New data in the study of genetic mechanisms for maintaining "stemness" in human embryonic stem cells
- Authors: Lopatina T.V.
- Issue: No 1 (2006)
- Pages: 8-10
- Section: Cell technology
- Submitted: 16.01.2023
- Accepted: 16.01.2023
- Published: 06.03.2023
- URL: https://genescells.ru/2313-1829/article/view/121867
- DOI: https://doi.org/10.23868/gc121867
- ID: 121867
Cite item
Full Text
Full Text
Эмбриональное развитие у млекопитающих подразумевает дифференцировку более 200 специфических типов клеток из одной плюрипотентной эмбриональной стволовой клетки [ЭСК]. Понимание процесса регуляции экспрессии генов в этих клетках необходимо для выяснения механизмов раннего развития и для их возможного терапевтического использования. Важнейшей характеристикой ЭСК является способность к самообновлению или поддержанию так называемой «стволовости» [sternness], обусловливающей их иммортальность с сохранением потенциала к плюрипотентной дифференцировке.
В последние годы было установлено, что способность ЭСК человека и мыши к самообновлению объясняется взаимодействием таких факторов транскрипции, как □ct3/4 [Cctamer-binding transcription factor4], SCX2 и NANCG [1-4]. Эти белки играют ключевую роль в раннем эмбриональном развитии, так как они необходимы для воспроизводства недифференцированных эмбриональных клеток [2, 4]. Нарушение экспрессии основных регуляторов раннего эмбрионального развития - Cct3/4 и NANCG [5] ведет к эктопической дифференцировке клеток внутренней массы бластоцисты в трофоэктодерму, а также к формированию энтодермы вне эмбриона. Во взрослом организме экспрессия Gct3/4 установлена в опухолевых клетках в процессе канцерогенеза. Во всех нормальных зрелых соматических клетках человека этот фактор не экспрессируется, за исключением некоторых стволовых популяций.
Ген NANGG был изолирован сотрудником эдинбургского университета, доктором Ian Chambers и получил название по имени страны вечной юности Тир Нан ОГ из кельтской мифологии. Nanog кодирует белок, непосредственно связывающийся с определёнными участками молекулы ДНК в ЭСК, регулируя активность некоторых генов, тем самым влияя на ход развития клетки. В эмбрионе человека активность Nanog, вероятно, играет особенно важную роль приблизительно на 4-5 сутки развития, когда «всё возможно, но ничего ещё не решено», то есть, на стадии, после которой последующие поколения клеток уже специализированы.
Схема взаимодействия факторов NANOG, Gct3/4 и Stat3 в предимплантационном эмбрионе и в ЭСК представлена на рисунке [6].
Схема взаимодействия факторов NANOG, Oct3/4 и Stat3 в предимплантационном эмбрионе и в ЭСК
В недавнем исследовании, выполненном в Massachusetts Institute of Technology и Harvard University, опубликованном в журнале Cell было показано, что Gct3/4, SGX2 и NANGG взаимодействуют между собой. Они регулируют экспрессию других транскрипционных факторов, связываясь с определёнными генами. Взаимодействие всех факторов в этой единой «генетической сети» посредством авторегуляции и положительной обратной связи поддерживает плюрипотентность и самообновление ЭСК человека.
Идентифицированы новые гены-мишени для Gct3/4, SGX2 и NANGG. Оказалось, что эти белки одновременно взаимодействуют с некоторыми генами. Все три фактора конкурируют при связывании с промоторами некоторых генов, большинство из которых кодируют так называемые гомеодоменные белки, необходимые для самой ранней дифференциации тканей и органов. Было выявлено 353 человеческих гена, которые одновременно могут связывать все три фактора. Их сайты связывания находятся в непосредственной близости, что указывает на взаимодействие этих факторов при совместной регуляции транскрипции некоторых генов.
Исследователи выяснили транскрипционную активность генов, с промоторами которых взаимодействуют Gct3/4, SGX2 и NANGG в линиях ЭСК. Среди активируемых - несколько транскрипционных факторов [Gct3/4, SGX2, NANGG, STAT3, ZIC3], компоненты сигнальных путей TGF-beta и Wnt [7]. Все эти белки и сигнальные пути играют важную роль для поддержания плюрипотентности и самообновления ЭСК, что было показано в ряде предшествующих работ [1-7].
Среди инактивируемых этими факторами генов большинство были транскрипционные факторы, вовлеченные в процессы развития и дифференцировки трофоэктодермы, энтодермы, мезодермы и эктодермы. Для подтверждения роли дифференциально экспрессирующихся генов был проведен эксперимент по сравнению их экспрессии в ЭСК и в клеточных линиях самой ранней дифференцировки. Этот эксперимент позволил выявить гены, предпочтительно экспрессирующиеся в ЭСК[СРРА4, TDGF1, Gct3/4, NANGG и LEFTY2], Все они задействованы в поддержании плюрипотентности [2, 3]. Также были выявлены гены, раньше всего экспрессирующиеся в развивающихся и дифференцирующихся клетках - гены, регулирующие раннее образование тканей и органов.
Авторы сделали вывод, что факторы Gct3/4, SGX2 и NANGG поддерживают «стволовость» через активацию генов, участвующих в процессе деления эмбриональных стволовых клеток, и инактивацию генов, запускающих процессы развития и дифференцировки. Все предшествующие работы лишь предполагали эти механизмы, либо показывали их для каждого фактора в отдельности. В эмбриональном развитии транскрипция этих факторов уменьшается, что приводит к возрастанию экспрессии генов, необходимых для дифференцировки, и уменьшению уровня транскрипции генов, поддерживающих плюрипотентность клеток.
Таким образом, исследователи выявили гены-мишени для ранее описанных факторов самообновления ЭСК, показали возможные схемы поддержания их экспрессии посредством авторегуляции и обратных связей. Также была предложена модель взаимодействия этих генов в ЭСК и раскрыта ключевая роль исследуемых факторов транскрипции.
Эти данные позволят создать экспериментальные системы с искусственным подавлением или индукцией процессов дифференцировки, продлевая или сокращая фазу плюрипотентности клетки. Ранее уже предпринимались попытки влиять на «стволовость» предшественников клеток различных типов тканей. В основном, это делалось посредством оверэкспрессии фактора NOTCH, который поддерживает плюрипотентность [8, 9]. Более того, недавно описан белок - GCNF [germ cell nuclear factor], репрессирующий фактор 0ct3/4, тем самым влияя на плюрипотентность и активизируя гены дифференцировки [10]. Теперь, принимая во внимание описанные в статье генные взаимодействия 3 важнейших факторов 0ct3/4, S0X2 и NANOG, можно поддерживать «стволовость» или запускать дифференцировку клеток, влияя на экспрессию этих генов. В дальнейшем исследование генов-мишеней этих факторов позволит выделить из них группы разной функциональности и тканевой дифференцировки. Продолжение работ в области идентификации генов ранней тканевой дифференцировки и специализации будет иметь значение не только в эмбриологии и клеточной биологии, но и послужит новым «деликатным инструментом» в клеточной трансплантологии.
About the authors
T. V. Lopatina
Author for correspondence.
Email: redaktor@celltranspl.ru
Russian Federation
References
- Pera M.F., Trounson А.О. Human embryonic stem cells: prospects for development. Development 2004; 131: 5515-25.
- Scholer H.R., Balling R., Hatzopoulos A.K. et al., Octamer binding proteins confer transcriptional activity in early mouse embryogenesis. EMBO J. 1989; 8: 2551-7.
- Wood H.B., Episkopou V. Comparative expression of the mouse Sox1, Sox2 and Sox3 genes from pre-gastrulation to early somite stages. Meeh. Dev. 1999; 86: 197-201.
- Thomson J.A., Itskovitz-Eldor J., Shapiro S.S. et al., Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science 1998; 282:1145-7.
- Chambers I., Colby D„ Robertson M. et al. Functional expression cloning of Nanog, a pluripotency sustaining factor in embryonic stem cells. Cell 2003; 113: 643-55.
- Mitsui K., Tokuzawa Y., Itoh H. et al. The homeoprotein Nanog is required for maintenance of pluripotency in mouse epiblast and ES cells. Cell 2003; 113:631-42.
- James D„ Levine A.J., Besser D„ Hemmati-Brivanlou A. TGFbeta/activin/ nodal signaling is necessary for the maintenance of pluripotency in human embryonic stem cells. Development 2005; 132:1273-82.
- Dezawa M„ Hoshino M„ Ide C. Treatment of neurodegenerative diseases using adult bone marrow stromal cell-derived neurons. Expert. Opin. Biol. Ther. 2005; 5: 427-35.
- Dezawa M„ Ishikawa H., Itokazu Y. etal., Bone marrow stromal cells generate muscle cells and repair muscle degeneration. Science 2005; 309: 314-7.
- Gu P„ LeMenuet D„ Chung A.C. et al. Orphan nuclear receptor GCNF is required for the repression of pluripotency genes during retinoic acid-induced embryonic stem cell differentiation. Mol. Cell. Biol. 2005; 25: 8507-19.
Supplementary files
