Асимметричное распределение старых и новых молекул гистона H3 в двух клетках, образовавшихся в результате деления стволовой клетки GSC (обведены пунктиром). Одна из этих клеток (верхняя) останется стволовой; в ней преобладают старые молекулы H3 (помечены зеленым флуоресцирующим белком, GFP). Другая (нижняя) встала на путь дифференцировки; в ней преобладают новые молекулы H3 (красные, mKO). Звездочкой отмечена клетка HUB, к которой прикреплены клетки GSC. Стрелкой отмечена спектросома — структура, соединяющая две клетки, образовавшиеся в результате асимметричного деления GSC. Изображение из обсуждаемой статьи в Science.
Стволовые клетки способны к асимметричному делению, при котором одна из дочерних клеток остается стволовой, а другая дает начало специализированным клеткам того или иного типа. Американские биологи обнаружили, что при асимметричном делении происходит сортировка гистонов — белков, на которые наматывается ДНК в клеточном ядре. «Старые» молекулы гистона H3, синтезированные родительской клеткой до начала асимметричного деления, попадают в ту из дочерних клеток, которая останется стволовой, а новые молекулы того же белка попадают в дифференцирующуюся клетку. Обнаруженный механизм, по-видимому, непосредственно связан с перепрограммированием клеток в ходе асимметричного деления.
Стволовые клетки обладают уникальной способностью одновременно поддерживать собственную популяцию и давать начало клеткам, встающим на путь дифференцировки (например, будущим нейронам, мышечным клеткам или сперматозоидам). Это достигается путем асимметричного деления, в результате которого одна из дочерних клеток сохраняет все свойства материнской, то есть стволовой клетки, а другая начинает специализироваться.
Многие факты указывают на важную роль эпигенетической информации в определении клеточных судеб. Важнейшими носителями эпигенетической информации являются гистоны — белки, служащие у эукариот для компактной упаковки и организации наследственного материала в ядре. Во время репликации ДНК временно «сматывается» с гистонов, а потом снова наматывается на них, упаковываясь в нуклеосомы. До сих пор считалось, что молекулы гистонов, на которые была намотана материнская молекула ДНК, распределяются по двум дочерним молекулам случайным образом.
Определенные аминокислотные остатки в молекулах гистонов могут подвергаться химическим модификациям (метилированию или ацетилированию). Эти «эпигенетические метки» влияют на активность генов, намотанных на модифицированные гистоны.
По-видимому, при асимметричном делении та клетка, которая остается стволовой, сохраняет эпигенетическую информацию, которая была у материнской клетки, в то время как другая клетка, вступившая на путь дифференцировки, подвергается перепрограммированию путем удаления старых и нанесения новых эпигенетических меток. Детали этого процесса остаются неясными.
Биологи из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе (США) приоткрыли завесу тайны над механизмом асимметричного деления, изучив его на примере стволовых клеток зародышевой линии самцов дрозофилы (Male Germline Stem Cells, GSC). Клетки GSC удобны тем, что они сидят в строго определенных местах в половых железах самца и раз за разом отпочковывают от себя дифференцирующиеся клетки — гониалбласты (gonialblasts, GB), потомки которых в дальнейшем претерпевают мейоз и дают начало сперматозоидам. Две дочерние клетки, GSC и GB, образовавшиеся в результате асимметричного деления, остаются соединенными друг с другом при помощи особой структуры — спектросомы. Поэтому такие пары легко опознать под микроскопом.
Авторы решили проверить, как распределяются гистоны по дочерним клеткам при асимметричном делении. Если дочерняя клетка GSC сохраняет эпигенетическую информацию, которая была у материнской стволовой клетки, то логично предположить, что именно в нее попадают «старые» гистоны, на которые была намотана ДНК в материнской клетке, со всеми своими эпигенетическими метками, характерными для стволовых клеток. Дочерняя клетка GB в таком случае должна получить новые, недавно синтезированные гистоны, которые могут быть помечены по-новому — так, как они должны быть помечены в гониалбластах.
Для проверки этого предположения авторы изготовили трансгенных мух, у которых «старые» (синтезированные до определенного момента времени) гистоны H3 и H2B можно отличить от «новых». В геном этих мух вместо гена обычного гистона (соответственно, H3 или H2B) были вставлены два гена меченого гистона соответствующего типа: один с зеленой меткой (GFP), другой с красной (mKO). Изначально первый ген активен, второй нет. Кроме того, в геном трансгенных мух была добавлена конструкция, которая при нагревании (тепловом шоке) выводит из строя первый ген и включает второй (FLP-FRT recombination). В результате клетки GSC сначала производят зеленый гистон, но если муху нагреть, синтез зеленого гистона прекращается и начинается синтез красного.
При помощи этой методики, нагревая мух и разглядывая под микроскопом клетки их семенников, поделившиеся спустя несколько часов после нагревания, авторы обнаружили, что при асимметричном делении в дочернюю стволовую клетку (GSC) попадают преимущественно старые (зеленые) молекулы гистона H3, на которые была намотана ДНК материнской клетки до начала репликации. В дифференцированную дочернюю клетку GB, наоборот, попадают новые (красные) молекулы H3, синтезированные уже после того, как подопытная муха подверглась тепловому шоку (см. рисунок).
Авторы пришли к выводу, что во время репликации хромосом, которая предшествует асимметричному делению, одна из дочерних хроматид получает старые гистоны H3, другая — новые. Затем в ходе клеточного деления в стволовую клетку отправляются хроматиды со старыми гистонами, а в GB — с новыми. Что касается гистона H2B, то с ним ничего подобного не происходит: старые и новые молекулы этого гистона распределяются между хроматидами случайным образом. Если внести в геном мутации, нарушающие асимметричное деление GSC (заставляющие их делиться симметрично, порождая только новые стволовые клетки), то и гистон H3 тоже начинает распределяться по хроматидам и дочерним клеткам хаотично. Такое же случайное распределение H3 наблюдается при симметричных делениях клеток GB.
По-видимому, авторы обнаружили важный механизм, позволяющий стволовым клеткам, с одной стороны, сохранять собственную идентичность, с другой — раз за разом отпочковывать от себя дифференцирующиеся клетки. «Старые» молекулы гистона H3, надо полагать, несут на себе эпигенетические метки (метилирование или ацетилирование), определяющие идентичность стволовой клетки. Сохраняя эти молекулы при себе, стволовые клетки сохраняют необходимую им эпигенетическую информацию. В дифференцирующиеся клетки передаются новые молекулы гистонов, на которые может быть нанесена какая-то другая информация.
Данная работа открывает большое новое поле для исследований. Предстоит выяснить, действительно ли старые молекулы гистонов сохраняют старые эпигенетические метки, свойственные стволовым клеткам; характерно ли асимметричное распределение гистонов для других типов стволовых клеток, помимо GSC. Наконец, хотелось бы узнать, какие молекулярные механизмы обеспечивают неслучайное распределение гистонов по дочерним клеткам.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ
