Ученые определили ключевой механизм дифференцирования стволовых клеток
Новый ген Daam1, который запускает по мере необходимости развитие секреторных клеток из стволовых клеток кишечника, выявила команда исследователей из Института молекулярной биотехнологии Австрийской академии наук (IMBA) и Института фундаментальных наук (Южная Корея), 24 ноября сообщает пресс-служба IMBA.
Результаты исследования, выполненного под руководством Бон-Кён Ку, открывают новые возможности в изучении механизма возникновения рака.
Взрослые стволовые клетки в тканях организма могут дифференцироваться, заменяя погибшие или поврежденные клетки того органа, где они находятся, обновляя организм. Открытие команды Бон-Кён Ку помогает понять, как стволовые клетки узнают, во что они должны трансформироваться.
Габриэле Колоцца, постдокторант лаборатории Бон-Кён Ку в IMBA (в настоящее время является директором Центра геномной инженерии Института фундаментальных наук) решил найти ответ этот вопрос, исследуя трансформации кишечных стволовых клеток.
«В нашем кишечнике клетки подвергаются экстремальным условиям», — пояснил Колоцца выбор объекта исследования. — Механический износ, а также пищеварительные ферменты и изменения pH влияют на клетки кишечника. Тогда стволовые клетки слизистой оболочки кишечника дифференцируются, образуя новые клетки кишечника».
«Поврежденные клетки должны быть заменены, но это хрупкий баланс между обновлением стволовых клеток и их 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 истощена стволовыми клетками и в конечном итоге не сможет самообновляться», — рассказал исследователь.
Баланс сохраняется за счет внутриклеточных сигнальных путей и обратной связи, которые обеспечивают взаимодействие клеток друг с другом. Один из таких путей, поддерживающий баланс, — это Wnt, роль которого в эмбриональном развитии хорошо известна. Если этот путь в нужный момент не остановить, произойдет чрезмерное деление клеток и образование опухоли.
Передачу сигналов Wnt, контролирует белок Rnf43, его в свое время идентифицировал Бон-Кён Ку, установивший, что Rnf43 маркирует для деградации рецептор Wnt Frizzled, который находится в плазматической мембране. Однако, как показали тогда исследования, этого недостаточно для разрушения рецептора.
«Мы хотели знать, как работает Rnf43, — продолжил свой рассказ Колоцца, — а также, что, в свою очередь, контролирует Rnf43 и помогает ему регулировать передачу сигналов Wnt. В нашем проекте мы использовали биохимические анализы, чтобы определить, какие белки взаимодействуют с Rnf43».
В результате исследователи установили, что партнером Rnf43 является ген Daam1. И чтобы разобраться в механизме регулировки Daam1 белка Rnf43 и его влияния на ткани, в которых он действует, Колоцца обратился к органоидам клеток кишечника — эндосомам (мембранные внутриклеточные органеллы) и лизосомам (осуществляют внутриклеточное пищеварение).
«Дальнейшие исследования на клетках показали, что Rnf43 нуждается в Daam1 для перемещения рецептора Wnt Frizzled в везикулы, называемые эндосомами. Из эндосом Frizzled переносится в лизосомы, где он разрушается, подавляя передачу сигналов Wnt», — добавил Колоцца.
«Мы обнаружили, что когда мы блокируем работу Rnf43 или Daam1, органоиды превращаются в опухолеподобные структуры. Эти опухолеподобные органоиды продолжают расти, даже если мы удалим факторы роста, от которых они обычно зависят, такие как R-спондин».
Исследуя этот процесс на тканях кишечника мышей, ученые с удивлением отметили: «Когда Rnf43 отсутствовал, опухоли в кишечнике росли — как и ожидалось. Но когда отсутствовал Daam1, опухоли не росли. Мы были озадачены этим поразительным различием: как может потеря факторов одного и того же пути, которые ведут себя одинаково в органоидах, привести к таким разным результатам?»
Продолжив исследование кишечника, ученые увидели, что в кишечнике без Rnf43 образуется много секреторных клеток особого типа — клеток Панета, которые в организме обеспечивают антибактериальную защиту. Тогда как при отсутствии гена Daam1 дополнительных клеток Панета в кишечнике не образуется.
Клетки Панета секретируют факторы роста, такие как Wnt, которые стимулируют деление клеток. «Daam1 необходим для эффективного формирования клеток Панета. Когда Daam1 активен, стволовые клетки дифференцируются с образованием клеток Панета. Когда Daam1 неактивен, стволовые клетки дифференцируются в клетки другого типа», — пояснил полученный результат Колоцца.
Таким образом, было установлено, что в органоидной культуре, для получения которой ученые предоставляют факторы роста, блокировка Rnf43 и Daam1 приводит к образованию опухолеподобных органоидов. Но в кишечнике факторы роста, такие как Wnt, обеспечивают клетки Панета, создавая нужные условия для выживания и деления стволовых клеток.
«Когда же клеток Панета не хватает — например, когда Daam1 не активен для превращения клеток 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 способствовать образованию опухолей».
Колоцца и его коллеги своим исследованием доказали, что Daam1, обеспечивающий работу сигнального пути Wnt, важен для спецификации клеток Панета и непосредственно участвует в образовании этой важной секреторной клетки. Результаты также проливают свет на важность количества образующихся в ткани стволовых клеток. «Мы показываем, что опухолевые клетки изменяют свое микроокружение и влияют на поддерживающую среду так, чтобы они могли лучше расти».
Результаты исследования были представлены в статье «Дифференцировка клеток Панета кишечника основана на асимметричной регуляции передачи сигналов Wnt с помощью Daam½», опубликованной в журнале Science Advances.
