Хотя более 200 различных типов клеток человека имеют один и тот же геном, каждый тип клеток экспрессирует разный ансамбль генов. Эти выражения специфических наборов генов отличают нейрон от мышечной клетки, клетки фибробласта — клетки соединительной ткани, которая производит коллаген и другие волокна — или любого другого типа клеток.Теперь исследователи UAB обнаружили, что удаление этих транскрипционных закладок может быть ключом к лучшему перепрограммированию человеческих фибробластов для создания индуцированных плюрипотентных стволовых клеток или iPS-клеток.
Клетка iPS генерируется эпигенетической модуляцией любой соматической клетки — обычно клетки кожи или крови ребенка или взрослого — чтобы она вела себя как эмбриональная стволовая клетка. Как следует из названия, эти клетки плюрипотентны, что означает, что они способны образовывать все типы взрослых клеток.Кеджин Ху, доктор философии, доцент кафедры биохимии и молекулярной генетики UAB, называет это снятием закладок или отменой чтения. Он может отменить закладки, используя низкомолекулярные химические вещества, которые мягко нацелены на связывающие карманы белков закладок, известные как дополнительный терминал бромодоменов, или BET.
Результат, как говорит Ху в статье, опубликованной в Cell Reports 20 сентября, является доказательством принципа стратегии, направленной на облегчение перепрограммирования до плюрипотентности.Улучшенное перепрограммирование дает два преимущества. Во-первых, это может увеличить выход iPS-клеток, созданных из человеческих фибробластов, что в настоящее время намного ниже, чем при перепрограммировании клеток мыши. Во-вторых, это может улучшить качество iPS-клеток, гарантируя, что большее количество соматических генов — тех, которые экспрессируются в дифференцированной клетке, такой как фибробласт, — эффективно отключаются или отключаются во время перепрограммирования на iPS-клетки.
Качественное перепрограммирование — жизненно важный шаг в усилиях по использованию iPS-клеток в медицинских исследованиях и лечении заболеваний. Клетки iPS человека, которые обладают способностью дифференцироваться в специализированные клетки любого типа, могут трансформировать медицину трансплантации, создавая индивидуальные для пациента методы клеточной замены для лечения неврологических заболеваний, сердечных заболеваний, болезней крови и диабета.
«Клетки человека содержат более 40 000 генов, но только часть генома экспрессируется в клетках определенного типа», — сказал Ху. «Эта экспрессия определенного набора генов определяет идентичность клетки. Чтобы установить новый тип клеток — в моем случае, плюрипотентную стволовую клетку — мы должны стереть старую программу экспрессии генов, в дополнение к созданию новой транскрипционной программа, предназначенная для ячеек iPS. Это похоже на строительство: если вы собираетесь построить новое здание на том же участке, вы должны сначала удалить старое ".По словам Ху, факторы репрограммирования, которые обычно используются для создания iPS-клеток из фибробластов — на основе прорывной работы лауреата Нобелевской премии Шинья Яманака в 2006 году — сталкиваются с барьером перепрограммирования.
«Если мы сможем снизить барьер, мы сможем повысить эффективность перепрограммирования», — сказал Ху. «Моя стратегия — использовать химические вещества, чтобы стереть программу транскрипции, специфичную для исходных клеток».Ху обнаружил, что очень низкая концентрация JQ1, ингибитора семейства белков BET: • Подавляет 390 специфичных для фибробластов генов при применении к наивным фибробластам человека • понижает регуляцию 651 гена, специфичного для фибробластов при применении к фибробластам человека во время репрограммирования • Повышена эффективность успешного репрограммирования человеческих фибробластов в iPS-клетки в 20 раз.В подтверждение данных экспрессии этого гена и репрограммирования, фибробласты меняют форму, когда их обрабатывают JQ1, от формы длинного веретена до многоугольной или округлой формы клетки, что демонстрирует потерю идентичности фибробластов и переход к плюрипотентным стволовым клеткам. Предположительно, гены, которые необходимы для поддержания формы веретена, подавляются с помощью JQ1.
Ху предлагает следующую модель для объяснения своих результатов. Во время нормального деления клеток активные гены фибробластов помечаются прикреплением белков BET к ацетилированному хроматину во время митотических фаз, в то время как РНК-полимераза II выпадает из хроматина. В начале интерфазы эти закладки направляют полимеразу обратно к генам, и они снова транскрибируются РНК-полимеразой II.
Напротив, когда JQ1 добавляется в низкой концентрации, активные гены фибробластов снимаются с закладок из-за взаимодействия JQ1 с белками BET во время митотических фаз деления клеток. Это «стирает» эпигенетическую память об экспрессии гена фибробластов, что, в свою очередь, приводит к потере транскрипции гена фибробластов при возвращении интерфазы.
Это также увеличивает успех репрограммирования в плюрипотентные стволовые клетки.