Отгадка в митохондриях

Многие заболевания головного мозга, травмы и нейродегенеративные процессы характеризуются потерей нейронов, которая не восполняется. Техники регенеративной медицины направлены на восстановление функционирующих нейронов путем трансплантации, дифференцировки стволовых клеток или прямого преобразования эндогенных не-нейрональных клеток в функционирующие нейроны.

Исследователи из мюнхенского исследовательского центра им. Гельмгольца (Helmholtz Zentrum München) и Мюнхенского университета Людвига Максимилиана углубленно работают в области прямого преобразования глиальных клеток в нейроны. Глиальные клетки являются наиболее распространенным типом клеток головного мозга и могут регенерировать при травме. В настоящее время исследователи научились преобразовывать глиальные клетки в нейроны, но в процессе репрограммирования многие клетки гибнут. Это означает, что только небольшая часть глиальных клеток превращается в функционирующие нейроны, что делает процесс неэффективным.

Изучение новых методов

Магдалена Гётц и ее группа исследовали потенциальные препятствия в процессе преобразования и пошли по новому пути: большая часть работ была сосредоточена на генетических аспектах прямого репрограммирования нейронов, и они решили изучить роль митохондрий и клеточного метаболизма в этом процессе. В своем предыдущем исследовании Гётц совместно с группой Маркуса Конрада из Helmholtz Zentrum München обнаружила, что клетки гибнут из-за чрезмерного количества активных форм кислорода в процессе преобразования.

Ученые выдвинули гипотезу, что если репрограммировать метаболизм глиальных клеток в сторону метаболизма нейрона, это могло бы повысить эффективность преобразования. Учитывая свои предыдущие данные, исследователи сосредоточились на митохондриях. Они извлекли митохондрии из нейронов и астроцитов (тип глиальных клеток) мышей и сравнили экспрессируемые белки. Обнаружено, что протеом митохондрий нейронов и астроцитов различается на 20%.

Репрограммированные нейроны экспрессируют нейрональные митохондриальные белки на поздней стадии

Зная, насколько митохондриальный протеом нейронов отличается от астроцитов, Гётц должна была убедиться, действительно ли нейроны, превращающиеся из астроцитов, приобретают митохондриальный протеом нейрона. В стандартном процессе репрограммирования астроциты превращаются в нейроны в течение нескольких дней и развиваются в функционирующие нейроны в течение двух недель. Поразительно, что типичные для нейронов митохондриальные белки появились в этих клетках относительно поздно в процессе репрограммирования – только через одну неделю. Учитывая, что большинство клеток умирает раньше этого времени, это может быть причиной неудач. Кроме того, клетки, которые не удалось репрограммировать, по-прежнему экспрессировали астроцитарные митохондриальные белки. Благодаря этому новому пониманию исследователи выдвинули гипотезу, что отсутствие митохондриальных белков нейронов может блокировать процесс преобразования.

Улучшение и ускорение конверсии за счет метаболизма

Чтобы преодолеть это препятствие, группа использовала технологию CRISPR/Cas9 в сотрудничестве с группами Стефана Стрикера и Вольфганга Вурста в Helmholtz Zentrum München. С помощью новых инструментов активации генов, разработанных этой группой, синтез нейрональных митохондриальных белков был активирован на ранней стадии процесса репрограммирования астроцитов в нейроны. Управляя одним или двумя митохондриальными белками, исследователи получили в четыре раза больше репрограммированных нейронов. К тому же нейроны появлялись и созревали быстрее, о чем свидетельствует непрерывная визуализация в реальном времени.

Таким образом, изменение экспрессии нескольких митохондриальных белков сильно повлияло на скорость репрограммирования. Это доказывает, насколько важны межклеточные различия митохондриальных белков. Авторы обнаружили и другие различия в белках органелл разных типов клеток, которые достигают 70%. Возможно, это станет основой для дальнейшего совершенствования процесса репрограммирования нейронов, чтобы после травмы головы удавалось получить in vivo клетки, максимально похожие на эндогенные нейроны.

Статья G.L.Russo et al. CRISPR-Mediated Induction of Neuron-Enriched Mitochondrial Proteins Boosts Direct Glia-to-Neuron Conversion опубликована в журнале Cell Stem Cell.

Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Helmholtz Zentrum München: Researchers Improve Neuronal Reprogramming by Manipulating Mitochondria.