Материал: Стволовые клетки и молекулярная биология

Обсуждаются появляющиеся данные о пластичности развития ГСК и других соматических стволовых клеток, и рассматривается вопрос о том, как устанавливается клеточная память о состояниях транскрипции, и как она может потенциально участвовать в этом феномене/1/.

Хроническая миелоидная лейкемия является нарушением клонирования в плюрипотентных ГСК, признаком которой является конституционно активированный p210-тип Bcr-Abl белка тирозин-киназы. Исследования последних лет помогли нам понять молекулярные процессы, участвующие в инициации и прогрессировании хронической миелоидной лейкемии. Хотя было накоплено большое количество знаний, влияние Bcr-Abl на ГСК все еще не ясно.

Создана система дифферециации ЭСК и индуцированной тетрациклином экспрессии Bcr-Abl. Вынужденная Bcr-Abl экспрессия была достаточной для увеличения числа как многолинейных прогенаторов, так и миелоидных прогенаторов. Данная система является мощным инструментом анализа генетических изменений во время гематопоэтического развития/11/.

Две последние декады были свидетелями значительного прогресса в понимании клеточной физиологии и молекулярной регуляции гематопоэза. В основе самообновления стволовых клеток и принятия решений о выборе клеточной линии лежат относительные уровни экспрессии линия - специфичных транскрипционных факторов.

Экспрессия этих транскрипционных факторов у ранних стволовых клеток может быть разной и неустойчивой, но, в конечном счете, попадает под влияние внеклеточных регуляторных сигналов в форме гематопоэтических цитокинов. Описываются ключевые известные трнскрипционные факторы, управляющие самообновлением и определением линий стволовых клеток. В итоге возникает картина дифференцировки ГСК, в которой решения о судьбе стволовых клеток, управляющихся интегральными эффектами внутренних транскрипционных факторов и внешних сигнальных путей, инициируемыми регуляторными цитокинами/52/.

Все взрослые клетки крови происходят из небольшой популяции самообновляющихся плюипотентных ГСК. Способность к самообновлению характеризует все стволовые клетки, нормальные и неопластические. Интересно, что последние исследования заставляют предположить, что самообновление необходимо для поддержания опухолевых клеток, что подразумевает, что этот процесс имеет клиническое значение. К сожалению, молекулярные основы самообновления клеток позвоночных остаются плохо определенными.

Этот обзор сосредоточен на механизмах развития, лежащих в основе гомеостаза эмбриональных и взрослых ГСК. Конкретно, различия между генетичекими программами, регулирующими ГСК спецификацию (идентичность), самообновление (у эмбрионов и у взрослых) и дифференциацию будут обсуждены со специальным акцентом на регуляторах транскрипции и хроматина/24/.

Представлена контролируемая компьютером цейтраферная система для изображения культивируемых гематопоэтических клеток, меченных для экспрессии различных флуоресцирующих белков.

Во-первых, описаны эксперименты по оптимизации визуализации трех вариантов зеленых флуоресцирующих белков (циан-, зеленый и желтый усовершенствованный флуоресцентный белок) и красный флуоресцентный белок (DsRed) с помощью стандартной с широкой областью регистрации флуоресцентной микроскопии.

Во-вторых, описаны процедуры для лучшего распознавания комбинаций клеток, экспрессирующих эти белки, с использованием семи коммерчески доступных комплектов фильтров, основанные на относительных интенсивностях флуоресценции индивидуальных флуоресцентных белков. Даны рекомендации о том, какие из этих фильтров выбирать при работе со специфическими флуоресцентными белками /43/.

Существуют большие генетически детерминированные количественные вариации в числе и функции гематопоэтических стволовых клеток в инбредных линиях мышей. Более того, старение гематопоэтических клеток генетически детерминировано. Генная идентификация в характерных локусах (местоположениях), участвующих в регуляции и старении гематопоэтических стволовых клеток обеспечит новые инсайты в регуляторные механизмы, которые имеют значение in vivo и могут быть клинически важны. Описаны стратегии для картирования и идентификации генов характерных локусов, которые участвуют в регуляцию гематопоэтических стволовых клеток/42/.

Таким образом, главными проблемами молекуоярной биологии ГСК, как и ЭСК, являются механизмы самообновления и дифференцировки. Особый интерес вызывает свойство ГСК давать как гематопоэтические, так и негематопоэтические линии. В клинике, конечно, наиболее перспективно применение стволовых клеток, имеющих генотип, идентичный генотипу реципиента. Таковыми могут быть либо ЭСК, полученные клонированием с мспользованием ядер соматических клеток реципиента, либо, если говорить о стволовых клетках самого реципиента, прежде всего ГСК.

Взрослые стволовые клетки

Как полагают, стволовые клетки важны для регенерации нескольких взрослых тканей. Недавно взрослые стволовые клетки с очень широким потенциалом дифференцировки были идентифицированы, однако представляют ли они рудиментарные примитивные плюрипотетные стволовые клетки или исключительно редкие случаи дедифферецировки, включающие тканево-специфичные стволовые клетки, не известно.

Трансдифференцировка тканево-специфичных стволовых клеток через границы линий была также продемонстрирована, но сравнительная неэффективнсть процесса in vivo, даже при наличии повреждения ткани, ставит вопрос, имеет ли этот механизм физиологическое значение. Интересно, что среди взрослых стволовых клеток способность к перемене линий наиболее велика у стволовых клеток, которые могут быть культивируемы ex vivo в течение продолжительных периодов времени.

Если у нормальных клеток решения о судьбе о различных типов взрослых стволовых клеток могут быть надежно изменены с высокой частотой in situ, можно представить себе регенеративые терапии для широкого разнообразия болезней. Интегрированне понимания транскрипционной регуляторной сети, которая включает различные стволовые клетки, также как сигнальные пути, управляющие их дифференцировкой в терапевтически полезные клеточные типы, будет способствовать клиническим приложениям этих волнующих открытий/4/.

Таким образом, выявлены взрослые стволовые клетки(субэпиндимальный слой мозга, олфакторный эпителий и т.д.) с очень широким потенциалом дифференцировки, а также обнаружен феномен трансдифференцировки через границы линий.

Восстановление тканей

Целью регенеративной медицины является восстановление формы и функции поврежденных тканей. Один потенциальный терапевтический подход включает использование аутологичных клеток, полученных из костного мозга. Прогресс в трансплантации ядер, образование экспериментальных гетерокариотических клеток и наблюдаемая пластичность экспрессии генов и фенотипа у различных типов свидетельствует о пластичности ядра.

Последние исследования расширили эти открытия и показали, что эндогенные клетки в костном мозге обладают способностью включаться в дефектные ткани и репрограммироваться. Независимо от механизма потенциал для новой экспрессии генов в клетках из костного мозга в тканях - реципиентах обещает развитие клеточной терапии как в пролиферирующих, так и в пост - митотических тканях /32/.

Стволовые клетки, представляющие наибольший интерес с точки зрения их применения в медицине, - это эмбриональные, гемопоэтические и мезенхимальные. Стволовые клетки - это недифференцированные клетки, способные как к самоподдержанию, так и к дифференцировке в зрелые специализированные клетки. По типу происхождения различают эмбриональные и соматические стволовые клетки.

Первые могут неограниченно поддерживаться в культуре и способны к дифференцировке во все клетки взрослого организма. Вторые обладают ограниченной способностью к дифференцировке и, возможно, ограниченным пролиферативным потенциалом. Важным для терапевтического применения, хотя и оспариваемым рядом ученых, свойством является пластичность соматических стволовых клеток, т.е. способность к контекст - зависимой дифференцировке в “неродственные” типы клеток.

Предполагается, что дифференцировка большинства типов стволовых клеток происходит по принципу поэтапного иерархического созревания через промежуточные интенсивно пролиферирующие клетки - предшественники. Применение стволовых клеток в медицине находится в основном на стадии преклинических исследований. Несмотря на перспективность эмбриональных стволовых клеток, ряд обстоятельств серьезно ограничивает их терапевтическое применение в ближайшем будущем.

В то же время подходы, связанные с аутотрансплантацией гемопоэтических или мезенхимальных стволовых клеток, уже начинают успешно использоваться в клинических испытаниях для лечения ишемии конечностей и последствий инфаркта миокарда. Очевидно, что применение стволовых клеток в медицине обещает кардинальный прогресс в лечении множества тяжелых заболеваний /28/.

Стволовые клетки продолжают привлекать значительное внимание и подают надежду на развитие новой основанной на клетках терапии для дегеративных болезней. Для использования полного терапевтического потенциала стволовых клеток требуется понимание механизмов, посредством которых они генерируются, самообновляются и дифферецируются. Приложение пост - геномных технологий начало приводить к пониманию природы молекулярного состояния различных компартментов стволовых клеток.

Одна из возникших тем - значительная молекулярная сложность, в которой начинаются многие возможные пути дифференцировки, обеспечивая одну возможную стратегию того, чтобы была возможна различная реактивность стволовых клеток. Эта новая информация в конечном счете должна выявить любой общий атрибут стволовых клеток и помочь в рациональных подходах манипулирования стволовыми клетками в терапевтических целях/19/.

Восстановление тканей - это процесс, когда множество поврежденных типов клеток замещается для восстановления гистоархетоктоники и функции ткани. Несколько теорий было предложено для объяснения феномена тканевого восстановления у амфибий и животных, относящихся к высшим классам. Эти теории включают дифференциацию поврежденных тканей, трасдифференцировку входящих в клон клеток - предшественниц и активацию резервных клеток-предшественниц.

Исследования Young et al. и других показали, что компартменты соединительной ткани во все время постнатального развития содержат резервные клетки- предшественницы. Последовательное повторяющееся одноклеточное клонирование и исследования по сортировке клеток выявили, что эти резервные клетки - предшественницы состоят из множественных популяций клеток, включающих тканево-специфичные клетки - предшественницы, зародышевый слой потомства стволовых клеток и плюрипотентные стволовые клетки.

Тканево-специфичные клетки- предшественницы демонстрируют различные способности к дифференцировке, от унипотентности (образуя один клеточный тип) до полипотентности (образуя множественные клеточные типы). Однако, все клетки - предшественницы демонстрируют конечную продолжительность жизни от 50 до 70 удвоений популяции перед программируемыми старением и смертью. Линия зародышевого слоя стволовых клеток может образовывать более широкое разнообразие клеточных типов, чем клетки - предшественницы. Индивидуальная стволовая клетка зародышевой линии может образовывать все соответствующие клетки линии зародышевого слоя (т.е. эктодерму, мезодерму или эндодерму).