Назад
Биологи Массачусетского технологического института ответили на важный биологический вопрос: почему клетки контролируют свой размер?
Клетки одного типа поразительно одинаковы по размеру, в то время как размер клеток разных типов неодинаков. Это поднимает вопрос о том, важен ли размер клеток для клеточной физиологии.
Новое исследование предполагает, что увеличение размеров клеток приводит к снижению функциональности стволовых клеток. Исследователи обнаружили, что стволовые клетки крови, которые являются одними из самых маленьких клеток в организме, при увеличении размера теряют способность выполнять свою нормальную функцию - пополнять запасы клеток крови в организме. Однако, когда клетки восстанавливали до их обычного размера, они восстанавливали свои функции. Исследователи также обнаружили, что стволовые клетки крови имеют тенденцию увеличиваться в размерах с возрастом. Их исследование показывает, что это увеличение способствует уменьшению количества стволовых клеток во время старения.
"Мы выявили увеличение клеток как новый фактор старения in vivo, и теперь мы можем исследовать, можно ли воздействовать на увеличение клеток, чтобы задержать старение и связанные со старением заболевания", - говорит Джетте Ленгефельд, исследователь из Университета Хельсинки и автор исследования, результаты которого опубликованы в журнале Science Advances.
С 1960-х годов было известно, что человеческие клетки, выращенные в лабораторных условиях, увеличиваются по мере старения - состояния клеток, в котором они не делятся и которое ассоциировано со старением. Каждый раз, когда клетка делится, она может столкнуться с повреждением ДНК. Когда это происходит, деление останавливается для устранения повреждения. Во время каждой такой задержки клетка немного увеличивается в размерах. Многие ученые считали, что это увеличение является просто побочным эффектом старения, но в лаборатории Ленгефельд начали исследовать возможность того, что большой размер клетки приводит к возрастным потерям функций.
Ленгефельд изучала влияние размера на стволовые клетки - в частности, стволовых клеток крови, которые дают начало кровяным клеткам нашего организма на протяжении всей жизни. Чтобы понять, как размер влияет на эти стволовые клетки, исследователи повредили их ДНК, что привело к увеличению их размера. Затем они сравнили эти увеличенные клетки с другими клетками, которые также подверглись повреждению ДНК, но их рост был предотвращен с помощью рапамицина. После процедуры исследователи измерили функциональность этих двух групп стволовых клеток, введя их мышам, у которых были ликвидированы собственные стволовые клетки крови. Это позволило исследователям определить, способны ли пересаженные стволовые клетки восстановить клетки крови мышей. Они обнаружили, что поврежденные ДНК и увеличенные стволовые клетки не способны производить новые клетки крови. Однако клетки с поврежденной ДНК, которые оставались небольшого размера, все же были способны производить новые клетки крови.
В другом эксперименте исследователи использовали генетическую мутацию для уменьшения размера естественных крупных стволовых клеток, которые они обнаружили у старых мышей. Они показали, что если индуцировать эти крупные стволовые клетки, чтобы они снова стали маленькими, то клетки восстанавливали свой регенеративный потенциал и вели себя как более молодые стволовые клетки.
"Это поразительное доказательство, подтверждающее модель, согласно которой размер важен для функциональности стволовых клеток",
- говорит Ленгефельд. "Когда мы повреждаем ДНК стволовых клеток, но сохраняем их размер во время повреждения, они сохраняют свою функциональность. А если мы уменьшаем размер крупных стволовых клеток, мы можем восстановить их функцию".
Когда исследователи давали мышам рапамицин, начиная с раннего возраста, они смогли предотвратить увеличение стволовых клеток крови по мере взросления мышей. Стволовые клетки крови этих мышей оставались маленькими и были способны создавать клетки крови, как молодые стволовые клетки, даже у мышей в возрасте 3 лет, что является преклонным возрастом для мыши.
Рапамицин, препарат, который может подавлять рост клеток, в настоящее время используется для лечения некоторых видов рака и предотвращения отторжения при пересадке органов, а также вызывает интерес своей способностью продлевать продолжительность жизни у мышей и других организмов. По словам Ленгефельд, он может быть полезен для замедления роста стволовых клеток и, следовательно, может оказать благотворное влияние на человека.
"Если мы найдем препараты, которые помогут сделать крупные стволовые клетки крови меньше, мы сможем проверить, улучшит ли это здоровье людей, страдающих от проблем с кровеносной системой - таких как анемия и ослабленная иммунная система - или, возможно, даже поможет людям с лейкемией", - говорит она. Исследователи также продемонстрировали важность размера для другого типа стволовых клеток - стволовых клеток кишечника. Они обнаружили, что более крупные стволовые клетки были менее способны генерировать кишечные органоиды, которые имитируют структуру слизистой кишечника.
"Это позволило предположить, что связь между размером и функцией клеток сохраняется в стволовых клетках, и что размер клеток является маркером функции стволовых клеток", - утверждает Ленгефельд.
Jette Lengefeld et al. Размер клеток является детерминантой потенциала стволовых клеток во время старения (аннотация).
Стволовые клетки удивительно малы. Важен ли маленький размер для функции стволовых клеток, неизвестно. Мы обнаружили, что гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) увеличиваются в условиях, снижающих функцию стволовых клеток. Это снижение жизнеспособности крупных ГСК связано с уменьшением пролиферации и сопровождается изменением метаболизма.
Предотвращение увеличения ГСК или уменьшение размеров крупных ГСК предотвращает потерю потенциала стволовых клеток в условиях, вызывающих истощение стволовых клеток. Наконец, мы показали, что мышиные и человеческие ГСК увеличиваются во время старения. Предотвращение этого зависящего от возраста увеличения улучшает функцию ГСК. Мы пришли к выводу, что небольшой размер клеток важен для функционирования стволовых клеток in vivo, и предположили, что увеличение стволовых клеток способствует их функциональному снижению во время старения.
