Книга: Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома

Малые РНК и стволовые клетки

Малые РНК и стволовые клетки

Отличная демонстрация важности малых РНК — процесс перепрограммирования клеток человеческих тканей, в ходе которого эти клетки становятся плюрипотентными стволовыми клетками, обладающими возможностью создавать практически любую ткань. С этой технологией мы познакомились в главе 12, где она схематически показана на рис. 12.1. Хотя первоначальная работа, с такой необычайной быстротой награжденная Нобелевской премией, действительно принадлежит к числу выдающихся, у предложенного подхода имеется ряд ограничений. Да, главные белки-регуляторы могут загнать «слинки» процессов развития обратно, вверх по лестничному пролету, но они делают это довольно-таки неэффективно. Удавалось «обратить» лишь незначительную долю клеток, и сам процесс занимал долгие недели. Через 5 лет после этих революционных открытий другие ученые усовершенствовали данную методику. Они обрабатывали зрелые клетки теми же главными регуляторами, которые использовались в первоначальных экспериментах, но добавили и кое-что новое. Они добивались сверхэкспрессии кластера малых РНК, который, как удалось показать ранее, имеет высокий уровень экспрессии в нормальных эмбриональных стволовых клетках. Ученые обнаружили, что при такой искусственно вызванной совместной сверхэкспрессии этих малых РНК и исходных главных регуляторов зрелые клетки снова становятся плюрипотентными стволовыми клетками, как мы и могли бы предполагать. Но доля клеток, трансформировавшихся в стволовые, оказалась более чем в 100 раз выше, чем при использовании одних только главных регуляторов. Кроме того, весь процесс шел теперь гораздо стремительнее. И наоборот, если исследователи задействовали главные регуляторы, но подавляли экспрессию эндогенного кластера малых РНК в зрелых клетках, эффективность перепрограммирования таких клеток резко падала. Так удалось показать, что данный кластер малых РНК действительно играет ключевую роль в способствовании регулированию сигнальных сетей, которые определяют, какой станет клетка^10,11.

Зрелые ткани тоже содержат стволовые клетки, которые, в свою очередь, способны создавать клетки именно тех тканей, где они находятся, а не трансформироваться в произвольные типы клеток. Они играют важную роль при росте организма, когда мы постепенно превращаемся из ребенка во взрослого, а кроме того, нужны для ремонта изношенных частей. В некоторых тканях сохраняется весьма активная популяция стволовых клеток даже в сравнительно поздние годы жизни. Классический пример — костный мозг: он постоянно создает клетки, необходимые нам для борьбы с инфекциями и для патрулирования организма в поисках клеток, которые могут стать раковыми. Одна из причин, по которым очень пожилые люди особенно подвержены инфекциям и онкологическим заболеваниям, как раз и состоит в том, что запас стволовых клеток в их костном мозге в конце концов истощается, и в иммунных баррикадах их организма возникают бреши.

Есть данные, показывающие, что в тканях организма человека стволовые клетки и зрелые клетки обладают разной картиной экспрессии малых РНК. Но информацию об экспрессии всегда трудно интерпретировать из-за досадной проблемы с причинно-следственной связью. Различие в характере экспрессии малых РНК порождает различия в активности и функционировании клетки? Или же эти различия в экспрессии — просто побочный результат клеточных изменений? Оказывается, на протяжении эволюции практически в неизменности сохраняются предсказанные нами процессы образования пар между нуклеотидными последовательностями некоторых малых РНК и нуклеотидными последовательностями нетранслируемых областей по меньшей мере половины всех молекул информационных РНК. Этот факт заставляет предположить, что какая-то причинно-следственная связь здесь все-таки есть¹². Чтобы взяться за решение этой проблемы, ученые частенько обращались к нашим близким родичам — мышкам.

Специалисты разработали способы выключения генов лишь в зрелых тканях, но и эти методики послужили весьма мощным исследовательским инструментом. Мышиный организм при этом развивается обычным порядком, поэтому нам не приходится беспокоиться о том, что причиной симптомов являются биологические пути и сети, в которых в ходе развития что-то пошло не так. Данный подход использовался и для выяснения того, что же происходит, если фермент, требуемый для производства малых РНК (на рис. 18.1, напомним, его изображают ножницы), в зрелых клетках инактивирован. Такая инактивация помешает производству всех малых РНК, а значит, покажет, где они играют важную роль. Однако таким путем мы не сумеем узнать, какие именно малые РНК задействованы.

Выключив режущий фермент во всех тканях взрослых мышей, ученые обнаружили дефекты в костном мозге, а кроме того, в селезенке и тимусе. Все эти три вида тканей производят клетки, необходимые для борьбы с инфекцией. Ожидалось, что в этих тканях обнаружится значительная популяция стволовых клеток. Полученные результаты подтверждали, что системы малых РНК играют заметную роль в управлении стволовыми клетками. Все подопытные мыши скоро передохли, но их гибель произошла из-за массированного разрушения кишечного тракта. Впрочем, это также подтверждало роль малых РНК в работе стволовых клеток. Наш кишечник постоянно теряет клетки, которые отшелушиваются от его внутренней поверхности в ходе непрестанной деятельности пищеварительной системы. Эти клетки должны ежедневно заменяться новыми. Поэтому вполне можно ожидать, что там будет иметься весьма активная популяция стволовых клеток¹³. Однако ученые так и не смогли толком понять, каким образом утрата режущего фермента приводит к столь значительному повреждению кишечника. Возможно, это связано с какими-то аномалиями в обработке мышиным организмом жиров пищи.

Да, эффекты оказались весьма серьезными, но это не значит, что малые РНК играют важную роль лишь в перечисленных нами тканях. Сравнительно быстрая гибель подопытных мышей могла замаскировать более тонкие симптомы, возникавшие в других тканях. Чтобы изучить этот вопрос, можно воспользоваться более избирательной методикой подавления экспрессии в зрелых тканях. С ее помощью удается инактивировать ген, отвечающий за выработку режущего фермента (назовем его для простоты режущим геном), лишь в выбранных экспериментаторами тканях взрослой мыши.

Многие результаты, полученные таким способом, вполне отвечали гипотезе о мощном влиянии малых РНК на популяции стволовых клеток. Так, когда режущий ген инактивировали в клетках волосяного фолликула взрослой мыши, мех у нее после выдергивания не отрастал как полагается¹⁴.

Есть искушение предположить на основании этих данных, что сети малых РНК требуются для того, чтобы стволовые клетки нормально выполняли свою работу по возмещению утраченных специализированных клеток. Но это чересчур упрощенный вывод. Все мы обычно стараемся растянуть полученное жалованье до ближайшего дня зарплаты. Вот и наш организм должен устроить так, чтобы стволовые клетки не расходовались чересчур поспешно. Они драгоценны. И если они исчезают, то исчезают навсегда. Вот почему некоторые сети малых РНК как раз и препятствуют стволовым клеткам необратимо превращаться в зрелые клетки тканей. Здесь надо поддерживать равновесие (см. рис. 18.2).

Рис. 18.2. При делении стволовая клетка может породить либо другую стволовую (которая также продолжит делиться, образуя новые стволовые клетки), либо дифференцированную клетку (которая уже не даст новых стволовых клеток).

Скелетные мышцы содержат стволовые клетки[71], которые надлежит почти все время держать в состоянии покоя, чтобы не истратить их слишком рано. Подобное истощение запаса стволовых клеток служит одной из причин некоторых форм потери мышечной массы: мы уже встречались с ними, обсуждая такие заболевания, как мышечная дистрофия Дюшенна. В стволовых клетках мышц имеются белки, которые при нормальных условиях мешают им превратиться в зрелые мышечные клетки. Однако если у здорового человека происходит серьезная травма или при дистрофическом заболевании теряются мышечные клетки, экспрессия таких белков понижается. Как организм этого достигает? Благодаря включению определенных малых РНК (или, по крайней мере, отчасти благодаря этому процессу). Малые РНК связываются с информационными РНК, несущими в себе код для указанных белков, и в результате вырабатывается меньше белка. А значит, со стволовых клеток снимаются тормоза, и эти клетки превращаются в зрелые мышцы^15,16.

В сердце наблюдается похожий эффект. Сердечная мышца взрослого человека все-таки содержит некоторые стволовые клетки, хотя их число не очень велико и их трудно превратить в зрелую сердечную ткань. Это одна из причин, по которым инфаркт наносит такой большой ущерб организму. При инфаркте ткань сердечной мышцы отмирает, и нашему организму очень трудно создать ткань в замену отмершей, поэтому на сердце появляются рубцы, и этот важнейший орган больше не работает как полагается. Вот почему люди, перенесшие инфаркт чаще всего так никогда и не обретают здоровье в полной мере.

Может показаться, что это отличная идея — научиться активировать стволовые клетки сердечной мышцы, заставить их производить новую мышечную ткань. Но опыты на мышах вынуждают предположить, что ситуация здесь не столь проста и однозначна. Казалось бы, это малые РНК, присутствующие в сердце, мешают стволовым клеткам превращаться в ткань сердечной мышцы, и если режущий фермент, производящий малые РНК, во взрослом сердце отключить, оно начнет расти. К сожалению, это не так уж безопасно, поскольку такой процесс иногда приводит к заболеванию, именуемому гипертрофией сердца. Нет, при этом не развивается замечательно сильная сердечная мышца, отличающая знаменитых спортсменов. Напротив, при этом аномально утолщается сердечная стенка, как у людей с повышенным кровяным давлением. Похоже, это происходит из-за того, что отключение режущего фермента заставляет стволовые клетки перестать вести себя как зрелые клетки и запускает картину генетической экспрессии, больше напоминающую ту, что наблюдается в организме при его развитии¹⁷.

Может показаться странным, что реактивирование стволовых клеток сердца не помогает организму. Но тут, возможно, имеет место некий компромисс. С эволюционной точки зрения главная забота животных — прожить достаточно долго, чтобы успеть размножиться и передать свой генетический материал потомству. Естественный контроль развития сердца как раз и направлен на гарантирование того, что наше сердце будет в течение нужного времени находиться в хорошем состоянии, дабы мы могли дотянуть до этого ключевого момента. А если в старости мы не сможем естественным путем чинить собственное сердце, так эволюции на это, в общем, плевать. Это уж проблема человека, коль скоро мы почему-то предпочитаем жить дольше того срока, который эволюция считает для нас строго необходимым.