Существует много разновидностей клеток крови (рис. 1). Каждый вид выполняет важные функции, но живут клетки крови сравнительно недолго: например, эритроциты живут около 120 дней, а лейкоциты — до нескольких месяцев. Для того чтобы постоянно пополнять запас выбывающих из строя бойцов, нужны кроветворные (их называют еще гемопоэтическими) стволовые клетки (ГСК). Популяция ГСК достаточно разнородна: клетки могут находиться на разных стадиях дифференцировки, то есть быть разной степени зрелости, могут обладать разным временем жизни, разной — краткосрочной и долгосрочной — регенеративной активностью, разными профилями экспрессии генов и разными эпигенетическими программами дальнейшей дифференцировки. В связи с этим среди стволовых кроветворных клеток особенно выделяют тип клеток с долгосрочной регенеративной активностью (ДР-ГСК), то есть способных воспроизводить популяцию клеток крови на протяжении всей жизни организма [1].

В норме ГСК, как ценное сокровище, спрятаны в костном мозге, внутри твердых костей. Они покоятся в особых нишах, в нежной соединительной ткани, богатой сосудами [2]. Такая серьезная защищенность ГСК от воздействия внешних факторов неслучайна: спонтанное повреждение ДНК этих клеток может привести к онкологическим заболеваниям или попросту к истощению запаса клеток крови — постепенному старению кроветворной системы и даже острому дефициту клеток (цитопении).

Немецкие исследователи под руководством Майкла Мильсома и их коллеги из Швейцарии, Австралии и США выяснили, что повреждение ДНК гемопоэтических стволовых клеток крови случается во время активной стимуляции этих клеток к выходу из состояния покоя [3]. Активация ДР-ГСК может стимулироваться спектром вырабатывающихся организмом веществ, которые напрямую не приводят к повреждению ДНК: интерферонами, гранулоцитарно-макрофагальным колониестимулирующим фактором, тромбопоэтином. Толчком к активации ДР-ГСК может стать и острая потеря крови. В своих экспериментах ученые имитировали заражение организма вирусной инфекцией, вводя мышам смесь полиинозиновых-полицитидиновых кислот для стимуляции выброса интерферонов: ведь известно, что интерфероны выделяются клетками организма именно в ответ на вторжение вируса. Затем ДР-ГСК извлекали, помещали в агарозный гель, лизировали и проводили электрофорез (такое исследование называется «метод ДНК-комет»). Отрицательно заряженная ДНК при приложении напряжения направляется к положительно заряженному электроду. Если ДНК повреждена, ее кусочки отрываются от ядра и под действием электрического тока образуют в геле так называемый «хвост кометы» (рис. 2). Именно так ученые обнаружили множество одно- и двунитевых разрывов ДНК в извлеченных стволовых клетках. О повреждениях ДНК свидетельствовало также появление в ДР-ГСК промежуточных белков и модификаций гистонов, необходимых для процесса репарации ДНК, то есть починки ее поломок.

Пожалуй, один из самых неприятных результатов разрывов ДНК — это последующая ковалентная сшивка двух ее цепей. РНК-полимераза во время транскрипции и ДНК-полимераза во время репликации не могут преодолеть такие структуры, а для их репарации необходима так называемая система репарации анемии Фанкони.

Анемия Фанкони — редкое наследственное заболевание, для которого характерно появление опухолей и злокачественной анемии. Известно, что анемия Фанкони возникает из-за дефектов в генах белков, отвечающих за репарацию ДНК. К ним относятся 15 белков группы FANC и еще два белка системы репарации RAD51C и XPF [4].

Большинство типов репарации ДНК не обходится без участия белков системы репарации Фанкони. Однако если часть репарационного пути вышла из строя, то починка повреждений осуществляется с помощью других систем репарации. И только ковалентные сшивки между цепями ДНК не поддаются починке в отсутствие белков системы репарации Фанкони [5].

И действительно, ученые заметили повышенный уровень экспрессии генов FANС и обнаружили скопления этих белков в клетках ДР-ГСК во время их стресс-индуцируемой активации. Кроме того, у мышей, которым была внесена делеция в ген белка FANCA (Fanca −/−) и, соответственно, нарушения структуры ДНК не могли быть ликвидированы, количество повреждений было существенно выше, чем в клетках животных с нормальной системой репарации.

На самом деле причина возникновения повреждений ДНК при стрессовой активации ДР-ГСК точно не известна. Зато известно, что одной из причин возникновения ковалентных сшивок двух соседних нуклеотидов в ДНК являются активные формы кислорода [6]. Свободные радикалы, которые образуются в митохондриях, способны «сшивать» структурные единицы белков, жиров и ДНК [7]. Существует даже теория, в рамках которой считается, что активные формы кислорода именно за счет внесения сшивок в молекулы провоцируют образование морщин [8] и другие формы старения организма [9]. Так или иначе, ученые обнаружили, что в активно пролиферирующих ДР-ГСК митохондриальный мембранный потенциал повышается по сравнению с клетками в состоянии покоя, а это может приводить к значительному увеличению количества активных форм кислорода.

При активации ДР-ГСК с поврежденной системой репарации не в живом организме, а в чашке Петри, ученые наблюдали быструю гибель уже второго поколения стволовых клеток. Также выяснилось, что если активация ДР-ГСК клеток происходит неоднократно, то почти у 80% мышей Fanca −/− наступает апластическая анемия, в то время как у мышей с нормальной системой репарации заболевание не возникает. Таким образом, без действующей системы репарации запасы ДР-ГСК костного мозга истощаются. Более того, ДР-ГСК здоровых мышей после стимуляции их делений имели сниженную способность к трансплантации и производили неполноценные миелоидные клетки в организме мышей-реципиентов.

В результате, ученые предложили следующую модель (рис. 3). Когда ДР-ГСК находятся в состоянии покоя и делятся редко, их энергетические запросы невелики. Поэтому митохондрии работают в обычном режиме, и образования активных форм кислорода не происходит. При инфекционных заболеваниях или потере крови пул клеток крови пополняется за счет активации ДР-ГСК. В этот момент в клетках усиливаются окислительные процессы, образуются свободные радикалы, которые могут приводить к повреждениям ДНК [12]. Сама ДНК в этот период тоже находится в уязвимом состоянии из-за активных процессов репликации (удвоения ДНК, предшествующего делению клетки). Если репарация повреждений ДНК неэффективна, то клетки погибают. Или выживают, но несут мутации. В здоровом организме каждый раунд стресс-индуцируемой активации приводит к гибели/старению/накоплению мутаций в небольшом количестве ДР-ГСК. Однако на протяжении всей жизни подобная активация клеток случается многократно. Это может привести к тому, что запас ДР-ГСК истощится, и они больше не смогут эффективно производить новые клетки крови. А если системы репарации работают плохо (речь идет в основном о белках Фанкони), то пул ДР-ГСК истощается стремительно, что ведет к старению кроветворной системы и ее неспособности выполнять свои функции.

Литература

1. Kirschstein R. Stem cells: scientific progress and future research directions. Bethesda: National Institutes of Health, 2001. — 220 p.;
2. Афанасьев Ю.И., Юрина Н.А., Котовский Е.Ф. Гистология. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 2002. — 744 с.;
3. Walter D., Lier A., Geiselhart A., Thalheimer F.B., Huntscha S., Sobotta M.C. et al. (2015). Exit from dormancy provokes DNA-damage-induced attrition in haematopoietic stem cells. Nature. doi: 10.1038/nature14131;
4. Moustacchi E. (2003). Fanconi’s Anemia. Orpha.net Encyclopedia;
5. Moldovan G.L., D’Andrea A.D. (2009). How the fanconi anemia pathway guards the genome. Annu. Rev. Genet. 43, 223–249;
6. Wang Y. (2008). Bulky DNA lesions induced by reactive oxygen species. Chem. Res. Toxicol. 20, 276–281;
7. Crean C., Geacintov N.E., Shafirovich V. (2008). Intrastrand G-U cross-links generated by the oxidation of guanine in 5’-d(GCU) and 5’-r(GCU). Free Radic. Biol. Med. 45, 1125–1134;
8. Pageon H., Asselineau D. (2005). An in vitro approach to the chronological aging of skin by glycation of the collagen: the biological effect of glycation on the reconstructed skin model. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1043, 529–532;
9. Dzierzak E., Speck N.A. (2008). Of lineage and legacy: the development of mammalian hematopoietic stem cells. Nat. Immunol. 9, 129–136;
10. Вездесущий убиквитин;
11. «Вездесущий убиквитин» возвращается;
12. Dizdaroglu M., Jaruga P. (2012). Mechanisms of free radical-induced damage to DNA. Free Radic. Res. 46, 382–419..