Отдельные клетки в организме человека развиваются прогрессивно с течением времени, в конечном итоге специализируясь на определенных функциях. Этот процесс, известный как клеточная дифференциация или специализация, является центральным для формирования отдельных популяций клеток, которые служат различным целям.

Прошлые исследования показывают, что судьба клеток также модулируется эпигенетическими механизмами (т. е. взаимодействием между генами и факторами окружающей среды). Однако до сих пор было доказано, что эти эпигенетические механизмы трудно определить.

Ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Института биологии человека компании Roche недавно провели исследование, направленное на изучение эпигенетических процессов, влияющих на траектории развития отдельных клеток, с использованием органоидов человеческого мозга и сетчатки, полученных из плюрипотентных стволовых клеток .

В их статье , опубликованной в журнале Nature Neuroscience , описывается карта эпигенома отдельной клетки, которая может помочь в изучении определения судьбы клеток человека.

«Наша недавняя статья в Nature Neuroscience была вдохновлена ​​необходимостью лучше понять эпигенетические механизмы, которые регулируют решения о судьбе клеток в процессе развития человеческого мозга и сетчатки», — рассказал изданию Medical Xpress Фидес Зенк, соавтор статьи.

«Основной целью было создание комплексной эпигеномной карты отдельных клеток, которая могла бы фиксировать переходы от плюрипотентных стволовых клеток к дифференцированным нервным клеткам».

Зенк и ее коллеги задались целью создать карту, которая могла бы послужить «планом» для изучения того, как активирующие и репрессивные модификации гистонов управляют дифференциацией клеток в ходе их развития.

Трехмесячный органоид мозга, окрашенный DAPI для визуализации ядер. Автор: Zenk et al
Для изучения эпигенетических механизмов, лежащих в основе диверсификации клеток человека, исследователи провели эксперименты на органоидах человеческого мозга и сетчатки — трехмерных (3D) миниатюрных версиях человеческих органов, созданных в лабораторных условиях с использованием плюрипотентных стволовых клеток.

«Мы провели профилирование отдельных клеток трех ключевых модификаций гистонов : H3K27ac (активирующая), H3K27me3 (репрессивная) и H3K4me3 (активирующая)», — пояснил Зенк. «Используя такие методы, как CUT&Tag (расщепление под мишенями и тегирование) и секвенирование РНК отдельных клеток (scRNA-seq), мы картировали эти модификации на разных стадиях развития от плюрипотентности до дифференцированных нейронных состояний».

Используя эпигенетические методы, исследователи смогли отследить, как эти три ключевые модификации гистонов изменялись по мере того, как клетки переходили через различные стадии развития. Наблюдения, собранные в ходе их экспериментов, позволили им идентифицировать динамические эпигенетические «переключатели», которые регулируют судьбу отдельных клеток .

«Мы выявили динамические эпигенетические переключатели, которые регулируют решения о судьбе клеток, и создали одноклеточный эпигеномный атлас развития человеческого мозга и сетчатки», — сказал Зенк. «Мы обнаружили, что переключение репрессивных и активирующих модификаций гистонов происходит до решений о судьбе клеток.

«Кроме того, мы продемонстрировали, что удаление H3K27me3 на стадии нейроэктодермы нарушает ограничение судьбы, что приводит к аномальной идентичности клеток».

Результаты этого недавнего исследования вносят вклад в понимание развития человеческих клеток и лежащих в его основе эпигенетических механизмов. В будущем результаты команды и созданная ими карта могут помочь пролить свет на эпигенетическую основу различных нарушений нейроразвития, а также потенциально дать информацию для моделирования заболеваний и разработки новых методов регенеративной медицины.

«В наши дальнейшие исследовательские планы входит дальнейшее изучение механизмов, посредством которых модификации гистонов взаимодействуют, регулируя решения о судьбе клеток, а также расширение нашего эпигеномного картирования отдельных клеток на другие органоидные модели и системы развития», — добавил Зенк.

«Мы также стремимся исследовать, как определенные эпигенетические модификации способствуют возникновению болезненных состояний, и изучить терапевтические вмешательства, которые могли бы модулировать эти эпигенетические метки для восстановления нормальной функции клеток».