Асиметричний поділ стовбурових клітин супроводжується сортуванням гістонів

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 62

Асиметричний розподіл старих і нових молекул гістона H3 в двох клітинах, що утворилися в результаті поділу стовбурової клітини GSC (обведені пунктиром). Одна з цих клітин (верхня) залишиться стовбуровою; у ній переважають старі молекули H3 (позначені зеленим флуоресціюючим білком, GFP). Інша (нижня) стала на шлях диференціювання; у ній переважають нові молекули H3 (червоні, mKO). Зірочкою відзначена клітина HUB, до якої прикріплені клітини GSC. Стрілкою відзначена спектросома — структура, що з’єднує дві клітини, що утворилися в результаті асиметричного поділу GSC. Зображення з обговорюваної статті в Science

Стовбурові клітини здатні до асиметричного поділу, при якому одна з дочірніх клітин залишається стовбуровою, а інша дає початок спеціалізованим клітинам того чи іншого типу. Американські біологи виявили, що при асиметричному поділі відбувається сортування гістонів — білків, на які намотується ДНК в клітинному ядрі. «Старі» молекули гістона H3, синтезовані батьківською кліткою до початку асиметричного поділу, потрапляють в ту з дочірніх клітин, яка залишиться стовбуровою, а нові молекули того ж білка потрапляють в диференційовану клітку. Виявлений механізм, мабуть, безпосередньо пов’язаний з перепрограмуванням клітин під час асиметричного поділу.

Стовбурові клітини мають унікальну здатність одночасно підтримувати власну популяцію і давати початок клітинам, що встають на шлях диференціювання (наприклад, майбутнім нейронам, м’язовим клітинам або сперматозоїдам). Це досягається шляхом асиметричного поділу, в результаті якого одна з дочірніх клітин зберігає всі властивості материнської, тобто стовбурової клітини, а інша починає спеціалізуватися.

Багато фактів вказують на важливу роль епігенетичної інформації (див. Epigenetics) у визначенні клітинних доль. Найважливішими носіями епігенетичної інформації є гістони (див. Histone) — білки, що служать у еукаріот для компактної упаковки та організації спадкового матеріалу в ядрі (див. Нуклеосома). Під час реплікації ДНК тимчасово «скочується» з гістонів, а потім знову намотується на них, упаковуючись у нуклеосоми. Досі вважалося, що молекули гістонів, на які була намотана материнська молекула ДНК, розподіляються по двох дочірніх молекулах випадковим чином.

Певні амінокислотні залишки в молекулах гістонів можуть піддаватися хімічним модифікаціям (метилюванню або ацетилюванню). Ці «епігенетичні мітки» впливають на активність генів, намотаних на модифіковані гістони (див. «Ген видоутворення» не дозволяє хромосомам рватися в недозволених місцях, «Елементи», 18.06.2012); Нейрони отримують епігенетичні мітки при формуванні асоціативної пам’яті. «Елементи», 03.03.2011).

Мабуть, при асиметричному поділі та клітина, яка залишається стовбуровою, зберігає епігенетичну інформацію, яка була у материнської клітини, в той час як інша клітина, що вступила на шлях диференціювання, піддається перепрограмуванню шляхом видалення старих і нанесення нових епігенетичних міток. Деталі цього процесу залишаються неясними.

Біологи з Університету Джонса Хопкінса в Балтіморі (США) відкрили завісу таємниці над механізмом асиметричного поділу, вивчивши його на прикладі стовбурових клітин зародкової лінії самців дрозофіли (Male Germline Stem Cells, GSC). Клітини GSC зручні тим, що вони сидять у строго визначених місцях у статевих залозах самця і раз по раз відмовляють від себе диференціюючі клітини — гониалбласти (gonialblasts, GB), нащадки яких надалі зазнають мейоз і дають початок сперматозоїдам. Дві дочірні клітини, GSC і GB, що утворилися в результаті асиметричного поділу, залишаються з’єднаними один з одним за допомогою особливої структури — спектросоми. Тому такі пари легко впізнати під мікроскопом.

Автори вирішили перевірити, як розподіляються гістони по дочірніх клітинах при асиметричному поділі. Якщо дочірня клітина GSC зберігає епігенетичну інформацію, яка була у материнської стовбурової клітини, то логічно припустити, що саме в неї потрапляють «старі» гістони, на які була намотана ДНК в материнській клітині, з усіма своїми епігенетичними мітками, характерними для стовбурових клітин. Дочірня клітина GB в такому випадку повинна отримати нові, нещодавно синтезовані гістони, які можуть бути позначені по-новому — так, як вони повинні бути позначені в гониалбластах.

Для перевірки цього припущення автори виготовили трансгенних мух, у яких «старі» (синтезовані до певного моменту часу) гістони H3 і H2B можна відрізнити від «нових». У геном цих мух замість гена звичайного гістона (відповідно, H3 або H2B) були вставлені два гена міченого гістона відповідного типу: один із зеленою міткою (GFP), інший з червоною (mKO). Спочатку перший ген активний, другий немає. Крім того, в геном трансгенних мух була додана конструкція, яка при нагріванні (тепловому шоці) виводить з ладу перший ген і включає другий (див. FLP-FRT recombination). У результаті клітини GSC спочатку виробляють зелений гістон, але якщо муху нагріти, синтез зеленого гістона припиняється і починається синтез червоного.

За допомогою цієї хитромудроумної методики, нагріваючи мух і роздивляючись під мікроскопом клітини їх насінників, які поділилися через кілька годин після нагрівання, автори виявили, що при асиметричному поділі в дочірню стовбурову клітку (GSC) потрапляють переважно старі (зелені) молекули гістона H3, на які була намотана ДНК материнської клітини до початку реплікації. У диференційовану дочірню клітку GB, навпаки, потрапляють нові (червоні) молекули H3, синтезовані вже після того, як піддослідна муха піддалася тепловому шоку (див. малюнок).

Автори дійшли висновку, що під час реплікації хромосом, яка передує асиметричному поділу, одна з дочірніх хроматид отримує старі гістони H3, інша — нові. Потім під час клітинного ділення в стовбурову клітку відправляються хроматиди зі старими гістонами, а в GB — з новими. Що стосується гістона H2B, то з ним нічого подібного не відбувається: старі і нові молекули цього гістона розподіляються між хроматидами випадковим чином. Якщо внести в геном мутації, що порушують асиметричний поділ GSC (змушують їх ділитися симетрично, породжуючи тільки нові стовбурові клітини), то і гістон H3 теж починає розподілятися по хроматидах і дочірніх клітинах хаотично. Такий же випадковий розподіл H3 спостерігається при симетричних поділах клітин GB.

Мабуть, автори виявили важливий механізм, що дозволяє стовбуровим клітинам, з одного боку, зберігати власну ідентичність, з іншого — раз за разом відмовляти від себе диференціювані клітини. «Старі» молекули гістона H3, треба вважати, несуть на собі епігенетичні мітки (малюнок метилювання або ацетилювання), що визначають ідентичність стовбурової клітини. Зберігаючи ці молекули при собі, стовбурові клітини зберігають необхідну їм епігенетичну інформацію. У диференціювані клітини передаються нові молекули гістонів, на які може бути нанесена якась інша інформація.

Ця робота відкриває велике нове поле для досліджень. Належить з’ясувати, чи дійсно старі молекули гістонів зберігають старі епігенетичні мітки, властиві стовбуровим клітинам; чи характерний асиметричний розподіл гістонів для інших типів стовбурових клітин, крім GSC. Нарешті, хотілося б дізнатися, які молекулярні механізми забезпечують невипадковий розподіл гістонів по дочірніх клітинах.

Джерело: Vuong Tran, Cindy Lim, Jing Xie, and Xin Chen. Asymmetric Division of Drosophila Male Germline Stem Cell Shows Asymmetric Histone Distribution // Science. 2012. V. 338. P. 679–682.

Див. також:

1) Рік перепрограмованих клітин, «Елементи», 31.12.2008.

2) Вчені розробили новий метод отримання стовбурових клітин. «Елементи», 11.11.2008.

Олександр Марков