Komórki macierzyste mózgu w stanie spoczynku niewiele różnią się od normalnych astrocytów, które podtrzymują komórki nerwowe w mózgu. Jak to możliwe, że niemal identyczne komórki mogą wykonywać tak różne funkcje? Klucz leży w metylacji ich materiału genetycznego, który nadaje tym szczególnym astrocytom właściwości komórek macierzystych. Naukowcy z Niemieckiego Centrum Badań nad Rakiem (DKFZ) i Uniwersytetu w Heidelbergu opublikowali swoje odkrycia w czasopiśmie Natura. Na myszach naukowcy wykazali, że eksperymentalnie wywołany brak dopływu krwi do mózgu epigenetycznie przeprogramowuje astrocyty w komórki macierzyste mózgu, które z kolei mogą dać początek komórkom progenitorowym nerwów. To odkrycie pokazuje, że astrocyty mogłyby być potencjalnie wykorzystywane w medycynie regeneracyjnej do zastępowania uszkodzonych komórek nerwowych.
W mózgu współpracuje wiele różnych typów komórek. U ludzi komórki nerwowe (neurony) stanowią mniej niż połowę komórek. Pozostałe nazywane są „glejami”. Najczęstszymi komórkami glejowymi są astrocyty. Dostarczają one neuronom składników odżywczych, stanowią część bariery krew-mózg, regulują synapsy i wspomagają komórki odpornościowe.
Jednakże niewielka część astrocytów jest w stanie wytwarzać komórki nerwowe i inne rodzaje komórek mózgowych. Te specjalne astrocyty są zatem również znane jako komórki macierzyste mózgu. Komórki macierzyste mózgu i zwykłe astrocyty prawie nie różnią się pod względem ekspresji genów, tj. aktywności swoich genów. „Jak mogą wykonywać tak różne funkcje i co składa się na właściwości komórek macierzystych, było wcześniej zupełnie niejasne” — wyjaśnia Ana Martin-Villalba, badaczka komórek macierzystych w DKFZ.
Kluczem jest metylacja
Aby rozwiązać tę zagadkę, zespoły kierowane przez Martina-Villalbę i Simona Andersa (Uniwersytet w Heidelbergu) wyizolowały zarówno zwykłe astrocyty, jak i komórki macierzyste mózgu z jednego z obszarów mózgu, w którym młode neurony wciąż rozwijają się u dorosłych myszy, „strefy komorowo-podkomorowej” (vSVZ). Naukowcy przeanalizowali ekspresję genów na poziomie pojedynczych komórek, stosując sekwencjonowanie mRNA, a także wzorce metylacji („metylom”) w całym genomie. Użyli specjalnie opracowanego narzędzia do analizy danych metylacji*.
Metylacja DNA odnosi się do chemicznych „markerów”, za pomocą których komórka może wyłączać nieużywane części swojego DNA. Metylacja jest zatem kluczowa dla identyfikacji komórek.
Podczas tego badania eksperci od komórek macierzystych zauważyli, że komórki macierzyste mózgu mają specjalny wzór metylacji DNA, który odróżnia je od innych astrocytów. „W przeciwieństwie do normalnych astrocytów, pewne geny są demetylowane w komórkach macierzystych mózgu, które w przeciwnym razie są wykorzystywane tylko przez komórki prekursorowe nerwów. Pozwala to komórkom macierzystym mózgu aktywować te geny w celu samodzielnego wytwarzania komórek nerwowych” — wyjaśnia Lukas Kremer, pierwszy autor bieżącej publikacji. Współautor Santiago Cerrizuela dodaje: „Ta ścieżka jest niedostępna dla zwykłych astrocytów, ponieważ wymagane geny są blokowane przez metylację DNA”.
Brak dopływu krwi powoduje przeprogramowanie astrocytów w komórki macierzyste i zwiększa tworzenie się nowych nerwów
Czy metylację można również wykorzystać do przekształcenia astrocytów w komórki macierzyste mózgu w innych regionach mózgu, poza vSVZ? „Byłby to ważny krok dla medycyny regeneracyjnej w naprawie uszkodzonych obszarów mózgu” — mówi Ana Martin-Villalba.
Wcześniejsze badania wykazały już, że brak dopływu krwi, taki jak ten występujący w urazach mózgu lub udarze, zwiększa liczbę komórek nerwowych u noworodków. Czy zmienione profile metylacji odgrywają rolę w tym procesie?
Aby to zbadać, naukowcy przerwali na krótko dopływ krwi do mózgu myszy. W rezultacie astrocyty z typowym profilem metylacji komórek macierzystych można było wykryć nawet poza vSVZ, a także zwiększoną liczbę komórek progenitorowych nerwów.
„Nasza teoria jest taka, że normalne astrocyty w zdrowym mózgu nie tworzą komórek nerwowych, ponieważ ich wzór metylacji im na to nie pozwala” – wyjaśnia Martin-Villalba, kierownik badań. „Techniki specyficznej zmiany profilu metylacji mogą stanowić nowe podejście terapeutyczne do generowania nowych neuronów i leczenia chorób nerwowych”.
„Brak dopływu krwi najwyraźniej powoduje, że astrocyty w pewnych obszarach mózgu redystrybuują metylowe znaki na swoim DNA w taki sposób, że ich program komórek macierzystych staje się dostępny. Przeprogramowane komórki zaczynają się dzielić i tworzyć prekursory nowych neuronów” — podsumowuje Simon Anders i dodaje: „Jeśli lepiej zrozumiemy te procesy, być może będziemy w stanie w przyszłości specyficznie stymulować powstawanie nowych neuronów. Na przykład po udarze moglibyśmy wzmocnić zdolności mózgu do samoleczenia, tak aby uszkodzenia mogły zostać naprawione”.
Dlaczego badania na myszach są konieczne w tym badaniu
Udar mózgu lub wypadek może spowodować uszkodzenie mózgu, którego obecnie zazwyczaj nie da się już naprawić. Często ma ono dramatyczne konsekwencje dla osób dotkniętych chorobą. Na dzień dzisiejszy nie ma sposobu na zastąpienie utraconych komórek nerwowych. Celem tej pracy jest znalezienie sposobów stymulacji regeneracji nerwów w mózgu dorosłego człowieka.
Wymaga to głębokiego zrozumienia, w jaki sposób i w jakich okolicznościach można indukować komórki macierzyste mózgu, aby dostarczały zapas młodych komórek nerwowych. Aby tego dokonać, naukowcy muszą zbadać procesy rozwojowe, które mają miejsce wyłącznie w mózgach wysoko rozwiniętych ssaków. Przeprogramowania epigenetycznego nie da się zaobserwować u żywych zwierząt za pomocą technik obrazowania, lecz wymaga badań na poziomie pojedynczych komórek. Badania nie mogą być przeprowadzone na komórkach z płytki hodowlanej, ponieważ profil metylacji astrocytów zmienia się natychmiast po umieszczeniu ich w hodowli, co uniemożliwia prześledzenie przeprogramowania epigenetycznego.
