Расшифровка судьбы клеток: идентифицирован ключевой механизм переключения стволовых клеток.
Стволовые клетки могут дифференцироваться, заменяя мертвые и поврежденные клетки. Но как стволовые клетки решают, каким типом клеток стать в той или иной ситуации? Используя кишечные органоиды, группа Бон-Кён Ку из IMBA и Института фундаментальных наук идентифицировала новый ген Daam1, который играет важную роль, запуская развитие секреторных клеток в кишечнике.
Это открытие, опубликованное 24 ноября в журнале Science Advances, открывает новые перспективы в исследованиях рака.
Наши тела в некотором смысле похожи на автомобили: чтобы они продолжали функционировать, их необходимо регулярно проверять и ремонтировать. В случае с нашим телом любые поврежденные или мертвые клетки необходимо заменить, чтобы органы функционировали. Эта замена происходит благодаря резидентным в тканях взрослым стволовым клеткам.
В отличие от эмбриональных стволовых клеток , которые могут образовывать в организме любой тип клеток, взрослые стволовые клетки образуют только те типы клеток , которые обнаружены в ткани, к которой они принадлежат. Но как тканеспецифические стволовые клетки узнают, какой тип клеток дать начало?
Габриэле Колоцца, научный сотрудник лаборатории Бон-Кён Ку в IMBA, ныне директор Центра геномной инженерии Института фундаментальных наук в Южной Корее, решила изучить этот вопрос с использованием кишечных стволовых клеток.
Кишечник — постоянная стройка
«В нашем кишечнике клетки подвергаются экстремальным условиям», — объясняет Колоцца. Механический износ, а также пищеварительные ферменты и различные значения pH влияют на клетки кишечника. В свою очередь, стволовые клетки слизистой оболочки кишечника дифференцируются, образуя новые клетки кишечника.
«Поврежденные клетки должны быть заменены, но это тонкий баланс между обновлением стволовых клеток и дифференцировкой в другие типы клеток: неконтролируемая пролиферация стволовых клеток может привести к образованию опухоли; с другой стороны, если дифференцируется слишком много стволовых клеток, ткань будет быть истощены стволовыми клетками и в конечном итоге неспособны к самообновлению».
Этот баланс тонко настраивается сигнальными путями и петлями обратной связи, которые позволяют клеткам взаимодействовать друг с другом. Один важный путь называется Wnt. Путь Wnt известен своей ролью в эмбриональном развитии, и если его не остановить, сверхактивный путь Wnt может привести к чрезмерному делению клеток и образованию опухолей.
Молекулярный партнер идентифицирован
Хорошо известным антагонистом передачи сигналов Wnt, контролирующим Wnt, является Rnf43, который первоначально был идентифицирован Бон-Кён Ку. До этого исследования было известно, что Rnf43 нацеливается на рецептор Wnt Frizzled и маркирует его для деградации.
«Мы хотели знать, как работает Rnf43, а также что, в свою очередь, контролирует Rnf43 и помогает ему регулировать передачу сигналов Wnt». Из более ранних исследований ученые знали, что Rnf43 сам по себе недостаточен для разрушения рецептора Wnt Frizzled, который находится в плазматической мембране.
«В нашем проекте мы использовали биохимические анализы, чтобы определить, какие белки взаимодействуют с Rnf43». Ключевым партнером Rnf43 оказался белок Daam1.
Чтобы понять, как Daam1 регулирует Rnf43 и влияет на ткани, в которых он действует, Колозза обратился к органоидам кишечника .
«Мы обнаружили, что Daam1 необходим для того, чтобы Rnf43 был активным, то есть для того, чтобы Rnf43 вообще мог регулировать передачу сигналов Wnt. Дальнейшая работа в клетках показала, что Rnf43 нуждается в Daam1 для перемещения рецептора Wnt Frizzled в везикулы, называемые эндосомами. Из эндосом Frizzled перемещается в лизосомы, где он разлагается, подавляя передачу сигналов Wnt», — добавляет Колоцца.
Кишечные органоиды представляют собой трехмерные клеточные культуры, выращенные из стволовых клеток кишечника взрослого человека, что позволяет исследователям имитировать слизистую оболочку кишечника.
Для Колоццы органоиды дали возможность понять, как Rnf43 и Daam1 влияют на хрупкий баланс обновления и дифференцировки стволовых клеток в кишечнике. «Мы обнаружили, что когда мы нокаутируем Rnf43 или Daam1, органоиды превращаются в опухолеподобные структуры. Эти опухолеподобные органоиды продолжают расти, даже если мы убираем факторы роста, от которых они обычно зависят, такие как R-спондин».
Включение образования клеток Панета
Когда Колоцца исследовал этот результат на тканях мышей, исследователей ждал сюрприз.
«Когда Rnf43 отсутствовал, в кишечнике, как и ожидалось, росли опухоли. Но когда Daam1 отсутствовал, опухоли не росли. Мы были озадачены этой поразительной разницей: как может потеря факторов в одном и том же пути, которые ведут себя одинаково в органоидах, привести к таким разным результатам?»
Присмотревшись к кишечнику, Колоцца увидел, что в кишечнике, лишенном Rnf43, полно особого типа секреторных клеток — клеток Панета. С другой стороны, кишечник, в котором отсутствует Daam1, не содержит дополнительных клеток Панета. Клетки Панета секретируют факторы роста, такие как Wnt, которые стимулируют деление клеток.
«Daam1 необходим для эффективного образования клеток Панета. Когда Daam1 активен, стволовые клетки дифференцируются с образованием клеток Панета. Когда Daam1 неактивен, стволовые клетки дифференцируются в клетки другого типа».
Опухоли меняют свою нишу для роста
Эта связь между молекулярными результатами и клетками Панета объясняет загадочную разницу между кишечником и органоидами.
«В органоидной культуре мы, ученые, обеспечиваем факторы роста, поэтому нокаут Rnf43 и Daam1 приводит к образованию опухолеподобных органоидов. Но в кишечнике нет маленького ученого, обеспечивающего факторы роста. Вместо этого клетки Панета обеспечивают факторы роста, такие как Wnt. и создать правильные условия для выживания и деления стволовых клеток».
«Когда клеток Панета не хватает — например, когда Daam1 не активен, чтобы заставить клетки превращаться в клетки Панета, — стволовые клетки не будут активно делиться. Но когда клеток Панета слишком много — например, в кишечнике, где отсутствует Rnf43, — избыточные факторы роста могут способствуют образованию опухолей».
Исследование Колоццы и его коллег является первым генетическим доказательством того, что Daam1, член неканонического пути Wnt, важен для спецификации клеток Панета и непосредственно участвует в развитии этой важной секреторной клетки. Результаты также проливают свет на важность ниши стволовых клеток. «Мы показываем, что опухолевые клетки изменяют свое микроокружение и влияют на поддерживающую среду, чтобы они могли лучше расти».
