Пересадка гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) лечит болезни крови, но доноров не хватает, а возраст донора ухудшает результат. С возрастом ГСК теряют способность к восстановлению, смещают баланс в сторону миелоидных клеток и накапливают эпигенетические изменения. Перепрограммирование соматических клеток в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК) сбрасывает эпигенетический возраст почти до нуля и удлиняет теломеры. Однако оставалось неясным, можно ли из иПСК получить ГСК, которые приобретут полноценную идентичность взрослых стволовых клеток крови и при этом сохранят молодые молекулярные черты после трансплантации.
Исследователи взяли шесть линий иПСК от доноров 18–60 лет, полученных из разных соматических клеток (мононуклеары периферической крови, фибробласты, мезенхимальные стволовые клетки). Их дифференцировали в ГСК по протоколу с вращающимися эмбриоидными тельцами и цитокинами. Полученные клетки пересадили иммунодефицитным мышам NBSGW, которые поддерживают приживление человеческих ГСК без облучения. Через 20 недель оценивали приживление, состав крови, профили метилирования ДНК, транскриптом одиночных клеток и длину теломер. Затем часть костного мозга первичных реципиентов пересадили вторичным мышам и повторили анализы ещё через 20 недель.
Эпигенетический возраст иПСК, определённый по часам Хорвата, составил около нуля и после дифференцировки в ГСК остался низким (0,55 года). После первичной трансплантации возраст человеческих клеток в костном мозге мышей был в среднем 1,68 года, а после вторичной — 5,28 года, что соответствует скорости старения 2,17 и 7,83 дня за день in vivo соответственно. Для сравнения, клетки пуповинной крови старели со скоростью 1,37 дня за день. При этом метилирование промоторов менялось двухфазно: сначала при дифференцировке in vitro замолкали гены плюрипотентности и активировались гемопоэтические регуляторы, а после трансплантации происходила вторая волна изменений, приближавшая клетки к первичным ГСК взрослого человека. Возраст-ассоциированные CpG-сайты и энтропия метилирования оставались стабильными на всех этапах. Длина теломер в ГСК из иПСК была значительно больше, чем у первичных ГСК взрослых (медиана 11 469 против 8 435 пар оснований), а доля критически коротких теломер (<3 тысяч пар оснований) — 1,33% против 10,59%.
Работа показывает, что эпигенетическое старение и приобретение идентичности ГСК можно разъединить: клетки проходят функциональное созревание, но сохраняют молодой эпигеном и длинные теломеры. Это меняет представление о том, что зрелость неизбежно сопровождается старением, и открывает путь к созданию трансплантатов с функциями взрослых клеток и резервом молодости. В отличие от соседней работы по клеточному старению, где изучались изменения метилирования в отдельных клетках, здесь показана устойчивость молодого состояния в целой популяции стволовых клеток при пролиферативном стрессе.
Дальнейшие исследования могут проверить, сохраняется ли молодость в более длительных экспериментах и в других животных моделях, включая гуманизированные ниши. Важно выяснить, отражает ли сходство с первичными ГСК созревание клеток или селекцию редких клонов. Одноклеточное профилирование метилирования и отслеживание клонов помогут разделить эти процессы. Если молодые черты сохранятся, можно будет создавать универсальные донорские ГСК для терапии возрастных болезней крови.
Результаты важны для регенеративной медицины, трансплантологии и геронтологии. Они дают основу для разработки клеточных продуктов, которые сочетают функциональность взрослых ГСК с эпигенетической молодостью.
Следующие шаги включают профилирование отдельных стволовых клеток, отслеживание клонов после трансплантации и тестирование в моделях с человеческой нишей костного мозга. Также нужно оценить, как молодые эпигенетические черты влияют на долгосрочную функцию и предрасположенность к клональному гемопоэзу.
Работа напрямую связана с нерешённой проблемой регенеративной медицины: как получить функциональные стволовые клетки, которые не несут груза возраста донора. Она также касается вопроса о том, какие эпигенетические изменения являются причиной, а какие следствием старения стволовых клеток. Показано, что возраст-ассоциированное метилирование можно удерживать на низком уровне даже при интенсивной пролиферации, что ставит под сомнение неизбежность накопления эпигенетических ошибок.
Эпигенетические часы Хорвата, использованные в работе, были откалиброваны на тысячах образцов тканей человека и могут предсказывать возраст с точностью до нескольких лет. В этой работе они показали, что клетки, прошедшие через перепрограммирование и две пересадки, остаются моложе семи лет, хотя их «реальный» возраст с учётом донора и времени культивирования мог бы быть больше 60 лет.
Работа опубликована не на arXiv. Здесь её страница, PDF и формализация: проверить можно самим, а не только прочитать наш разбор.