Představte si, že pečete dort, ale dojde vám sůl. I s chybějící ingrediencí těsto stále vypadá jako těsto na koláč, takže ho strčíte do trouby a držíte palce v očekávání, že skončíte s něčím, co se bude blížit normálnímu koláči. Místo toho se vrátíte o hodinu později a najdete plně propečený steak.
Zní to jako vtip, ale tento druh šokující transformace je to, co se skutečně stalo s miskou myších kmenových buněk, když vědci z Gladstone Institutes odstranili pouze jeden gen – kmenové buňky určené k tomu, aby se staly srdečními, se náhle podobaly prekurzorům mozkových buněk. Náhodné pozorování vědců potvrzuje to, co si mysleli, že vědí o tom, jak se kmenové buňky mění v dospělé buňky a udržují si svou identitu, když dozrávají.
"To skutečně zpochybňuje základní koncepty o tom, jak buňky zůstávají v kurzu, jakmile se vydají na cestu k tomu, aby se staly srdečními nebo mozkovými buňkami," říká Benoit Bruneau, PhD, ředitel Gladstone Institute of Cardiovascular Disease a hlavní autor nové studie publikované v Příroda.
Není cesty zpět
Embryonální kmenové buňky jsou pluripotentní – mají schopnost diferencovat se nebo se transformovat na každý typ buňky v plně formovaném dospělém těle. K tomu, aby kmenové buňky daly vzniknout dospělým buněčným typům, je potřeba mnoho kroků. Například na své cestě k tomu, aby se staly srdečními buňkami, se embryonální kmenové buňky nejprve diferencují na mezoderm, jednu ze tří primitivních tkání nalezených v nejranějších embryích. Dále po cestě se mezodermální buňky rozvětvují, aby vytvořily kosti, svaly, krevní cévy a bušící srdeční buňky.
Je obecně dobře přijímáno, že jakmile se buňka jednou z těchto cest začne diferencovat, nemůže se otočit a zvolit si jiný osud.
„Téměř každý vědec, který mluví o buněčném osudu, používá obrázek krajiny Waddington, která vypadá hodně jako lyžařské středisko s různými sjezdovkami klesajícími do strmých oddělených údolí,“ říká Bruneau, který je také předsedou Williama H. Youngera. v Cardiovascular Research v Gladstone a profesor pediatrie na UC San Francisco (UCSF). "Pokud je buňka v hlubokém údolí, neexistuje způsob, jak přeskočit do úplně jiného údolí."
Před deseti lety hlavní vyšetřovatel Gladstone Shinya Yamanaka, MD, PhD, objevil, jak přeprogramovat plně diferencované dospělé buňky na indukované pluripotentní kmenové buňky. I když to nedalo buňkám možnost přeskakovat mezi údolími, fungovalo to jako lyžařský vlek zpět na vrchol rozlišovací krajiny.
Od té doby jiní vědci zjistili, že se správnými chemickými podněty mohou být některé buňky přeměněny na blízce příbuzné typy prostřednictvím procesu zvaného „přímé přeprogramování“ – jako zkratka lesem mezi sousedními lyžařskými trasami. Ale v žádném z těchto případů nemohly buňky spontánně přeskakovat mezi drasticky odlišnými dráhami diferenciace. Zejména mezodermální buňky se nemohly stát prekurzory tak vzdálených typů, jako jsou mozkové buňky nebo buňky střeva.
Přesto v nové studii Bruneau a jeho kolegové ukazují, že k jejich překvapení se prekurzory srdečních buněk skutečně mohou transformovat přímo na prekurzory mozkových buněk – pokud chybí protein zvaný Brahma.
Překvapivé pozorování
Vědci zkoumali roli proteinu Brahma v diferenciaci srdečních buněk, protože v roce 2019 zjistili, že funguje společně s dalšími molekulami spojenými s tvorbou srdce.
V misce s myšími embryonálními kmenovými buňkami použili přístupy k úpravě genomu CRISPR k vypnutí genu Brm (ten, který produkuje protein Brahma). A všimli si, že buňky se již nediferencovaly na normální prekurzory srdečních buněk.
„Po 10 dnech diferenciace normální buňky rytmicky bijí; jsou to jednoznačně srdeční buňky,“ říká Swetansu Hota, PhD, první autor studie a vědecký pracovník v Bruneau Lab. "Ale bez Brahmy tu byla jen masa inertních buněk." Vůbec žádné bití."
Po další analýze si Bruneauův tým uvědomil, že důvod, proč buňky nebily, byl ten, že odstranění Brahmy nejen vypnulo geny potřebné pro srdeční buňky, ale také aktivovalo geny potřebné v mozkových buňkách. Srdeční prekurzorové buňky byly nyní mozkovými prekurzorovými buňkami.
Vědci poté sledovali každý krok diferenciace a nečekaně zjistili, že tyto buňky se nikdy nevrátily do pluripotentního stavu. Místo toho buňky udělaly mnohem větší skok mezi cestami kmenových buněk, než jaký byl kdy předtím pozorován.
„Viděli jsme, že buňka v jednom údolí waddingtonské krajiny může při správných podmínkách skočit do jiného údolí, aniž by se musela nejprve vrátit výtahem na vrchol,“ říká Bruneau.
Lekce pro nemoci
Zatímco prostředí buněk v laboratorní misce a v celém embryu je zcela odlišné, pozorování vědců přináší lekce o buněčném zdraví a nemoci. Mutace v genu Brm byly spojovány s vrozenou srdeční chorobou a se syndromy, které zahrnují mozkovou funkci. Gen se také podílí na několika rakovinách.
"Pokud odstranění Brahmy může proměnit mezodermální buňky (jako prekurzory srdečních buněk) na ektodermální buňky (jako prekurzory mozkových buněk) v misce, pak jsou možná mutace v genu Brm to, co dává některým rakovinným buňkám schopnost masivně změnit svůj genetický program." říká Bruneau.
Zjištění jsou také důležitá na úrovni základního výzkumu, dodává, protože mohou objasnit, jak mohou buňky změnit svůj charakter při onemocněních, jako je srdeční selhání, a pro vývoj regeneračních terapií, například indukcí nových srdečních buněk.
"Naše studie nám také říká, že cesty diferenciace jsou mnohem složitější a křehčí, než jsme si mysleli," říká Bruneau. "Lepší znalost cest diferenciace nám také může pomoci porozumět vrozeným srdečním - a dalším - vadám, které částečně vznikají v důsledku vadné diferenciace."
