Теломеры помогли мышиным клеткам остаться стволовыми
Испанские исследователи обнаружили белок, который не только отвечает за «молчание» теломерной ДНК, но и поддерживает клетки в стволовом состоянии. Когда его заблокировали, теломеры начали производить РНК, которая «закрыла» клеткам доступ ко множеству генов, и клетки перестали быть стволовыми. Работа опубликована в журнале eLife.
Теломеры, концевые участки хромосом, — это сложный комплекс из теломерной ДНК и связанных с ней белков. Основная задача этих белков — защищать теломерную ДНК от белков репарации ДНК, которые могут принять конец хромосомы за разрыв и начать его спешно «чинить». Кроме того, теломерные белки заставляют теломерную ДНК «молчать», то есть мешают считывать с нее информацию в виде РНК. Один из таких белков, TRF1, оказался очень важен для эмбриональных клеток. По крайней мере, известно, что нокаутные по нему мыши умирают на ранних этапах развития, а еще без него клетки невозможно репрограммировать, то есть перевести их из дифференцированного состояния в стволовое.
Стволовая клетка зародыша отличается от взрослой специализированной клетки, среди прочего, состоянием своей ДНК. В эмбриональной клетке большая часть ДНК развернута, а гены, расположенные на ней, открыты для считывания. В дифференцированных клетках, напротив, большая часть ДНК намотана на белки-гистоны, а гены, расположенные на ней, «молчат». В открытом доступе находится лишь малая часть генов, которые необходимы для выполнения ее функций. За сворачивание генов в клубки отвечают белки ремоделирования хроматина: они навешивают на гистоны метильные метки, что делает их более липкими для ДНК. В организме эти изменения обычно необратимы, но в лаборатории клетки можно репрограммировать, то есть раскрутить ДНК и тем самым вернуть клетку в стволовые состояние.
Группа ученых из Испанского национального центра по исследованию рака под руководством Розы Марион (Rosa Marión) решила выяснить, как связаны белок TRF1, «молчание» теломерной ДНК и стволовые свойства клеток. Для этого исследователи взяли репрограммированные клетки мышей и заблокировали в них производство TRF1. При этом в клетках по сравнению с контролем изменилась экспрессия более 800 генов. Это подтвердило подозрение ученых, что TRF1 участвует во множестве других внутриклеточных процессов, кроме защиты теломерной ДНК. Среди генов, на которые повлияло отсутствие TRF1, многие были связаны с дифференцировкой и ремоделированием хроматина.
Кроме того, в клетках снизилась экспрессия генов, которые поддерживают клетку в стволовом состоянии. Исследователи подсчитали количество метильных меток на разных участках генома и обнаружили, что множество меток появилось на «генах стволовости», а значит, их работу заблокировали комплексы перестройки хроматина.
Зато в отсутствие TRF1 выросла экспрессия РНК TERRA — это некодирующая РНК, которую клетка считывает с теломерной ДНК. Обычно TERRA в клетке немного, и она привлекает к себе белки ремоделирования хроматина, которые помогают свернуть теломерную ДНК. Ученые обнаружили, что без контроля TRF1 количество этой РНК существенно растет, и она связывается со множеством других генов в ядре. Это оказались те же самые гены, которые перестают работать, когда клетка теряет TRF1.
Исследователи предложили такую модель развития событий: когда работа белка TRF1 заблокирована, он перестает контролировать экспрессию теломерной ДНК. В ядре в больших количествах появляется РНК TERRA. Как правило, она привлекает к себе белки ремоделирования хроматина, чтобы заставить «молчать» теломерную ДНК. Но когда ее много, то она связывается с генами, обеспечивающими стволовые свойства клетки, и они тоже «замолкают». Поэтому клетка перестает быть стволовой и начинает дифференцировку. Таким образом, слаженная работа теломерной ДНК и белка RTF1 поддерживает клетки в стволовом состоянии.
Феномен, который исследовали испанские ученые — не самая известная функция теломер. Гораздо лучше изучена их связь со старением: например, укорочение теломер мешает клеткам делиться и сокращает срок жизни организма. А их общая длина помогает предсказать риск умереть, правда, иногда проигрывает другим маркерам биологического возраста.
Полина Воркута
Но сработала только низкая доза
Ученые из США ввели макакам-резус белок Клото. Уровень сывороточного Клото вырос в пять раз после инъекции белка. В итоге обезьяны почти на 20 процентов лучше справились с задачей на память, и эффект не прошел даже после двух недель. Но если на мышах работали разные дозы белка, то макакам хватило 10 микрограмм на килограмм массы тела — большие дозы не улучшали память. Результаты опубликованы в Nature Aging. В конце 20 века ученые открыли белок Клото (Klotho), который назвали в честь древнегреческой богини, прядущей нить жизни. Выяснилось, что мыши с дефектным геном Klotho начинают стареть уже спустя 3–4 недели после рождения, а еще у них развивается остеопороз, атеросклероз и другие патологии, а к двум месяцам они умирают. Мыши, чрезмерно экспрессирующие Klotho, напротив, живут на 20–30 процентов дольше, а их память лучше. Еще сверхэкспрессия белка защищала мозг мышей от повреждений, связанных с болезнями Альцгеймера и Паркинсона. Люди с повышенными уровнями белка тоже живут дольше, их когнитивные способности лучше, а еще у них ниже риск развития деменции и болезни Альцгеймера. В организме синтезируется две формы белка Клото — трансмембранная и секретируемая. В крови еще циркулирует растворимая форма белка, которая получается, когда ферменты отрезают от трансмембранного белка кусок. Растворимая форма может действовать как гормон, влияя на сигналинг инсулина, фактора роста фибробластов (FGF), функцию Wnt и NMDAR. Растворимую форму Клото вводили мышам в виде инъекций, и это повышало синаптическую пластичность, улучшало познание и устойчивость нейронов к старению. Стейси Кастнер (Stacy A. Castner) из Йельской школы медицины и ее коллеги решили проверить, улучшится ли память у нечеловеческих приматов, макаков-резус (Macaca mulatta), если им подкожно ввести белок Клото. Макаки-резус, как и люди, страдают от возрастного когнитивного снижения, хотя и без значительной потери нейронов. Сначала белок Клото макак ученые ввели мышам — в дозировке 10 микрограмм белка на килограмм массы тела. В предыдущих исследованиях такая доза увеличивала синаптические и когнитивные функции мышей. Здесь спустя 4 часа у мышей улучшилась синтетическая пластичность и рабочая память, которую проверяли в У-образном лабиринте. Уровень белка Клото в сыворотке мышей после инъекции увеличился в шесть раз. Затем ученые попытались повысить уровень белка в сыворотке стареющих макак, которым было в среднем около 22 лет (что эквивалентно человеческим 65), до того же уровня. Для этого они вводили макакам разные дозы Клото: от 0,4 до 30 микрограмм на килограмм массы тела. Доза в 10 микрограмм на килограмм повысила уровень сывороточного белка в пять раз. Уровень Клото в человеческой пуповинной крови тоже примерно в пять раз выше, чем в крови взрослых, — поэтому на дозе в 10 микрограмм ученые и остановились. Обезьян учили запоминать расположение отсека с пищевым вознаграждением, и таким образом оценивали их рабочую память. Задачи с нормальной сложностью, в которых было от 4 до 7 отсеков, они выполняли успешно, но не всегда справлялись с повышенной сложностью, когда отсеков было уже от 6 до 9. Уже через четыре часа после однократной инъекции белка Клото макаки стали лучше решать задачу, особенно — ее сложный вариант. Процент правильных ответов в сложной задаче увеличился с 45 до почти 60 (P = 0,0077). Этот эффект сохранялся спустя две недели и не зависел от пола. А вот более высокие дозы — 20 и 30 микрограмм на килограмм массы тела — не привели к когнитивному улучшению у макак, но и хуже не сделали. В отличие от обезьян, на мышей в предыдущих исследованиях высокие дозы белка действовали положительно. Возможно, слишком высокие дозы нарушают метаболизм у нечеловеческих приматов. Авторы предположили, что когнитивного улучшения у людей также можно будет достичь с помощью небольших, физиологических доз гормона. Также ученым еще предстоит выяснить, как сигналы белка передаются в мозг, поскольку введенный в кровь Клото сам не пересекает гематоэнцефалический барьер. Не так давно ученым удалось улучшить рабочую память людей, посветив на мозг лазером — через кожу и череп. До стимуляции люди могли запомнить 3–4 фигуры на картинке, а после — 4–5.