Подобно материнским клеткам дрожжей, которым удается произвести омолаживающие дочерние клетки, возраст обнуляется в человеческих зиготах для того, чтобы произвести молодое и омолаживающее потомство. Как это достигается, до сих пор остается загадкой, и неизвестно, действуют ли подобные механизмы, как на дрожжах. Однако, с открытием перепрограммирования клеток появилось новое поле для изучения омоложения. Новаторское открытие Yamanaka и его коллег позволяет перепрограммировать фибробласты в iPSC, используя только экспрессию четырех факторов: Oct3/4, Sox2, Klf4 и c-Myc (OSKM. Интересно, что iPSC обнуляются не только в состоянии дифференцировки (т.е. превращаются в полноценные плюрипотентные стволовые клетки), но и в состоянии старения.
Примечательно, что признаки старения эффективно устраняются во время перепрограммирования: фибробласты от 74-летнего пациента были перепрограммированы, и полученные ИПСК показали изменение размера тело мер, экспрессии генов, окислительного стресса и митохондриального метаболизма. Поскольку iPSCs генерировались из молодых фибробластов, то iPSCs, полученные от пожилых людей, были в основном неотличимы от эмбриональных стволовых клеток. Даже при редифференцировке iPSCs в фибробласты профиль экспрессии их генов был ближе к эмбриональным фибробластам, чем к родительским фибробластам от пожилых людей. Как ни странно, все факторы старения, накопленные в старых фибробластах, исчезали в процессе перепрограммирования, и клетки оставались "молодыми" даже после повторной дифференцировки.
Изучение закономерностей метилирования при перепрограммировании и последующей повторной дифференцировки мезенхимальных стромальных клеток показало, что при перепрограммировании стирались все специфичные ткани, связанные со старением и возрастные закономерности метилирования. Интересно, что следы на специфических тканях появлялись вновь при повторной дифференцировке, а следы старения восстанавливались с последующими пассажами. Однако они оставались омоложенными относительно возрастных паттернов метилирования. Таким образом, следы старения удаляются при перепрограммировании и не могут быть быстро восстановлены в условиях культуры.
Перепрограммирование клеток у пациентов, страдающих заболеваниями, приводящими к преждевременному старению, такими как синдром прогрессии Хатчинсона-Гилфорда (HGPS) или синдром Вернера, также возвращает все признаки преждевременного старения. Синдром Вернера, вызванный мутацией в вертолете RecQ WRN, приводящей к дефектной репликации, ремонту и поддержанию теломер, приводит к преждевременному старению фенотипов в мезенхиматозных клетках. При перепрограммировании фибробластов у пациентов с Вернером на iPSC, не проявляли признаков старения, но при повторной дифференцировке в мезенхимальные клетки восстанавливали фенотип заболевания. Аналогичным образом, в клетках, полученных от больных HGPS, проявляются возрастные дефекты, в том числе измененная ядерная морфология и потеря гетерохроматина, вызванная точечной мутацией в гене ламина A, приводящей к накоплению прогерина. Перепрограммирование этих клеток полностью обратило вспять все ядерные дефекты, однако они также вновь появились при дифференциации . Таким образом, мы приходим к выводу, что накопленные факторы старения эффективно удаляются при перепрограммировании, но фенотипы старения могут развиваться заново, когда в клетках, полученных с помощью iPSC, сохраняются причинно-следственные мутации.
Наступление нейродегенеративных нарушений, таких как болезнь Паркинсона, во многом зависит от возраста, однако существуют генетические мутации, повышающие риск развития болезни. Мутация одной точки в α-синуклеине, вовлеченном в семейную болезнь Паркинсона, проявляется в фенотипах клеточных заболеваний, таких как нитрозативный стресс, в нейронах, полученных из, казалось бы, незатронутых iPSCs . Кроме того, нейроны, полученные из iPSCs у больных болезнью Альцгеймера, начинают накапливать Aβ-олигомеры, несмотря на то, что они возникают из-за, казалось бы, незатронутых iPSCs . Таким образом, белковые агрегаты также очищаются в процессе перепрограммирования, но вновь появляются при повторной дифференцировке за счет точечных мутаций, способствующих образованию агрегатов.
Прямое перепрограммирование, также называемое трансдифференцировкой, описывает процесс прямого линейного преобразования из одного типа ячеек непосредственно в другой без прохождения через состояние плюрипотентности. Преобразование линии возможно между многими далекими типами клеток, включая клетки крови, кардиомиоциты, гепатоциты, клетки поджелудочной железы или нейроны. Поразительно, но недавнее сообщение показало, что прямое преобразование клеток крови в индуцированные нейронные стволовые клетки (iNSCs) приводит к полному омоложению.
Продолжение следует…