Большинство клеток в нашем организме — специализированные, заточенные под выполнение определенной задачи: клетки сетчатки улавливают свет и передают в мозг сигналы, клетки поперечно-полосатых мышц сокращаются и расслабляются, когда нужно, клетки желез синтезируют специфические молекулы и рассылают их остальным клеткам. Такие клетки-специалисты не должны и не способны делиться. Однако организму постоянно требуются новые клетки, и они получаются в результате деления особых клеток, предназначенных для размножения, — стволовых.

При делении стволовой клетки образуется одна новая стволовая клетка и одна клетка, из которой разовьется новый «специалист». Новая стволовая клетка со временем повторит судьбу «родителя» — опять будет делиться, а «специалист» приступит к выполнению своих специфических обязанностей. Ученые обнаружили, что часть наследства материнской клетки (стволоподобной клетки эпителия молочной железы человека) делится между дочерними клетками по-разному. Клетка, которая станет стволовой, получает более новые митохондрии, чем сестрица, обреченная на специализацию [1]. В наследовании других компонентов отличий не обнаружилось.

Чтобы понаблюдать, как стволовая клетка распределяет разные компоненты между дочерними клетками с разной судьбой, ученые создали клетки с фотоактивируемым зеленым флуоресцентным белком (paGFP) в различных органеллах [2]. Этот белок можно было заставить светиться с помощью вспышки ультрафиолета. Все органеллы с paGFP, которые присутствовали в клетке в момент вспышки, флуоресцировали, а те, что образовались после — нет (в них тоже синтезировался paGFP, но уже после вспышки, и поэтому он не светился). Ученые увидели, что старые и новые рибосомы, лизосомы, аппарат Гольджи и хроматин распределяются по потомкам стволовой клетки равномерно: двум дочерним клеткам доставались одинаковые количества зеленых «старых» и неокрашенных «новых» компонентов.

А вот для митохондрий при некоторых условиях обнаруживались различия. Если вспышка ультрафиолета происходила меньше, чем за 10 часов до деления клетки, то митохондрии, как и другие клеточные органеллы, распределялись равномерно. Если от момента вспышки до деления проходило больше 10 часов, то меченые органеллы оказывались уже достаточно старыми, чтобы клетка распределила их между потомками поровну. Дочерняя клетка, которой суждено было стать стволовой, получала намного меньше старых митохондрий, чем клетка, которая должна была стать «специалистом» (рис. 1). Это кажется несправедливым, но на самом деле довольно разумно — ведь клетке-специалисту больше не придется делиться, а стволовой еще предстоит дать начало многим поколениям других клеток. Поэтому ей достаются митохондрии («фабрики», производящие энергию) поновее, в которых, скорее всего, накопилось меньше повреждений*.

* — Упрощённо-сказочно о происхождении митохондрий поведано в статье «Как появились митохондрии (рассказ, похожий на сказку)» [3], а о том, к чему приводят повреждения митохондрий и как можно бороться с наследственными митохондриальными заболеваниями — в новости «Трое в лодке: о легализации замены митохондрий» [4]. — Ред.

После этого ученые применили другую методику с двумя метками разных цветов, чтобы флуоресцировали и старые, и новые митохондрии. Оказалось, что старые митохондрии располагаются в материнской стволовой клетке неравномерно: ближе к ядру их больше, и, кроме того, они образуют скопления. Митохондрии у ядра, видимо, не только старые, но и уже не очень «здоровые»: мембранный потенциал, который необходим для их функционирования, у таких органелл ниже. Замечено, что величина мембранного потенциала митохондрий положительно коррелирует с выраженностью «стволовых» свойств клеток, поэтому не было бы удивительным, что митохондрии с более высоким потенциалом (то есть более новые) достаются той дочерней клетке, которая станет стволовой. Ученые «сбросили» мембранный потенциал всех митохондрий стволовых клеток, чтобы проверить, не сегрегируются ли митохондрии асимметрично именно на основе потенциала. Однако деполяризация на «возрасто-зависимое» распределение митохондрий по дочерним клеткам никак не повлияла. Получается, клетка ориентируется только на возраст митохондрий, а не на их мембранный потенциал.

Интересно, однако, что у клеток, которым достались новые митохондрии со сбитым потенциалом, стволовые свойства были менее выраженными (например, такие клетки реже образовывали сферические скопления, характерные для стволовых клеток). Получается, что для формирования «стволовости» важен именно мембранный потенциал митохондрий, но материнская стволовая клетка при распределении митохондрий ориентируется не на него, а на возраст этих органелл. Важно, что сортировали митохондрии по возрасту только стволовые клетки, а у дифференцированных клеток более старые и более новые митохондрии в цитоплазме были перемешаны.

Для поддержания такого неравномерного распределения старых и новых митохондрий в стволовой клетке необходим белок Drp1 (динамин-подобный белок 1). Он участвует в деградации старого митохондриального материала, обеспечивая таким образом контроль качества этих органелл. Если работу этого белка ингибировали, старые и новые митохондрии в клетке перемешивались. При этом среди потомков таких клеток нарушался баланс — образовывалось меньше клеток, которые получали в основном новые митохондрии. Но даже у тех клеток, которым всё-таки посчастливилось получить преимущественно новые митохондрии, стволовые свойства были менее выраженными. Интересно, что стволовые свойства ухудшались у потомков клетки с перемешанными митохондриями, хотя на них самих ингибитором Drp1 не воздействовали. Получается, что одного нарушения распределения митохондрий в стволовой клетке достаточно, чтобы ухудшить «стволовость» ее потомков. Поэтому стволовой клетке очень нужно поддерживать в своих митохондриальных сетях порядок, проводя их регулярную санацию, — чтобы снабдить одну из дочерних клеток, которая продолжит размножаться, самыми лучшими митохондриями.

Литература

1. Katajisto P., Döhla J., Chaffer C., Zoncu R., Chen W., Weinberg R. A. (2015). Asymmetric apportioning of aged mitochondria between daughter cells is required for stemness. Science. 348 (6232), 340–343;
2. Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали!;
3. Как появились митохондрии (рассказ, похожий на сказку);
4. Трое в лодке: о легализации замены митохондрий.