Исследователи из Медицинской школы Перельмана при Пенсильванском университете добиваются успехов в этой области, изучая стволовые клетки в естественной среде организма. Популяции стволовых клеток располагаются в областях, называемых нишами, глубоко внутри различных типов органов. Ученые считают, что эти ниши контролируют поведение стволовых клеток, то есть «говорят» стволовым клеткам, когда производить больше стволовых клеток или когда производить дочерние клетки, которые будут «рабочими лошадками» для этой ткани или органа. Кроме того, многие ниши содержат разные типы стволовых клеток, каждый из которых необходим для производства определенных типов клеток, необходимых для обновления тканей.
Но как производство дочерних клеток из разных типов стволовых клеток координируется в одной нише, практически неизвестно.Стивен ДиНардо, доктор философии, профессор клеточной биологии и биологии развития, и Кари Ф. Ленхарт, доктор философии, научный сотрудник лаборатории ДиНардо, изучают развитие сперматозоидов плодовой мушки в качестве модели для исследования ниши стволовых клеток.
В этом случае ниша, расположенная на кончике яичка, является местом делений стволовых клеток, которые имеют решающее значение для производства дочерних клеток, которые позже становятся сперматозоидами.ДиНардо и Ленхарт показали, что деление этих стволовых клеток регулируется на последней стадии репликации, называемой цитокинезом, прямо перед разделением двух дочерних клеток. Более того, время этого разделения контролируется соседними стволовыми клетками в нише. Это поразительное открытие показывает, что регуляция цитокинеза — это то, как эта ниша координирует продуцирование дочерних клеток из разных типов стволовых клеток.
Работа была опубликована в Интернете перед выходом 27 июля печатного издания Developmental Cell.Видеть — это открыватьПредыдущие исследования показали, что в нише семенников плодовых мух разные типы стволовых клеток должны координироваться друг с другом. Если бы их функции были отделены друг от друга, например, в результате мутации, семенники не могли бы производить сперму.
Такая координация — новая тема во многих тканевых нишах. Например, как в нишах, производящих клетки крови, так и в нишах волосяных фолликулов, разные типы стволовых клеток должны координировать свое индивидуальное производство. Но как возникает такая координация?
Именно здесь на помощь приходят хорошо изученные семенники плодовой мухи.«Используя микроскопию с большим увеличением, мы можем наблюдать за отдельными клетками и следить за тем, как они размножаются в реальном времени», — говорит Ленхарт. «Это привело нас к открытию кое-чего о цитокинезе в стволовых клетках. Обычно цитокинез является настолько фундаментальным клеточным процессом, что он протекает практически одинаково во всех клетках; но здесь происходило нечто очень странное».
Посредством визуализации в реальном времени они обнаружили, что кольцо, состоящее из белка актина, образуется между двумя дочерними клетками, чтобы блокировать продолжение цитокинеза. Продолжительность блока контролируется другим ферментом. «Мы нашли способ, с помощью которого цитокинез временно останавливается, а затем снова запускается, и это явление координирует всех участников процесса созревания сперматозоидов в этой нише», — говорит ДиНардо.
Они также обнаружили, что неполовая клетка должна оборачиваться вокруг стволовой клетки сперматозоида, чтобы способствовать этим заключительным этапам цитокинеза.Шаг за шагом
В семенниках плодовой мухи существуют два типа стволовых клеток: один, судьба которого — производить дочернюю клетку, которая созревает в полноценную сперматозоид, и дочерняя, которая остается стволовой клеткой (в противном случае при каждом делении ткань теряет стволовые клетки и быстро исчерпывают свою способность к обновлению), и второй тип стволовых клеток, которые являются соматическими или неполовыми стволовыми клетками, которые аналогичным образом производят дочь, которая остается стволовой клеткой, и другую дочь, которая созревает в защитную клетку. который фланкирует созревающие сперматозоиды в процессе энцистирования. Чтобы завершить картину, две такие соматические защитные клетки окружают каждую созревающую сперматозоид, и те, которые инцистируют соматические клетки, посылают сигналы сперматозоиду о том, как и когда созреть.
«Без этих сигналов — без спермы — поэтому ниша должна координировать производство стволовых клеток обоих типов», — объясняет Ленхарт.Исследователи думали, что деление стволовых клеток было скоординировано для образования этого трио клеток, но Ленхарт обнаружил, что это совсем не так. Из других исследований было известно, что остановка деления сперматозоидов может длиться намного дольше, чем ожидалось — до 15 часов — по сравнению с другими типами делящихся клеток, которым обычно требуется всего два часа для полного деления на две дочерние клетки.
Работа Пенна добавила понимание того, как возникает эта задержка и почему она может существовать.Она обнаружила, что стадия цитокинеза при репликации стволовых клеток спермы в норме, до определенного момента.
Типичное сократительное кольцо, временная структура, которая физически раздвигает две дочерние клетки, разбирается, как и ожидалось, но на его месте образуется новое кольцо из актина. Это актиновое кольцо не дает дочерям расставаться.
В конце концов, этот блок меняется на противоположный, актиновое кольцо разрушается и деление завершается. Она обнаружила, что «когда» завершения цитокинеза регулируется фланкирующими соматическими клетками. «Мы еще не знаем, работает ли этот тип координации и контроля в нишах стволовых клеток других типов тканей», — говорит ДиНардо. «Однако, имея возможность отображать живые клетки в процессе деления, остановки, а затем продолжения деления в различных условиях, система плодовой мушки позволяет нам понять шаги, необходимые в этом самом основном процессе клеточной биологии».
Двигаясь вперед, лаборатория ДиНардо ищет ниши стволовых клеток в других типах тканей, чтобы увидеть, существует ли и там этот изысканный контроль.