Особливості обміну речовин допомагають стовбуровим клітинам підтримувати свою ДНК у «розпакованому» стані, необхідному для постійного оновлення.
Хоча стовбурові клітини досліджуються зараз у клітинній і молекулярній біології як ніщо інше - за увагу біологів з ними можуть посперечатися хіба що ракові клітини і нейрони - ми досі не цілком розуміємо, що дає їм можливість залишатися вічно юними і уникати спеціалізації. (Нагадаємо, що стовбурові клітини не виконують ніякої спеціалізованої роботи, вони тільки постійно діляться, а ось їхні нащадки можуть диференціюватися в клітини різних робочих типів.)
Очевидно, стовбуровий стан обумовлюється особливостями генетичного налаштування: якісь гени працюють, якісь - ні, і такий спектр працюючих і непрацюючих генів в принципі сильно відрізняється від того, що можна знайти в звичайних клітинах. Зазвичай тут говорять про епігенетичні механізми, які стежать за доступністю різних ділянок ДНК для клітинних молекулярних машин. Якщо ДНК доступна для зчитування з неї мРНК - значить, ген активний; якщо ДНК «заархівована», недоступна для білків - ген мовчить.
Архівацію генома виконують білки гістони, які, взаємодіючи ДНК, утворюють хроматин. Спеціальні ферменти можуть прикріплювати або від'єднувати від гістонів метильні групи, і така модифікація викликає ущільнення або, навпаки, розпушування хроматину - а це означає, що ДНК в комплексі з гістонами стає більш-менш доступною для молекулярних маніпуляцій. Метилювання гістонів служить одним з головних епігенетичних механізмів регуляції генетичної активності.
Самі ж метильні групи є продукт метаболічних реакцій. І ось дослідникам з Рокфеллерівського університету (США) прийшла в голову думка, що сам обмін речовин стовбурових клітин допомагає їм залишатися в такому стані. Особливість їх ДНК в тому, що майже вся вона доступна для зчитування, тобто, якщо прийняти гіпотезу про метаболізм, в клітинах постійно повинні утворюватися якісь речовини, які підтримували б хроматин в «розархівованому» вигляді.
У лабораторіях стовбурові клітини культивують у різних поживних середовищах. Брюс Кері (Bryce Carey) і його колеги помітили, що мишачі ембріональні стовбурові клітини (якщо можна так сказати, найбільш безсмертні і найбільш «всемогутні», так як вони можуть дати початок абсолютно будь-якому іншому типу клітин) краще ростуть на одному середовищі, і гірше - на іншому. Краще в даному випадку означає те, що клітини довше зберігали свої стовбурові властивості, що у них краще виходило самовідновлятися.
Виявилося, що клітини, які росли на «хорошому» середовищі, обходилися без амінокислоти глутаміну. З неї виходить альфа-кетоглутарат, який, в свою чергу, відіграє важливу роль в циклі Кребса, або циклі трикарбонових кислот. Так називають найважливіший етап клітинного дихання, тобто розщеплення біомолекул з метою отримання енергії. З іншого боку, цикл Кребса служить ще й постачальником безлічі молекул-попередників, які направляються вже в синтетичні реакції. Словом, це найважливіша вузлова станція клітинного метаболізму.
Однак роль альфа-кетоглутарата одним циклом Кребса не обмежується. Було показано, що він бере участь у регуляції метилювання хроматину. І хоча клітини не отримували глутамін для виробництва альфа-кетоглутарату, вони все одно його звідкись брали, причому в досить великих кількостях. Виявилося, що у них просто блокувалася реакція циклу Кребса, в якій похідне глутаміна перетворювалося на щось інше. Зайвий накопичуваний альфа-кетоглутарат відправлявся до ферментів, що займаються перебудовою хроматину - тут він стимулював реакцію очищення гістонів від метильних груп і, як наслідок, активацію ДНК. Через те, що цикл Кребса позбавлявся цієї молекули, зростання клітини могло б злегка сповільнитися - адже цикл, нагадаємо, відіграє важливу енергетичну роль. Але зате клітина могла завдяки такому метаболічному прийому підтримувати «вічну молодість», зберігаючи весь геном розпакованим.
Звичайно, тут можна сказати, що вся справа знову в генах і їх регуляції: просто на «хорошому» середовищі росли клітини, у яких був генетичний блок на вищезгадану реакцію циклу трикарбонових кислот. Але якщо альфа-кетоглутарат додавали до клітин, які росли на «поганому» середовищі, то їх здатності до самовідновлення помітно підвищувалися. У статті в Nature автори пишуть, що їм вдалося також помітити зміни в активності деяких генів, що відбувалися якраз через присутність або відсутність альфа-кетоглутарату в середовищі.
Звичайно, і раніше було відомо, що стовбурова клітина - це не «річ у собі», що вона прислухається до навколишнього середовища і змінює свої властивості через зовнішні зміни. Однак у даному випадку вдалося продемонструвати, як не дуже складна хімічна молекула ззовні може вплинути на одну з фундаментальних властивостей стовбурової клітини - її нездатність старіти, залишаючись потенційно безсмертною. Тобто через живильне середовище ми можемо керувати стовбуровою культурою; пересадивши ж такі клітини в організм, можемо впливати на них через обмін речовин, не вдаючись до складних генетичних маніпуляцій. Хоча, звичайно, без таких маніпуляцій не обійтися, і метаболічний метод управління, якщо він увійде в медичну і біологічну практику, приєднається до довгої низки методів роботи зі стовбуровими клітинами.