Результаты исследования, проведенного группой ученых из Сингапурского Института Генома (Genome Institute of Singapore или GIS) и Агентства Науки, Технологии и Исследований (Agency for Science, Technology and Research или A*STAR), показали, каким образом работают белки, участвующие в контроле работы генов. Кроме того, впервые было продемонстрировано, как можно с
помощью модификаций этих белков изменить направление дифференцировки стволовых клеток или вернуть соматические клетки в «эмбриональное» состояние.
Исследование подчеркивает важность сотрудничества ученых, работающих в разных областях современной биологии, и наглядно демонстрирует, как методы биоинформационного анализа, структурной биологии, биохимии и биологии стволовых клеток можно использовать для выявления единственной ключевой аминокислоты в белке, выполняющем роль молекулярного «переключателя» между стволовыми клетками и другими типами клеток.
Результаты этого исследования, опубликованные в журнале Stem Cells, повысят эффективность получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS-клеток) для биомедицинских целей и помогут в разработке новых методов лечения больных такими заболеваниями, как сахарный диабет, болезнь Паркинсона и болезнь Гентингтона.
Руководитель работы доктор Ларри Стентон (Larry Stanton) и его коллеги сосредоточили свое внимание на белке Sox17, в норме ответственном за дифференцировку эмбриональных стволовых клеток в клетки желудочно-кишечного тракта, и изменили в его структуре единственную аминокислоту. При внесении измененного белка Sox17 в дифференцированные фибробласты кожи, эти клетки возвращались в «эмбриональное» состояние, образуя индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. При этом эффективность образования iPS- клеток из фибробластов при применении модифицированного белка Sox17 оказалась в 5 раз выше, чем при применении общепринятых методов (внесения в клетки так называемых факторов плюрипотентности – белков Oct4, Sox2, Klf4 и Nanog).
Также исследователи модифицировали родственный белку Sox17 белок Sox2, который в норме способствует сохранению плюрипотентности эмбриональных стволовых клеток и используется для репрограммирования соматических клеток в iPS-клетки. Модифицированный белок Sox2, внесенный в эмбриональные стволовые клетки, «заставлял» их образовывать клетки пищеварительного тракта.
«Результаты этого исследования могут привести к изменению старой теории, гласящей, что существует несколько естественных факторов транскрипции, помогающих получить индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Результаты нашего исследования показали, что можно взять транскрипционный фактор, в норме не способный привести к образованию индуцированных стволовых клеток, и изменить характер его активности», - сказал один из руководителей проекта, доктор Ларри Стентон (Larry Stanton).
«В этом исследовании было впервые продемонстрировано преобразование программ развития клетки. Более того, функция «белка-переключателя» была изменена путем замены в нем всего одной аминокислоты. В мире много исследовательских групп, работающих над проблемами транскрипционных факторов и стволовых клеток, а также других команд ученых, изучающих биохимию и структурную биологию транскрипционных факторов. Нашу команду отличает уникальный интегративный научный подход, позволяющий нам преодолеть «разрыв» между двумя разными специальностями и изучить теоретические основы функционирования транскрипционных факторов в стволовых клетках», - считает коллега доктора Стэнтона, доктор Празанна Колаткар (Prasanna Kolatkar).
«Это элегантное исследование, сочетающее различные подходы, начиная от биоинформатики и заканчивая исследованиями in vivo, направленными на изменение функций белка путем замены только одной аминокислоты. Путем тщательного сравнения биохимических свойств белка Sox2, способствующего сохранению стволовых свойств клеток, и родственного ему фактора
с противоположными функциями - Sox17, ученые сделали потрясающее открытие, что эти противоположные биологические функции вызваны в значительной степени одинаковой боковой цепью аминокислот в связывающем домене семейства белков Sox. Этот домен взаимодействует
с транскрипционным фактором Oct4 и определяет специфичность связывания комплексов Oct4/Sox
с ДНК. Именно этот тип анализа необходим для глубокого понимания процесса контроля идентичности стволовых клеток, абсолютно необходимого, если мы хотим правильно и безопасно использовать плюрипотентные стволовые клетки для лечения пациентов», - объясняет профессор в области биологии плюрипотентных стволовых клеток из Эдинбургского Университета (University of Edinburgh), доктор Ян Чамберс (Ian Chambers).
«Взаимодействие транскрипционных факторов
с геномной ДНК – один из основных моментов, определяющих клеточную идентичность как во время развития организма, так и в период его зрелости. Одной из загадок этой научной области является вопрос о том, каким образом транскрипционные факторы, имеющие сходную структуру, оказывают на клетку противоположные эффекты. В основной части этой работы, которая сочетает разнообразные методы, например, рентгеновскую кристаллографию, генный мутагенез и функциональный анализ, мои коллеги из Института Генома A*STAR и Технологического Университета Наньянга (Nanyang Technological University) показали, что изменение только одной аминокислоты может привести к тому, что транскрипционные факторы приобретают совершенно другие функциональные характеристики», - говорит Исполнительный Директор Сингапурского Консорциума Стволовых Клеток (Executive Director of the Singapore Stem Cell Consortium) в Институте Медицинской Биологии (Institute of Medical Biology) A*STAR, доктор Алан Колман (Alan Colman).
