Renewal of the cellular composition of the bone marrow Trp53-/-/p161nk4a-/-/p19Arf-/- with hematopoietic progenitor cells
- Authors: Grigoryan A.S.
- Issue: Vol 3, No 3 (2008)
- Pages: 7-9
- Section: Cell technology
- Submitted: 17.01.2023
- Accepted: 17.01.2023
- Published: 15.09.2008
- URL: https://genescells.ru/2313-1829/article/view/123193
- ID: 123193
Cite item
Full Text
Abstract
Гемопоэтические стволовые клетки [ГСК) - резиденты костного мозга, дающие начало гемопоэтическим мультипотентным клеткам-предшественницам [1]. В отличие от ГСК, мультипотентные клетки-предшественницы не обладают способностью к длительному самообновлению популяции, и после определенного числа делений их пролиферация прекращается [2]. Молекулярные механизмы, отвечающие за этот процесс, ясны не до конца [3], однако известна система из четырех генов, которая регулирует самообновление ГСК и ограничивает пролиферацию их производных. Это, прежде всего, ген Bmi-1 [4, 5], необходимый для самообновления популяции ГСК. Bmi-1 является негативным регулятором двух генов-репрессоров самообновления - Тrp53 и dkn2a, последний из которых имеет две альтернативные рамки считывания: p161nk4a, p19Arf и, соответственно, два белковых продукта со сходными функциями [6]. Эти гены функционируют не только в ГСК и клетках гемопоэтического ряда. Например, для нейрональных клеток-предшественниц с дефицитом экспрессии Bmi-1 было показано, что их активная пролиферация и самообновление частично восстанавливаются при искусственной супрессии p161nk4a-/- и p19Arf-/- [7].
Full Text
Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) - резиденты костного мозга, дающие начало гемопоэтическим мультипотентным клеткам-предшественницам [1]. В отличие от ГСК, мультипотентные клетки-предшественницы не обладают способностью к длительному самообновлению популяции, и после определенного числа делений их пролиферация прекращается [2]. Молекулярные механизмы, отвечающие за этот процесс, ясны не до конца [3], однако известна система из четырех генов, которая регулирует самообновление ГСК и ограничивает пролиферацию их производных. Это, прежде всего, ген Bmi-1 [4, 5], необходимый для самообновления популяции ГСК. Bmi-1 является негативным регулятором двух генов-репрессоров самообновления - Тrp53 и dkn2a, последний из которых имеет две альтернативные рамки считывания: p161nk4a, p19Arf и, соответственно, два белковых продукта со сходными функциями [6]. Эти гены функционируют не только в ГСК и клетках гемопоэтического ряда. Например, для нейрональных клеток-предшественниц с дефицитом экспрессии Bmi-1 было показано, что их активная пролиферация и самообновление частично восстанавливаются при искусственной супрессии p161nk4a-/- и p19Arf-/- [7].
Исследователи из группы O.O. Akala и соавт. предположили, что разные нарушения экспрессии указанных генов могут быть причиной возникновения онкологических заболеваний, при которых наблюдается неограниченная пролиферация клеток-предшественниц гемопоэтического ряда и их потомков. Для проверки этого предположения были проанализированы эффекты одновременной делеции локусов Тrp53, p161nk4a и p19Arf, а также делеций каждого из локусов по отдельности на способность ГСК и мультипотентных гемопоэтических клеток-предшественниц к обновлению костного мозга реципиентов, подвергшихся радиоактивному излучению в летальных дозах.
В клеточном составе костного мозга, периферической крови, печени и селезенки всех мутантов не было выявлено каких-либо отличий в сравнении с интактными животными. То есть делеции Тrp53, p161nk4a и p19Arf не влияют на дифференцировку ГСК и не подавляют ни один из ростков гемопоэза. Однако при трансплантации костного мозга мутантных животных мышам-реципиентам, подвергшимся летальной дозе радиоактивного излучения, были получены весьма любопытные результаты. В сравнении с костным мозгом мышей дикого типа, трансплантация которого служила в качестве контроля, восстановление гемопоэза в случае трансплантации костного мозга Тrp53-/-/p161nk4a-/-/ p19Arf-/- животных происходило по крайней мере в 10 раз быстрее. В то же время восстановление гемопоэза при трансплантации костного мозга от животных, мутантных по одному или двум из этих локусов имела весьма незначительные отличия от контроля, но также была несколько выше.
Деплеция lnk4a/Arf и Trp53 снимает ограничения, лимитирующие самообновление у мультипотентных гемопоэтических клеток-предшественниц (МГКП), но не у миелоидных клеток-предшественниц (МКП). Bmi1 эпигенетически репрессирует lnk4a/Arf и Trp53, что необходимо для самообновления ГСК. Недостаточная активность Bmi1 у МГКП и МКП лимитирует самообновление данных популяций клеток. У клеток с тройной мутацией деплеция локусов lnk4a/Arf и Trp53 снимает ограничения на самообновление у МГКП, но не у МПК, что свидетельствует о наличии дополнительных механизмов, ограничивающих самообновление МПК
Исследователи задались вопросом, какие именно клетки костного мозга отвечают за обновление пула кроветворных клеток. Поскольку в костном мозге мутантных (Тrp53-/-/ p161nk4a-/-/p19Arf-/-) животных не было отмечено резкого увеличения числа ГСК, O.O. Akala и соавт. предположили, что некая популяция более дифференцированных клеток приобретает свойства стволовых. Чтобы проверить это, летально облученным реципиентам были проведены отдельные трансплантации либо ГСК (клетки с фенотипом 150 /Sca-1 /c-kit / 48-/ in-), либо мультипотентных гемопоэтических предшественников (клетки с фенотипом 150-/Sca-1 /c-kit / 48-/ in-) от мутантных по всем трем генам животных. Индикатором долговременного восстановления костного мозга служили показатели количеств лимфоцитов, гранулоцитов и моноцитов [1]. Как ГСК, так и Тrp53-/-/p161nk4a-/-/p19Arf-/- мультипотентные гемопоэтические клетки-предшественницы обеспечивали длительное функционирование костного мозга облученных реципиентов, сохраняясь в их организме до 12 мес. В случае трансплантации ГСК и мультипотентных клеток-предшественниц дикого типа длительное восстановление функций костного мозга осуществлялась только ГСК.
Чтобы определить причину, по которой происходило увеличение времени жизни гемопоэтических клеток-предшественниц в случае делеции по трем локусам, было проведено три серии экспериментов in vitro, в которых были определены уровни пролиферации и клоногенный потенциал мутантных мультипотентных клеток-предшественниц в сравнении с ГСК. Уровень пролиферации мутантных клеток-предшественниц и ГСК несущественно отличался от уровней пролиферации клеток дикого типа, в то время как в случае тройной мутации заметно снижалось число апоптотических клеток, что было показано окрашиванием аннексином-V. Способность же формировать гемопоэтические колонии у мутантных клеток была существенно повышена в сравнении с клетками дикого типа. Было дополнительно показано, что мутантные Sca-1 /c-kit / 150-/ 48-/ in- клетки способны отвечать на стимуляцию Flt-3-лигандом. Это доказывает, что в связи с мутацией они не приобретают свойств ГСК, которые не способны реагировать на Flt-3-лиганд.
Мутация Тrp53-/-/p161nk4a-/-/p19Arf-/- не приводит к приобретению другими, более дифференцированными клетками способности к длительному восстановлению костного мозга. Авторы показали это, трансплантируя облученным реципиентам мутантные клетки-предшественницы миелоидного либо гранулоцитарно-макрофагального ряда.
Возможно, иерархическая система клеток-предшественниц разных уровней дифференцировки возникла в эволюции как защита от накопления пролиферирующими популяциями клеток онкогенных мутаций. Действительно, утрата генов, отвечающих за подавление самообновления популяции ГСК, приводила к восстановлению этого свойства у их потомства. Однако более дифференцированные клетки с такой же мутацией все равно имели ограниченный срок жизни, не приобретая онкогенного потенциала. Это свидетельствует о том, что существуют другие генетические пути озлокачествления как гемопоэтических, так и прочих камбиальных клеток тканей организма. Результаты этой работы весьма интересны и объясняют, по какой причине при развитии некоторых онкологических заболеваний нарушается экспрессия генов Тrp53 и dkn2a [8-11]. Авторы считают, что они могут быть использованы в разработке генной терапии онкозаболеваний. В то же время, требуются дальнейшие исследования в данном направлении, так как полная картина генетического контроля свойств ГСК и их потомства остается неясной.
References
- Мorrison S.J., Weissman I.L. Тhe long-term repopulating subset of hematopoietic stem cells is deterministic and isolatable y phenotype. Immunity 1994; 1: 661-73.
- Clarke М.F., Fuller М. Stem cells and cancer: two faces of eve. Cell 2006 124: 1111-5.
- Мorrison S.J. A genetic determinant that specifically regulates the frequency of hematopoietic stem cells. J. Immunol. 2002; 168: 635-42.
- Park I., Qian .D, Кiel М. et al. Bmi-1 is required for maintenance of adult self-renewing haematopoietic stem cells. Nature 2003; 423: 302-5.
- Jacobs J.J., Кieboom К., Мarino S. et. al. Тhe oncogene and Polycomb-group gene bmi-1 regulates cell proliferation and senescence through the ink4a locus. Nature 1999; 397: 164-8.
- Мolofsky A., Pardal R., Iwashita Т. et al. Bmi-1 dependence distinguishes neural stem cell selfrenewal from progenitor proliferation. Nature 2003; 425: 962-7.
- Мolofsky A.V., Нe S., Bydon М. et. al. Bmi-1 promotes neural stem cell self-renewal and neural development but not mouse growth and survival y repressing the p16Ink4a and p19Arf senescence pathways. Genes Dev. 2005; 19: 1432-7.
- Berggren P., Кumar .R, Sakano S. et al. Detecting homozygous deletions in the CDКN2A(p16INК4a)/ARF(p14ARF) gene in urinary bladder cancer using real-time quantitative PCR. Clin. Cancer Res. 2003; 9: 235-42.
- Esteller М., Guo М., Мoreno V. et al. Нypermethylation-associated inactivation of p14ARF is independent of p16INК4a methylation and p53 mutational status. Cancer Res. 2000; 60: 129-33.
- Weber A., Bellmann U., Bootz F. et. al. INК4a-ARF alterations and p53 mutations in primary and consecutive squamous cell carcinoma of the head and neck. Virchows Arch. 2002; 441: 133-42.
- Burke L., Flieder D., Guinee D. et al. Prognostic implications of molecular and immunohistochemical profiles of the Rb and p53 cell cycle regulatory pathways in primary non-small cell lung carcinoma. Clin. Cancer Res. 2005; 11: 232-41.
Supplementary files
