Как лабораторные клетки подвели биологов

Некоторые клетки после пересадки их из животных в лабораторную культуру сильно меняют свой эпигенетический портрет.

Культивирование клеток уже давно стало методом (точнее, целым комплексом методов), без которого не обходится ни одна лаборатория, чем бы она ни занималась, будь то нейронные сети или рак. Речь в данном случае идёт не о бактериях, а об эукариотических клетках. В какой-то момент биологи поняли, что биологические молекулы и биохимические реакции «в пробирке» часто ведут себя совсем иначе, чем в живом организме, не говоря уже о том, что сами клетки, их ядра, хромосомы, митохондрии, мембраны и прочее лучше изучать на живых объектах, а не на мёртвых, фиксированных препаратах. С другой стороны, далеко не всякий процесс можно изучить на целом организме, даже на таком относительно простом, как червь нематода. Вот клеточные культуры и стали удобным компромиссом.

Однако клетки, растущие в лабораторной посуде – всё-таки не полноценный орган и уж тем более не организм. Они всё равно могут вести себя неестественно, и новая статья в Genome Biology это только подтверждает. Исследователи из Линчёпингского университета (Швеция) и Университета Эдинбурга (Великобритания) обнаружили, что клетки после пересадки их из организма в культивируемые условия стремительно теряют эпигенетические метки на своей ДНК. Как известно, активность генов зависит не только от последовательности нуклеотидов в них, но и от особых химических модификаций нуклеотида цитозина, когда особые ферменты присоединяют и отсоединяют от него метильные группы. Метилирование и деметилирование ДНК – один из мощнейших механизмов регуляции генетической активности; считается, что развитие злокачественных опухолей начинается в том числе и из-за разрегулированного метилирования.

Нуклеотид цитозин может быть в двух «эпигенетических» вариантах: просто с метильной группой (тогда он называется 5-метилцитозин) и когда к метильной группе добавляется ещё гидроксильный остаток (тогда он называется 5-гидроксиметилцитозин). Оказалось, что у эмбриональных фибробластов мыши гидроксильные остатки с цитозинов исчезают буквально на следующий день после того, как их достали из животного и пересадили в культуральную посуду: 5-гидроксиметилцитозины превращаются в 5-метилцитозины, то есть одна эпигенетическая метка превращается в другую. Эксперимент повторили с одной из разновидностей Т-лимфоцитов, и получили тот же результат. При этом «эпигенетический» 5-метилцитозин оставался нетронутым.

Авторы работы полагают, что такая перестройка связана с падением активности фермента, который обеспечивает присоединение гидроксильной группы к нуклеотиду. Действительно, чем дольше клетки растут в лабораторной культуре, тем меньше в них активность гена, кодирующего необходимый белок. В то же время, если культивируемым клеткам давали витамин С, который необходим гидроксилирующему белку для работы, то эпигенетические метки исчезали не так быстро. То есть дело, по-видимому, не только в снижающейся активности гена фермента, но и в недостатке кофактора-витамина.

Исчезновение гидроксиметилцитозина может в целом нарушить эпигенетическую динамику в культивируемых клетках. В норме помеченный метильной группой нуклеотид может стать снова обычным только после того, как к его метильной группе добавится гидроксильная группа – затем весь химический хвост снимается, и цитозин возвращается в своё «неэпигенетическое» состояние. Однако, если белок, заведующей гидроксилами, не работает, то на ДНК будут оставаться метилированные цитозины, что неизбежно скажется на активности генов.

Эпигенетические механизмы нужны для того, чтобы клетка вовремя среагировала на изменения внешней и внутренней среды, так что стоит ли удивляться, что переход к культуральному «образу жизни» привёл к изменениям в модификациях на нуклеотидах. Насколько сильно это влияет на свойства клеток, исследователи пока сказать не могут, кроме того, нужно ещё проверить, как обстоят дела с человеческими клетками, и особенно с различными разновидностями раковых культур. Вряд ли новые данные заставят усомниться в большинстве открытий, сделанных с помощью лабораторных клеток. Тем не менее, очевидно, во-первых, что методы культивирования клеток стоит совершенствовать и дальше, чтобы добиться максимального приближения к натуральным условиям. А во-вторых – что последней инстанцией в любом биологическом исследовании, будь то испытание нового лекарства или решение какого-то фундаментального вопроса, остаётся эксперимент на полноценном живом организме, или хотя бы на целом органе.

Подготовлено по материалам The Scientist.