Американские ученые выяснили, что два разных гена, ccnd2a и ccndx, независимо контролируют деление стволовых и прогениторных клеток в сенсорных органах рыбок данио. Этот генетический механизм обеспечивает постоянное обновление клеток, отвечающих за восприятие движения воды, и их восстановление после повреждения. Открытие, опубликованное в журнале Nature Communications, дает важные ключи для разработки возможных стратегий лечения потери слуха у людей.
В отличие от млекопитающих, включая человека, многие виды рыб, земноводных и птиц сохраняют способность восстанавливать поврежденные сенсорные волосковые клетки. У рыбок данио этот процесс особенно хорошо изучен и происходит благодаря специализированным рецепторным органам — нейромастам, входящим в систему боковой линии. Каждый нейромаст содержит 50-80 клеток, включая волосковые клетки, очень похожие на человеческие. Ключевую роль в поддержании и восстановлении этих комплексов играют две группы клеток: стволовые клетки (расположенные на краях нейромаста) и прогениторные клетки (находящиеся ближе к центру). Стволовые клетки делятся симметрично, обновляя свой пул и порождая клетки-предшественники. Прогениторные клетки — это их более специализированные потомки, непосредственные предшественники волосковых клеток, они делятся один раз, производя пару зрелых волосковых клеток с противоположной полярностью, что очень важно для определения направления тока воды. Соавтор работы Татьяна Пиотровски из Института медицинских исследований Стоуэрса объяснила: «Чтобы понять, как регулируется пролиферация, нам нужно выяснить, как стволовые клетки и их потомки "понимают", когда делиться и в какой момент дифференцироваться».
Выбор рыбок данио в качестве модели не случаен: их эмбрионы прозрачны, а сенсорные органы легко доступны для наблюдения и генетических манипуляций. Ученые использовали комплекс передовых методов. Генетический инструмент CRISPR-Cas9 позволил точно «выключить» (нокаутировать) гены ccnd2a и ccndx по отдельности. Авторы работы в реальном времени наблюдали и записывали, как делятся разные типы клеток внутри нейромаста после такой генетической «поломки». Технология Single-cell RNA-seq (scRNA-seq) помогла проанализировать, какие гены активны в каждой конкретной клетке (стволовой, прогениторной, волосковой) в нормальных условиях и при мутациях. Для проверки гипотезы о специфичности действия генов ученые провели эксперимент по замене промотора: они «заставили» ген ccnd2a работать под контролем регуляторного региона (промотора) гена ccndx у рыбок с нокаутированным ccndx.
Результаты показали четкую специфичность: нокаут ccnd2a блокировал деление только стволовых клеток, но не влиял на прогениторные клетки. Нокаут ccndx останавливал деление прогениторных клеток, но они все равно дифференцировались в волосковые клетки (хотя и в меньшем количестве), доказывая независимость пролиферации и дифференцировки. Когда ccnd2a экспрессировался в прогениторных клетках вместо ccndx (эксперимент с заменой промотора), их деление полностью восстанавливалось. Это подтвердило, что специфичность функций генов определяется исключительно местом их включения, а не биохимическими отличиями. Кроме того, отсутствие деления прогениторных клеток вызывало дефекты полярности волосковых клеток из-за нарушений в работе генов hes2 и Emx2.
Это открытие меняет наше понимание регенеративных процессов. Ученые впервые показали, как один орган может тонко регулировать размножение разных типов клеток — стволовых, сохраняющих резерв, и прогениторных, обеспечивающих восстановление. Механизм, основанный на избирательной активации генов циклина D в конкретных клеточных популяциях, вероятно, универсален — аналогичные гены контролируют деление клеток и у человека, например в кишечном эпителии или кроветворной системе. Особую ценность работе придает ее двойное значение: обнаруженные закономерности могут помочь как в разработке методов восстановления слуха, так и в понимании механизмов онкологических заболеваний, при которых нарушена регуляция деления клеток. «Наше исследование волосковых клеток данио открывает новые перспективы для изучения регенерации в разных органах», — заключила Татьяна Пиотровски. Усилия ученых в дальнейшем могут быть направлены на поиск способов активировать аналогичные гены в клетках млекопитающих.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
