Atklājumi.lv

e-žurnāls par zinātni, cilvēku un rītdienas tehnoloģijām

Metilēšanas novirzes inducētās pluripotentās cilmes šūnās - kļūdas vai variācijas?

Inducētas pluripotentas cilmes (IPC) šūnas var pavērt milzīgas iespējas reģeneratīvās medicīnas laukā, kā arī dažādu biomedicīnas pētījumu, tai skaitā slimību modulāciju in vitro attīstībā. Diemžēl, ceļš uz drošu, cilvēku ārstēšanā izmantojamu IPC šūnu iegūšanu nav viegls.

IPC šūnas iegūst no somatiskām ķermeņa šūnām, kas ņemtas, piemēram, no ādas. Pārprogrammējot somatiskās šūnas, iespējams iegūt embrionālām cilmes šūnām analogu materiālu, kuru savukārt var ierosināt pārveidoties (diferencēties) par virkni citu, dabīgi organismā neatjaunojošos (vai atjaunojošos terapeitiskām vajadzībām nepietiekamā daudzumā) somatisko šūnu veidiem - neironiem, aknu šūnām, pulsējošām sirds muskuļu šūnām un aizkuņģa dziedzera šūnām. Dažreiz pie IPC šūnu iegūšanas metodēm pieskaita arī terapeitisko klonēšanu, taču tā ir ļoti dārga, turklāt nereti tiek kritizēta kā neētiska un dažās valstīs pat aizliegta ar likumu.

IPC šūnu priekšrocības ir transplanta atgrūšanas neesamība un izvairīšanās no ētiskas dabas problēmām, kas saistās ar embrionālo cilmes šūnu izmantošanu. Galvenie IPC šūnu trūkumi, salīdzinājumā ar embrionālajām cilmes šūnām ir mazāks diferencēšanās potenciāls, ātrāka novecošanās un pats galvenais - paaugstināta tumoroģenēze jeb audzēju veidošanās, ko nereti novēro, kad laboratorijas dzīvniekiem ar pazeminātu imunitāti injicē IPC šūnas.

Pētījums: inducētas pluripotentas cilmes šūnas pārprogrammējas ar kļūdām

Ja līdz šim domāja, ka galvenais, ja ne vienīgais iemesls, kāpēc IPC šūnas diferencējoties bieži veido audzējus ir pārprogrammēšanā izmantotie, ar vēzi asociētie gēni, tad tagad, iespējams, rasts vēl viens skaidrojums - vainojamas genoma pārrakstīšanas kļūdas. Žurnālā "Nature" 3. februārī publicēts raksts par Salka Bioloģisko pētījumu institūta (La Jolla, Kalifornija) Genoma analīžu laboratorijas profesora dr. Džozefa Ekera vadībā veiktu pētījumu, kura ietvaros, sadarbībā ar Viskonsīnas un Kalifornijas San Diego universitātes zinātniekiem tika noteikts DNS metilēšanas profils visa genoma mērogā.

DNS metilēšana ir viens no diviem galvenajiem, no DNS nukleotīdu secības neatkarīgiem epiģenētiskajiem mehānismiem, kas ieslēdz un izslēdz gēnus, kā arī regulē to ekspresijas intensitāti. Tieši šie mehānismi nosaka, par ko - sirdi, aknām vai acīm - pārvērtīsies embrionālās cilmes šūnas un kāda būs attiecīgo orgānu darbība, reakcija uz vides kairinājumiem.

DNS metilēšana notiek, kad vienam no četriem gēnu alfabēta burtiem - citozīnam - piestiprinās no viena oglekļa atoma un trim ūdeņraža atomiem sastāvoša metilgrupa. Rezultātā atbilstošais gēns tiek izslēgts un to vairs nevar nolasīt. Otrs nozīmīgākais DNS regulācijas mehānisms ir histonu acetilācija, kuras ietvaros tiek ietekmēta histonu proteīnu struktūra hromatīnā, kas, savukārt, nosaka to vai attiecīgais DNS reģions būs vai nebūs pieejams (atritināts) pārrakstīšanai. Abi mehānismi ir savstarpēji saistīti, viens no otra izrietoši.

Ekera komanda izpētīja DNS metilēšanu visa genoma ietvaros ar izšķirtspēju nukleotīdu bāzu mērogā. Tika analizētas IPC šūnas, embrionālās cilmes šūnas, somatiskās šūnas, 5 dažādas diferenciētu IPC šūnu līnijas un diferenciētas embrionālās cilmes šūnas.

Atklājās, ka gan IPC šūnās, gan no tām diferenciētās somatiskajās šūnās ir izdalāmas nepareizi pārprogrammētas vietas, kuras var uzlūkot kā "IPC šūnu parakstu". "Ieskatoties tikai šajās vietās", stāsta Ekers, "mēs varam pateikt vai mūsu priekšā ir IPC vai EC šūna". "Tomēr mēs vēl nezinām, ko tieši šīs izmaiņas nozīmē šūnas pašatjaunošanās un diferenciācijas sakarā."

Pētnieki atklāja, ka IPC šūnas saglabā "atmiņas" par audiem, no kuriem tās izveidotas. Ja IPC šūna, piemēram, izveidota no taukaudiem, tad arī metilācijas "raksts" būs saglabājis iezīmes no tauku šūnas metilēšanas. Papildu šīm kļūdām IPC šūnās pētnieki atklāja virkni jaunu metilēšanas izmaiņu, kuras netika konstatētas ne "mātes audos", ne EC šūnās. Šīs novirzes bija raksturīgas visām pētījumā iekļautajām IPC šūnu līnijām un koncentrējās noteiktās vietās, netālu no telomērām (hromosomu galos) un centromērām (hromosomu centrā). "To, kādēļ tieši šīs vietas nepakļaujas pārprogrammēšanai vēl jāpēta," saka Ekers, norādot, ka pētījumu rezultāti noteiks IPC šūnu nākotni. Jebkurā gadījumā, profesors rezumē, vēl ir daudz par agru atteikties no embrionālo cilmes šūnu izmantošanas terapijā un pētījumos.

Novirzes vai variācijas? IPC šūnas, iespējams, tomēr varēs izmantot.

Cilmes šūnu pētījumi ir viena no visdinamiskākajām bioķīmijas nozarēm. Jaunākie atklājumi vēl nav paspējuši apskriet visas zinātnes ziņu lappuses, kad tiek publicēti jau citi raksti, kas atrisina vai dod citu skatījumu uz iepriekšējo autoru uzstādītajām problēmām. Tā arī šoreiz - vienu dienu pēc augstāk aplūkotās Ekera et al publikācijas žurnālā "Nature" par inducēto pluripotento cilmes (IPC) šūnu pārprogrammēšanās procesā konstatētajām DNS kļūdām klajā nāca cits, izdevumā "Cell" publicēts raksts, kurš piedāvā izeju no šķietamā strupceļa.

K. Eidžens no Hovarda Hjūza medicīnas institūta un otrs vadošais "Cell" publicētā pētījuma autors Aleksandrs Meisners no Harvarda universitātes Brouda institūta Kembridžā, Masačūsetā (ASV) ziņo, ka viņiem izdevies izveidot metodi ātrai un aptverošai cilmes šūnu diferenciācijas potenciāla un ģenerēto audu kvalitātes noteikšanai. Metode balstās uz vairāku genoma analīžu apvienojumu un atskaites "koridora" noteikšanu.

Izpētot 12 dažādu IPC šūnu un 20 iepriekš iegūtu embrionālo cilmes (EC) šūnu līniju datus, zinātnieki konstatēja, ka abu veidu šūnām ir raksturīgas epiģenētiskās regulācijas un gēnu transkripcijas variācijas.

Salīdzinot EC šūnu un IPC šūnu variācijas, noskaidrojās, ka virknē gadījumu tās pilnībā vai daļēji sakrīt. Tas, savukārt, nozīmē, ka ne visas IPC šūnas ar atšķirīgu metilēšanu vai transkripcijas intensitāti ir defektīvas. "Izrādās, ka pārprogrammēšanas tehnoloģijas versija 1.0 tomēr strādā diezgan labi," teica Kevins Eidžens.

Galvenais, kas terapeitam vai laboratorijas pētniekam, strādājot ar IPC šūnām, būs jāņem vērā, norāda autori, - audu veids, kādu no attiecīgās šūnu līnijas paredzēts iegūt. Tad, izvērtējot šo šūnu ģenētisko analīžu atbilstību iepriekšnoteiktajiem paraugdatiem jeb "atskaites koridoriem", varēs noteikt vai konkrētā variācija būs derīga plānotajam uzdevumam. Pētnieki norāda, ka, izmantojot savu metodi, viņi varējuši pareizi paredzēt efektivitāti, ar kādu neatkarīgā pētījumā viena atsevišķa IPC šūnu līnija pārvērtīsies par motoriskajiem neironiem.

Jautājums, uz kuru pagaidām nav skaidras atbildes attiecas uz "Nature" rakstā minētajām IPC šūnu metilācijas novirzēm hromosomu telomēru un centromēru apvidos. Spriežot pēc šajā rakstā teiktā, šīs novirzes nav novērotas ne EC šūnām, ne somatiskajām šūnām un būtu uzlūkojamas kā IPC šūnās novērotās priekšlaicīgās apoptozes un kanceroģenēzes iespējamās izraisītājas. Tomēr, ņemot vērā Eidžena grupas konstatētās variācijas jājautā, vai Ekera grupa izanalizēja pietiekami lielu skaitu dažādu paraugu, lai gūtu ieskatu kopainā? Ja nu Ekera atklātās novirzes tomēr ietilpst Eidžena variāciju spektrā? Bet ja nu Eidžens nepievērsa uzmanību tam, ko pamanīja Ekers? Drošas atbildes uz šiem jautājumiem, saprotams, varēs iegūt tikai eksperimentāli, in vivo pārbaudot ne tikai šūnu diferenciācijas efektivitāti, bet arī no diferenciētajām šūnām iegūto audu ilgtermiņa attīstību. Citiem vārdiem sakot, Eidžena "atskaites koridorus", pirms tos varēs - ja varēs - izmantot praksē, nāksies pakļaut visdažādākajai aprobācijai un testiem.

P.S. Ņemot vērā, ka nebija iespēju izlasīt "Nature" raksta pilno versiju, nevarēju noskaidrot kādā veidā - ar gēnu vai rekombinēto proteīnu ievietošanu šūnā - iegūtas pētījumā analizētās IPC šūnas. To būtu interesanti uzzināt, jo tad varētu spriest par pārprogrammēšanā izmantoto gēnu ietekmi uz metilēšanas kļūdām.

Avoti:

Ryan Lister, Mattia Pelizzola, Yasuyuki S. Kida, R. David Hawkins, Joseph R. Nery, Gary Hon, Jessica Antosiewicz-Bourget, Ronan O'Malley, Rosa Castanon, Sarit Klugman, Michael Downes, Ruth Yu, Ron Stewart, Bing Ren, James A. Thomson, Ronald M. Evans, Joseph R. Ecker. Hotspots of aberrant epigenomic reprogramming in human induced pluripotent stem cells // Nature, 2011; DOI: 10.1038/nature09798.

Christoph Bock, Evangelos Kiskinis, Griet Verstappen, Hongcang Gu, Gabriella Boulting, Zachary D. Smith, Michael Ziller, Gist F. Croft, Mackenzie W. Amoroso, Derek H. Oakley, Andreas Gnirke, Kevin Eggan, Alexander Meissner. Reference Maps of Human ES and iPS Cell Variation Enable High-Throughput Characterization of Pluripotent Cell Lines // Cell - 4 February 2011 (Vol. 144, Issue 3, pp. 439-452)

Visu "Cell" rakstu var lejupielādēt šeit:

http://www.projectals.org/pdfs/Cell2011Bocketal.pdf

Brīvpieejas materiāls. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.