Более 80% ранних человеческих эмбрионов содержат клетки с неправильным количеством хромосом — это явление называется анеуплоидией. Обычно это связано с ошибками при разделении хромосом во время первых делений клеток.
Примечательно, что анеуплоидные клетки устраняются до имплантации. Если этого не происходит, анеуплоидия вызывает выкидыши или нарушения развития. Понимание того, как на ранних стадиях устраняются анеуплоидные клетки, имеет решающее значение для понимания фертильности и может иметь значение для таких заболеваний, как рак.
Команда под руководством доктора Марко Милана из Института исследований в области биомедицины в Барселоне (IRB Barcelona) разработала инструмент, который может создавать индивидуальные анеуплоидии и точно маркировать клетки, несущие эти анеуплоидии, в живой ткани. Это позволяет наблюдать за поведением этих клеток в режиме реального времени.
Метод, опубликованный в журнале Cell Genomics
Метод действует как пара «молекулярных ножниц», позволяя изменять количество копий больших участков генома, что приводит как к моносомии (одна копия), так и к трисомии (три копии).
«Мы можем выбрать, какой участок генома мы хотим изменить, и сразу наблюдать, как клетки реагируют», — объясняет доктор Милан, исследователь ICREA в IRB Barcelona. Инструмент был протестирован на эпителиальной ткани мухи Drosophila.
Основные выводы исследования
С одной стороны, было обнаружено присутствие большого числа гаплонедостаточных генов (генов, в которых одна копия ослабляет рост и выживание моносомных клеток), а с другой — их удаление ускоряется за счёт клеточной конкуренции с более приспособленными соседними клетками. Устранение анеуплоидных клеток зависит как от внутреннего дефицита генов, так и от окружающей среды.
Моносомные клетки теряют одну из двух хромосомных доз, что влияет на десятки или сотни ключевых генов. Некоторые из этих генов являются гаплонедостаточными, то есть одна копия больше не производит достаточного количества белка для поддержания работы клеточного механизма на полной мощности.
Среди наиболее известных гаплонедостаточных генов — гены, кодирующие рибосомные белки, фундаментальные строительные блоки механизма производства белка в клетке. Когда клетка внезапно уменьшает количество даже одной рибосомной субъединицы, общее производство белка замедляется, что приводит к усилению клеточного стресса. Этот дефицит превращает клетку в «слабого игрока» в ткани.
Благодаря одной из двух систем, разработанных в этой работе, которая позволяет исследователям создавать моносомные клетки в нормальной ткани, было продемонстрировано, что геном содержит большое количество гаплонедостаточных генов, помимо тех, которые кодируют рибосомные белки. Это исследование также показывает, что моносомные клетки устраняются посредством различных молекулярных механизмов клеточной конкуренции.
Эксперименты показывают, что моносомные клетки растут медленнее, но их окончательная судьба определяется окружающими клетками. Благодаря второй системе, разработанной в этом исследовании, которая позволяет одновременно создавать моносомные и трисомные клетки в одной и той же ткани, исследователи наблюдали, что последние могут ускорять удаление моносомных клеток.
«Мы обнаружили, что „наиболее приспособленные“ клетки буквально подталкивают анеуплодии к апоптозу; если эти анеуплоидные клетки оставить в покое, они могут выжить», — говорит доктор Елена Фусари, первый автор исследования.
Результаты показывают, что взаимодействие между самими клетками так же важно, как и анеуплоидия. Это открывает путь для лечения, которое модифицирует соседние клетки, чтобы заставить удалить патологические клоны.
Воссоздание этого клеточного поединка помогает объяснить, почему клиники по экстракорпоральному оплодотворению (ЭКО) обычно отбраковывают эмбрионы с высоким уровнем анеуплоидии. «В области вспомогательной репродукции происходит переосмысление текущих критериев отбора эмбрионов. Этот сдвиг происходит по мере того, как новые исследования показывают, что эмбрионы могут быть способны самостоятельно устранять проблемные клетки», — говорит доктор Фусари.
Понимание «правил» конкуренции между анеуплоидными клетками открывает путь к разработке терапий для удаления раковых клеток, которые также являются анеуплоидными, из здоровой ткани.
Используя разработанный инструмент, команда планирует провести исчерпывающий поиск всех гаплонедостаточных областей генома Drosophila. «Цель — составить карту того, какие гены запускают сигналы конкуренции и как мы можем модулировать этот ответ», — заключает доктор Милан.
В долгосрочной перспективе эти знания могут быть использованы для повышения эффективности процедур вспомогательной репродукции и разработки лекарств для борьбы с анеуплоидией, которая характерна для многих опухолей.
Предоставлено Институтом исследований в области биомедицины (IRB Barcelona).