Учеными предложен метод, позволяющий получать информацию одновременно об изменении экспрессии и свойств белков при переходе клеток из одного состояния в другое. Благодаря совместной работе международной группы ученых с биологами Высшей школы экономики(ВШЭ), удалось выяснить молекулярный механизм замедления скорости синтеза белка в стволовых клетках, а также предложить метод поддержания плюрипотентных свойств клеток в условиях in vitro (вне организма).
Способность стволовых клеток к превращению в другие клетки организма (или дифференцировке), легла в основу регенеративной медицины и инженерии тканей. Превращение стволовых клеток в клетки другого типа осуществляется за счет глубоких изменений их белкового состава.
Чтобы понять, что происходит с белками во время превращения стволовой клетки, требуется исследовать различия между белковым составом недифференцированных стволовых клеток и клеток, в которые они превращаются.
Исследователи перепрограммировали человеческие клетки соединительной ткани (фибробласты) в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, то есть такие клетки, которые способны превращаться в клетки практически любых тканей. Эти клетки затем превратили в так называемые эмбриоидные тельца, позволяющие смоделировать стадии ранней дифференцировки в процессе эмбриогенеза (развития зародыша организма). Также были применены для сравнения линии опухолевых и эмбриональных стволовых клеток человека.
Для оценки изменения, происходящих в клетках, ученые предложили метод, сочетающий измерение экспрессии белков (то есть количества белков, которое синтезируется в клетке) и анализ изменения интегральной растворимости белков (PISA).
Во время анализа авторы работы использовали созданный ими инструмент многомерной визуализации ProteoTracker, основанный на диаграммах Sankey. Они отражали изменение свойств каждого белка (стабильность и уровень экспрессии) в процессе дифференцировки.
Ученые показали, что термическая стабильность и экспрессия белков меняются при превращении стволовых клеток в соматические. Это отражает фундаментальные различия в клеточной физиологии и морфологии этих типов клеток. Оказалось, что более 75% исследованных белков существенно различались по экспрессии и термостабильности в плюрипотентных и дифференцированных клетках. В частности, во время превращения стволовых клеток в соматические изменяется экспрессия и стабильность белков, отвечающих за плотность хроматина — вещества, из которого состоят хромосомы.
В процессе превращения стволовой клетки в соматическую в ней изменяется тип метаболизма глюкозы (выработки энергии в клетке). В частности, в стволовой клетке глюкоза подвергается гликолизу — последовательным ферментативным превращениям, не требующим присутствия кислорода, тогда как в соматической клетке — окислительному фосфорилированию в митохондриях, необходимым условием которого является достаточное количество кислорода.
Анализируя, в какой момент в клетках меняется экспрессия соответствующих белков, исследователи выявили, что изменение метаболизма происходит на ранних стадиях дифференцировки плюрипотентных стволовых клеток, еще до изменения структуры хроматина. Это предполагает, что именно смена типа метаболизма может запустить последующие изменения в структуре хроматина в процессе дифференцировки.
Исследователи показали, что плюрипотентные стволовые клетки обладают более низким содержанием зрелых рибосом, чем дифференцированные клетки. Это обуславливается низким уровнем экспрессии белка SBDS, отвечающего за созревание рибосом.
«Таким образом, низкий уровень экспрессии белка SBDS позволяет клеткам поддерживать стволовые свойства, тогда как увеличение его экспрессии способствует дифференцировке — превращению в другие клетки. Кроме того, подавление экспрессии или активности белка SBDS может оказаться универсальным подходом для поддержания стволовых клеток в условиях in vitro», —поясняет заведующая Лабораторией микрофизиологических систем НИУ ВШЭ Диана Мальцева.
Предложенная методика может найти широкое применение в клеточной биологии, в исследованиях, связанных с регенеративной медициной. Полученные данные помогают лучше понять природу дефектов развития, вызванных синдромом Швахмана — Даймонда, генетическим заболеванием, связанным с мутацией белка SBDS.
Работа международной группы ученых была опубликована в журнале Nature Communications.
