Искусственные нейроны хорошо подходят для изучения раннего развития нервной системы, но плохо — для моделирования болезней, которые проявляются с возрастом, например нейродегенеративных. Авторы создали открытую базу данных, которая поможет исследователям заранее понимать, подходит ли модель под их задачу, и не тратить время на заведомо неподходящие эксперименты.
Учёные из Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) совместно с коллегами из МГУ имени М. В. Ломоносова, Института проблем передачи информации имени А. А. Харкевича РАН и других организаций провели сравнительное исследование трёхмерной организации генома в нейронах, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, и в нейронах взрослого мозга человека. Они собрали и обработали более 300 карт 3D-генома, охватывающих 62 образца человека и 34 образца мыши, включая данные по эмбриональным стволовым клеткам, индуцированным плюрипотентным стволовым клеткам, нейральным прогениторам, фетальным и постмортальным нейронам, а также нейронам, дифференцированным in vitro. В работе также представлены пять новых карт 3D-генома, полученных авторами.
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки — это клетки, полученные из взрослых соматических клеток путём генетического перепрограммирования, которое возвращает их в состояние, подобное эмбриональному. Из таких клеток можно дифференцировать нейроны, генетически идентичные донору, что позволяет изучать заболевания нервной системы в лабораторных условиях. Однако до сих пор оставалось неясным, насколько полно такие нейроны воспроизводят архитектуру хроматина зрелых нейронов взрослого мозга.
Анализ показал, что нейроны, дифференцированные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, по своим хроматиновым свойствам ближе к клеткам-предшественникам нейронов, чем к зрелым нейронам. В этих клетках активные и неактивные участки генома разделены более отчётливо, а границы структурных доменов (участков, где ДНК взаимодействует сама с собой) содержат гены, связанные с развитием. При этом длинные репрессивные контакты, которые в зрелых нейронах подавляют гены на расстоянии, в искусственно выращенных нейронах выражены гораздо слабее. Сами структурные домены в таких нейронах меньше и имеют более плотную упаковку, что характерно для клеток-предшественников. Кроме того, в них снижена активность часто взаимодействующих регуляторных участков, которые в норме контролируют экспрессию генов.
«Полученные данные показывают, что нейроны, выращенные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, не достигают зрелой архитектуры хроматина, характерной для взрослого мозга. Они сохраняют черты, присущие ранним стадиям развития, что ограничивает их использование для моделирования заболеваний с поздним началом, таких как, например, нейродегенеративные. Вместе с тем те же самые незрелые свойства делают их пригодными для изучения развития нервной системы и регуляторных механизмов, критических на ранних этапах онтогенеза», — прокомментировала Екатерина Храмеева, научный руководитель работы, доцент Центра био- и медицинских технологий Сколтеха.
«Мы создали базу данных карт 3D-генома нейрональных клеток человека и мыши, которая доступна исследовательскому сообществу. Это позволило нам впервые систематически сравнить 3D-организацию генома дифференцированных нейронов, сопоставив их как с постмортальными нейронами, так и с клетками-предшественниками. Мы показали, что на каждом из уровней дифференцированные нейроны отличаются от зрелых и сохраняют профиль клеток-предшественников. Эти выводы дают исследователям практические критерии для выбора модели в зависимости от поставленной задачи: для одних вопросов дифференцированные нейроны подходят, для других — нет», — отметила Диана Загирова, первый автор работы, младший научный сотрудник Центра био- и медицинских технологий Сколтеха, выпускница магистратуры Сколтеха «Науки о жизни».
Исследование опубликовано в журнале Genome Research.
