Факторы Яманака

С тех пор, как в 2006 году Синья Яманака и Казутоши Такахаши получили индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК) из обычных соматических общественность ждет прорыва в практическом применение клеточных технологий в медицине.

Интернет-издания обещают, что иПСК станут неограниченным источником новых клеток, которые можно будет использовать для восстановления утраченных способностей тканей и создания биоэквивалентных органов для трансплантации. Подкреплены эти надежды и реальными успехами, как, например, пересадкой сетчатки глаза, полученной из иПСК, 70-летней японской пациентке.

Однако, у ученых, которые занимаются этими клетками, есть один маленький «затык», который осталось преодолеть. Дело в том, что пока никто так и не знает, как именно соматическая клетка превращается в иПСК и как можно эффективно управлять этим процессом и контролировать его на всех стадиях.

Что такое плюрипотентность? Это степень способностей стволовой клетки. Самая «могущественная» стволовая клетка – это зигота, образующаяся в результате слияния яйцеклетки и сперматозоида. Она называется тотипотентная клетка и способна превратиться не только в любую клетку эмбриона, но и в любую клетку плаценты.

В самые первые дни после оплодотворения яйцеклетки формируется бластоциста – шарик из более, чем 100 клеток. Внутри этого шарика у одного полюса формируется внутренняя клеточная масса – это эмбриональные стволовые клетки, из которых появятся зародышевые слои.

внутренняя клеточная масса

Эмбриональная стволовая клетка (ЭСК) – это плюрипотентная клетка, то есть она может превратиться в любую клетку эмбриона и взрослого человека. Но в плаценту уже не может. Это свойство ЭСК позволило говорить о неограниченных возможностях для клеточной терапии, создания тканей и биомиметических органов.

Но, эксперименты на ЭСК требуют большого количества ЭСК, а это неэтично. Поэтому, эксперименты на ЭСК запрещены практически повсеместно. Кроме того, в клеточной терапии, прежде всего, заинтересованы пациенты с тяжелыми наследуемыми заболеваниями, но у них ЭСК уже не получишь, а клетки, полученные из аллогенных (чужих) ЭСК, будут отторгнуты иммуной системой реципиентов.

Так что нужно другое решение. И оно последовало. В 2012 году Синья Яманака получил Нобелевскую премию за то, что нашел способ превращать обычные соматические клетки взрослого человека в почти эмбриональные. Эти новые клетки обладали такой же плюрипотентностью и такими же способностями к пролиферации, как и эмбриональные стволовые клетки.

Суть превращения заключается в том, что генетический аппарат соматической клетки можно заставить «выключить» программу дифференциации. Как он этого добился рассказано дальше, но пока замечу, Яманака был не первым, кто сумел перепрограммировать соматические клетки.

Все, кто занимался клонированием животных, начиная с Джона Гёрдона, клонировавшего лягушку в 1963 году, вызывали к жизни этот интересный феномен.

клонирование лягушки

Суть метода Гёрдона – это извлечение ядра из соматической клетки взрослого животного или соматической клетки зародыша и трансплантация этого ядра в яйцеклетку лягушки, из которой собственное ядро предварительно удалено. В результате – в некоторых случаях яйцеклетка с трансплантированным соматическим ядром начинала превращаться в эмбрион и развиваться.

Аналогичный метод трансплантации ядра позволил клонировать и млекопитающее – знаменитую овечку Долли.

клонирование овцы

Ян Вилмут перенес ядро соматической клетки в «выхолощенную» яйцеклетку другого донора. В случае с овечкой Долли донором яйцеклетки стала овца шотландской черноголовой породы, а донором соматического ядра – овца белоголовой породы Finn Dorset.

Под воздействием короткого электрического импульса клетки сливались, а получившаяся «оплодотворенная» яйцеклетка начинала формировать эмбрион. Он был затем имплантирован суррогатному носителю – овце черноголовой породы, у которой родилась белоголовая Долли.

И Гёрдон и Вилмут использовали методику переноса ядра, но они не знали, что именно происходит с генетическим аппаратом ядра. Это напоминало волшебный черный ящик – с одной стороны нужно внести соматическое ядро и половую клетку, а с другой – получить эмбрион.

Живой организм – это что-то вроде компьютерного самораспаковывающегося архива. Изначально в нем есть вся информация, необходимая как для эмбриогенеза, так и для развития взрослой особи, но в каждый момент времени активна какая-то часть этого архива, а остальные закрыты и недоступны. Во взрослом организме, например, недоступны механизмы безрубцового заживления ткани, которые есть у ранних эмбрионов.


Про способность эмбрионов заживлять свои ткани читайте в статье «Секрет эмбриона».


Когда я учился в институте нам говорили, что у полностью дифференцированной клетки «обратной дороги» нет, и если она и приобретает стволовые свойства, то только в рамках опухолевого перерождения. На самом деле это не так.

Даже при обычном раневом процессе (заживление пореза на пальце, например) или в ходе менструального цикла полностью дифференцированным эпителиальным клеткам на некоторое время разрешается превратиться в мезенхимальные клетки – это мультипотентные стволовые клетки стромы ткани.

Они поддерживают и регулируют ее заживление и служат источником новых клеток, взамен выбывающих. После заживления эти мезенхимальные клетки превращаются обратно в эпителиальные. То есть, все-таки, превращение дифференцированной клетки обратно в стволовую разрешено Природой, но ненадолго и «под присмотром».

бабушка удава

Однако, мезенхимальная клетка – это всего лишь мультипотентная стволовая клетка, то есть она способна превращаться в другие клетки, но только в пределах специализации своей ткани. Для клеточной терапии этого недостаточно, нужны именно плюрипотентные стволовые клетки.

Синья Яманака

Синья Яманака стал первым, кто сумел получить почти настоящие эмбриональные стволовые клетки не из эмбриона, а из клеток взрослого человека. Он начал выделять транскрипционные факторы (они регулируют работу генов), активированные в эмбриональных стволовых клетках и пытаться определить те из них, которые отвечают за поддержание плюрипотентности.

Он выделил большую группу таких факторов, а затем при помощи вирусных векторов активировал их в соматических дифференцированных клетках человека – фибробластах. Часть фибробластов после обработки образовывали колонии клеток, похожих на ЭСК.

Комбинируя и разделяя эти факторы, Яманака выделил четыре главных, без которых получить колонию стволовых клеток не получалось. Эти транскрипционные факторы стали известны, как факторы Яманака – Oct3/4, Sox2, Klf4 и c-Myc.

факторы Яманака

В 2007 году Синья Яманака, Казутоши Такахаши и их коллеги опубликовали результаты работы по превращению части колонии человеческих фибробластов, полученных у 36-летней женщины, в колонию индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК).

факторы Яманака

Полученные клетки по морфологии и фенотипу соответствовали эмбриональным плюрипотентным стволовым клеткам человека. Они активно размножались, удваивая колонию каждые 45 часов, сохраняя высокий уровень теломераз, то есть они обладали клеточным «бессмертием».

Используя протоколы дифференциации исследователям удалось превратить эти иПСК в клетки напоминающие нейроны и кардиомиоциты человека. Кардиомиоциты на 12 день начали спонтанно сокращаться –

Однако, несмотря на очевидный успех, авторы статьи констатировали, что не вполне понимают молекулярно-генетический механизм, регулирующий превращение соматической клетки в стволовую под воздействием всего лишь четырех транскрипционных факторов.

Известно, что Oct3/4 и Sox2 активируют стволовые свойства клетки, подавляя те гены, которые отвечают за ее дифференциацию. Считается, что сами они не могут связаться со своими мишенями из-за того, что нужные места ДНК закрыты метилированием и модификацией гистоновых белков. Авторы полагают, что другие два фактора Яманака могут изменять структуру хроматина, делая эти мишени доступными. Но это только гипотеза, и она не объясняет очень низкую эффективность метода – лишь одна из тысячи «обращенных» клеток становится по-настоящему плюрипотентной.

С практической точки зрения этого, конечно, достаточно, но для того, чтобы начать широко применять иПСК в лечении людей – надо все-таки разобраться, что именно регулирует превращение.

Это важно по двум причинам.

Во-первых, иПСК могут вызывать тератомы и опухоли, особенно у реципиентов со сниженными способностями иммунной системы. иПСК, полученные Яманака и Такахаши, через 9 недель после их подкожного введения в область спины мышей специальной линии с дефектом иммунной системы (SCID mice), вызывали развитие тератом.

тератома

Тератома – это опухоль, обладающая чертами ткани или даже органа, расположенная в нехарактерном месте. Кроме того, использование вирусных векторов для индукции создает угрозы опухолевой трансформации колонии дифференцированных клеток после ее трансплантации.

Во-вторых, замена органов прежде всего нужна людям с генетическими дефектами, из-за которых органы не в полной мере выполняют свои функции, например, пациентам с диабетом 1 типа. Однако, если у такого пациента взять дифференцированные клетки и превратить их в иПСК, то эти иПСК будут сохранять в себе генетический дефект, который потом опять проявится в дифференцированной клетке.

Так, например, в Nature Communications в январе 2015 года были опубликованы результаты исследования получения мотонейронов из иПСК, индуцированных из клеток пациентов с амиотрофическим боковым склерозом (это болезнь известного космолога Стивена Хокинга). Результаты показали, что мотонейроны, дифференцированные из иПСК таких пациентов, сохраняли генетические эффекты, из-за которых вновь рожденные мотонейроны быстро теряли способность к возбуждению.

Аналогичные результаты были показаны при получении иПСК из клеток пациентов с диабетом 1 типа, бета-талассемией, ревматоидным артритом, болезнью Паркинсона, болезнью Хантингтона, болезнью Гоше, гемофилией, наследуемыми заболеваниями сердца и другими состояниями. Во всех случаях новые дифференцированные клетки воспроизводят в той или иной степени дефекты, характерные для этих заболеваний.

Это и хорошо, и плохо.

Хорошо – потому что такие клетки можно и нужно использовать в качестве моделей для изучения патогенеза и поиска новых лекарств. А плохо – потому что пациенту нужно вводить нормальные клетки, а значит на каком-то этапе их нужно «починить». Отработанных способов чинить иПСК пока еще нет. Но работа идет, и экспериментальные методы появляются.

Andras Nagy

В 2010 году под предводительством канадского ученого Andras Nagy из Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute собралась группа из 30 ученых, представляющих 8 исследовательских центров. Их целью стало раскрытие секретов «черного ящика», таящего в себе механизмы индукции плюрипотентности.

Проект назвали скромно – Project Grandiose. Фактически они проводят постоянные индукции клеток и замеряют в них все, что можно отнести к регуляции плюрипотентности – синтез белков, уровни РНК, метилирование ДНК и так далее. Количество полученных данных быстро стало измеряться терабайтами, из-за этого и название проекта.

Играя с протоколом индукции, они нащупали бифуркацию в судьбе индуцируемых клеток. Продлив действие транскрипционных факторов, они получили два типа стволовых клеток – иПСК Яманака, и новые клетки – Fcells.

F-клетки

F-клетки обладают ограниченной потентностью. Если их ввести в эмбрион мыши, то они не могут участвовать в формировании тканей эмбриона, тогда как настоящая иПСК может. Многие исследователи посчитали, что F-клетки – это просто недоиндуцированные клетки, однако, из них можно получить любые дифференцированные клетки, и, кроме того, они тоже формируют тератомы у мышей.

Немного, конечно, но это дает надежду, что процессами индукции можно как-то управлять, тем более, что, как выяснилось, F-клетки можно превратить в иПСК и наоборот.

Knut Woltjen

Knut Woltjen, главный исследователь Center for iPS Cell Research and Application при университете Киото прокомментировал это так – «то, что происходит внутри «черного ящика» это большая загадка, но мы сейчас бросили все силы на то, чтобы ее разгадать».


Новые посты проще всего отслеживать по анонсам в наших пабликах ВКонтакте и Фейсбуке.

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.

6 комментариев

по хронологии
по рейтингу сначала новые по хронологии
1

зигота не является стволовой клеткой, так как после первого деления зиготы получаются два равнозначных бластомера (вспомните рождение двух однояйцевых близнецов), а стволовая клетка характеризуется ассмсхметрическим делением, одна из её дочерних клеток остается в сосотоянии стволовости, а другая способна вступит на путь дифференциовки.

Автор2

А как же быть с тем, что все остальные клетки происходят из нее?

3
Эльнура

Здравствуйте! Правда ли что он создал сетчатки глаз?? И сделал имплантацию сетчатки женьшину.

Автор4

Добрый вечер! Это сделала доктор Masayo Takahashi по технологии Yamanaka.

5
Эльнура

А как можно с ними связаться? в каком клинике работают в Японии ??

Автор6

По этой ссылке контакты клиники http://www.ibri-kobe.org/english/contact/