Гены, делающие клетки стволовыми
Повышенный интерес к проблеме стволовых клеток обусловлен возможностями их использования для лечения заболеваний. Однако, несмотря на очевидный прогресс в этой области и успешное терапевтическое применение в эксперименте, исследования, посвящённые генетике стволовых клеток, ещё далеки от завершения. Выявление генов, определяющих свойства стволовых клеток, позволит не только точно идентифицировать эти типы клеток, но и откроет новые возможности контролировать их при культивировании и терапевтическом применении.
Особые характеристики стволовых клеток определяются не одним геном, но целым их набором. Возможность идентификации этих генов непосредственно связана с разработкой метода культивирования эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) in vitro, а также с возможностью использования современных методов молекулярной биологии. При наличии в культуральной среде фактора ингибирования лейкемии LIF (leukemia inhibitory factor) ЭСК поддерживаются in vitro в недифференцированном состоянии. Если же удалить LIF из среды, то ЭСК начинают дифференцироваться и образуют сложные структуры, которые называют эмбриоидными телами и состоят из клеток различных типов, являющимися предшественниками нервных, мышечных, эндотелиальных и гемопоэтических клеток.
В результате совместных исследований компаний Geron Corporation и Celera Genomics были созданы библиотеки кДНК недифференцированных ЭСК и трёх популяций частично дифференцированных клеток. [кДНК получают путём синтеза на основе молекулы иРНК комплиментарной молекулы ДНК при помощи фермента обратной транскриптазы.] При анализе данных по секвенированию нуклеотидных последовательностей и экспрессии генов было выявлено более 600 генов, включение или выключение которых отличает недифференцированные клетки и составлена картина молекулярных путей, по которым идёт дифференцировка этих клеток.
В настоящее время учёные отличают стволовые клетки по их поведению в культуре и по химическим маркёрам на клеточной поверхности. Однако гены, ответственные за проявление этих особенностей, в большинстве случаев остаются неизвестными. Тем не менее, проведённые исследования позволили выделить две группы генов, придающих стволовым клеткам их замечательные свойства. С одной стороны, это гены, которые функционируют в различных типах стволовых клеток, выявлено 283 таких гена. С другой стороны, свойства стволовых клеток проявляются в определённом микрокружении, известном как ниша стволовых клеток. При изучении этих клеток, которые окружают, питают и поддерживают стволовые клетки в недифференцированном состоянии, было обнаружено около 4000 генов. При этом указанные гены были активны в клетках микроокружения, не неактивны во всех других клетках.
При исследовании зародышевых стволовых клеток яичников дрозофилы, была определена система сигналов между стволовым клетками и специализированными клетками «ниши». Эта система сигналов определяет самообновление стволовых клеток и направление их дифференцировки. Регуляторные гены в клетках ниши дают инструкции генам стволовых клеток, определяющим дальнейший путь их развития. И те, и другие гены производят белки, действующие как переключатели, запускающие или останавливающие деление стволовых клеток. Было обнаружено, что взаимодействие между клетками ниши и стволовыми клетками, определяющее их судьбу, опосредовано тремя различными генами - piwi, pumilio (pum) и bam (bag of marbles). Показано, что для успешного самообновления зародышевых стволовых клеток должны быть активизированы гены piwi и pum, тогда как ген bam необходим для дифференцировки. Дальнейшие исследования показали, что ген piwi входит в группу генов, вовлеченных в развитие стволовых клеток различных организмов, принадлежащих как к животному, так и к растительному царствам. Гены, подобные pum и bam, есть и у млекопитающих, в том числе у людей. Основываясь на этих открытиях, авторы предполагают, что ген клеток ниши piwi обеспечивает деление зародышевых стволовых клеток и поддерживает их в недифференцированном состоянии, подавляя экспрессию гена bam.
База данных по генам, определяющих свойства стволовых клеток постоянно пополняется. Полный каталог генов стволовых клеток может улучшить процесс их идентификации, а также прояснить механизмы функционирования этих клеток, что облегчит получение дифференцированных клеток, необходимых для терапевтического применения, а также позволит получить новые возможности для разработки лекарств. Значение этих генов велико, так как они обеспечивают организму возможность сохранять себя и регенерировать ткани.