Новое исследование демонстрирует, что астроциты, особый вид клеток головного мозга, способны превращаться в нервные клетки благодаря изменениям в метилировании ДНК. Учёные выяснили, что астроциты в конкретных участках мозга обладают уникальными характеристиками метилирования, которые позволяют им производить нервные клетки.
Этот процесс может быть связан с нарушением кровоснабжения, например, при инсульте. В таких случаях астроциты перепрограммируются, чтобы формировать новые нейроны. Это открытие может привести к разработке новых методов лечения, которые помогут восстановить повреждённый головной мозг, стимулируя рост нервных клеток.
В мозге вместе работают множество различных типов клеток. В организме человека нейроны, или нервные клетки, составляют лишь половину всех клеток. Остальные клетки, называемые глиальными, играют важную роль в поддержании работы нервной системы.
Среди глиальных клеток наиболее распространены астроциты. Они выполняют несколько функций:
* обеспечивают нейроны питательными веществами;
* участвуют в формировании гематоэнцефалического барьера, который защищает мозг от вредных веществ;
* регулируют работу синапсов — мест контакта между нейронами;
* поддерживают иммунные клетки, которые защищают мозг от инфекций и других вредных воздействий.
Однако некоторые астроциты могут производить нервные клетки и другие типы клеток мозга. Из-за этой способности их называют стволовыми клетками мозга.
Стволовые клетки мозга и обычные астроциты имеют почти одинаковую активность генов, то есть их гены работают примерно одинаково.
«Раньше было непонятно, как стволовые клетки могут выполнять такие разные функции и от чего зависят их свойства», — объясняет Ана Мартин-Виллальба (Ana Martin-Villalba), автора исследования.
Метилирование является ключевым моментом
Чтобы разгадать эту тайну, учёные из Гейдельбергского университета (University of Heidelberg) под руководством Мартина-Виллальбы и Саймона Андерса выделили два вида клеток: обычные астроциты и стволовые клетки мозга. Они взяли образцы из области мозга, где у взрослых мышей продолжают развиваться молодые нейроны. Эта область называется «желудочково-субвентрикулярная зона» (ЖСВЗ).
Исследователи изучили активность генов в отдельных клетках с помощью секвенирования РНК. Также они проанализировали особенности метилирования («метилом») во всём геноме. Для анализа данных о метилировании был использован специально разработанный инструмент.
Метилирование ДНК — это химический процесс, который позволяет клетке «отключать» неиспользуемые участки своей ДНК. Этот процесс играет ключевую роль в определении индивидуальности клеток.
В ходе исследования эксперты по стволовым клеткам обнаружили, что стволовые клетки мозга имеют уникальный характер метилирования ДНК, который отличает их от других видов астроцитов.
«В отличие от обычных астроцитов, в стволовых клетках головного мозга некоторые гены не заблокированы метильными группами, которые обычно препятствуют их активности. Эти гены используются только клетками-предшественниками нейронов. «Стволовые клетки мозга могут активировать эти гены и производить нейроны самостоятельно», — объясняет Лукас Кремер, первый автор этой научной работы.
Соавтор исследования Сантьяго Серрисуэла (Santiago Cerrizuela) объясняет: «Обычные астроциты не могут воспользоваться этим путём, поскольку необходимые гены заблокированы метилированием ДНК».
Когда кровоснабжение снижается, астроциты перепрограммируются в стволовые клетки. Это, в свою очередь, способствует росту новых нервных волокон.
Возможно ли использовать метилирование для превращения астроцитов в стволовые клетки мозга не только в области ЖСВЗ, но и в других частях мозга?
«Это станет важным шагом для регенеративной медицины в деле восстановления повреждённых участков мозга», — подчёркивает Ана Мартин-Вильяльба.
Предыдущие исследования показали, что при травмах головного мозга или инсультах, когда кровоснабжение мозга нарушается, у новорожденных может увеличиваться количество нервных клеток. Интересно, могут ли изменённые профили метилирования влиять на этот процесс?
Чтобы это проверить, учёные на некоторое время прекращали кровоснабжение мозга мышей. Это позволило обнаружить астроциты с характерным профилем метилирования, как у стволовых клеток, даже за пределами ЖСВЗ. Также было выявлено увеличенное количество нервных клеток-предшественников.
«Мы предполагаем, что здоровые астроциты в мозге не производят нервные клетки, потому что в их структуре есть определённые участки метилирования, которые не позволяют этому происходить», — объясняет руководитель исследования Мартин-Виллальба.
«Методы, которые позволяют целенаправленно изменять профиль метилирования, могут стать новым эффективным способом лечения нервных заболеваний. Они помогут в создании новых нейронов».
По словам Саймона Андерса (Simon Anders), из-за нехватки кровоснабжения в некоторых участках мозга астроциты меняют свою ДНК, добавляя к ней метильные метки. Это запускает программу стволовых клеток. Затем перепрограммированные клетки начинают делиться и образовывать предшественников новых нейронов.
«Если мы лучше поймём эти процессы, то сможем целенаправленно стимулировать образование новых нейронов. Например, после инсульта мы могли бы усилить способность мозга к регенерации, чтобы устранить повреждения».
Почему для этого исследования необходимо проводить эксперименты на мышах?
Инсульты и несчастные случаи могут привести к серьёзному повреждению головного мозга, которое, как правило, имеет необратимый характер и часто приводит к трагическим последствиям для пострадавших. К сожалению, на сегодняшний день не существует метода восстановления утраченных нервных клеток.
Цель данной работы — найти способы стимулирования регенерации нервов в головном мозге взрослого человека.
Это требует глубокого понимания того, как и при каких условиях стволовые клетки мозга можно активировать, чтобы они начали производить молодые нервные клетки. Для этого исследователям предстоит изучить процессы развития, происходящие исключительно в мозге высокоразвитых млекопитающих.
Эпигенетическое репрограммирование нельзя наблюдать у живых животных при помощи методов визуализации. Однако его можно исследовать на уровне отдельных клеток.
Однако исследования невозможно проводить на клетках, которые были выращены в культуральной чашке, так как профиль их метилирования меняется, как только они попадают в культуру. Поэтому эпигенетическое перепрограммирование уже невозможно отследить.
