Новое исследование Аллана Спредлинга из Карнеги и научного сотрудника Минг-Чиа Ли показывает, что младенческие клетки должны пройти через процесс развития, который включает определенные гены, прежде чем они смогут принять участие в групповых взаимодействиях, которые лежат в основе нормального клеточного развития и обеспечивают бесперебойное функционирование наших тканей. Существование состояния детства, когда клетки не могут полноценно общаться, имеет потенциально важные последствия для нашего понимания того, как изменяется активность генов в хромосомах как во время нормального развития, так и в раковых клетках.
Работа опубликована в журнале Genes and Development.
Способ, которым молекулы, которые упаковывают хромосомы клетки, организованы для контроля активности генов, известен как "эпигенетическое состояние клетки"."Эпигенетическое состояние является фундаментальным для понимания открытий Спрэдлинга и Ли. Для биологов, занимающихся развитием, изменения в этом эпигенетическом состоянии в конечном итоге объясняют, как свойства клетки изменяются во время созревания ткани.
«Короче говоря, приобретенные эпигенетические изменения в развивающейся клетке напоминают усвоенные изменения, которые мозг претерпевает в детстве», — объяснил Спрэдлинг. «Так же, как по-прежнему сложно точно отобразить, что происходит в мозгу ребенка, когда он учится, все еще очень трудно точно измерить эпигенетические изменения во время клеточного развития. Обычно можно получить недостаточно клеток, которые находятся на одной и той же стадии, чтобы ученые могли нанести на карту конкретные молекулы в определенных хромосомных местах."
Ли и Спрэдлинг воспользовались непревзойденными генетическими инструментами плодовой мушки, чтобы преодолеть эти препятствия и по-новому взглянуть на эпигенетику клеточного развития.
Используя различные инструменты и методы, они сосредоточились на клетках яичника плодовой мушки и смогли идентифицировать специфический ген, называемый lsd1, который необходим для созревания клеток-предшественников фолликулов яичников с их нормальной скоростью.
Исследователи обнаружили, что количество белка, кодируемого этим геном, Lsd1, который присутствует в предшественниках фолликулов, уменьшается по мере того, как клетки приближаются к дифференцировке. Более того, начало дифференцировки можно сдвинуть, изменив уровни присутствующего белка Lsd1. Они пришли к выводу, что дифференцировка происходит, когда уровни Lsd1 опускаются ниже критического порога, и что это, вероятно, соответствует тому моменту, когда гены могут стабильно экспрессироваться.
«Время дифференциации очень важно для нормального развития», — сказал Ли. «Начало дифференцировки определяет, сколько раз делятся предшественники, и даже небольшие отклонения в уровнях Lsd1 изменяют количество фолликулов, которые в конечном итоге производятся, что снижает функцию яичников."
Ранее считалось, что клетки-предшественники фолликулов начали дифференцироваться на основе внешнего сигнала, который они получали от другого типа яичниковых клеток, известных как половые клетки. Ли и Спрэдлинг обнаружили, что, хотя этот сигнал зародышевых клеток был важен, он уже регулярно отправлялся даже до того, как предшественники ответили.
Вместо этого именно Lsd1-опосредованное изменение их эпигенетического состояния зависело от времени, когда клетки-предшественники начали отвечать на сигнал и начали дифференцироваться. Однако, когда они становятся компетентными, дифференцирующиеся фолликулярные клетки активно общаются со своими соседями, и продолжают это делать на протяжении всей своей жизни.
Как это часто бывает в фундаментальных биологических исследованиях, изучаемые здесь молекулы и механизмы встречаются у большинства многоклеточных животных, и, следовательно, выводы исследователей, вероятно, будут широко применяться во всем животном мире, в том числе и у людей.
Помимо важности этого исследования для понимания того, как хромосомы животных изменяются во время нормального развития, оно также может помочь уточнить изменения в эпигенетическом состоянии, которые имеют место при некоторых раковых заболеваниях. Меньшая часть клеток при таком раке начинает экспрессировать высокие уровни Lsd1 и вести себя как недифференцированные предшественники.
«Изучение дифференцировки клеток фолликулов плодовой мушки может научить нас на более глубоком уровне тому, что Lsd1 делает как у нормальных, так и у злокачественных предшественников», — добавил Ли.