Дифференцировка стволовых клеток.

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 /20/.

Представлена контролируемая компьютером цейтраферная система для изображения культивируемых гемопоэтических 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 /55/.

Существуют большие генетически детерминированные количественные вариации в числе и функции гемопоэтических стволовых клеток в инбредных линиях мышей. Более того, старение гемопоэтических 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 /52/.

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). Плюрипотентные стволовые клетки могут давать большее разнообразие клеточных типов, чем единственная стволовая клетка зародышевой линии. Единственная плюрипотентная стволовая клетка может образовывать клетки, принадлежащие всем трем линиям зародышевых слоев. Как стволовые клетки линии зародышевого слоя, так и плюрипотентные стволовые клетки демонстрируют повышенные способности к самообновлению, далеко превосходящие продолжительность жизни клеток – предшественниц (50-70 удвоений популяции) Авторы предполагают, что активация покоящихся тканевоспецифичных клеток – предшественниц, стволовых клеток линии зародышевого слоя и/или плюрипотентных стволовых клеток может послужить потенциальным объяснением, совместно с дедифференцировкой и трансдифференцировкой процесса восстановления тканей. Сегодня исследуются несколько модельных систем для определения возможностей использования взрослых покоящихся резервных клеток - предшественниц для тканевой инженерии /62/.

Таким образом, уровень клеточного роста, т.е. суммарный белковый синтез клетки позитивно коррелирует с синтезом белков хроматина высокой мобильности. Синтез гистонов H1 связан с репликацией ДНК. 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.

Фармакогеномика.

Терапевтическое применение стволовых клеток представляет новый подход к лечению нескольких генетических и дегенеративных болезней. Возникновение фармакогенетики обещает оптимальный индивидуализированный лечебный режим для широкого разнообразия медицинских условий. Это создает новую нишу в терапевтическом медицинском исследовании, фармакогеномику. Развитие этого направления требует применения существующих технологий геномики, протеомики и биоинформатики к решению различных проблем, связанных с терапевтическими применениями стволовых клеток. /2/.

Таким образом, на базе фармагенетики создано новое направление – фармагеномика.

12.5.Ассимитричное деление стволовых клеток.

Стволовые клетки получили особенно большое значение в течение последних лет, поскольку они представляют возможные инструменты для восстановления поврежденных органов. Эти клетки найдены не только в основных регенерирующих тканях, таких, как эпителий и кровь, но также в статических тканях, таких, как нервная система и печень, где они играют центральную роль в тканевом росте и сохранении. Механизм, с помощью которого стволовые клетки поддерживают популяции высоко дифференцированных короткоживущих клеток, как кажется, включает критический баланс между альтернативными путями (судьбами): дочерние клетки либо сохраняют идентичность стволовых клеток, либо инициируют дифференциацию. Недавние исследования на низших организмах выявили регуляторный механизм ассимитричных клеточных делений стволовых клеток. В этих моделях окружение, вероятно, обеспечивает ключевые инструктивные сигналы для выбора судьбы клеток. Наше понимание сейчас распространяется на внутренние механизмы клеточной полярности, которая влияет на ассиметричные деления стволовых клеток /18/.

Таким образом, судьба стволовых клеток, т.е. сохранение ими идентичности стволовых клеток или инициация дифференцировки решается в ходе ассимитричного клеточного деления у низших организмов.

Теломеры и теломераза.

Потеря теломеразного равновесия и связанной с ним хромосом – геномной нестабильности могут способствовать развитию опухолей. Теломерная функция может иметь контрастирующие роли: запускать последовательность событий репликации и способствовать канцерогенезу, и эти роли могут варьировать между клеточными типами в зависимости от экспрессии энзима теломеразы, уровня индуцированных мутаций и эффективности/дефектности, связанных с репарацией ДНК путей. Идентифицирован альтернативный механизм поддержания теломеров в мышиных эмбриональных стволовых клетках, у которых отсутствует теломеразный РНК сайт (mTER), методом амплификации нетеломерных последовательностей, смежных с существующими короткими участками теломерных повторов. Это исследование по идентификации теломераза - независимых или альтернативных механизмов, участвующих в поддержании (сохранении) теломеров в клетках млекопитающих, показало участие потенциальных факторов репарации ДНК в таких путях. Мыши, дефицитные по сенсорной молекуле ДНК – разрыва, PARP-1 (поли [АДФ] - рибополимераза), увеличивали уровни хромосомной нестабильности, связанной с экстенсивным сокращением теломеров. Ku80 нулевые клетки показали сокращение теломеров, связанное с экстенсивным слиянием концов хромосомы, в то время Ku80+/-клетки показывавали промежуточный уровень сокращения теломеров. Инактивация PARP-1 в p53-/-клетках приводила к дисфункциональным теломерам и выраженной хромосомной нестабильности, ведущей к увеличению встречаемости опухолей у мышей. Интересно, что гаплонедостаточность PARP-1 в Ku80 нулевых клетках вызывала более выраженное сокращение теломеров и хромосомные аберрации по сравнению либо с PARP-1 или Ku80 единичных нулевых клеток, а у Ku80+/-PARP-/- развивались спонтанные опухоли /22/.

Теломеры, концы линейных хромосом, сокращаются с каждым циклом ДНК репликации. Потеря теломерных ДНК ведет к старению, состоянию в котором клетки уже не делятся, и кризису, который запускает клеточную смерть. Для предотвращения этого феномена, раковые и стволовые клетки должны сохранять свои теломеры, например, экспрессируя теломеразу, энзим, который расширяет теломеры. По мере того, как наши знания о сохранении теломеров расширяются, открываются возможности для применения биологии теломеров в клинической медицине. Области текущих исследований включают развитие диагностических и прогностических маркеров рака; создание хемотерапевтических агентов, основанное на ингибировании теломераз, иммунный ответ на теломеразу, основанная на теломеразе генная терапия; инжиниринг омоложенных тканей путем восстановления экспрессии теломераз /58/.

Эпигенетика изучает стойкие изменения, влияющие на геном особи в течение развития и старения, но не обязательно передающиеся следующим поколениям. Среди этих наиболее хорошо изученных эпигенетических изменений – уменьшение концов хромосомы или теломеров. Теломеры являются специализированными структурами, состоящими из характеристических повторов ДНК последовательностей и комплекса ассоциированных белков, которые покрывают и защищают концы хромосомы и служат для сохранения целостности генома. В большинстве соматических клеток последовательные циклы клеточных делений связаны с уменьшением длины теломеров. Такое прогрессивное изнашивание длины теломеров приводит к потери способности к репликации (клеточное старение). С целью предотвратить зародышевую линию и субпопуляцию стволовых клеток от старения, возникли механизмы, препятствующие износу теломеров в этих клеточных компартментах. Наиболее общим и хорошо изученным механизмом является активация рибонуклеопротеинового энзиматического комплекса, известного, как теломераза. Активность теломеразы предотвращает потерю репликативной способности путем сохранения длины теломеров и интегральности хромосом. Поэтому детальные исследования механизмов, управляющих активностью теломеразы, были проведены при развитии и дифференцировке. Раннее эмбриональное развитие и клеточная дифференцировка связаны с прогрессивным уменьшением теломеразной активности. Это уменьшение активности принципиально опосредовано на уровне промотора для гена, кодируюшего каталитическую субъединицу теломеразного комплекса. Выяснение деталей механизма, участвующего в регулировании длины тепломеров и теломеразной активности будут иметь важные и далеко идущие приложения в понимании многих аспектов здоровья и болезни человека, начиная от синдромов ускоренного старения до патогенеза рака среди прочих. Более того, результаты исследований в этой области, вероятно, найдут в будущем приложение в развитии стратегий для предотвращения клеточного старения в регенеративной медицине и терапии стволовыми клетками /57/.

Теломеры являются терминальными концами хромосом и состоят из повторяющихся последовательностей TTAGGG. Хромосомы теряют небольшое количество дезокисрибонуклниновой кислоты (ДНК) после каждого клеточного деления. Гипотетическая функция теломерной ДНК состоит в разрешении только конечного числа клеточных делений без потери функциональных генов. Вторая предложенная функция теломерной ДНК – это предотвращение нежелательных взаимодействий между концами хромосом и клеточными энзимами репарации. В клетках, сохраняющих способность к пролиферации, таких, как стволовые клетки и раковые клетки, длина теломеров поддерживается обратной транскриптазой, теломеразой. Каждый значительный тип человеческих опухолей изучался на теломеразную активность, и приблизительно от 80% до 90% продемонстрировали присутствие теломеразы. В данной статье обозреваются существующие методы определения теломеразы и обсуждаются их сильные и слабые стороны /6/.

Теломераза является энзимом, который удлиняет теломерные повторы, специализированные структуры концов хромосом, которые обеспечивают стабильность генома и компенсируют физиологический процесс сокращения теломеров. Он участвует в клеточном старении, бессмертии и канцерогенезе. Более 85% человеческих опухолей и 95% немиелоцитных раков кожи показывают теломеразную активность по контрасту с нормальными тканями. Это заставляет предположить, что теломеразная активность может играть важную роль в канцерогенезе. Последние исследования показывают, что теломераза активна не только в эмбриональных тканях и тканях зародышевой линии, но также в некоторых нормальных тканях. В коже эта активность была прослежена у содержащего стволовые клетки базального эпидермального клеточного слоя, что, возможно, отражает присутствие теломераза – компетентных стволовых клеток. Эти открытия требуют пересмотра интерпретации теломеразной активности в опухолях кожи и других тканей. Поскольку причинная связь между теломеразной активностью и опухолями еще не продемонстрирована требуется некоторая осторожность в выводах /33/.

Таким образом, стволовые клетки, как и опухолевые клетки, содержат фермент теломеразу, которая позволяет сохранить теломерные концевые участки хромосом, которые сокращаются при каждом клеточном делении, что приводит в конце концов к смерти клеток.