Cercetătorii de la Stanford și colegii lor au descoperit că celulele umane vechi pot deveni mai tinere, făcându-le să exprime pe scurt proteinele utilizate pentru a produce celule pluripotente induse. Descoperirea poate avea implicații pentru cercetarea în vârstă.

vechi

Celulele umane vechi revin la o stare mai tânără și mai viguroasă după ce au fost induse să exprime pe scurt un grup de proteine ​​implicate în dezvoltarea embrionară, potrivit unui nou studiu realizat de cercetătorii de la Universitatea Stanford School of Medicine.

Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că șoarecii în vârstă și-au recăpătat forța tânără după ce celulele stem musculare existente au fost supuse tratamentului de întinerire a proteinelor și transplantate înapoi în corpul lor.

Proteinele, cunoscute sub numele de factori Yamanaka, sunt utilizate în mod obișnuit pentru a transforma celulele adulte în celule stem pluripotente induse sau celule iPS. Celulele stem pluripotente induse pot deveni aproape orice tip de celule din corp, indiferent de celula din care au provenit. Au devenit importante în medicina regenerativă și în descoperirea medicamentelor.

Studiul a constatat că inducerea celulelor umane vechi într-o farfurie de laborator pentru a exprima pe scurt aceste proteine ​​reface multe dintre semnele distinctive ale îmbătrânirii și face ca celulele tratate să fie aproape indistincte de omologii lor mai tineri.

„Atunci când celulele iPS sunt formate din celule adulte, ele devin atât tinere, cât și pluripotente”, a spus Vittorio Sebastiano, dr., Profesor asistent de obstetrică și ginecologie și Woods Family Faculty Scholar in Pediatric Translational Medicine. „Ne-am întrebat de ceva timp dacă este posibil să derulăm pur și simplu ceasul îmbătrânit fără a induce pluripotență. Acum am constatat că, controlând strict durata expunerii la acești factori proteici, putem promova întinerirea în mai multe tipuri de celule umane. "

Sebastiano este autorul principal al studiului, care va fi publicat online pe 24 martie în Comunicări despre natură. Fostul student absolvent Tapash Sarkar, dr., Este autorul principal al articolului.

„Suntem foarte încântați de aceste descoperiri”, a declarat co-autorul studiului Thomas Rando, MD, dr., Profesor de neurologie și științe neurologice și directorul Centrului Glenn pentru Biologia Îmbătrânirii din Stanford. „Colegii mei și cu mine am urmărit întinerirea țesuturilor de când studiile noastre de la începutul anilor 2000 au arătat că factorii sistemici pot face țesuturile vechi mai tinere. În 2012, Howard Chang și cu mine am propus conceptul de utilizare a factorilor de reprogramare pentru întinerirea celulelor și a țesuturilor și este plăcut să vedem dovezi de succes cu această abordare. ” Chang, MD, dr., Este profesor de dermatologie și genetică la Stanford.

Expunerea la proteine

Cercetătorii din laboratorul lui Sebastiano produc celule iPS din celule adulte, precum cele care compun pielea, expunându-le în mod repetat pe o perioadă de aproximativ două săptămâni la un panou de proteine ​​importante pentru dezvoltarea embrionară timpurie. Acestea fac acest lucru introducând zilnic mesaje de ARN de scurtă durată în celulele adulte. Mesajele ARN codifică instrucțiunile pentru fabricarea proteinelor Yamanaka. De-a lungul timpului, aceste proteine ​​derulează soarta celulelor - împingându-le înapoi de-a lungul cronologiei dezvoltării până când seamănă cu celulele tinere, embrionare, pluripotente din care au provenit.

În timpul acestui proces, celulele nu numai că varsă amintiri despre identitățile lor anterioare, dar revin la o stare mai tânără. Ei realizează această transformare ștergându-și ADN-ul de etichetele moleculare care nu doar diferențiază, să zicem, o celulă a pielii de o celulă musculară a inimii, ci și de alte etichete care se acumulează pe măsură ce o celulă îmbătrânește.

Recent, cercetătorii au fugit să se întrebe dacă expunerea celulelor adulte la proteinele Yamanaka timp de zile, mai degrabă decât săptămâni, ar putea declanșa această reversie tinerească fără a induce o pluripotență completă. De fapt, cercetătorii de la Institutul Salk pentru Studii Biologice au descoperit în 2016 că exprimarea pe scurt a celor patru factori Yamanaka la șoareci cu o formă de îmbătrânire prematură a extins durata de viață a animalelor cu aproximativ 20%. Dar nu era clar dacă această abordare ar funcționa la oameni.

Sarkar și Sebastiano s-au întrebat dacă celulele umane vechi vor răspunde într-un mod similar și dacă răspunsul va fi limitat la doar câteva tipuri de celule sau generalizabil pentru multe țesuturi. Ei au conceput o modalitate de a utiliza material genetic numit ARN mesager pentru a exprima temporar șase factori de reprogramare - cei patru factori Yamanaka plus două proteine ​​suplimentare - în pielea umană și celulele vaselor de sânge. ARN Messenger se degradează rapid în celule, permițând cercetătorilor să controleze strâns durata semnalului.

Cercetătorii au comparat apoi modelele de expresie genică ale celulelor tratate și celulelor de control, ambele obținute de la adulți vârstnici, cu cele ale celulelor netratate de la oameni mai tineri. Ei au descoperit că celulele persoanelor în vârstă au prezentat semne de inversare a îmbătrânirii după doar patru zile de expunere la factorii de reprogramare. În timp ce celulele vârstnice netratate au exprimat niveluri mai ridicate de gene asociate cu căile de îmbătrânire cunoscute, celulele vârstnice tratate seamănă mai mult cu celulele mai tinere în tiparele lor de expresie genetică.

Când cercetătorii au studiat tiparele etichetelor chimice asociate îmbătrânirii numite grupuri metil, care servesc drept indicator al vârstei cronologice a unei celule, au descoperit că celulele tratate păreau cu aproximativ 1½ până la 3½ ani mai tinere în medie decât celulele netratate de la persoanele în vârstă, cu vârfuri de 3½ ani (în celulele pielii) și 7½ ani (în celulele care acoperă vasele de sânge).

Compararea semnelor distinctive ale îmbătrânirii

Apoi au comparat mai multe semne distinctive ale îmbătrânirii - inclusiv modul în care celulele simt substanțele nutritive, metabolizează compușii pentru a crea energie și elimină gunoiul celular - printre celulele tinerilor, celulele tratate de la persoanele în vârstă și celulele netratate de la persoanele în vârstă.

"Am văzut o întinerire dramatică în toate caracteristicile, dar una în toate tipurile de celule testate", a spus Sebastiano. „Dar ultimul și cel mai important experiment al nostru a fost făcut pe celulele stem musculare. Deși sunt înzestrați în mod natural cu capacitatea de a se reînnoi, această capacitate scade odată cu vârsta. Ne-am întrebat, putem, de asemenea, întineri celulele stem și să avem un efect pe termen lung? ”

Când cercetătorii au transplantat celule stem vechi ale mușchilor șoarecilor care fuseseră tratați înapoi la șoareci vârstnici, animalele și-au recăpătat puterea musculară a șoarecilor mai tineri, au descoperit.

În cele din urmă, cercetătorii au izolat celulele din cartilajul persoanelor cu și fără osteoartrita. Au descoperit că expunerea temporară a celulelor osteoartritice la factorii de reprogramare a redus secreția moleculelor inflamatorii și a îmbunătățit capacitatea celulelor de a se diviza și de a funcționa.

Cercetătorii optimizează acum grupul de reprogramare a proteinelor necesare pentru întinerirea celulelor umane și explorează posibilitatea de a trata celulele sau țesuturile fără a le scoate din corp.

"Cu toate că trebuie făcută mult mai multă muncă, sperăm că într-o bună zi putem avea ocazia să repornim țesuturi întregi", a spus Sebastiano. "Dar mai întâi vrem să ne asigurăm că acest lucru este testat riguros în laborator și se dovedește a fi sigur".

Alți coautori de la Stanford sunt fostul savant postdoctoral Marco Quarta, dr. cercetător postdoctoral dr. Shravani Mukherjee; student absolvent Alex Colville; asistenții de cercetare Patrick Paine, Linda Doan și Christopher Tran; MD Constance Chu, profesor de chirurgie ortopedică; Dr. Stanley Qi, profesor asistent de bioinginerie și biologie chimică și de sisteme; și Nidhi Bhutani, dr., profesor asociat de chirurgie ortopedică.

La studiu au contribuit și cercetători din sistemul veterinar Palo Alto, Universitatea din California-Los Angeles și Institutul de cercetare în medicina moleculară din Sunnyvale, California.

Cercetarea a fost susținută de Institutele Naționale de Sănătate (subvenții R01 AR070865, R01 AR070864, ​​P01 AG036695, R01 AG23806, R01 AG057433 și R01 AG047820), Fundația Glenn pentru Cercetare Medicală, Federația Americană pentru Cercetarea Îmbătrânirii și Departamentul Problemele veteranilor.

Sarkar, Quarta și Sebastiano sunt cofondatori ai startului Turn Biotechnologies, o companie care aplică tehnologia descrisă în lucrare pentru tratarea afecțiunilor asociate îmbătrânirii. Rando este membru al consiliului consultativ științific.