Материал: Стволовые клетки и молекулярная биология

Некоторые недавние достижения в изучении дифференцировки ЭСК были сосредотечены на манипуляции факторами роста или генетических изменений в ЭСК для получения желательного фенотипа. Эти два подхода характеризуют современные научные интересы, касающиеся терапевтического использования этих клеток; генетические изменения создадут более чистые клетки, что увеличит вероятность злокачественной трансформации; эпигенетические методы часто не полны, и плюрипотентные клетки склонны образовывать тератомы.

По мере того, как становится больше известно о спецификации линий в течение развития, будет возможно более точно контролировать спецификацию клеточного типа/54/.

ЭСК являются плюрипотентными стволовыми клетками, которые дифференцируются in vitro и in vivo в клеточные типы, происходящие из трех эмбриональных зародышевых слоев. ЭСК и родственные им клетки, клетки эмбриональной карциномы и эмбриональные зародышевые клетки, широко использовались, как модельные системы для изучения раннего развития млекопитающих. Эта работа привела к важным идеям о механизмах, контролирующих эмбриогенез на молекулярном и клеточном уровне. Впечатляющий прогресс был достигнут в изоляции и получении характеристик ЭСК разных видов, включая человека.

Существенный прогресс был также сделан в развитии условий культивирования, которые способствуют дифференцировке ЭСК в специфические клеточные типы, которые образуются в ходе миогенеза, ангиогенеза, нейрогенеза и кардиогенеза.

Способность инактивировать практически любой ген в ЭСК путем использования генов - мишеней очень улучшило понимание ролей специфических генов на клеточном и организменном уровне. Более того, ЭСК и клетки эмбриональной карциномы использовались широко для исследования того, как запускается и прекращается работа специфических генов в течение дифференцировки. В этой связи ДНК array технология использовалась для идентификации генов, регулируемых, когда ЭСК дифференцируются/35/.

ЭСК имеют способность самообновляться и дифференцироваться в клеточные дериваты эндодермальной, эктодермальнй и мезодермальной линий. ЭСК были использованы для анализа эффектов экзогенных факторов на путь развития в течение дифференцировки in vitro.

При использовании подхода потери функции in vitro, основанном на дефицитных по бета1 интегрину ЭСК, было обнаружено, что интегрин-зависимые механизмы участвуют в экспрессии Wnt-1 и BMP-4. Антагонистические эффекты сигнальных молекул Wnt-1 and BMP-4, морфогенов участвующих в ранних событиях дифференцировки, изучались in vivo и in vitro: Wnt-1 действует как действенный индуктор мезодермы, в то время как BMP-4 играет критическую роль в детерминации нейроэктодермы .

Взаимодействие клеток с экстрацеллюлярным матриксом через детрминанты интегринов определяет экспрессию сигнальных молекул BMP-4 and Wnt-1, в результате чего происходит активация мезодермальной и нейроэктодермальной линий соотвественно. Результаты подтверждают идею, что влияние экстрацеллюлярной “ниши” на судьбу развития плюрипотентных стволовых клеток определяется не только растворимыми факторами, но также экстрацеллюлярным матриксом/8/.

Развитие плана тела контролируется большой сетью регуляторных генов. Рассматриваются данные о регуляторной сети генов, которая контролирует спецификацию эндодермы и мезодермы у эмбриона морского ежа. Сеть была создана на основании крупномасштабного пертурбационного анализа, в комбинации с компьютерными методологиями, данными геномики, cis-регуляторным анализом и молекулярной эмбриологией. Сеть содержит более 40 генов на настоящий момент, и каждое затруднение может быть прямо проверено на уровне последовательности ДНК cis-регуляторным анализом. Ее архитектура выявляет специфические и общие аспекты развития, такие, как данные клетки определяют их предопределенную судьбу в эмбрионе и почему процесс идет вперед во время развития/9/.

Относительный состав оснований ДНК регуляторных последовательностей недетерминированных полипотентных родоначальных клеток может иметь значение для частоты транскрипции этих генов при клеточной дифференцировке. Последовательности этих регуляторных областей генов клеточной детерминации, которые обогащены А-Т, создают потенциал для транскрипции из-за их более низко температуры плавления и склонности к связыванию.

Одна или несколько групп высокой мобильности хроматиновых белков преимущественно связываются с богатыми АТ регуляторными последовательностями, что приводит к увеличению уровня транскрипции. Нефосфорилированные гистоны, реагирующие с теми же регуляторными сайтами, могут увеличивать частоту транскрипции. Уровень клеточного роста, т.е. суммарный белковый синтез клетки позитивно коррелирует с синтезом белков хроматина высокой мобильности. Синтез гистонов H1 связан с репликацией ДНК.

Несбалнсированный рост изменяет количество белков высокой мобильности и H1 гистонов, таким образом, изменяя уровень транскрипции. Чем больше обогащение АТ последовательностями регуляторных областей генов клеточной детерминации, тем в большей степени АТ - обогащенные регуляторные последовательности ответственны за раннюю экспрессию генов клеточной детерминации в течение эмбрионального развития. Преимущественное связывание H1 гистонов с более АТ - обогащенными регуляторными последовательностями ограничивает их транскрипцию по сравнению с генами клеточной детерминации /14/.

ЭСК получают из внутренней клеточной массы перед имплантацией бластоцитов, они могут самообновляться и дифференцироваться во все клетки и ткани тела. Механизмы, которые управляют эпигенетической регуляцией экспрессии генов, имеют корни в динамике хроматина. Oct4 может активировать или репрессировать экспрессию различных генов ЭСК. Влияние экстрацеллюлярной “ниши” на судьбу развития плюрипотентных стволовых клеток определяется не только растворимыми факторами, но также экстрацеллюлярным матриксом. Развитие плана тела контролируется большой сетью регуляторных генов. Существенный прогресс был также сделан в развитии условий культивирования, которые способствуют дифференцировке ЭСК в специфические клеточные типы.

Гематопоэтические стволовые клетки (ГСК)

Гематопоэтические стволовые клетки (ГСК) самообновляются в течение всей жизни, но нет точного понимания молекулярных механизмов, посредством которых этот процесс происходит и регулируется. На основании опубликованных данных об экспериментах по оверэкспрессии и нокауте описываются гены, которые влияют на самообновление стволовых клеток, включая факторы транскрипции, регуляторы клеточного цикла гены, влияющие на структуру хромосом. Одна из моделей предлагает, как эти различные классы молекулярных регуляторов могут быть интегрированы, концентрируясь на роли движения по G1/S при переключении развития в сторону самообновления в противоположность дифференцировке/45/.

В течение многих лет взрослые гематопоэтические клетки рассматривались “пластичными” в их способностях к пролиферации и дифференцировке. В последнее время было сообщено о данных, которое подтверждает более новые концепции пластичности взрослых стволовых клеток. В частности, стволовые клетки из гематопоэтических тканей имеют “выдающиеся' способности генерировать или переключать развитие между гематопоэтическими и негематопоэтическими линиями, демонстрируя неожиданную степень потенциала развития или дифференцировки. Механизмы, с помощью которых репрограммируется судьба ГСК, все еще плохо понимаются.

Тем не менее, увеличивающееся количество исследований бросает вызов одной из основных догм биологии, что дифференцировка клеток млекопитающих следует установленной программе иерархическим образом, и если клетка принадлежит одной клеточной линии, она не переходит в другую соматическую линию. “Неиерархический”, “обратимый” фенотип в гематопоэических тканях, если он существует, представляет собой преимущество, которое может быть использовано в регенеративной медицине/27/.

Способность поддерживать самообновление - генерацию дочерних клеток, имеющих те же регенеративные способности, как и родительская клетка - это определяющая черта ГСК. Существует сильное доказательство, что самообновление ГСК находится под внешним биологическим контролем in vivo. Ряд цитокинов, морфогенетических лигандов и ассоциированных сигнальных компонентов влияет на самобновление в культуре и in vivo.

Специфические транскрипционные факторы действуют как мощные внутренние агонисты самообновления ГСК in vitro и in vivo, когда добавляются либо трансдуцирующие сДНК или поступающие извне белки. Эти открытия дают инструменты для углубления знаний о механизме и для достижения клинически полезных уровней экспансии ГСК/38/.

Человеческие CD34+ гематопоэтические стволовые и прогениторые клетки способны к поддержанию пожизненного запаса полного спектра клеток крови в зависимости от системных нужд. Последние исследования заставляют предположить, что ГСК, кроме своего гематопоэтического потенциала, способны дифференцироваться в негематопоэтические типы, что открывает новое направление в клеточной терапии.

Иммунофлуоресцентный анализ, культуральные анализы, и трансплантационные модели позволяют дать всестороннюю имунологическую и функциональную характеристику ГСК и прогениторных клеток. Новые методы, такие как сДНК array технология продемонстрировали, что экспрессия отдельных генов транскрипционных факторов и клеточного цикла контролируют на молекулярном уровне самообновление, дифференцировку и пролиферацию. Более того, было показано, что несколько молекул адгезии играют важную роль в регуляции траффика гематопоэза и стволовых клеток. Прогресс также был сделан в определении молекулярных механизмов старения стволовых клеток, которое ограничивают репликативный потенциал/44/.

Две характеристики определяют гематопоэтические стволовые клетки: способность дифференцироваться во все гематопоэтические линии и способность поддерживать гематопоэз пожизненно за счет механизма самообновления. Механизмы, которые регулируют судьбу образующих кровь клеток in vivo, однако плохо понимаются. Несмотря на возможность культивировать гематопэтические прогениторные клетки, принадлежащие к определенным линиям, не удалось получить культуры in vitro самообновляющихся мультипотентных клеток. Что ясно, так это то, что и внутренние, и внешние сигналы регулируют судьбу ГСК и что некоторые из этих сигналов еще не были идентифицированы/48/.

Системы стволовых клеток представляют эффективный и мощный подход к развитию тканей и регенерации различных типов тканей. Общей и определяющей чертой этих исключительных клеток является способность к самообновлению и потенциал для дифференцировки во множественные зрелые типы клеток. Недавно удивительные новые наблюдения указали, что стволовые клетки, изолированные из одной взрослой ткани, могут также дать начало зрелым клеткам других клеточных линий, независимо от назначения классического зародышевого слоя.

Это открытие привело к скачку как в научном знании, так и в потенциальных приложениях стволовых клеток. Эти новые открытия противоречат центральной догме о предопределении и дифференциации стволовых и прогениторных клеток. Однако истинный потенциал соматических стволовых клеток только начинает проясняться, и эти открытия должны быть более полно определены и интегрированы в объединенную модель потенциала и поведения стволовых клеток. Анализируется потенциал развития ГСК мыши и человека после их инъекции в мышиный неимплантационный бластоцит, окружение, которое позволяет развитие всех клеточных линий.