Разрывы в ДНК спровоцировали перепрограммирование клеток мха в стволовые
Биологи выяснили, что некоторые уже дифференцированные клетки мха Physcomitrella patens способны возвращаться в состояние стволовых — говорится в исследовании, опубликованном в журнале Nature Plants. После воздействия на лиственные побеги мха антибиотика, который вызывает разрывы в ДНК, некоторые его клетки возвращались к предыдущей стадии дифференцировки. Это происходило после активации промотора STEM CELL-INDUCING FACTOR 1 (STEMIN1): они прошли серию делений и образовали верхушечные стволовые клетки.
Разрывы в ДНК животных клеток опасны для них потому, что они могут мешать жизненно важным процессам: в том числе удвоению ДНК и делению. Клетки животных с поврежденной ДНК обычно вступают в апоптоз — запрограммированную смерть. Но оказалось, что клетки мха P. patens не только выживают после геномных разрывов, но и превращаются в верхушечные стволовые клетки. Эти клетки растение использует для развития других гаметофоров — новых побегов. Это взрослая стадия развития гаметофита мха, на которой размножение происходит при помощи половых клеток — гамет.
Процесс «отката» растительных клеток до стадии стволовых уже был известен науке. После повреждения растения некоторые клетки, которые окружают рану, перепрограммируются и становятся стволовыми. Стволовые клетки — это незрелые «молодые» клетки, которые дают начало разным клеточным типам в процессе дифференцировки. Благодаря этому свойству поврежденное растение и восстанавливает свои ткани.
Ученые Нан Гу (Nan Gu) и Йосуке Томада (Yosuke Tomada) из Хуачжонского сельскохозяйственного университета показали, что перепрограммирование дифференцированных клеток P. patens в стволовые может быть вызвано разрывами ДНК. Чтобы изучить роль этих повреждений, исследователи в течение семи дней инкубировали отделенные от растения листья с антибиотиками, которые оставляют в ДНК разрывы. Неожиданно доля листьев с перепрограммированными клетками после воздействия антибиотиков возросла с 20 до 60 процентов.
Чтобы доказать, что перепрограммирование происходит и без повреждения тканей растения, ученые подвергли воздействию антибиотика гаметофор целиком, не отделяя листья. В тех же концентрациях реагентов клетки оставались на своих стадиях дифференцировки. Но при поднятии концентрации примерно в сотню раз и инкубировании в течение шести часов и дальнейшей культивации без антибиотиков ситуация изменилась. Примерно 70 процентов гаметофоров показали перепрограммирование своих клеток в верхушечные стволовые. Через две недели без антибиотиков клетки формировали протонемы — нитчатые предростки гаметофоров.
Исследователи посчитали количество двухцепочечных разрывов в клетках при помощи метода ДНК-комет. Эту процедуру так называют из-за похожих на кометы картинок, получающихся в результате электрофореза ДНК. При движении в полимерном геле под воздействием электрического поля поврежденная молекула отделяется от нетронутой из-за разницы в электрофизических свойствах. Тогда рваная ДНК выглядит как хвост кометы. Анализ показал, что антибиотики действительно вносили в генетический материал мха разрывы.
В перепрограммировании клеток под воздействием повреждений самого растения участвуют такие группы белковых факторов как CSP и STEMIN. Они накапливаются в клетках и провоцируют изменения в генетическом аппарате. Чтобы сравнить перепрограммирование клеток из-за повреждений и из-за разрывов ДНК, ученые создали растения-мутанты. Они удалили из геномов растений гены этих белковых факторов и снова обработали мох антибиотиком. Оказалось, что при удалении генов CSP процент перепрограммированных гаметофоров практически не изменялся, а вот отсутствие последовательности STEMIN1 значимо снижало образование стволовых клеток.
От редактора
В изначальной версии заметки были терминологические неточности, которые мы оперативно исправили.
Так ученые из Китая выяснили, что растительные клетки не только не погибают из-за повреждений ДНК, но и обращают их в собственную выгоду. Так поступил с насекомыми и вирус желтой курчавости у томатов — об этом мы рассказали в нашем недавнем материале.
Анна Муравьева
Он повышает синтез высокомолекулярной гиалуроновой кислоты
Американские и российские исследователи обнаружили, что трансгенные мыши с повышенной экспрессией гена синтазы гиалуроновой кислоты от голых землекопов меньше подвержены спонтанному и индуцированному раку, дольше живут и дольше сохраняют здоровье. Кроме того, у таких животных значительно снижен уровень воспаления в различных тканях. Отчет о работе опубликован в журнале Nature. Голые землекопы (Heterocephalus glaber) выделяются среди грызунов крайне высокой продолжительностью жизни (в неволе — более 40 лет). Кроме того, у них слабее работают рецепторы внутреннего уха и механизмы торможения в нервной системе, зато замедлено клеточное старение и короче иммунная память (из-за чего у них больше наивных лимфоцитов для реакции на новые инфекции). Одно из главных отличий голых землекопов от других млекопитающих состоит в том, что они практически не болеют раком. Как было показано ранее, это связано с высоким содержанием в их тканях высокомолекулярной гиалуроновой кислоты. Этот гликозаминогликан составляет основу внеклеточного матрикса, участвует в пролиферации и миграции клеток, а также влияет на прогрессирование опухолей, причем его свойства зависят от молекулярной массы — высокомолекулярный обладает защитными свойствами, низкомолекулярный — наоборот. Голые землекопы продуцируют гиалуроновую кислоту с крайне высокой молекулярной массой (более 6,1 мегадальтона), которая оказывает мощную цитопротекцию. Чтобы проверить, производит ли она схожий эффект у других видов животных, сотрудники Университета Рочестера, Гарвардской медицинской школы, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Московского государственного университета под руководством Андрея Селуанова (Andrei Seluanov) и Веры Горбуновой (Vera Gorbunova) создали трансгенных мышей с управляемой повышенной экспрессией гена синтазы 2 гиалуроновой кислоты голого землекопа (nmrHas2). У самок и самцов таких животных наблюдалось повышенное содержание высокомолекулярной гиалуроновой кислоты в мышцах, сердце, почках и тонкой кишке; низкое — в печени и селезенке, утилизирующих ее. Тем не менее оно было ниже, чем у голых землекопов, что, вероятно, связано с более высокой активностью гиалуронидазы у мышей. Наблюдения в когортах из 80–90 животных показало, что экспрессирующие трансген nmrHas2 мыши умирают от спонтанного рака реже, чем обычные (57 против 70 процентов). Эта разница была еще заметнее у пожилых (старше 27 месяцев) животных — 49 против 83 процентов. В эксперименте по химической индукции кожного канцерогенеза нанесением 7,12-диметилбензантраценом (DMBA) и форбол-12-миристат-13-ацетатом (TPA) число папиллом на 21-й неделе от него у трансгенных мышей было почти вдвое меньше, чем у обычных. От пола животных подверженность раку не зависела. Масса тела животных из обеих групп в течение жизни не различалась. При этом экспрессирующие nmrHas2 мыши жили дольше, чем обычные — медианная продолжительность жизни у них была на 4,4 процента, а максимальная — на 12,2 процента больше. У животных женского пола сильнее различалась медианная продолжительность жизни (на девять процентов), а мужского — максимальная (на 16 процентов). Оценка эпигенетического возраста по паттернам метилирования ДНК в печени в возрасте 24 месяцев показала, что у трансгенных мышей он примерно на 0,2 года меньше хронологического. Животные из основной группы жили не только дольше жили, но и дольше оставались здоровыми. У них медленнее, чем в контрольной группе, возрастал интегральный индекс немощности (frailty index), который рассчитывается по 31 физиологическому показателю, и они в пожилом возрасте сохраняли подвижность и координацию движений в тесте на ротароде. Кроме того, у трансгенных самок замедлялось развитие остеопороза. Анализ транскриптомов различных органов и тканей экспрессирующих nmrHas2 пожилых мышей выявил особенности, присущие молодым животным, и пониженный уровень воспаления, связанного с возрастом. Молекулярные исследования показали, что высокомолекулярная гиалуроновая кислота производит противовоспалительные и иммунорегулирующие эффекты, а также предохраняет клетки от окислительного стресса. Кроме того, она стимулирует барьерную функцию кишечного эпителия, сохраняет стволовые клетки кишечника и поддерживает оптимальный состав кишечной микробиоты, что дополнительно способствует снижению возрастного воспаления. Таким образом, высокомолекулярная гиалуроновая кислота, произведенная трансгеном nmrHas2, продлила жизнь мышей и сохранила их здоровье в пожилом возрасте, подавляя возрастные воспалительные реакции. Это значит, что эволюционные адаптации долгоживущих животных, таких как голый землекоп, можно искусственно воспроизвести у других видов — возможно, и у человека — с пользой для их здоровья. Также полученные результаты указывают на потенциал клинического применения высокомолекулярной гиалуроновой кислоты для лечения возрастных воспалительных заболеваний кишечника и других органов, заключают авторы работы. В 2016 году исследователи из Великобритании, Германии и ЮАР выяснили, что низкая болевая чувствительность голых землекопов связана с мутацией гена одного из рецепторов воспринимающих боль нейронов. Годом позже американские, немецкие, британские и южноафриканские ученые показали, что эти животные могут долго обходиться без кислорода — в эксперименте они выжили 18 минут в атмосфере чистого азота, после чего восстановили аэробный метаболизм.