Чтобы ускорить химическую реакцию, химик может поместить реагенты над горелкой Бунзена. Добавление тепла увеличивает степень случайных движений и столкновений частиц, ускоряя реакцию.
В клеточной биологии одна важная "реакция" превращение стволовых клеток во все другие клетки организма, процесс, известный как дифференциация. Исследователи из Института Гладстона обнаружили молекулярный механизм, который действует как горелка Бунзена для "включить тепло" и ускорить дифференциацию.
Однако вместо повышения температуры этот процесс усиливает случайные колебания уровней экспрессии генов – или то, какие гены включаются или выключаются в клетке. Усиление этих колебаний, также известное как "шум," похоже, помогает переключиться с одного типа ячеек на другой.
"Исследователи изучали и характеризовали эти колебания или «шум» в экспрессии генов на протяжении десятилетий," говорит Леор Вайнбергер, доктор философии.D., Уильям и Уте Боуз, заслуженные профессора и директор Центра клеточных схем в Гладстоне. "Но было неясно, был ли этот шум просто неизбежным побочным продуктом экспрессии генов, что широко предполагалось, или он играл некоторую функциональную роль."
Теперь, как сообщается в журнале Science, он и его команда обнаружили путь, который они назвали дискордантной транскрипцией через репарацию (DiThR, произносится "дизеринг"). Путь DiThR, по-видимому, усиливает шумность экспрессии генов в стволовых клетках и увеличивает их способность к дифференцировке.
Новый фундаментальный механизм
Открытие пути DiThR явилось результатом более ранней работы команды над ВИЧ.
"Мы занимались давней проблемой, связанной с ВИЧ, а именно, как изменить способность ВИЧ сохраняться в долгоживущем латентном состоянии у пациентов," говорит Вайнбергер, который также является профессором биохимии, биофизики и фармацевтической химии в Калифорнийском университете в Сан-Франциско (UCSF). "Мы обнаружили, что молекулы, которые изменяют шум вирусной экспрессии, также снижают устойчивость ВИЧ."
"Было довольно удивительно, когда эти же молекулы работали в стволовых клетках," он добавляет. "И попытка понять, как работают эти молекулы, превратилась в поиск фундаментального биологического механизма."
Когда ген включен или экспрессируется, информация, хранящаяся в гене, используется для создания веществ, необходимых клетке для функционирования. Но подавляющее большинство генов не остаются включенными постоянно.
Большинство генов переключаются – или переключаются между активным и неактивным состояниями, включаются и выключаются – каждые несколько минут или каждые несколько часов. Это создает шум на уровне экспрессии генов. ВИЧ, как только он заражает клетку, действует очень похоже на человеческий ген и проявляет аналогичные шумовые свойства.
Изучая ВИЧ, команда Вайнбергера обнаружила существование молекул, которые могут усиливать шум или переключать механизм экспрессии между активным и неактивным состояниями, но, что любопытно, не влияя на средний уровень экспрессии. Они назвали их молекулами-усилителями шума. Эти молекулы действуют как горелки Бунзена для экспрессии генов и повышают эффективность лекарств, предназначенных для вывода ВИЧ из состояния молчания, что является частью стратегии лечения пациентов.
Но как эти молекулы-усилители шума могут усиливать шум без изменения уровней экспрессии, было совершенно неизвестно.
По прихоти ученые исследовали, что произошло, когда молекулы-усилители шума были применены к эмбриональным стволовым клеткам без ВИЧ. Удивительно, но эти молекулы оказали на стволовые клетки такое же действие, как и на ВИЧ, усиливая шум без изменения уровня экспрессии. Они также увеличили способность стволовых клеток превращаться в другие типы клеток.
Основные выводы команды заключались в том, что механизм, с помощью которого молекулы-усилители шума усиливают шум, включает в себя процесс исправления определенных ошибок в ДНК, которые могут возникнуть при включении генов. Ключевым компонентом этого процесса репарации ДНК является белок, известный как AP-эндонуклеаза 1 (Apex1).
"Мы обнаружили, что Apex1 напрямую изменяет форму двойной спирали ДНК таким образом, что сначала препятствует, а затем ускоряет экспрессию генов," говорит первый автор исследования, Рави Десаи, доктор медицинских наук.D. студент программы обучения ученых-медиков UCSF в лаборатории Вайнбергера.
Команда показала, что Apex1 является критическим фактором в этом новом пути DiThR, который увеличивает шум по всему массиву генов в геноме.
Повышение эффективности дифференциации
Затем, поскольку некоторые молекулы-усилители шума естественным образом обнаруживаются в стволовых клетках, команда спросила, как недавно открытый механизм может повлиять на трансформацию стволовых клеток в другие типы клеток. Они обрабатывали эмбриональные стволовые клетки мыши как молекулами-усилителями шума, так и веществами, которые вызывают дифференцировку в другие типы клеток.
Они обнаружили, что повышенный шум, создаваемый DiThR, позволяет стволовым клеткам дифференцироваться более эффективно, как это делает горелка Бунзена для химических реакций.
Более того, механизм работал и в обратном направлении. Это повысило эффективность процесса, который превращает дифференцированные клетки обратно в плюрипотентные стволовые клетки, которые могут стать несколькими разными типами клеток – открытие, которое принесло ученому из Гладстона Шинья Яманака, доктору медицины, доктору философии.D., Нобелевская премия 2012 г.
"Наши результаты показывают, что путь DiThR делает клетки более восприимчивыми к сигналам, которые определяют их судьбу," говорит Десаи. "Это означает, что этот механизм может играть фундаментальную биологическую роль в развитии эмбрионов."
Забегая вперед, исследовательская группа планирует дополнительно наметить различные компоненты пути DiThR.
"Наша цель сейчас – понять, как регулируется DiThR, и существуют ли соответствующие пути контроля шума," Вайнбергер говорит. "В конечном итоге подходы к использованию этих путей могут значительно улучшить клеточную инженерию и терапию на основе стволовых клеток."