Laboratorní neurony z iPSC mají 3D genom podobný spíše raným buňkám než dospělým

Neurony, které vědci vypěstují v laboratoři z indukovaných pluripotentních kmenových buněk, se podle nové studie po stránce prostorového uspořádání genomu stále podobají spíše buňkám z raných fází vývoje než zralým neuronům dospělého lidského mozku. K tomuto závěru dospěli badatelé ze Skoltechu, kteří spolupracovali s Ústavem pro problémy přenosu informací Kharkevicha Ruské akademie věd, Moskevskou státní univerzitou M. V. Lomonosova a dalšími organizacemi.

Vědci se zaměřili na takzvanou 3D organizaci genomu, tedy na to, jak je dlouhá molekula DNA složena a uspořádána uvnitř buněčného jádra. Právě toto uspořádání ovlivňuje, které geny mohou být aktivní a které nikoli, a patří proto k důležitým znakům identity buňky. Autoři porovnávali neurony odvozené z iPSC s neurony z dospělého lidského mozku a zjišťovali, nakolik se laboratorně získané buňky přibližují svému přirozenému protějšku.

Metody, které umožňují převést kmenové buňky na neurony, se využívají při modelování neurologických a psychiatrických onemocnění, při testování léčiv i ve výzkumu vývoje nervové soustavy. Aby bylo možné takové modely spolehlivě používat, je třeba vědět, do jaké míry se pěstované buňky chovají jako skutečné neurony dospělého člověka. Nová práce k této otázce přistupuje z pohledu architektury genomu, nikoli jen z pohledu aktivity jednotlivých genů.

Základem studie byl rozsáhlý soubor dat. Autoři shromáždili a zpracovali více než 300 map 3D genomu. Data pokrývala 62 vzorků z lidského těla a 34 vzorků myší. Zahrnuta byla široká škála typů buněk: embryonální kmenové buňky, indukované pluripotentní kmenové buňky, nervové progenitorové buňky, plodové a posmrtné neurony i neurony diferencované in vitro, tedy vypěstované v laboratorních podmínkách. Takové srovnání umožňuje sledovat, jak se prostorové uspořádání genomu mění v průběhu vývoje od pluripotentních buněk až po zralé neurony, a zasadit do této řady i buňky vzniklé v laboratoři.

Hlavním zjištěním je, že neurony pěstované v laboratoři si zachovávají rysy embryonálního vývoje. Jejich 3D genom se tedy od genomu neuronů dospělého mozku v určitých ohledech liší a nese stopy dřívějších vývojových stadií. Pro praxi to znamená, že buněčné modely založené na iPSC je nutné interpretovat s vědomím, že nemusejí zcela odpovídat dospělým neuronům, a to zejména ve studiích věnovaných nemocem, které se projevují až v pozdějším věku.

Autoři zároveň vytvořili obsáhlý přehled dostupných dat o prostorové organizaci genomu v nervových a kmenových buňkách člověka a myši, který mohou využít další výzkumné týmy. Sjednocené zpracování stovek map umožňuje porovnávat výsledky z různých laboratoří a snižuje riziko, že rozdíly mezi vzorky budou způsobeny pouze odlišným postupem měření nebo analýzy.

Práce přispívá k lepšímu pochopení toho, jak věrně lze v laboratoři napodobit vývoj a zrání lidských neuronů. Ukazuje také, že při posuzování kvality buněčných modelů nestačí sledovat pouze to, zda buňky vykazují typické znaky neuronů, například tvar nebo přítomnost určitých molekul. Důležité je přihlížet i k hlubším vrstvám regulace, mezi které patří právě skládání genomu v jádře. Výsledky mohou posloužit jako vodítko pro další úpravy protokolů, jimiž se kmenové buňky na neurony přeměňují, aby se výsledné buňky přiblížily skutečným neuronům dospělého mozku.