Впервые ученые подтвердили давнюю гипотезу о том, что с возрастом люди накапливают генные мутации в своих митохондриях – источнике энергии клеток.
Коллектив под руководством Шухрата Миталипова, к.D., директор Центра эмбриональной клеточной и генной терапии в Oregon Health & Научный университет обнаружил, что индуцированные плюрипотентные стволовые или iPS-клетки, тип стволовых клеток, полученных из кожи или клеток крови пациентов, содержат дефектную митохондриальную ДНК. Исследование было опубликовано сегодня в журнале Cell Stem Cell.
"Патогенные мутации в нашей митохондриальной ДНК долгое время считались движущей силой старения и возрастных заболеваний, хотя четкие доказательства отсутствовали. Теперь, имея эти доказательства, мы знаем, что мы должны проверять стволовые клетки на наличие мутаций или собирать их в более молодом возрасте, чтобы убедиться, что их митохондриальные гены здоровы," сказал Миталипов. "Это фундаментальное знание о том, как клетки повреждаются в естественном процессе старения, может помочь пролить свет на роль мутировавших митохондрий в дегенеративных заболеваниях."
Митохондриальные гены находятся за пределами ядра и, как известно, подвержены повреждениям. Мутации в митохондриальной ДНК, которые случайным образом возникают в отдельных клетках с возрастом, могут ограничивать способность клеток вырабатывать энергию, генерировать сигналы и правильно функционировать.
Потенциальные методы лечения с использованием стволовых клеток имеют огромные перспективы для лечения болезней человека. Однако дефекты митохондрий могут подорвать способность iPS-клеток восстанавливать поврежденные ткани или органы. Чтобы избежать снижения терапевтической ценности клеток IPS, Миталипов и его коллеги рекомендуют проверять клетки на мутации митохондриальной ДНК.
"Если вы хотите использовать iPS-клетки у человека, вы должны проверить наличие мутаций в митохондриальном геноме," сказал Таошен Хуан, M.D., Ph.D., медицинский генетик и директор программы по митохондриальным заболеваниям в медицинском центре детской больницы Цинциннати. "Каждая ячейка может отличаться. Две соседние клетки могут иметь разные мутации или разный процент мутаций."
"Эти совместные междисциплинарные усилия определяют “ целостность митохондриального генома ” как жизненно важный показатель для оценки эффективности регенеративных продуктов, полученных от пациентов, предназначенных для клинического применения", добавляет соавтор исследования Андре Терзич, M.D., Ph.D., Директор Клинического центра регенеративной медицины Мэйо.
У каждого человека есть триллионы клеток и тысячи копий митохондрий в каждой клетке. По мере старения клеток возможны тысячи различных мутаций в каждом митохондриальном геноме. Поскольку каждая клетка имеет свою уникальную мутацию, когда исследователи исследуют щепотку кожи или каплю крови, содержащую миллионы клеток, большинство митохондриальных мутаций скрыто. Мутация будет видна только в том случае, если каждая клетка имеет одинаковую мутацию.
Однако эти мутации обнаруживаются в iPS-клетках. В процессе создания линий iPS-клеток исследователи расширяют клоны из каждой отдельной клетки кожи или клетки крови пациента. В результате каждая клетка в клеточной линии iPS будет содержать те же мутации митохондриальной ДНК, что и исходная взрослая клетка.
В этом исследовании, вместо изучения одной клеточной линии iPS, исследователи получили и секвенировали 10 клонов iPS-клеток из каждого образца ткани пациента, чтобы лучше понять частоту мутаций митохондриальной ДНК.
Они взяли образцы крови и кожи у здоровых людей и людей с дегенеративными заболеваниями в возрасте от 24 до 72 лет. Когда они протестировали объединенную кожу или клетки крови на мутации митохондриальной ДНК, уровень мутаций оказался низким.
Затем они профилировали 20 линий iPS-клеток на пациента – 10 из клеток крови и 10 из клеток кожи. Когда они секвенировали клеточные линии iPS, они обнаружили большее количество мутаций митохондриальной ДНК, особенно в клетках пациентов старше 60 лет. Они проанализировали 130 линий клеток iPS и обнаружили, что в 80% обнаружены мутации. Они также обнаружили более высокий процент митохондрий, содержащих мутации внутри клетки. Чем выше нагрузка мутированной митохондриальной ДНК в клетке, тем больше нарушается функция клетки.
Авторы рекомендуют производить и проверять несколько линий для каждого пациента, а затем выбирать наименее поврежденную линию.
В мае 2013 года Миталипов стал первым в мире ученым, продемонстрировавшим успешное использование переноса ядра соматических клеток, или SCNT, для получения эмбриональных стволовых клеток человека из клетки кожи человека. Этот прорыв был одним из шестилетних открытий, в том числе его работа 2007 года, демонстрирующая метод переноса ядра для создания эмбриональных стволовых клеток из нечеловеческих приматов. Ученые OHSU также продемонстрировали, что SCNT позволяет заменять мутировавшие митохондриальные гены митохондриями здоровой донорской яйцеклетки, сохраняя при этом ядро клетки пациента.