ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 200?, № 6, с. 650-660
БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
УДК 591.3
САТЕЛЛИТНЫЕ КЛЕТКИ МЫШЕЧНОЙ СИСТЕМЫ И РЕГУЛЯЦИЯ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА МЫШЦ
© 2007 г. Н. Д. Озерншк, О. В. Балан
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, 119991 Москва, ул. Вавилова, 26
E-mail: ozernyuk@mail.ru Поступила в редакцию 26.03.2007 г.
В обзоре анализируются основные аспекты биологии сателлитных клеток мышечной системы: идентификация, происхождение на ранних этапах развития, механизмы их самоподдержания за счет асимметричного деления, содержание в различных типах мышц и на разных этапах онтогенеза, роль регуляторных генов сем. Pax (в частности, Pax7) и их продуктов в контроле пролиферации, участие факторов роста (HGF, FGF, IGF, TGF-0) в активации этих клеток при повреждении мышц. Обсуждаются особенности начальных этапов миогенной дифференцировки активированных сателлитных клеток по пути, сходному с формированием мышц в ходе эмбрионального развития
Поскольку стволовые клетки обладают способностью к самоподдержанию в течение всей жизни и потенциально могут дифференцироваться в различные клеточные типы, их изучение позволяет глубже понять механизмы поддержания тканевого гомеостаза во взрослом организме, а также использовать этот тип клеток для анализа направленной дифференцировки in vitro. Многие проблемы биологии стволовых клеток успешно решаются на модели сателлитных клеток мышц. Сателлитные клетки мышечной системы активно исследуются для анализа особенностей биологии стволовых клеток (Comelison, Wold, 1997; Seale, Rudnicki, 2000; Seale et al, 2000, 2001; Bailey et al, 2001; Charge, Rudnicki, 2004; Gros et al, 2005; Shinin et al., 2006).
Дифференцировка клеток мышечной системы во время зародышевого развития и формирование клеток миогенного ряда из сателлитных клеток мышц взрослого организма - взаимосвязанные процессы. Сателлитные клетки в ходе заместительных и восстановительных процессов в мышцах взрослых животных проходят в основном тот же путь дифференцировки, что и миоген-ные клетки в период эмбрионального развития. Важнейшим элементом регуляции восстановительного потенциала мышц служит активация сателлитных клеток в ответ на те или иные воздействия или повреждение.
САТЕЛЛИТНЫЕ КЛЕТКИ - СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ МЫШЦ?
Сателлитные клетки впервые были описаны Мауро в скелетных мышцах лягушки (Mauro, 1961) на основе анализа их морфологии и распо-
ложения в зрелых мышечных волокнах. Позднее эти клетки были идентифицированы в мышцах птиц и млекопитающих (Schultz, 1976; Armand et al, 1983; Bischoff, 1994).
Сателлитные клетки формируют стабильный самообновляющийся пул стволовых клеток в мышцах взрослого организма, где они участвуют в процессах роста и восстановления мускулатуры (Seale et al, 2001; Charge, Rudnicki, 2004). Отволо-вые клетки различных тканей, как известно, помимо экспрессии специфических генетических и белковых маркеров, а также способности формировать клоны, в определенных условиях дифференцируются в те или иные клеточные линии, что рассматривается как один из важных признаков стволовости. Первоначально считалось, что са-теллитные клетки мышц дают начало только одному типу клеток - миогенным предшественникам. Однако при более детальном исследовании этой проблемы было установлено, что в определенных условиях сателлитные клетки могут дифференцироваться in vitro в другие типы клеток: остеогенные и адипогенные (Katagiri et al., 1994; Teboul et al., 1995).
Обсуждается также точка зрения, согласно которой в скелетных мышцах взрослых животных содержатся предшественники сателлитных клеток, которые и являются стволовыми клетками (Zammit, Beauchamp, 2000; Seale, Rudnicki, 2000; Charge, Rudnicki, 2004). Таким образом, вопрос о сателлитных клетках как стволовых клетках мышечной системы требует дальнейших исследований.
Рис. 1. Сателлитные клетки бедренных мышц взрослой крысы, экспрессирующие специфический маркер Pax7 ] этих клеток: а - на периферии мышечных волокон, б - в клеточной культуре. Масштабная линейка: 5 мкм.
ядрах
ИДЕНТИФИКАЦИЯ САТЕЛЛИТНЫХ КЛЕТОК МЫШЦ
Сателлитные клетки идентифицируются по нескольким критериям. Один из важных критериев - морфологический. Эти клетки локализованы в углублениях между базальной ламиной и сарколеммой миофибрилл. Для сателлитных клеток характерно высокое ядерно-цитоплазматиче-ское отношение, а также высокое содержание ге-терохроматина и уменьшенное содержание цито-плазматических органелл (Seale, Rudnicki, 2000; Charge, Rudnicki, 2004). Сателлитные клетки определяются также по экспрессии специфических генетических и белковых маркеров: прежде всего гена Pax7 и его белкового продукта - трас-крипционного фактора Pax7, который экспресси-руется в ядрах покоящихся и активированных сателлитных клеток (рис. 1). Скелетные мышцы мыши, дефицитные по гену Pax7, не отличаются от мышц дикого типа при рождении животного, однако они полностью лишены мышечных сателлитных клеток (Seale et al, 2000, 2001; Bailey et al., 2001; Charge, Rudnicki, 2004).
В сателлитных клетках экспрессируются также стандартные маркерные гены стволовых клеток: CD34, Msx-1, MNF, ген рецептора c-Met (Bailey et al., 2001; Seale et al., 2001). В покоящихся сателлитных клетках не выявлялась экспрессия миогенных регуляторов сем. bHLH (Smith et al., 1994; Yablonka-Reuveni, Rivera, 1994; Cornelison, Wold, 1997; Cooper et al., 1999). Однако позднее в покоящихся сателлитных клетках был обнаружен очень низкий уровень экспрессии Myf5 -представителя сем. bHLH, экспрессирующегося на ранних этапах эмбрионального миогенеза (Beauchamp et al., 2000; Katagiri et al.).
ПРОИСХОЖДЕНИЕ МЫШЕЧНЫХ САТЕЛЛИТНЫХ КЛЕТОК В ЭМБРИОГЕНЕЗЕ: СОМИТЫ ИЛИ ЭНДОТЕЛИЙ СОСУДОВ?
Один из существенных вопросов биологии стволовых клеток, анализируемых на примере мышечной системы - происхождение сателлитных клеток в ходе онтогенеза. Развитие скелетных мышц у позвоночных происходит в эмбриогенезе, а пополнение пула миофибрилл за счет их дифференцировки из сателлитных клеток продолжается в течение всей жизни (Seale, Rudnicki, 2000; Bailey et cil., 2001; Seale et cil., 2001; Charge, Rudnicki, 2004). Из каких клеточных источников в зародыше формируется пул сателлитных клеток, функционирующий на протяжении всего онтогенеза? В соответствии с общепринятой точкой зрения сателлитные клетки происходят из муль-типотентных мезодермальных клеток сомитов.
Мультипотентные клетки осевой мезодермы зародышей становятся коммитированными в направлении миогенной дифференцировки в ответ на локальные морфогенетические сигналы от соседних тканей: нервной трубки (гены сем. Shh и Wnt и их продукты), хорды (ген сем. Shh и его продукт), а также эктодермы. Однако только часть клеток мезодермы зародышей дает начало мышечной дифференцировке (рис. 2). Некоторая доля этих клеток продолжает делиться и не дифференцируется в мышцы. Часть таких клеток присутствует и во взрослой мускулатуре, где они служит предшественниками сателлитных клеток (Armand et al., 1983).
Первоначально гипотеза сомитного происхождения сателлитных клеток основывалась на экспериментах по трансплантации сомитов у птиц: сомиты зародышей донора (перепела) пересаживали зародышам рецепиента (цыпленка) и
Нервная трубка
Хорда
Миогенез из сателлитных клеток
Миогенин MRF4
Структурные ■ гены сократительных белков
Повреждение, растяжение, физическая нагрузка, электростимуляция
HGF FGF TGF-ß IGF
Пролиферирующие миобласты
Миотубы
MyoD
. Myf5 MRF4
I Миофибриллы J^-- Миогенин
Структурные гены сократительных белков
Рис. 2. Схема регуляции миогенеза в эмбриональном развитии и формирования, активации, дифференцировки сателлитных клеток. ДМ- дермамиотом, С - склеротом; Shh, Wnt - гены, продукты которых служат индукторами морфо-генетических процессов; Pax3, Myf5, MyoD, миогенин, MRF4 - специфические белковые регуляторы миогенеза; Pax7, CD-34, MNF, c-met - маркеры сателлитных клеток; HGF, FGF, TGF-ß, IGF - факторы роста, активирующие сателлит-ные клетки.
после завершения эмбриогенеза у цыплят и у взрослых кур обнаружили донорские сомитные клетки перепела (Armand et al., 1983). На основании данных, полученных в этой работе, сделан вывод о сомитном происхождении всех миоген-ных клеточных линий, включая мышечные сателлитные клетки. Следует отметить также некоторые работы, указывающие на иное происхождение сателлитных клеток, в частности, из костного мозга, немышечных резидентных клеток и др. (Ferrari et al., 1998; Bittaer et al., 1999).
Имеются также данные о формировании сателлитных клеток из эндотелия сосудов зародышей (De Angelis et al., 1999). В этой работе было показано наличие миогенных предшественников в дорсальной аорте зародышей мыши. Клоны клеток эндотелия этого сосуда при культивировании in vitro экспрессируют как эндотелиальные, так и миогенные маркеры, сходные с маркерами сателлитных клеток взрослых мышц. Кроме того клетки из таких клонов морфологически сходны с сателлитными клетками дефинитивных мышц. При инъекции этих клеток непосредственно в регенерирующую мышцу происходит их включение
в регенерирующие фибриллы и эти клетки имеют признаки сателлитных. Далее, если эмбриональную аорту пересадить в мышцы новорожденных иммунодефицитных мышей, клетки из пересаженного сосуда могут давать начало множеству миогенных клеток (De Angelis et al., 1999; Minasi et al., 2002).
Таким образом, эндотелиальные клетки, могут участвовать в формировании новых миофиб-рилл в ходе развития мышц за счет способности давать активированные сателлитные клетки, однако не ясно, способны ли эндотелиальные клетки вносить вклад в популяцию покоящихся сателлитных клеток взрослых мышц. Показано, что клетки эндотелия сосудов зародышей могут служить дополнительным источником сателлитных клеток в эмбриогенезе (De Angelis, 1999; Charge, Rudnicki, 2004).
В последнее время обсуждается еще один источник происхождения сателлитных клеток. Было показано, что очищенные гематопоэтические стволовые клетки из костного мозга после их внутривенной инъекции облученным мышам могут участвовать в регенерации миофибрилл (Gus-
soni et al., 1999). В д
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.