Ученые Калифорнийского технологического института преобразовали клетки нижней части тела в лицевую ткань, которая составляет хрящ, в новых экспериментах с использованием птичьих эмбрионов. Исследователи обнаружили "генная цепь," состоит всего из трех генов, которые могут изменять судьбу клеток, предназначенных для нижней части тела птиц, превращая их вместо этого в клетки, производящие хрящи и кости в голове.
Результаты, опубликованные в выпуске журнала Science от 24 июня, в конечном итоге могут привести к лечению состояний, при которых утрачиваются лицевые кости или хрящи. Например, хрящ, разрушенный в результате рака носа, особенно трудно заменить. Понимание генетических путей, которые приводят к развитию лицевого хряща, может помочь в будущем лечении стволовыми клетками, когда собственные клетки кожи пациента могут быть преобразованы и использованы для восстановления носа.
"Когда лицевой хрящ и кость потеряны в результате рака или несчастного случая, было трудно заменить," говорит Марианна Броннер, профессор биологии Альберта Биллингса Раддока в Калифорнийском технологическом институте и старший автор научного отчета. "Наша долгосрочная надежда состоит в том, что раскрытие этой генной цепи может быть полезно для перепрограммирования собственных стволовых клеток пациента для создания лицевого хряща."
Кости под нашей шеей, которые ученые называют "длинный" кости, происходят из другого источника ткани, чем кости в нашей голове. Как эмбрионы, мы рождаемся с типом ранней ткани, называемой нервным гребнем, которая формируется вдоль всего тела, от головы до конца спинного мозга. Те клетки нервного гребня, которые берут начало в голове, называемые черепным нервным гребнем, дифференцируются в хрящ и кости нашего лица, включая челюсти и череп. Напротив, так называемые клетки нервного гребня ствола, образующиеся ниже шеи, не образуют хрящ или кость, а вместо этого превращаются в нервные клетки и пигментные клетки в других частях нашего тела. Броннер и ее коллеги хотят понять, какие гены регулируют развитие клеток краниального нервного гребня и позволяют им создавать хрящи и кости в голове.
С этой целью они разделили клетки ствола и краниального нервного гребня эмбрионов птиц на отдельные группы и искали различия в активности генов. Первоначально было идентифицировано пятнадцать генов, которые включаются только в черепных клетках. Исследователи выбрали шесть из этих генов для дальнейшего изучения. Все шесть кодов факторов транскрипции – молекул, которые связываются с ДНК, чтобы включать и выключать экспрессию других генов. Изучив, как эти факторы взаимодействуют друг с другом, ученые сосредоточились на трех, называемых Sox8, Tfap2b и Ets, которые являются частью цепи черепного нервного гребня.
Затем эти три гена были вставлены в тела развивающихся птичьих эмбрионов, в частности в нервный гребень туловища, с помощью метода, называемого электропорацией. В этом методе к клеткам прикладывают электрический ток, чтобы открыть поры, через которые могут проходить молекулы, такие как ДНК. Затем исследователи трансплантировали измененные стволовые клетки в краниальную область эмбрионов. Пять дней спустя стволовые клетки начали делать что-то совершенно новое: производить хрящи.
"Обычно эти стволовые клетки не образуют хрящевую ткань," говорит Броннер. "Введение в эти клетки всего трех генов перепрограммировало их, чтобы они приобрели способность делать это."
Броннер сказала, что надеется, что другие исследователи будут использовать эту информацию для экспериментов на культуре клеток. Добавив вновь обнаруженную генную цепь, возможно, с другими известными факторами, к клеткам кожи в чашке Петри, можно будет превратить их в клетки, продуцирующие хрящ, – следующий ключевой шаг в создании будущих методов лечения потери лицевых костей и хрящей.
Первый автор научной статьи под названием, "Репрограммирование осевой идентичности нервного гребня птиц и судьбы клеток," Маркос Симоэс-Коста из Калифорнийского технологического института.