За человеческими клетками проследили сквозь клеточные поколения

Некоторые стволовые клетки крови предпочитают потомков какой-то одной «профессии».

Наши клетки постоянно изнашиваются и погибают, на смену им появляются новые. Это происходит почти во всех тканях и органах, в коже, печени, кишечнике и т. д. Обновление идёт за счёт запаса стволовых клеток, стволовые клетки крови едва ли не самые трудолюбивые: в среднем у взрослого человека каждый день появляется 500 млрд новых клеток крови. При этом они разные: эритроциты, тромбоциты (которые и не клетки вовсе, но происходят от клеток), иммунные макрофаги, Т-лимфоциты, В-лимфоциты и много ещё других.

Когда стволовые клетки делятся, то некоторые дочерние клетки остаются такими же стволовыми, чтобы их численность не уменьшалась, а часть начинает превращаться в одну из специализированных клеток крови. Превращение происходит не сразу; есть несколько этапов, и на промежуточных этапах клетки продолжают делиться, но, как бы то ни было, всё заканчивается эритроцитом, или лимфоцитом, или чем-то ещё. Сама по себе исходная стволовая клетка крови может дать любую дифференцированную клетку крови. Но что в действительности происходит в организме при гемопоэзе (или кроветворении – так называют формирование новых клеток крови)? Возможно, каждая из исходных стволовых клеток даёт равные доли всех типов кровяных клеток (и все они образуют клональную группу, или клеточный «клан»). А возможно, что у стволовых клеток есть специализация, так что какие-то дают только эритроциты, а какие-то, к примеру, только лимфоциты (то есть клеточный «клан» состоит из зрелых клеток одной разновидности).

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно проследить генеалогические истории отдельных клеток. То есть для отдельного лейкоцита или макрофага необходимо найти его предыдущую «полустволовую» клетку, от которой он произошёл, для этой предыдущей – предпредыдущую и так далее, до той самой исходной, по-настоящему стволовой клетки крови. Нужно также для того же лейкоцита найти его родственников одного с ним поколения, то есть родных братьев (или сестёр), двоюродных, троюродных и прочих. На самом деле задача проследить генеалогию клетки, чтобы сравнить её с сотней и тысячей других, важна не только в исследованиях кроветворения, но и в исследованиях стволовых клеток в целом, и в исследованиях рака. Если мы изучаем клетки в лабораторной клеточной культуре или в подопытных животных, то можно просто методами генной инженерии ввести в ДНК стволовой или раковой клетки генетическую метку, и потом отслеживать эту метку в клеточной популяции. Метку нужно сделать так, чтобы она слегка менялась при каждом клеточном делении, и тогда можно будет отличить друг от друга клетки разных поколений. Такие эксперименты неоднократно ставили Виджай Санкаран (Vijay G. Sankaran) с коллегами из Массачусетского технологического института, Института рака Даны–Фарбера и других научных центров.

Но если нужно проследить генеалогию клетки прямо в человеке, то генетические модификации тут не годятся. Можно, конечно, полностью читать геном у каждой клетки, но, хотя сейчас чтение генома стало достаточно быстрым и дешёвым, это не значит, что такая процедура кому угодно по карману и по техническим возможностям. (А читать геном нужно именно полностью – по отдельным генам на уровне отдельных клеток далеко не всегда можно понять, кто кому предок или потомок.) Несколько лет назад те же исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что естественной генетической меткой, накапливающей отличия от поколения к поколению, может служить митохондриальная ДНК. Мы знаем, что у митохондрий есть собственная небольшая ДНК, что мутации в ней появляются чаще, и отслеживать эти мутации проще, чем в ядерной ДНК. Если у одной клетки в митохондриальной ДНК есть какая-то одна мутация, а у другой клетки к той же мутации добавляется ещё одна, то можно сделать вывод, что вторая клетка произошла от первой (хотя это исключительно упрощённое представление о том, как по мутациям выстраивают генеалогию).

Сейчас есть множество методов, позволяющих работать с одной-единственной клеткой. Однако долгое время исследователи могли видеть в митохондриальной ДНК каждой отдельной клетки в лучше случае лишь одну мутацию. Спустя какое-то время методы чтения и анализа прочитанных последовательностей усовершенствовались, и теперь в митохондриальной ДНК можно увидеть около десятка мутаций – достаточно, чтобы проследить изменения в ДНК между клеточными поколениями. Новым методом удалось построить генеалогические деревья нескольких тысяч кровяных клеток человека. Оказалось, что у молодых и здоровых людей стволовые клетки крови, в принципе, дают специализированные клетки всех типов в равной степени. Однако среди них есть и такие, которые тяготеют к определённому типу: то есть, грубо говоря, в потомстве такой стволовой клетки лейкоцитов эозинофилов будет больше, чем эритроцитов. И такие предпочтения у стволовых клеток довольно постоянны, то есть если клетка любила производить потомков определённой «профессии» несколько месяцев назад, то и сейчас она производит их же.

С возрастом происходит следующее: некоторые клеточные «кланы» (клональные группы, то есть потомки-клоны одной стволовой клетки) по какой-то причине начинают доминировать над остальными. Речь не о преобладании какого-то типа клеток крови (Т-лимфоцитов над В-лимфоцитами), а именно о преобладании клеточного «клана» – в том смысле, что В-лимфоцитов и Т-лимфоцитов, которые произошли от одной стволовой клетки, становится больше, чем В-лимфоцитов и Т-лимфоцитов, произошедших от другой стволовой клетки. То есть разнообразие клональных групп, разнообразие клеточных «кланов» с возрастом уменьшается. Почему так происходит, ещё предстоит выяснить. Однако уже сейчас понятно, что если в доминирующем «клане» возникнет опасная мутация, она станет тем более опасной из-за того, что клеток с ней будет намного больше, чем здоровых клеток других «кланов».

Отслеживая генеалогию клеток, объединяя их в клональные группы, можно одновременно следить за тем, как меняется активность разных генов из поколения в поколение, и как меняющаяся активность генов соответствует выбору специализации. Всё это в применении к клеткам крови описано в статье в Nature, однако совершенно ясно, что такой подход годится не только для клеток крови, а вообще для любых человеческих клеток, чью генеалогическую историю мы хотим проследить максимально безопасным для человека способом.