Биологи выяснили, как стволовые клетки превращаются в клетки других типов на молекулярном уровне
Международная группа ученых с участием биологов Высшей школы экономики разработала метод, который позволяет получать информацию одновременно об изменении экспрессии и свойств белков при переходе клеток из одного состояния в другое. Благодаря новому методу и разработанному для визуализации изменений веб-инструменту ProteoTracker ученым удалось выяснить молекулярный механизм замедления скорости синтеза белка в стволовых клетках, а также предложить способ поддержания плюрипотентных свойств клеток в условиях in vitro (вне организма).
Работа опубликована в журнале Nature Communications. Способность стволовых клеток к дифференцировке — превращению в другие клетки организма — легла в основу регенеративной медицины и инженерии тканей. Превращение стволовых клеток в клетки другого типа осуществляется за счет глубоких изменений их белкового состава. Поэтому особый интерес для молекулярных биологов представляют химические основы процесса дифференцировки — каким изменениям подвергаются белки, входящие в состав стволовых клеток, и в каких условиях это происходит.
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.
Для экспериментов авторы работы получили клеточные культуры разных типов. Ученые 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 авторы статьи использовали для сравнения линии опухолевых и эмбриональных стволовых клеток человека.
Чтобы оценить изменения, происходящие в клетках, ученые предложили метод, сочетающий измерение экспрессии белков (то есть количества белков, которое синтезируется в клетке) и анализ изменения интегральной растворимости белков (PISA).
В рамках метода PISA выполняется определенное воздействие на белок — температурное профилирование протеома (TPP, или CETSA-MS). Оно основано на том, что при изменении структуры белка изменяется его термостабильность, то есть устойчивость белка к изменениям температуры.
Исследователи нагревали клетки перечисленных выше типов в узком диапазоне температур, затем клетки разрушали и с помощью масс-спектрометрического анализа получали информацию о белках, оставшихся в растворе, для каждого значения температуры. В результате такого анализа были получены кривые термостабильности для более чем 9000 белков в каждом типе исследуемых клеток. Одновременно с термостабильностью также оценивали экспрессию белков в каждом типе клеток.
Для 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 процентов 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.
Ранее также отмечалось, что соматические стволовые клетки характеризуются низкой скоростью синтеза белка в клетке и увеличением ее при дифференцировке. Это позволяло предполагать, что снижение скорости синтеза белка важно для поддержания стволовых свойств клеток. Однако механизм такой регуляции скорости был неясен. В своем исследовании ученые 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, — поясняет заведующая Лабораторией микрофизиологических систем НИУ ВШЭ Диана Мальцева. — Кроме того, подавление экспрессии или активности белка SBDS может оказаться универсальным подходом для поддержания стволовых клеток в условиях in vitro».
Полученные в работе данные также помогают лучше понять природу дефектов развития, вызванных синдромом Швахмана — Даймонда, генетическим заболеванием, связанным с мутацией белка SBDS. Предложенная методика может найти широкое применение в клеточной биологии, в исследованиях, связанных с регенеративной медициной. В частности, она может быть полезна как для поиска оптимальных условий культивирования различных клеток и разработки протоколов дифференцировки стволовых клеток, так и для глубокого изучения функций отдельных белков.
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Авторы нового исследования провели сравнительный анализ видов паукообразных и выяснили, какие эволюционные и биомеханические факторы делают одних пауков быстрыми, а других — медленными. Параллельно ученые выделили из этой группы рекордсмена по скорости перемещения.
Сотрудники факультета экономических наук НИУ ВШЭ показали, что точность прогноза рождаемости в России можно улучшить почти в полтора раза, если добавить в модель динамику поисковых запросов по темам, связанным с беременностью и родами. В наиболее эффективных моделях ошибка прогноза снижается с 4,6 до 3,2%.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно