Nerwowe komórki macierzyste – potencjał ukryty w drzemaniu

Nerwowe komórki macierzyste – potencjał ukryty w drzemaniu

Nerwowe komórki macierzyste (ang. neural stem cells, NSC) przez niektórych są uważane za przyszłe remedium na wszelkie choroby układu nerwowego związane z obumieraniem neuronów czy gleju. Testuje się je już w terapii stwardnienia zanikowego bocznego, stwardnienia rozsianego, choroby Alzhaimera oraz Parkinsona[2]. Wszystko dzięki ich zdolności do wielokrotnych podziałów i możliwości różnicowania w kilka typów komórek: neurony, oligodendrocyty i astrocyty. Krokiem milowym ostatnich dziesięciu lat (choć przesłanki pojawiły się znacznie wcześniej) było obalenie teorii prekursora neurobiologii Ramona y Cajala, według której neurogeneza nie może zachodzić w dojrzałym mózgu. Tymczasem właśnie teraz w Twojej głowie, w strefie podziarnistej zakrętu zębatego hipokampa i w strefie przykomorowej, powstają nowe komórki. I to nawet do 700 dziennie! [1] Jednak nim doczekamy się powszechnego wykorzystania nerwowych komórek macierzystych, nauka musi odpowiedzieć na wiele pytań. Trzeba między innymi dokładniej zrozumieć mechanizmy warunkujące ich różnicowanie, a także uregulować kluczowe kwestie, takie jak ich pozyskiwanie (m.in. budzące wiele kontrowersji wykorzystanie do tego celu zarodków). Jedno z ostatnich badań opublikowanych w „Science” pozwoliło bliżej poznać komórki macierzyste układu nerwowego.

Co badano?

Pod lupę wzięto uśpione nerwowe komórki macierzyste (ang. quiescent neural stem cells, qNSC) muszki owocowej (Drosophila melanogaster), które intensywnie proliferują na początku embriogenezy, potem stają się nieaktywne, a w obecności odpowiedniego bodźca ponownie zaczynają się dzielić. Do tej pory sądzono, że trwają w uśpieniu, będąc w fazie G0 podziału komórkowego, czyli tzw. fazie spoczynkowej. Jednak po wykonaniu obrazowania fluorescencyjnego okazało się, że aż 73% qNSC wykazuje ekspresję cykliny A i B – markerów fazy G2, która występuje przed mitozą. Potwierdziło to barwienie na DAPI, związek, który silnie wiąże się do DNA. Komórki w fazie G2 świeciły jaśniej, co wskazuje na to, że rzeczywiście zawierały dwa razy więcej materiału genetycznego (były tuż przed podziałem) niż komórki w fazie G0. Do tej pory ani u muszki owocowej, ani u ssaków nie obserwowano NSC uśpionych w fazie G2.

Wpływ fazy cyklu komórkowego na reaktywację

Następnie sprawdzono, czy zatrzymanie komórek w jednej z dwóch faz odbywa się losowo, czy jest jakoś zaprogramowane. W tym celu zliczano wybarwione qNSC dla każdego z segmentów mózgu rozwijającego się embrionu. Poza drobnymi wyjątkami liczba qNSC wydaje się stała dla poszczególnych rejonów. Potem śledzono aktywację qNSC specjalnym markerem – worniu. Ponad 80% komórek zatrzymanych w fazie G2 było reaktywowane w ciągu 20 godzin od wyklucia się larwy, w porównaniu do około 20% komórek w fazie G0.  Wszystkie qNSC przeszły w stan aktywny po 48 godzinach. Pozwala to stwierdzić, że zatrzymanie komórek w fazie G2 znacząco przyśpiesza ich reaktywację.

Udział białka trbl

Zbadano także ekspresję genów specyficznych dla qNSC. Spośród 1656 genów kluczowe okazały się te związane z białkiem tribbles (trbl). Jest to bardzo konserwatywna pseudokinaza, zaangażowana w ścieżki sygnałowe aktywowane przez insulinę i mitogeny. Badacze poprzez wyciszenie genów dla tego białka pokazali, że trbl odpowiada za wkraczanie macierzystych komórek nerwowych w fazę uśpienia, a także za utrzymanie tego stanu. Wykorzystali do tego interferencyjne RNA (iRNA), które potrafi przyłączyć się do mRNA konkretnego białka i zdegradować je, zanim trafi do rybosomu. Ponadto sprzężenie białka zielonej fluorescencji z białkiem trbl pozwoliło udowodnić, że wszystkie qNSC zatrzymane w fazie G2 wykazują jego ekspresję. Prawdopodobny mechanizm polega na degradacji przez białko trbl białka Cdc 25, które reguluje cykl komórkowy, biorąc udział m.in. w indukcji mitozy (ryc. 1). Rzeczywiście NSC u mutantów z wyciszoną ekspresją trbl zawierały dużo więcej białka Cdc 25, niż kontrola, więc były skłonniejsze do podziałów. Co ciekawe, ilość Cdc 25 zmniejsza się przy przejściu NCS w uśpienie, ale ilość mRNA dla tego białka pozostaje niezmienna. Należy podkreślić, że ten mechanizm obowiązuje tylko w trakcje późnej embriogenzy. Na kolejnych etapach rozwoju białko Cdc 25 nie wykazuje już ekspresji, więc nie może regulować NSC.

Potencjalny drugi mechanizm może być zależny od ścieżki sygnałowej insuliny (ryc. 1). Białko trbl może ją blokować przez wiązanie do Akt (kinazy B) i blokowanie jej fosforylacji, tym samym hamując dalszą transdukcję sygnału. Podczas eksperymentów dopiero użycie trwale aktywnej Akt przełamało hamujący efekt białka trbl, nie pozwalając przez to komórkom NSC do przejścia w fazę uśpienia.

A jak sprawić, żeby qNSC na powrót stały się aktywne? Dzieje się to prawdopodobnie przez ścieżkę sygnałową związaną z insuliną. Wystarczy, że insulinopodobne białka (ang. Drosophila insulin-like peptides, dILPs) trafią z gleju wokół bariery krew–mózg do przestrzeni zewnątrzkomórkowej wokół qNSC. Doprowadzi to do zaprzestania blokowania Akt, dezaktywacji trbl i w efekcie będzie sygnałem do aktywności i proliferacji qNSC.

Co warto zapamiętać?

Przede wszystkim to, że stała liczba qNSC znajduje się albo w fazie G2, albo G0, a nie tylko G0, jak wcześniej sądzono. Ponadto G2 qNSC po aktywacji różnicują się znacznie wcześniej niż G0 qNSC. Transformacja NSC w qNSC jest związana z aktywnością białka trbl, które działa na dwa sposoby: albo degraduje białko Cdc 25, albo blokuje ścieżkę sygnałową poprzez blokadę białka Akt. Ten sam mechanizm odpowiada także za utrzymanie tego stanu. Za ponowną aktywację komórek odpowiedzialna jest ścieżka sygnałowa związana z insuliną. Badacze sugerują, że te zależności zaobserwowane u Drosophila melanogaster występują także u ssaków. Jeśli te przypuszczenia się potwierdzą, wiedza o właściwościach qNSC występujących w fazie G2 może przyczynić się do rozwoju terapeutycznego wykorzystania nerwowych komórek macierzystych.

Na podstawie:

Otsuki L., Brand A. H. (2018). Cell cycle heterogeneity directs the timing of neural stem cell activation from quiescence. Science, Vol. 360, Issue 6384, pp. 9–102.

Bibliografia:

  1. Spalding K. L., Bergmann O., Alkass K., Bernard S., Salehpour M., Huttner H. B., Frisén J. (2013). Dynamics of hippocampal neurogenesis in adult humans. Cell, Vol. 153, Issue 6, pp. 1219–1227. http://doi.org/10.1016/j.cell.2013.05.002 [dostęp: 17.04.2017].
  2. Valenzuela M., Sidhu K., Dean S., Sachdev P. (2007). Neural stem cell therapy for neuropsychiatric disorders. Acta Neuropsychiatrica.
Nerwowe komórki macierzyste (ang. neural stem cells, NSC) przez niektórych są uważane za przyszłe remedium na wszelkie chorob... czytaj więcej
Wirtualna rzeczywistość coraz częściej wykorzystywana jest w nauce. Czy może przynieść przełom w badaniach nad samooceną i up... czytaj więcej
Według raportu WHO udary mózgu stanowią drugą najczęstszą przyczynę zgonów na świecie. W roku 2015 NFZ wydał ok. 655 mln zł n... czytaj więcej
Wyleczenie choroby Huntingtona? Do niedawna niemożliwe, dziś wydaje się coraz bardziej realne do osiągnięcia. Pozytywne wynik... czytaj więcej