25 мая 2019, суббота, 23:54
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

26 апреля 2018, 09:26

Стволовые клетки мозга: обновление ограничено

Нейрогенная ниша гиппокампа. Зелёным изображены стволовые клетки (Nestin-GFP), красным – астроцитарный белок (GFAP). Трёхмерная реконструкция серии конфокальных изображений. Предоставлено авторами исследования
Нейрогенная ниша гиппокампа. Зелёным изображены стволовые клетки (Nestin-GFP), красным – астроцитарный белок (GFAP). Трёхмерная реконструкция серии конфокальных изображений. Предоставлено авторами исследования

Ученые из Московского физико-технического университета, Университета Стони-Брук и лаборатории в Колд Спринг Харбор пронаблюдали, как делятся и расходуются нейральные стволовые клетки в гиппокампе у мышей – области мозга, критически важной для обучения и памяти. Оптимистичные прогнозы о наличии симметричного деления – когда из одной стволовой клетки получается две – не подтвердились. Если такое деление и происходит, то не более чем в десяти процентах случаев. Это значит, что восполнение стволовых клеток, которые могли бы дать начало новым нейронам – редкий или вовсе не происходящий процесс. Кроме этого ученые определили пространственные особенности исчезновения стволовых клеток в стареющем мозге. Статья с полученными результатами опубликована в Scientific Reports, кратко о работе рассказывает пресс-релиз МФТИ.

Ольга Минеева, сотрудник лаборатории стволовых клеток мозга МФТИ, комментирует: «Полученные нами результаты в первую очередь говорят о том, что в нормальном зрелом мозге способность гиппокампальных стволовых клеток к обновлению путем симметричных делений ограничена. А увеличение тотального количества стволовых клеток не происходит вовсе или не сказывается значительно. Эти результаты требуют критического пересмотра ряда исследований, которые показали наличие симметричных делений нейральных стволовых клеток гиппокампа».

Хотя сейчас не утихают споры о возможности появления новых нейронов во взрослом мозге у человека, их генерация в мозге других взрослых млекопитающих признана неопровержимым фактом. Процесс образования новых нейронов из стволовых клеток называют нейрогенезом. После того как рост и развитие молодого мозга завершены, у большинства взрослых млекопитающих в мозге остаются лишь две области, сохраняющие стволовые клетки, ответственные за нейрогенез: тонкий слой в стенке боковых желудочков мозга (субвентрикулярная зона) и тонкий слой в зубчатой извилине гиппокампа (субгранулярная зона). Вторая зона вызывает особый интерес исследователей, так как находится в гиппокампе, работа которого критически важна для реализации важнейших когнитивных функций, например, обучение, память и эмоциональное поведение. При этом современные данные показывают, что и сам нейрогенез в гиппокампе может быть важен для осуществления этих функций. Но также известно, что с возрастом количество нейральных стволовых клеток в гиппокампе падает. Поэтому перед исследователями встает целый ряд вопросов: как сохраняется пул этих стволовых клеток в ходе онтогенеза, каковы механизмы его поддержания и обновления, и, главное, можно ли повлиять на эти процессы и тем самым продлить интенсивный нейрогенез до глубокой старости, а значит и продлить молодость мозга.

Ключом для ответа на эти вопросы может стать выяснение того, как делятся стволовые клетки во взрослом мозге. Теоретически деление нервной стволовой клетки может происходить двумя способами (Рис. 1). Первый вариант – когда из одной стволовой клетки получается две такие же стволовые. Такого рода деления, когда из материнской клетки образуются две подобные ей дочки, называются симметричными. Второй вариант – когда из одной стволовой клетки получаются две дочки, одна из которых – такая же как материнская, а вторая становится предшественником нейрона. Такие деления принято называть асимметричными. Стволовые клетки могут делиться преимущественно одним способом, либо использовать оба типа делений для генерации нейронов. Как видно, способ деления стволовых клеток определяет общее число стволовых клеток, а следовательно, расходуется ли резерв стволовых клеток, с какой скоростью, может ли он быть восстановлен или даже увеличен.

Так, если стволовые клетки гиппокампа часто делятся симметрично, значит их пул может самоподдерживаться и восстанавливаться. Потенциально, фармакологическая индукция симметричных делений может даже увеличить стволовой резерв. Если же симметричные деления – крайне редкое событие, а в основном происходят асимметричные, то активация деления стволовых клеток после периода покоя приведет к неизбежному исчезновению самих стволовых клеток. Данные о снижении числа стволовых клеток с возрастом косвенно свидетельствуют в пользу второго «пессимистичного» сценария и возможного отсутствия симметричных делений. Но как исследовать этот вопрос напрямую? Необычное решение было предложено группой ученых из МФТИ, Университета Стони-Брук и лаборатории в Колд Спринг Харбор.

Рисунок 1: Типы деления клеток. При симметричном делении (слева) из одной стволовой клетки (зеленые) образуются две такие же стволовые, а при асимметричном (справа) – образуется одна стволовая клетка и предшественник нейрона (красная клетка) или астроцит (фиолетовая клетка).

Авторы выявляли делящиеся клетки классическим для такого рода исследований способом, а именно вводили экспериментальным животным синтетический аналог нуклеотида тимидина – бромодезоксиуридин (БрдУ), который встраивается в удваивающиеся цепи ДНК клеток во время их деления. О том, что поделились именно стволовые клетки гиппокампа судили по другому маркеру – зеленому флуоресцентному белку (GFP), синтез которого находился под контролем регулирующей последовательности гена белка нестина – маркера стволовых клеток. От других предшественников нейронов стволовые клетки отличает их особая узнаваемая форма – они имеют крупное тело и один длинный апикальный отросток, сильно ветвящийся сверху. Таким образом, если в зубчатой извилине гиппокампа происходят симметричные деления стволовых клеток, такие деления на срезах можно увидеть, как пару близкорасположенных зеленых клеток с крупным апикальным отростком и с БрдУ в ядрах. Однако меченые клетки могут оказаться рядом не только из-за симметричного деления. Они могут быть потомками не одной клетки, а двух разных соседствующих клеток, каждая из которых поделилась асимметрично (Рис.2). Возникает вопрос, как различать эти две ситуации.

Рисунок 2: На срезе мозга находятся помеченные БрдУ стволовые клетки (фрагмент посередине) среди множества неделящихся или покоящихся стволовых клеток (светло-зеленые). Такие меченые пары могут встречаться или из-за активации асимметричного типа деления двух неродственных стволовых клеток, находящихся рядом (вариант слева), или из-за симметричного деления одной стволовой клетки (справа). По рисунку, предоставленному Ольгой Минеевой, автором статьи.

Ученые придумали статистический метод, с помощью которого можно оценить, случайно ли меченые клетки оказались рядом или не случайно. А именно, вследствие их происхождения от двух разных материнских клеток, поделившейся асимметрично (Рис. 1, лев. часть) или от общей материнской клетки, поделившейся симметрично (Рис. 1, прав. часть). Суть метода заключалась в измерении реально наблюдаемой вероятности обнаружения пар меченых стволовых клеток и ее сравнении с полностью случайной вероятностью, которую можно искусственно смоделировать в общей популяции стволовых клеток. В результате, если реально наблюдаемое число пар будет выше смоделированного случайного, то это значит, что возникновение не всех пар можно объяснить случайностью, и часть из них образовались в результате симметричных делений.

Для того, чтобы измерить реальное и смоделированное случайное число пар клеток, на микроскопических изображениях срезов находили местоположение всех стволовых клеток, содержащих и не содержащих маркер делений БрдУ. Таким образом, для каждой клетки было определено ее положение в пространстве. Затем по полученным координатам определяли расстояния между парами реально наблюдаемых меченых клеток и число пар клеток на конкретных расстояниях (Рис. 3А). Затем искусственно моделировали случайное распределение меченых клеток для сравнения. Для этого использовали все положения, в которых могли появиться меченые клетки, т.е. координаты всех делящихся и неделящихся стволовых клеток. Из списка координат с помощью генератора случайных чисел выбирали такое же количество клеток, что наблюдалось на срезе в действительности, и условно принимали их за меченые. Получался тот же срез, но теперь уже с псевдо-мечеными клетками, разбросанными на нем случайным образом (Рис.3Б). Допустим, если мы увидели 11 меченых клеток на срезе (как на Рис.3А), то среди всех возможных позиций будет разбросано 11 псевдомеченых клеток (Рис.3Б) и рассчитано распределение расстояний между ними. Эта операция была повторена много раз для получения статистики со всех срезов. Сравнив реальное распределение с моделируемым случайным, авторы увидели, что они не отличаются друг от друга. Однако отсутствие различий между реальной и случайно сгенерированной картиной могло быть связано с низкой чувствительностью метода. Чтобы проверить это, исследователи попробовали добавлять в модель заданное количество пар сближенных делящихся клеток и оценить, сколько симметричных делений нужно, чтобы новое искусственно сгенерированное распределение начало отличаться от случайного. Получилось, что нужно добавить больше 10% событий симметричных делений. Из этого ученые сделали вывод о том, что в реальном взрослом гиппокампе симметричных делений нервных стволовых клеток не происходит, или же они происходят, но крайне редко, и их доля составляет не больше 10%.

Рисунок 3: Схема расположения стволовых реальных клеток на срезе и в модели. Серые точки – неделящиеся стволовые клетки. Черные точки – реально обнаруженные меченые клетки. Голубые точки – случайно разбросанные псевдомеченые клетки.

Этот же метод авторы применили, чтобы описать исчезновение стволовых клеток с возрастом. Чем старше мышь, тем меньше стволовых клеток остается в нейрогенной зоне гиппокампа. Например, у семимесячной мыши их в девять раз меньше, чем у двухнедельной, и в пространстве, где поначалу были стволовые клетки, в нейрогенном резерве обнаруживаются пустоты.

Авторы смоделировали старение нейрогенной зоны мышиного гиппокампа, проделав ту же самую операцию случайного перебора, что и в первом эксперименте. Однако теперь, среди всех доступных клеток у молодых мышей они случайно выбирали и оставляли то количество, которое в действительности наблюдалось в гиппокампе у семимесячной мыши. Оказалось, что оставшиеся стволовые клетки в настоящем гиппокампе семимесячных мышей распределены более равномерно, чем случайно выбранные. На основании этого исследователи делают вывод о том, что исчезновение стволовых клеток гиппокампа зависит от их положения в пространстве: клетки, расположенные поблизости друг от друга имеют больший шанс к скорому исчезновению, что приводит к пустотам в слое стволовых клеток. Более того, ученые выяснили, что в разных отделах гиппокампа стволовые клетки расходуются с разной степенью неравномерности. Интересно то, что разные зоны гиппокампа отвечают за разные когнитивные функции. Однако ученые не спешат связывать такое исчезновение стволовых клеток с функциональными особенностями – возможно, это связано с более простыми факторами, как например, распределение сосудов.

Последняя работа этих авторов новым способом подтвердила ранее выдвинутое предположение о том, что стволовые клетки не могут обновляться бесконечно. Ранее, на основе других данных, авторами настоящего исследования была выдвинута концепция, согласно которой каждая стволовая клетка, выйдя из состояния покоя, проходит ограниченное число клеточных делений, давая начало новым нейронам и астроцитам, но не новым стволовым клеткам (Encinas et al., 2011). Важное следствие этой концепции о невосполнимости пула покоящихся стволовых клеток гиппокампа - возможное негативное влияние веществ, активирующих деления стволовых клеток, на нейрогенез в гиппокампе в долгосрочной перспективе. Так, увеличивая нейрогенез через усиленное рекрутирование стволовых клеток, эти факторы могут вызывать преждевременное истощение нейрогенной ниши, и как возможное следствие этого – к когнитивным нарушениям из-за последующей нехватки новых нейронов.

Рисунок 4: A) Оставшиеся стволовые клетки у 7-месячной мыши. В) Стволовые клетки 2-недельной мыши, среди которых случайным образом выбрано (голубым) такое же количество клеток, которое осталось у 7-месячной. C, D) Реальное распределение расстояний между ближайшими клетками (красным) отличается от случайного (голубым).

Заведующий лабораторией стволовых клеток мозга МФТИ Григорий Ениколопов комментирует: «Тотального запрета на симметричные деления может и не быть, и увеличение стволовых клеток в количестве возможно при определенных условиях. Поиск таких воздействий, стимулирующих деление и обновление нейральных стволовых клеток, но одновременно не истощающих их пул преждевременно, должен продолжаться».

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Металлургия Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты киты климатология комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство школа экология эпидемии эпидемиология этология язык Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129090, г. Москва, Проспект Мира, дом 19, стр.1, пом.1, ком.5
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.