|
Istraživanje su započeli proučavanjem približno identičnih populacija matičnih stanica krvi, te uvidjeli kako je stanični marker "matičnosti" protein nazvan Sca-1, zapravo prisutan u vrlo varijabilnim količinama od stanice do stanice, otkrili su tisućustruki spektar. Moglo bi se pomisliti da su se stanice s niskim Sca-1 spontano diferencirale. Međutim, kada su Huang i Chang podijelile stanice koje izražavaju niske, srednje i visoke razine Sca-1 proteina te ih kultivirali, svaka slijedeća stanična populacija sumirala je jednako širok spektar razina Sca-1 proteina u trajanju od devet dana i dulje, bez obzira na početne razine. "Tada smo se zapitali, da li su ove stanice također biološki različite?" kaže Huang. "A ispostavilo se da su iste dramatično različite u procesu diferencijacije." Matične stanice krvi s niskim razinama Sca-1 proteina su se diferencirale u crvene krvne progenitorne stanice sedam puta češće nego stanice s visokom razinom Sca-1 proteina nakon izlaganja eritropoetinu, faktoru rasta koji potiče proizvodnju crvenih krvnih stanica (eritrocita). Suprotno tome, kada su matične stanice bile izložene djelovanju stimulirajućem faktoru kolonija granulocita i makrofaga, koji potiče stvaranje bijelih krvnih stanica, one koje su imale više razine Sca-1 proteina, imale su i veću vjerojatnost da postanu bijele krvne stanice. U oba pokusa, sve tri skupine stanica su zadržale svojstva matičnih stanica. Huang i Chang su se zatim osvrnuli na proteine GATA1 i PU.1, faktore transkripcije koji inače potiču diferencijaciju podjednako u crvene i bijele krvne stanice. Matične stanice krvi s niskom razinom Sca-1 (najviše naklonjene da postanu crvene krvne stanice) su imale više GATA1 nego stanice sa srednjom i visokom razinom Sca-1 proteina. Matične stanice visoke razine Sca-1 (najmanje naklonjene preobrazbi u crvene krvne stanice) su imale najviše razine PU.1. No, najvažnije je da su razlike u razinama Sca-1, GATA1 i PU.1 proteina u tri skupine stanica postajale manje izražene tijekom vremena, kako i varijabilnost stanične sklonosti ka diferencijaciji, sugerirajući da su razlike prolazne. U posljednjem koraku, Huang i Chang su proučavali mikroraspored cjelokupnog staničnog genoma. Ponovno su pronašli golemu varijabilnost unutar prividno uniformne stanične populacije: više od 3900 gena je bilo različito eksprimirano ("aktivno" ili "neaktivno") između stanica s niskim i visokim razinama Sca-1 proteina. I ovaj put je varijabilnost bila dinamične naravi: razlike su nestajale s vremenom, s aktivnošću gena i kod stanica s niskim i s visokim Sca-1 razinama koje su postajale kao kod onih u srednjoj skupini. Zaključno, otkriće pokazuje kako polagane fluktuacije ili mijene genske aktivnosti teže održavanju stanica u stabilnom stanju, te ih pripremaju za diferencijaciju kada nastupe pravi uvjeti. "Iako su stanice generalno identične i potječu od istog klona, pojedine stanice dotičnih populacija su poprilično drukčije u pojedino vrijeme", kaže Huang. "Ova heterogenost je dosad bila zapažena kao nasumična "šum pri mjerenju" te nedavno kao "šum genske ekspresije".' Ali ispostavlja se da je jako važna, te da je podloga za multipotentnost matičnih stanica - njihovu sposobnost za diferencijaciju u brojne sojeve stanica." "Priroda je stvorila nevjerojatno elegantan i jednostavan način kreiranja varijabilnosti , održavajući ju na stabilnoj razini, omogućujući stanicama da odgovore na promjene u svojoj okolini na sistematičan te kontroliran način", dodaje Chang, vodeća autorica studije. Praktično rečeno, rad sugerira kako bi biolozi istraživači matičnih stanica možda trebali promijeniti pristup diferencijaciji matičnih stanica u laboratorijima za terapeutske primjene. "Do sad je postupak bio u velikoj mjeri neučinkovit ? samo 10 do 50 % stanica je pozitivno reagiralo na hormone ili druge supstance koje su ih poticale na diferencijaciju", kaže Huang. "Razlog tomu je stečena stanična heterogenost. Znanstvenici su tragali za sve sofisticiranijim stimulirajućim koktelima, no možemo učiniti proces puno učinkovitijim tako da iskoristimo heterogenost istih te identificiramo stanice koje su već visoko stabilne za proces diferencijacije." Chang je već načinila nekoliko pratećih pokusa, pokazavši da se efikasnost diferencijacije matičnih stanica može dramatično poboljšati izborom prave subpopulacije matičnih stanica te promptnom stimulacijom dok su najpogodnije za diferencijaciju. "Ne činim ništa komplicirano ? samo ono što je priroda već učinila", kaže ona. No otkriće predstavlja i izazov za biologe koji bi trebali promijeniti svoje stavove o biološkim procesima. Studija podržava ideju o biološkim sustavima koji naginju stabilnom "atraktivnom stanju", konceptu preuzetom iz fizike. U ovom slučaju, matične stanice krvi nastoje ostati matične stanice krvi, međutim doživljavaju i naslijeđene fluktuacije genske aktivnosti te proizvodnju proteina koja ponekad može biti dostatna pomaknuti ravnotežu i usmjeriti ih da prijeđu u druga "atraktivna" stanja - to jest crvene ili bijele krvne progenitorne stanice. Specifični faktori rasta također mogu pomaknuti ravnotežu, ali ovi faktori su samo dio cjelokupnog krajolika koji usmjerava stanice u različitim smjerovima. Kuglica koja se spušta niz brežuljak će se s vremenom zaustaviti u određenoj dolini, no u kojoj to ovisi o obrisu samog krajolika. "Faktori rasta ili diferencijacije neznatno povećavaju vjerojatnost da će se stanica razviti ili diferencirati", kaže dr. Donald Ingber, koautor studije koji je zajedno sa dr. Huang, mentor dr. Chang na ovom projektu. "Stanična diferencijacija je zajedničko svojstvo, kolektivno ponašanje, naslijeđeno u arhitekturi samog sustava te sazdano od nadzornih interakcija." Prethodna studija dr. Huang, prvi put naglašava da pojedina stanica može pokazati vrlo različit obrazac genske aktivnosti za razliku od svoje susjedne stanice, prolazeći sasvim drukčijim putem kroz krajolik, a opet se zaustaviti u istoj točki. Zajedno sa svojim kolegama izložila je prekursorske stanice dvjema sasvim različitim supstancama (DMSO i retinoična kiselina) te pomno promatrala gensku ekspresiju stanice. Obje skupine stanica su se s vremenom diferencirale u neutrofile, no molekularni putevi kojima su išle te obrasci genske ekspresije su bili sasvim različiti do sedmog dana, kada su se konačno konvergirale. Analogija krajolika i kolektivnog "donošenja odluka" su koncepti nepoznati biolozima, koji se usmjeravaju na ponašanje pojedinog gena u linearnim putanjama. Ova činjenica je na početku i otežavala objavljivanje studije. "Teško je biolozima napustiti mišljenje o pojedinačnim putevima te razmišljati o krajolicima, koji su matematička manifestacija cjelovitosti svih mogućih puteva".
"Pojedinačni put nije dobar način za razumijevanje cijelog procesa. Naš cilj je bio shvatiti pokretačku silu iza njega." Izvornik: Chang HH, Hemberg M, Barahona M, Ingber DE, Huang S. Transcriptome-wide noise controls lineage choice in mammalian progenitor cells. Nature 453;544-547, doi:10.1038/nature06965
Preveo: Vatroslav Prskalo, dr.med.
| 
