За стволовыми клетками можно следить «в три глаза»

Личную жизнь стволовых клеток можно разглядеть с помощью трех светящихся химических меток, которые наконец-то перестали мешать друг другу.

Почти во всех тканях и органах нашего тела есть стволовые клетки, которые их обновляют и восстанавливают. Стволовые клетки постоянно делятся, при этом некоторые из новых, дочерних клеток так и остаются стволовыми, а некоторые превращаются в специализированные клетки, заменяя собой тех, что состарились и вышли из строя.

От самочувствия стволовых клеток зависит очень многое: если они перестанут работать, как надо, живые ткани начнут стареть; может случиться и так, что стволовые клетки из-за какой-нибудь мутации выйдут из-под контроля и превратятся в раковые. Легко понять, почему биологи и медики стараются узнать про стволовые клетки как можно больше: как клетка решает, остаться ли ей стволовой или приобрести специализацию, сколько по счету могут делиться стволовые клетки в разных тканях, как они передвигаются по органам и т. д. Но чтобы все это изучать, нужен способ, с помощью которого можно было бы наблюдать за ними.

Как отличить стволовую клетку от остальных? Как мы сказали, стволовые клетки активно делятся, в отличие от большинства других. Если они делятся, значит, они постоянно удваивают свою ДНК. Один из способов слежки за стволовыми клетками состоит в том, чтобы подсовывать им меченые «стройматериалы», которые используются при синтезе ДНК, а именно – меченый тимидин.

Обычный тимидин представляет собой азотистое основание тимин (одна из четырех генетических букв – Т) плюс остаток сахара рибозы. Меченый тимидин – это тимин плюс рибоза плюс еще какая-то химическая модификация. Она, то есть модификация, сама по себе не видна, зато ее могут узнать специальные антитела, к которым, в свою очередь, присоединена флуоресцентная метка. С помощью таких антител можно в прямом смысле увидеть клетки, в которых есть новосинтезированная ДНК и которые, следовательно, недавно делились – их ДНК будет флуоресцировать из-за связавшихся с ней антител.

Но с помощью одной метки трудно отличить клетки, которые делились в разное время, и трудно судить о том, как они перемещались в органе. Можно пойти на хитрость и взять несколько групп мышей: после того, как им всем ввели метку в одно и то же время, одних животных взять на анализ через два часа, других – через сутки, третьих – через двое суток; таким образом можно понять, как вели себя меченые клетки. Однако в таком случае нужно слишком много мышей, да и точность страдает: мы следим за клетками не в одном и том же организме, а в разных.

Другой выход – использовать несколько разных меток, которые с некоторым временным интервалом мы вводим в одну и ту же мышь. Тимидин можно пометить двумя разными способами, и к каждому варианту сделать свои антитела. Проблема в том, что меченые аналоги тимидина очень похожи, и антитела их часто путают. И до недавнего времени в руках у исследователей было только две метки, которые можно было достоверно отличить друг от друга – к ним сделали антитела, которые связывались только с тем, с чем нужно.

Потом появилась третья метка – еще один аналог тимидина, который можно было выявлять не антителами, а напрямую: к этому аналогу присоединялся флуоресцентный краситель и модифицированный тимидин в новой молекуле ДНК светился сам. Казалось бы, с тремя метками можно точно отслеживать время рождения и перемещения разных групп стволовых клеток. Но тут возникла другая проблема: антитела против первых двух меток связывались с новой третьей, так что третья метка сливалась остальными.

Решение нашли исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ), Университета Стоуни-Брук (США), Лаборатории Колд Спринг Харбор (США) и Института биологии развития им. Кольцова РАН (часть работы проводилась на базе Курчатовского института): они сделали так, что на третий модифицированный тимидин можно было посадить защитную молекулу, которая делала его невидимым для антител. То есть к третьей метке теперь присоединяли не только флуоресцентный маяк, но и защитный «зонтик», который никак не мешал метке светиться.

В статье в Stem Cell Reports описаны результаты экспериментов со стволовыми клетками мозга, кишечника и семенников. По словам авторов работы, используя три метки в разных комбинациях, они сумели различить более двенадцати различных групп стволовых клеток и их потомков, готовых превратиться в специализированные клетки. С тремя неперекрывающимися метками стало возможным в одном и том же эксперименте (и в одном и том же животном) точно определять время, которое разные клетки тратят на деление, точно узнавать о начале дифференцировки или устранении ненужных клеток и т. д.

По словам Олега Подгорного, старшего научного сотрудника лаборатории стволовых клеток мозга МФТИ, сейчас они активно используют тройную метку в исследованиях, посвященных нейрогенезу, то есть появлению новых нейронов во взрослом мозге.

На нейрогенез могут влиять и радиация, и диета, и различные лекарства, начиная от противоопухолевых препаратов и заканчивая теми, которые применят при болезни Альцгеймера. Зная, как в таких условиях ведут себя стволовые клетки нервной ткани, можно оптимизировать методы лечения так, чтобы не мешать появлению в мозге новых, здоровых клеток.

По материалам пресс-службы МФТИ.