November 11th, 2014

Эволюционные механизмы регенерации

Ингибиторы четырех микроРНК восстанавливают сердечную мышцу мышей после инфаркта

Ученые из Института биологических исследований Солка (Salk Institute for Biological Studies) добились регенерации сердца перенесших экспериментальный инфаркт мышей, реактивировав давно спящую молекулярную машинерию, найденную в клетках животных. Это открытие может помочь в разработке новых методов лечения заболеваний сердца у человека.

Результаты исследования американских ученых, опубликованные в журнале Cell Stem Cell, позволяют предположить, что, хотя у взрослых млекопитающих поврежденная сердечная ткань обычно не восстанавливается, у них, так же как у их далеких эволюционных предков, эта способность потенциально сохранена. Блокирование четырех молекул, ответственных, как считается, за подавление программ регенерации органов, привело к резкому усилению регенерации сердца и излечению животных.

Эти данные являются доказательством правильности концепции нового направления в лечении болезней сердца, которые, по статистике Центра по контролю и профилактике болезней США (U. S. Centers for Disease Control and Prevention), каждый год убивают около 600 тысяч человек только в Соединенных Штатах — больше чем СПИД и все виды рака взятые вместе.

«Регенерация органов — удивительный феномен, в ходе которого, как представляется, повторяются процессы, наблюдаемые в ходе развития. Однако, несмотря на наше сегодняшнее понимание процесса эмбриогенеза и развития, механизмы, препятствующие регенерации у взрослых млекопитающих, оставались неизвестными», — говорит профессор лаборатории экспрессии генов Хуан Карлос Исписуа Бельмонте (Juan Carlos Izpisua Belmonte), руководитель исследования.

В геноме каждой клетки нашего организма есть информация, необходимая для формирования любого органа. Группа профессора Исписуа Бельмонте в течение многих лет занимается поиском ключевых молекул, участвующих в эмбриональном развитии, а также молекул, лежащих в основе восстановительных реакций у способных к регенерации организмов, таких как рыбка данио.

Еще в 2003 году лаборатория Исписуа Бельмонте впервые идентифицировала сигналы, предшествующие регенерации сердца у данио. В 2010 году в статье в журнале Nature исследователи описали, как происходит регенерация у данио. Как оказалось, не стволовые клетки сердечной ткани, а, скорее, сами мышечные клетки трансформируются в клетки-предшественники (этот процесс называется дедифференцировкой), что, в свою очередь, делает возможной их пролиферацию.

Хотя теоретически вопрос о том, сохранили ли млекопитающие в процессе эволюции каких-либо из необходимых для этого вида регенеративного перепрограммирования молекулярных игроков, кажется следующим логическим шагом, на практике это было научным риском, вспоминает Игнасио Санчо-Мартинес (Ignacio Sancho-Martinez), постдокторант лаборатории профессора Исписуа Бельмонте.

«Если говорить об этих вещах, то первое, что приходит на ум, это то, что мы сошли с ума», — продолжает Санчо-Мартинес. «Эта идея кажется странной, так как регенерация ассоциируется у нас с саламандрами и рыбами, но не с млекопитающими».

В большинстве других исследований ученые искали молекулярные ключи к регенерации в сердце новорожденных млекопитающих, но безрезультатно. «Мы же подумали, что, если рыбы знают, как это делать, должно быть что-то, чему они могут нас научить», — говорит ведущий автор статьи Айтор Агирре (Aitor Aguirre).

Исследователи решили сосредоточить свое внимание на микроРНК, отчасти потому, что эти короткие цепочки РНК контролируют экспрессию многих генов. Они провели комплексный скрининг микроРНК, эволюционно сохраненных в геноме млекопитающих, уровни экспрессии которых менялись в ходе регенерации сердца у данио.

Было идентифицировано четыре микроРНК — MiR-99, MiR-100, Let-7a и Let-7c, — отвечающие этих двум критериям. Все эти молекулы были в значительной степени подавлены после повреждения сердца у данио и присутствовали в геноме крыс, мышей и человека.

Однако в растущих в культуре клетках млекопитающих и у живых мышей с пораженным сердцем уровни этих молекул были высоки и не падали при повреждении. Поэтому, сделав мишенью каждую из четырех микроРНК с помощью аденоассоциированных вирусов, исследователи экспериментально понизили их уровни.

Введение этих ингибиторов в сердце мышей, перенесших инфаркт миокарда, стало триггером регенерации миокарда, улучшив многие физические и функциональные характеристики сердца, в частности, толщину его стенок и способность перекачивать кровь. Постинфарктные рубцы у таких животных были значительно меньше, чем в контрольной группе.

Эта положительная динамика оставалась очевидной через три и даже шесть месяцев после лечения — большой отрезок жизни мыши.

«Хорошо, что этот успех не был ограничен краткосрочным периодом, что довольно часто наблюдается в биологии сердечной регенерации», - подчеркивает доктор Санчо-Мартинес.

В этом исследовании были изучены всего несколько из 70 микроРНК, выявленных в ходе начального скрининга. Вероятно, определенную роль в пролиферации сердечных клеток, заживлении рубцов и стимулировании образования новых кровеносных сосудов — все эти процессы жизненно важны для восстановления сердца — играют и другие молекулы, полагает Санчо-Мартинес. Результаты скрининга доступны, с тем чтобы другие исследовательские группы могли сосредоточить свое внимание на интересующих их молекулах.

Следующим шагом группы профессора Исписуа Бельмонте будет переход к экспериментам на более крупных животных. Ученые рассчитывают выяснить, может ли «регенеративное перепрограммирование» работать в больших сердцах и в течение длительного периода после лечения. И, хотя вирусы исчезают из организма животных через 2 недели после введения, ученые работают над новым способом доставки ингибиторов, чтобы полностью избежать необходимости их использования.

In Vivo Activation of a Conserved MicroRNA Program Induces Mammalian Heart Regeneration. Doi: 10.1016/j.stem.2014.10.003.