Как узнать «семейную историю» отдельной клетки

С помощью нового прибора можно точно определить, в каких родственных отношениях находятся друг с другом все потомки одной-единственной стволовой или иммунной клетки.

Мы знаем, что стволовые клетки, которые сами по себе ничего не умеют, кроме как делиться, могут превращаться в другие разновидности клеток, обладающие уже какой-либо специальной функцией (правда, одновременно теряется стволовая способность к «бесконечному» делению). Самыми универсальными являются эмбриональные стволовые клетки – они могут в буквальном смысле превращаться во что угодно. Стволовые клетки, которые есть у нас с вами, не столь «всемогущи»: они обслуживают только какую-то определённую ткань, но всё равно могут давать начало нескольким типам клеток (например, стволовые клетки крови (или гемопоэтические клетки) пополняют запас всех иммунных клеток, эритроцитов и тромбоцитов).

Но что мы подразумеваем под словами «превращаются», «дают начало», «пополняют запас»? Превращение означает, что при делении стволовой клетки некоторые её потомки постепенно приобретают черты специализированной клетки, например, Т-лимфоцита, или В-лимфоцита, или макрофага, и через несколько поколений перед нами предстанет готовый «специалист». Разумеется, при этом другие дочерние клетки сохраняют изначальные стволовые свойства, чтобы популяция самих стволовых клеток не истощилась. Сейчас мы уже можем достаточно точно различать разнообразные группы клеток на разных этапах превращения, но до сих пор было не вполне ясно, как получается такое клеточное разнообразие. Здесь нужно определить генеалогию каждой отдельной клетки и сопоставить её «семейный портрет» с её же «молекулярным портретом». Однако тут всё упирается в отсутствие подходящего метода, который позволял бы в деталях проследить разветвлённые дочерне-родительские отношения между разными клетками.

Исследователям из Массачусетского технологического института как раз такой метод создать и удалось. Роберт Киммерлинг (Robert Kimmerling) и его коллеги сконструировали особое устройство, проточную камеру с микроканалами и микроловушками: клетка, попадая в камеру, оседает в ловушке, потом делится, и клетка-потомок по каналу перемещается в другую ловушку, где опять же делится и т. д. Клетка-«родоначальник», конечно, продолжает деления, но её последующие «дочки» также распределяются по своим микроловушкам, причём мы можем определить, к какому поколению относится та или иная клетка.

В статье в Nature Communications авторы утверждают, что их устройство позволяет поймать до пяти клеточных поколений. Из ловушек клетки можно извлечь поштучно, и с помощью современных методов секвенирования РНК определить, какие именно гены активны в той или иной клетке. Молекула матричной РНК, как мы знаем, есть копия активного гена, синтезируемая на ДНК в ходе транскрипции; проанализировав транскриптом, то есть всю совокупность РНК, можно получить как бы мгновенный фотоснимок внутриклеточных молекулярно-генетических процессов. Что же до прочтения РНК из одной-единственной клетки, то современная наука это уже умеет.

Стволовые клетки – не единственные, которые умеют делиться. Так, иммунные Т-лимфоциты, почувствовав инфекцию, быстро формируют две популяции: Т-эффекторов, чья задача – поиск и уничтожение патогенов, и Т-клеток памяти, которые запоминают врага на случай повторного его вторжения в будущем. С помощью вышеописанного устройства авторам работы удалось показать, что степень родства иммунных клеток, формирующихся при делении активированного Т-лимфоцита, действительно отражается на молекулярном портрете: к примеру, клетки-сёстры в том, что касается активности генов, имеют больше общих черт, нежели клетки, не родственные друг другу. Возможно, с помощью нового метода удастся ответить на вопрос, когда именно разные Т-клетки начинают разбегаться по двум типам: по одной теории, это происходит едва ли не сразу после активации исходного родительского лимфоцита, по другой – только спустя несколько делений.

С помощью такого устройства можно также наблюдать временные изменения в активности генов, происходящие с момента деления. Сейчас удалось определить около 300 таких генов, которые по-разному работают в зависимости от того, сколько времени прошло с момента «рождения» клетки – большая часть из них в той или иной степени вовлечена в управление делением. Очевидно, новый метод пригодится не только в исследованиях стволовых или иммунных клеток, но и их злокачественных собратьев, про которые можно сказать, что они не чувствуют хода времени.