Поиск Кабинет

Новые данные в изучении генетических механизмов поддержания «стволовости» в эмбриональных стволовых клетках человека

Подготовила T.B. Лопатина По материалам Cell2005; 122:947-956

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» [stemness], обусловливающей их иммортальность с сохранением потенциала к плюрипотен-тной дифференцировке.

В последние годы было установлено, что способность ЭСК человека и мыши к самообновлению объясняется взаимодействием таких факторов транскрипции, как Oct3/4 [Octamer-binding transcription factor4], SOX2 и NANOG [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 - Oct3/4 и NANOG [5] ведет к эктопической дифференцировке клеток внутренней массы бластоцисты в трофоэктодерму, а также к формированию энтодермы вне эмбриона. Во взрослом организме экспрессия Oct3/4 установлена в опухолевых клетках в процессе канцерогенеза. Во всех нормальных зрелых соматических клетках человека этот фактор не экспрессируется, за исключением некоторых стволовых популяций.

Ген NANOG 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, Oct3/4 и Stat3 в предимплантационном эмбрионе и в ЭСК представлена на рисунке [6]. В недавнем исследовании, выполненном в Massachusetts Institute of Technology и Harvard University, опубликованном в журнале Cell было показано, что Oct3/4, SOX2 и NANOG 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 плюрипотент-ность и самообновление ЭСК человека.

Идентифицированы новые гены-мишени для Oct3/4, SOX2 и NANOG. 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 гомео-доменные 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 Oct3/4, SOX2 и NANOG в линиях ЭСК. Среди активируемых - несколько транскрипционных факторов [Oct3/4, SOX2, NANOG, 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 [DPPA4, TDGF1, Oct3/4, NANOG 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 Oct3/4, SOX2 и NANOG 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, по казали 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, продлвая или сокращая фазу плюри-потентности 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 Oct3/4, тем самым, влияя на плюрипотентность и активизируя гены дифференцировки [10]. Теперь, принимая во внимание описанные в статье генные взаимодействия 3 важнейших факторов Oct3/4, SOX2 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 функциональости 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.

Подписаться на новости
789
Дата: 24 декабря 2005 г.
© При копировании любых материалов сайта, ссылка на источник обязательна.
Подняться вверх сайта