Тайната на безсмъртните стволови клетки

Особеностите на обмяната на веществата помагат на стволовите клетки да поддържат своята ДНК в „разопаковано“ състояние, необходимо за постоянно обновление.

Макар стволовите клетки сега да се изследват в клетъчната и молекулярната биология както нищо друго – за вниманието на биолозите с тях може да поспорят дори раковите клетки и невроните, – ние и досега не сме съвсем наясно какво им дава възможност да остават вечно млади и да избегнат специализация.

(Напомняме, че стволовите клетки не изпълняват специализирана функция, те само постоянно се делят, докато техните потомци могат да диференцират в клетки от различни работни типове.)

Очевидно стволовото състояние се определя от особеностите на генетичната настройка – някои гени работят, други – не, и такъв спектър на работещи и неработещи гени принципно силно се различава от това, което може да се открие в обикновените клетки.

Обикновено тук се говори за епигенетични механизми, които следят достъпността на различни участъци от ДНК за клетъчните молекулярни машини. Ако ДНК е достъпна за четене с нейната мРНК, значи генът е активен, ако ДНК е „архивирана“ и недостъпна за белтъците, генът мълчи.

Архивирането на генома се изпълнява от белтъците хистони, които, взаимодействайки с ДНК, образуват хроматин. Специални ензими могат да се прикрепят или откачат от хистоновите метилни групи и такава модификация предизвиква уплътняване или обратното – разхлабване на хроматина, а това значи, че ДНК в комплекс с хистоните става повече или по-малко достъпна за молекулярни манипулации. Метилирането на хистоните служи като един от главните епигенетични механизми за регулация на генетичната активност.

Самите метилови групи са продукт на метаболитни реакции. И ето че на изследователите от университета „Рокфелер“ (САЩ) им хрумнала мисълта, че самият обмен на вещества на стволовите клетки им помага да остават в такова състояние.

Особеността на тяхната ДНК е в това, че почти цялата тя е достъпна за четене, тоест, ако се приеме хипотезата за метаболизма, в клетките постоянно трябва да се образуват вещества, които да поддържат хроматина в „разархивиран“ вид.

В лабораторни условия стволови клетки се култивират в различни хранителни среди. Брус Кери и колегите му са забелязали, че миши ембрионални стволови клетки (ако може така да се каже – най-безсмъртните и „всемогъщи“, тъй като те могат да дадат началото на абсолютно всеки друг тип клетки) по-добре растат в една среда и по-зле – в друга. Най-добре в дадения случай означава това, че клетките по-дълго съхранявали своите стволови свойства.

Оказало се, че клетките, растящи в „добра“ среда, минавали без аминокиселината глутамин. От нея се получава алфа-кетоглутарат, който на свой ред играе важна роля в цикъла на Кребс, или цикъла трикарбоновите киселини.

Така се нарича най-важният етап в клетъчното дишане, тоест разцепването на биомолекулите с цел получаване на енергия. От друга страна, цикълът на Кребс служи още и за доставчик на множество молекули предшественици, които се насочват вече в синтетичните реакции. Тоест това е важна възлова станция на клетъчния метаболизъм.

Но ролята на алфа-кетоглутарата не се ограничава само с цикъла на Кребс. Установено е, че той участва в регулацията на метилирането на хоматин. И макар че клетките не получавали глутамин за производството на алфа-кетоглутарат, те все пак отнякъде го вземали, при това в доста големи количества.

Оказва се, че при тях просто се блокирала реакцията на цикъла на Кребс, в която производното на глутамина се превръща в нещо друго. Излишният натрупващ се алфа-кетоглутарат се отправял към ензимите, занимаващи се с преструктурирането на хроматина – тук той стимулирал реакция по очистване на хистоните от метилни групи и като следствие – активацията на ДНК.

Поради това, че цикълът на Кребс се лишавал от тази молекула, ръстът на клетките можело леко да се забави, тъй като цикълът, напомняме, играе важна енергийна роля. Но затова клетката можела, благодарение на такава метаболитна уловка, да поддържа „вечна младост“, съхранявайки целия геном разопакован.

Разбира се, тук може да се каже, че цялата работа отново е в гените и тяхната регулация – просто в „добрата“ среда са расли клетки, които са имали генетичен блок на споменатата реакция на цикъла на трикарбонови киселини.

Но ако алфа-кетоглутаратът се добавел в клетки, расли в „лоша“ среда, то техните способности за самообновление значително се повишавала. В статия в сп. Nature авторите пишат, че са успели да забележат също изменения в активността на някои гени, протичащи поради присъствието или отсъствието на алфа-кетоглутарат в средата.

Разбира се, и преди беше известно, че стволовата клетка не е нещо само по себе си, че тя се вслушва в околната среда и мени своите свойства от външните промени. Но в дадения случай учените са демонстрирали как не много сложна химична молекула отвън може да повлияе на едно от фундаменталните свойства на стволовата клетка – нейната неспособност да старее, оставайки потенциално безсмъртна.

Тоест чрез хранителната среда можем да управляваме стволовите култури – присаждайки такива клетки в организма, можем да им влияем чрез обмяната на веществата, без да прибягваме до сложни генетични манипулации.