. Это не так, когда материал более вязкий, чем упругий. Становясь более жидкообразным, ядро становится менее восприимчивым к внешним силам по мере дифференцировки, все больше закрепляясь на выбранном пути — это баланс между пластичностью (восприимчивостью к изменениям) и гомеостазом (сопротивлением изменениям).

Изучая распределение ДНК в ядре, исследователи обнаружили, что большая часть изменений вязкоупругих свойств ядра связана с агрегацией хроматина — многокомпонентных структур из ДНК и белков.

Долгое время считалось, что агрегация хроматина связана исключительно с подавлением определенных генов (конденсация хроматина делает ДНК нечитаемой). Теперь результаты команды показывают, что она также служит совершенно другой цели — тонкой настройке восприимчивости ядра к внешним силам, особенно для обеспечения возможности закрепиться на определенном пути дифференцировки. Эти выводы являются важной вехой в понимании сложной работы системы, лежащей в основе развития большей части человеческого тела.