Назад
Согласно новому исследованию, фермент DOT1L, фактор самообновления стволовых клеток, необходим мышам для продолжения производства спермы на протяжении всей взрослой жизни.
Мужчины могут продолжать вырабатывать сперму на протяжении всей своей взрослой жизни, в отличие от женщин, которые рождаются со всеми яйцеклетками, которые у них когда-либо будут. Для этого они должны постоянно обновлять сперматогониальные стволовые клетки, которые дают начало сперматозоидам.
Согласно исследованию Джереми Ванга из Школы ветеринарной медицины Пенсильванского университета и его коллег, обновление стволовых клеток зависит от недавно выявленного фактора самообновления стволовых клеток, известного как DOT1L. Ученые продемонстрировали, что животные, лишенные DOT1L, не способны сохранять сперматогониальные стволовые клетки, что влияет на их способность постоянно производить сперму. Исследование, о котором сообщается в журнале Genes and Development, добавляет еще одну составляющую к нескольким факторам обновления стволовых клеток, которые уже были идентифицированы учеными.
"Этот новый фактор удалось выявить только благодаря необычному фенотипу: мыши, лишенные DOT1L, не могли продолжать производить сперму", - объясняет Ванг. "Выявление этого важного фактора не только помогает нам понять биологию взрослых зародышевых стволовых клеток, но и может позволить нам однажды перепрограммировать соматические клетки, такие как фибробласты, в зародышевые стволовые клетки, по сути, создавая гамету в чашке Петри. Это следующий рубеж в лечении бесплодия".
Исследователи случайно обнаружили функцию DOT1L в самообновлении стволовых клеток. Ген широко экспрессируется; мыши с мутантной формой DOT1L в каждой клетке не выживают дальше эмбриональной стадии. Однако Ванг и его коллеги предположили, что DOT1L может участвовать в мейозе - процессе деления клеток, в результате которого образуются сперматозоиды и яйцеклетки, основываясь на генетических особенностях экспрессии DOT1L. Поэтому они решили исследовать, что произойдет, если мутировать ген только в этих половых клетках.
"Когда мы это сделали, животные жили и выглядели здоровыми", - говорит Ванг. "Однако при ближайшем рассмотрении мы обнаружили, что мыши с мутантным DOT1L в половых клетках смогли завершить первый цикл производства спермы, но затем стволовые клетки истощились, и мыши потеряли все половые клетки". Этот спад в производстве спермы мог возникнуть из-за других проблем. Однако различные доказательства подтверждают связь между DOT1L и нарушением самообновления стволовых клеток. В частности, исследователи обнаружили, что у мышей происходила последовательная потеря различных стадий развития сперматозоидов: сначала не вырабатывались сперматогонии, затем сперматоциты, затем круглые сперматиды, а затем удлиненные сперматиды.
В ходе дальнейшего эксперимента исследователи наблюдали, что происходит, когда DOT1L инактивируется в половых клетках не с рождения, а во взрослом возрасте. Как только Ванг и коллеги запустили процесс потери DOT1L, они наблюдали ту же последовательную потерю развития сперматозоидов, которую они наблюдали у мышей, родившихся без DOT1L в половых клетках.
Ранее другие научные группы изучали DOT1L в контексте лейкемии. Чрезмерная экспрессия гена в предшественниках клеток крови может привести к злокачественной опухоли. Из этого направления исследований было известно, что DOT1L действует как гистон-метилтрансфераза - фермент, который добавляет метильную группу к гистонам для влияния на экспрессию генов.
Чтобы проверить, отвечает ли тот же механизм за результаты, которые Ванг и его команда наблюдали в развитии сперматозоидов, исследователи обработали сперматогониальные стволовые клетки химическим веществом, блокирующим активность метилтрансферазы DOT1L. После этого способность стволовых клеток давать начало сперматогониям значительно снизилась. Обработка также нарушила способность стволовых клеток помечать гистоны метильной группой. А когда обработанные стволовые клетки пересадили здоровым мышам, активность сперматогониальных стволовых клеток у животных снизилась вдвое.
Авторы обнаружили, что DOT1L, по-видимому, регулирует семейство генов, известных как Hoxc, факторы транскрипции, которые играют важную роль в регуляции экспрессии множества других генов. "Мы думаем, что DOT1L способствует экспрессии этих генов Hoxc путем их метилирования", - поясняет Ванг. "Эти транскрипционные факторы, вероятно, способствуют процессу самообновления стволовых клеток. Выяснение деталей этого - будущее направление нашей работы". Более долгосрочная цель - использовать такие факторы, как DOT1L и другие, участвующие в самообновлении стволовых клеток зародышевой линии, для помощи людям, испытывающим проблемы с фертильностью. Концепция заключается в том, чтобы создавать зародышевые клетки с нуля.
"Это будущее данной области: гаметогенез in vitro", - утверждает Ванг. "Перепрограммирование соматических клеток на превращение в сперматогониальные стволовые клетки - это один из этапов. Затем мы должны выяснить, как заставить эти клетки пройти мейоз. Мы находимся на ранних стадиях поиска путей осуществления этого многоступенчатого процесса, но выявление этого фактора самообновления делает нас на один шаг ближе".
Huijuan Lin et al. Гистоновая метилтрансфераза DOT1L необходима для самообновления стволовых клеток герминальной линии (аннотация).
Самообновление сперматогониальных стволовых клеток жизненно важно для пожизненного производства мужских гамет и, следовательно, фертильности. Однако механизмы, лежащие в основе этого процесса, остаются неясными.
В данном исследовании мы показали, что DOT1L, единственная метилтрансфераза H3K79, является необходимой для самообновления сперматогониальных стволовых клеток. У мышей, лишенных DOT1L, не удается поддерживать сперматогониальные стволовые клетки, что характеризуется последовательной потерей половых клеток от сперматогоний до сперматид и, в конечном итоге, синдромом "только клетки Сертоли". Ингибирование DOT1L снижает активность стволовых клеток после трансплантации. DOT1L способствует экспрессии определяющих судьбу транскрипционных факторов HoxC в сперматогониальных стволовых клетках. Кроме того, H3K79me2 накапливается в генах HoxC9 и HoxC10.
Наши результаты выявляют важную функцию DOT1L во взрослых стволовых клетках и обеспечивают эпигенетическую парадигму для регуляции сперматогониальных стволовых клеток.
