Идентифицирован ключевой механизм переключения стволовых клеток
Стволовые клетки могут дифференцироваться, заменяя собой погибшие или поврежденные клетки. Но как стволовые клетки решают, каким типом клеток стать в той или иной ситуации? Используя кишечные органоиды, группа ученых под руководством Бон-Кён Ку из IMBA и Института фундаментальных наук идентифицировала новый ген Daam1, который играет важную роль, запуская развитие секреторных клеток в кишечнике. Результаты работы, опубликованной 24 ноября в журнале Science Advances, открывает новые перспективы в исследованиях онкологических заболеваний.
Известно, что замещение поврежденных или погибших клеток происходит благодаря резидентным зрелым стволовым клеткам в тканях. В отличие от эмбриональных стволовых клеток, которые могут дифференцироваться в организме в любой тип клеток, зрелые стволовые клетки образуют только тканеспецифичные типы клеток. Но как резидентные стволовые клетки узнают, какому типу клеток дать начало? Габриэль Колоцца, научный сотрудник лаборатории Бон-Кён Ку в IMBA, ныне директор Центра геномной инженерии Института фундаментальных наук в Южной Корее, решил исследовать этот вопрос с использованием стволовых клеток кишечника.
«В нашем кишечнике клетки находятся в экстремальных условиях», — объясняет Колоцца. Механическое повреждение, а также действие пищеварительных ферментов и колебания pH влияют на клетки кишечника. В свою очередь, стволовые клетки слизистой оболочки кишечника дифференцируются, образуя новые кишечные клетки». Поврежденные клетки должны быть заменены, но при этом должен быть соблюден тонкий баланс между обновлением стволовых клеток и дифференцировкой в другие типы клеток: неконтролируемая пролиферация стволовых клеток может привести к образованию опухоли; с другой стороны, если дифференцируется слишком много стволовых клеток, запас стволовых клеток в ткани будет истощен».
Этот баланс тонко настраивается сигнальными путями и механизмами обратной связи, которые позволяют клеткам взаимодействовать друг с другом. Один важный путь называется Wnt. Путь Wnt известен своей ролью в эмбриональном развитии, и если его не остановить, сверхактивация пути Wnt может привести к чрезмерному делению клеток и образованию опухолей.
Хорошо известным антагонистом передачи сигналов Wnt является Rnf43, который первоначально был идентифицирован Бон-Кён Ку. До этого исследования было известно, что Rnf43 нацеливается на рецептор Wnt Frizzled и маркирует его для деградации.
«Мы хотели знать, как работает Rnf43, а также что, в свою очередь, контролирует Rnf43 и что помогает ему регулировать передачу сигналов Wnt».
Из более ранних исследований ученые узнали, что Rnf43 сам по себе недостаточен для разрушения рецептора Wnt Frizzled, который находится в плазматической мембране. «В нашей работе мы использовали биохимические исследования, чтобы определить, какие белки взаимодействуют с Rnf43». Ключевым партнером Rnf43 оказался белок Daam1.
Чтобы понять, как Daam1 регулирует Rnf43 и влияет на ткани, в которых он действует, Колоцца изучала кишечные органоиды. «Мы обнаружили, что Daam1 необходим для того, чтобы Rnf43 был активным, то есть для того, чтобы Rnf43 вообще мог регулировать передачу сигналов Wnt. Дальнейшая работа с клетками показала, что Rnf43 нуждается в Daam1 для перемещения рецептора Wnt Frizzled в везикулы, называемые эндосомами. Из эндосом Frizzled перемещается в лизосомы, где он деградируется, подавляя передачу сигналов Wnt», — добавляет Колоцца.
Кишечные органоиды представляют собой трехмерные клеточные культуры, выращенные из стволовых клеток кишечника взрослого человека, что позволяет исследователям имитировать слизистую оболочку кишечника. Эти органоиды дали ученым возможность понять, как Rnf43 и Daam1 влияют на хрупкий баланс обновления и дифференцировки стволовых клеток в кишечнике. «Мы обнаружили, что когда мы нокаутируем Rnf43 или Daam1, органоиды превращаются в опухолеподобные структуры. Эти опухолеподобные органоиды продолжают расти, даже если мы убираем факторы роста, от которых они обычно зависят, такие как R-спондин».
При воспроизведении данной работы на мышиной модели, исследователей ждал сюрприз. «В отсутствии Rnf43 в кишечнике образовались опухоли – как и ожидалось. Но когда отсутствовал Daam1, опухолевого роста не наблюдалось. Мы были озадачены этим: как может потеря факторов в одном и том же пути, которые ведут себя одинаково в органоидах, привести к таким разным результатам?»
При более детальном изучении, ученые увидели, что в кишечнике, лишенном Rnf43, много особого типа секреторных клеток — клеток Панета. С другой стороны, кишечник, в котором отсутствует Daam1, не содержал такого количества клеток Панета. Клетки Панета в свою очередь секретируют факторы роста, такие как Wnt, которые стимулируют деление клеток. «Daam1 необходим для эффективного образования клеток Панета. Когда Daam1 активен, стволовые клетки дифференцируются с образованием клеток Панета. Когда Daam1 неактивен, стволовые клетки дифференцируются в клетки другого типа».
«В органоидной культуре мы, ученые, обеспечиваем клетки факторами роста, поэтому нокаут Rnf43 и Daam1 приводит к образованию опухолеподобных органоидов. Но в кишечнике нет маленького ученого, обеспечивающего клетки факторами роста. Вместо этого клетки Панета продуцируют факторы роста, такие как Wnt, и создают правильные условия для выживания и деления стволовых клеток. Когда клеток Панета не хватает (например, когда Daam1 не активен, чтобы заставить стволовые клетки превращаться в клетки Панета), стволовые клетки не будут активно делиться. Но когда клеток Панета слишком много, например, в кишечнике, в котором отсутствует Rnf43, избыток факторов роста может способствовать образованию опухолей». Исследование Колоццы и его коллег является первым доказательством того, что Daam1, член неканонического пути Wnt, важен для спецификации клеток Панета и непосредственно участвует в развитии этих важных секреторных клеток.
Результаты работы также проливают свет на важность ниши для формирования стволовых клеток. «Мы продемонстрировали, что опухолевые клетки изменяют свое микроокружение и влияют на окружающую их среду для лучшего роста и выживания».