ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2007, № 3, с. 261-272
БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
УДК 576.363
НИШИ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК
© 2007 г. В. В. Терских, А. В. Васильев, Е. А. Воротеляк
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, 119991 Москва, ул. Вавилова, 26
E-mail: terskikh@bk.ru Поступила в редакцию 21.06.2006 г.
Одной из фундаментальных проблем биологии стволовых клеток (СК) является изучение природы ниши и ее взаимодействия с СК. Ниши СК формируются в процессе онтогенеза. Сформированная ниша может оставаться вакантной и существовать независимо от присутствия СК, однако для самоподдержания СК не могут длительное время пребывать вне ниши, если только для них не создаются специальные условия, например in vitro. Вакантная ниша может быть занята избыточными или трансплантированными СК и способна обеспечить их функционирование. Размер ниши позволяет поддерживать определенное число СК. Избыточные СК или дифференцируются при наличии определенного сигнала, или подвергаются апоптозу, если они такой сигнал (сигналы) не получают. Таким способом ниши обеспечивают регуляцию числа стволовых клеток в организме и защищают организм от избыточной пролиферации СК. При определенных условиях СК могут покидать свои ниши и вновь возвращаться в них. СК удерживаются в нише за счет межклеточных взаимодействий и адгезии к внеклеточному матриксу. Ниши СК, также как и сами СК, возникают на определенной стадии онтогенеза и способны к длительному самоподдержанию. Онтогенез можно описать в терминах формирования СК и соответствующих ниш.
Уже давно было отмечено, что в организме стволовые клетки локализованы и функционируют в определенном микроокружении. Скофилд (Schofield, 1978) для обозначения микроокружения, которое контролирует поведение гематопоэ-тических СК, предложил использовать термин ниша, хотя в то время гематологи еще не могли физически идентифицировать и выделить в чистом виде гематопоэтические СК. Спредлинг с соавт. (Spradling et al., 2001) считают, что в состав ниши входят тканевые клетки, окружающие СК, и внеклеточный матрикс (ВКМ), которые способны неограниченно долго поддерживать самовоспроизведение СК и продукцию дочерних дифференцированных клеток in vivo. В задачу предлагаемой статьи не входит детальный анализ ниши стволовых клеток для каждой ткани, но сделана попытка найти общие закономерности взаимодействия стволовых клеток и их ниш.
Ниши СК являются частью структурно-функциональных единиц (СФЕ) органов и тканей (Хрущов, Бродский, 1961; Терских и др., 2003) наряду с другими клеточными элементами, которые могут не участвовать непосредственно в регуляции СК, но необходимы для функционирования ткани как таковой. Находясь в составе СФЕ, СК принимают участие в гистогенетических и мор-фогенетических процессах. Таким образом, СК и их ниши существуют как единая система и вместе обеспечивают клеточную основу гомеостаза тканей в организме.
Наиболее хорошо изучены СК быстро обновляющихся тканей взрослого организма, в частности гематопоэтические, эпидермальные, эпителия тонкого кишечника и некоторые другие. Именно для микроокружения этих клеток был предложен термин "ниша". В необновляющихся тканях также присутствуют СК, но они и их предполагаемые ниши изучены недостаточно. Ниже будут рассмотрены несколько типичных ниш.
Ниша эпидермалъных стволовых клеток. Хотя термин "ниша" был первоначально предложен для гематопоэтических СК, первые шаги в идентификации ниши СК были сделаны при изучении дорсального эпидермиса мыши. На основании морфологических и кинетических данных Пот-тен (Ройеп, 1974) предположил, что эпидермис мыши организован в виде серий эпидермальных пролиферативных единиц (ЭПЕ), которые можно рассматривать как СФЕ. Каждая такая единица состоит из группы клеток, содержащих проли-ферирующие и дифференцирующиеся клетки, и может рассматриваться как ниша. Пролифериру-ющие клетки находятся в базальном слое, тогда как дифференцирующиеся клетки расположены в виде колонки (шириной в одну клетку) над про-лиферирующими клетками. Принципиально важным моментом в представлении Поттена является присутствие СК в центре ЭПЕ. Другие исследователи (Kameda et а1., 2003), изучив тонкую структуру эпидермиса уха мыши, пришли к выводу, что клон, образуемый одной СК, может занимать площадь, равную 5-6 ЭПЕ Поттена, и, сле-
довательно, фракция CK может быть значительно меньше, чем считалось ранее. В связи с этим можно отметить данные, показывающие, что CK эпидермиса могут колонизовать соседние вакантные ниши (Zhang et al, 2001). CK межфолликулярного эпидермиса человека распределены по всему базальному компартменту и при делении образуют колонки клеток, сильно различающиеся по ширине (Ghazizadeh, Taichman, 2005).
В 1990 г. Котсарелис с соавт. (Cotsarelis et al., 1990) обнаружили присутствие эпидермальных стволовых клеток в волосяном фолликуле. Эти клетки, расположенные в определенной области фолликула, называемой балдж (англ. Bulge -утолщение), способны были длительно сохранять метку, что считается характерным признаком CK, поскольку они редко вступают в митоз. Было показано (Kameda et al., 2002), что CK волосяного фолликула, длительно сохраняющие включившийся бромдезоксиуридин, можно подвергнуть фотоиндуцированной гибели, если обработать красителем Hoechst 33258 и затем облучить ультрафиолетовым светом спектра А. ^гда элиминацию клеток балджа провели на стадии позднего телогена, регенерация волосяного фолликула была полностью подавлена.
CK волосяного фолликула обладают максимальным пролиферативным потенциалом (Koba-yashi et al., 1993) и могут давать начало разным линиям кератиноцитов самого волосяного фолликула, а также восстанавливать эпидермис после его поражения, например, после ранения (Taylor et al., 2000). В работе Бланпейн с соавт. (Blanpain et al., 2004) были обнаружены две популяции CK в балдже.
Волосяной фолликул является исключительно сложной CФE, многие исследователи сравнивают его с маленьким органом. В дермальной папилле волосяного фолликула находится еще одна ниша, для мезенхимных CK (Fernandes et al., 2004). Дер-мальная папилла окружена клетками матрикса, в нижней части которого также присутствует небольшое число эпидермальных CK (Reynolds, Ja-hoda, 1991), которые, по-видимому, мигрируют из балджа в начале анагена и участвуют в формировании нижней части волосяного фолликула и стержня волоса. ^оме того, в самом низу перманентной части волосяного фолликула локализуются стволовые клетки меланоцитов (Nishimura et al., 2002). Очевидно в волосяном фолликуле может присутствовать несколько ниш для разных стволовых клеток (Ghali et al., 2004).
Ниша гематопоэтических стволовых клеток. Уже давно было известно, что гематопоэти-ческие CK взрослой мыши не распределены равномерно в медуллярной полости костного мозга, а преимущественно находятся вблизи поверхности кости (Lord et al., 1975). Тайхман с соавт. пока-
зали, что остеобласты поддерживают рост проге-ниторных кроветворных клеток в культуре костного мозга (Taichman et al., 1994) и предположили, что остеобласты могут играть роль в формировании микроокружения для гематопоэтических СК (Taichman et al., 2001). Была также отмечена тесная связь между образованием трабекул кости и интенсивностью гематопоэза (Dennis, Charbord, 2002). Затем две группы исследователей (Zhang et al., 2003; Calvi et al., 2003) представили доказательства того, что остеобласты являются центральным регуляторным компонентом ниши гематопоэтических СК. Не исключено, что эту нишу могут формировать и другие клетки стромы. Если костный мозг в целом рассматривать как нишу, то в ней присутствуют также мезенхимные остеогенные СК (Friedenstein, 1987).
Гематопоэтические СК можно разделить на долгоживущие и короткоживущие, размножающиеся в течение ограниченного периода времени. Так, долгоживущие гематопоэтические СК самовоспроизводятся на протяжении всей жизни организма, тогда как короткоживущие сохраняют свой пролиферативный потенциал около 8 нед (Morrison et al., 1994). В связи с этим можно предположить, что долгоживущие и короткоживущие СК могут различаться фенотипически, или же они находятся в разных нишах.
Ниша СК тонкого кишечника мыши. СФЕ эпителия тонкого кишечника можно подразделить на 2 части: функциональную область, состоящую из ворсинок, покрытых дифференцированными клетками, и пролиферативную область -крипты Либеркюна, в которых находятся ниши СК. Ворсинки вдаются в полость кишки, а многочисленные крипты окружают основание каждой ворсинки. Полипотентные СК крипты дают начало энтероцитам, бокаловидным клеткам, энтеро-эндокринным клеткам и клеткам Панета. Первые три типа клеток мигрируют вверх на ворсинку и спустя несколько сут, достигнув вершины ворсинки, погибают и слущиваются. Клетки Па-нета находятся на дне крипты и живут дольше, чем клетки ворсинки, около 3 нед. СК крипты находятся приблизительно на уровне четвертого клеточного слоя от дна крипты (Wright, 2000). Точное число СК в крипте определить трудно ввиду отсутствия надежных маркеров. Некоторые исследователи считают, что взрослая крипта образована одной СК (Winton et al., 1988), другие считают, что в крипте может быть от 4 до 6 СК (Potten et al., 1990). СК тонкого кишечника, в отличие от других быстро обновляющихся тканей, пролиферируют быстро: длительность их клеточного цикла составляет в среднем 24 ч, однако транзиторные клетки крипты размножаются еще быстрее (Potten et al., 1979).
Ниши герминативных стволовых клеток дрозофилы. Подробное описание ниши для герминативных СК в семеннике взрослой особи Drosophila melanogaster можно найти у Харди c со-авт. (Hardy et al., 1979). Семенник представляет собой трубочку приблизительно 2 мм длиной и 0.1 мм шириной. Дистальный ее конец заканчивается терминальной папиллой, в которой находится герминативный пролиферативный центр. В нем различают 3 типа клеток: апикальные клетки, герминативные СК и прогениторные клетки цисты (соматические СК). Апикальные клетки формируют центральную структуру, вокруг которой, как спицы вокруг ступицы (hub - англ.) колеса, расположены герминативные СК и прогениторные клетки цисты. Централ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.