Различия в стволовых клетках крови у разных видов открывают новые возможности понимания старения
Новое исследование показывает, что способ, которым развиваются стволовые клетки крови в течение жизни, сильно отличается у людей и мышей. Результаты дают новое понимание критических факторов, которые влияют на старение тканей.
Ученые из Института Уэллкома Сэнгера, Медицинского колледжа Бейлора и их коллеги показывают, что радикальные изменения, наблюдаемые в крови человека в пожилом возрасте, не происходят у старых мышей.
Исследование, опубликованное в журнале Nature , поднимает важные вопросы о старении и моделях исследования стволовых клеток, используемых в лабораторных условиях, а также обеспечивает лучшее понимание всего спектра факторов, способствующих старению тканей.
Все клетки накапливают генетические изменения в течение жизни, известные как соматические мутации. У людей эти соматические мутации приводят к резким изменениям в крови после 70 лет.
У молодых людей до 200 000 стволовых клеток, производящих кровь, в то время как у пожилых людей более половины производства крови происходит из резко сокращенного набора клонов стволовых клеток, которые расширились за время жизни человека. Эти клоны стволовых клеток у пожилых людей могут развиться в рак и стать причиной других заболеваний.
Одна из теорий предполагает, что они могут даже лежать в основе особенностей старения человека и объяснять, почему наши ткани с возрастом становятся менее эластичными.
Пока не установлено, является ли наблюдаемая у людей универсальная закономерность старения и, следовательно, отражается ли она на продолжительности жизни других видов по мере их старения, включая животных с более короткой продолжительностью жизни, таких как мыши.
Чтобы исследовать это, исследователи Института Сэнгера и их коллеги изучали, как развиваются стволовые клетки крови у мышей , производят кровь и изменяются на протяжении жизни мыши. Секвенируя полные геномы 1305 стволовых клеток крови молодых и старых мышей , они смогли идентифицировать все мутации, присутствующие в каждой клетке. Эти данные были использованы для реконструкции «генеалогических древ» производства крови, что дало беспрецедентные знания о формировании и эволюции стволовых клеток на протяжении жизни.
Исследователи наблюдали резкий контраст с моделями старения человека в крови. Мыши сохраняют разнообразные стволовые клетки крови на протяжении всей жизни, без того же распада на несколько доминирующих клонов, который происходит у долгоживущих людей. Это может помочь объяснить, почему возрастные заболевания крови встречаются гораздо реже у старых мышей.
Как правило, мыши накапливают мутации в 20 раз быстрее, чем люди, и была выдвинута гипотеза, что это может быть каким-то образом связано с тем, почему их продолжительность жизни короче. Однако команда показала, что в крови мышей скорость накопления мутаций была намного ниже ожидаемой — всего в три раза выше, чем у людей. Это говорит о том, что стволовые клетки крови имеют особую защиту от накопления мутаций как у людей, так и у мышей.
Кроме того, исследователи обнаружили, что в то время как люди полагаются на пул из 20 000–200 000 стволовых клеток для производства крови, у мышей их также удивительно много — около 70 000 стволовых клеток крови — несмотря на их значительно меньший размер тела и меньшую продолжительность жизни. Это поднимает интригующие вопросы о том, почему таким маленьким животным требуется так много стволовых клеток и является ли это эволюционной адаптацией, которая позволяет быстро реагировать на вызовы окружающей среды.
У людей ключевые мутации часто обнаруживаются у пожилых людей, что заставляет стволовые клетки крови перерастать в клоны. Команда обнаружила, что эти же мутации наблюдались и у мышей, но на невероятно низких уровнях, что означает, что они редко были на значительных уровнях, чтобы вызывать какие-либо проблемы у пожилых мышей, в отличие от людей.
У людей здоровая стволовая клетка крови может делиться один или два раза в год, претерпевая примерно 100 делений за свою жизнь. Команда показала, что у мышей здоровые стволовые клетки крови делятся каждые шесть недель, что не позволяет им делиться так много раз за гораздо более короткую продолжительность жизни. Результаты показывают, что факторы, отличные от мутационных повреждений, такие как количество стволовых клеток и скорость деления клеток, также имеют решающее значение для влияния на закономерности старения в течение жизни организма.
Поскольку поведение и эволюция стволовых клеток крови у мышей отличаются от человеческих, это говорит о том, что наблюдаемое у мышей не может быть просто перенесено на людей. Это имеет значение для того, как исследователи могут использовать мышей в качестве лабораторных моделей в будущем, и обеспечивает новую основу для того, как мы интерпретируем результаты исследований, когда мышиные клетки используются в биологии стволовых клеток или исследованиях старения.
«Расширение клеток — это повсеместная черта старения тканей человека. Оно наблюдается как в здоровых, так и в больных органах. Это похоже на дарвиновский отбор, поскольку некоторые клетки вытесняют своих соседей и расширяются в течение жизни.
«Понимание того, как стволовые клетки крови развиваются с течением времени у видов с иной продолжительностью жизни, чем у людей, является бесценным знанием, которое мы можем использовать при рассмотрении эволюции клеток крови человека и связанных с ними заболеваний», — говорит доктор Чираг Кападиа, первый автор исследования, приглашенный научный сотрудник Института Уэллкома Сэнгера и аспирант Медицинского колледжа Бейлора.
«Мы знаем, что у людей на протяжении жизни наблюдалось различное воздействие стрессоров и травм, которые могут формировать наблюдаемые закономерности старения. Благодаря этому исследованию мы теперь лучше понимаем, как воздействие окружающей среды формирует закономерности старения посредством адаптации стволовых клеток. Эти знания будут использоваться в будущих исследованиях стволовых клеток и старения», — говорит профессор Маргарет Гуделл, соавтор исследования, профессор и заведующий кафедрой молекулярной и клеточной биологии в Медицинском колледже Бейлора.
«Эта работа дает нам более полное понимание факторов, которые в совокупности определяют, как ткань стареет на протяжении жизни организма. Считалось, что некоторые биологические процессы , такие как скорость накопления мутаций ДНК в клетках, масштабируются по сравнению со временем животных. Стволовые клетки крови имеют эволюционную защиту от этого, а возрастные изменения проявляются только на протяжении гораздо более длительной жизни.
«Это понимание открывает новые возможности для изучения того, как мы можем оптимизировать процесс старения», — говорит доктор Джоти Нангалия, руководитель группы в Институте Уэллкома Сэнгера и Кембриджском университете.