УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2014, том 134, № 1, с. 3-18
УДК 57.013; 57.052; 576.363; 577.218
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ И МИКРООКРУЖЕНИЕ: ИНТЕГРАЦИЯ БИОХИМИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
© 2014 г. Д. С. Костюшев16, В. Н. Симирский2, С. Сонг3, М. А. Пальцев4-6, Д. А. Гнатенко16, С. В. Сучков16,7
1 Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова Росздрава, Москва 2 Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, Москва 3 Департамент фармацевтики, университет Флориды фармацевтический колледж Пауэлл Генная терапия
центр, Институт генетики, 1600 SW Archer Rd, JHMHC 4Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт " 5 Институт трансляционной медицины, РУДН, Москва 6 Европейская ассоциация предиктивно-превентивной и персонифицированной медицины (EPMA), Брюссель, Евросоюз 7 Московский государственный медико-стоматологический университет им. А.Е. Евдокимова Росздрава, Москва E-mail: simir@mail.ru
Рассмотрена роль микроокружения в регуляции основных функций стволовых клеток. Особое внимание уделено механическим воздействиям и влиянию механических свойств субстрата на самоподдержание, сохранение потентности и дифференцировку стволовых клеток in vivo и в условиях культуры in vitro. В качестве механосенсоров могут выступать первичные реснички, механочув-ствительные каналы, сопряженные с G-белками рецепторы, белки межклеточных контактов. Ключевое место в механотрансдукции занимают рецепторы внеклеточного матрикса - интегрины. Они входят в состав фокальных контактов и обеспечивают прямую связь плазматической мембраны с цитоскелетом и клеточным ядром. Исследование закономерностей интеграции биохимических и механических факторов микроокружения является необходимой предпосылкой для успешного использования стволовых клеток в регенеративной медицине.
Ключевые слова: стволовая клетка, микроокружение, механосенсоры, механотрансдукция, интег-рины.
ВВЕДЕНИЕ
Изучение динамики клеточных популяций в быстро обновляющихся тканях привело к разработке концепции стволовых клеток (СК), за счет которых обеспечивается постоянное восполнение пула дифференцированных клеток. К настоящему времени СК обнаружены практически во всех тканях (включая такие медленно обновляющиеся, как хрусталик глаза, нервная и костная ткани). СК - это недифференцированные клетки различной потентности (тоти-, плюро-, мульти- или унипотентные), которые способны к длительному самоподдержанию (самообновлению) и пролиферации. Основными типами СК являются эмбриональные (ЭСК), соматические и индуцированные плюрипотентные (последние получают за счет репрограммирования соматических клеток, используя классические факторы Яманака или их
многочисленные вариации) (Репин и др., 2002; Crisan et al., 2008; Yamanaka, Blau, 2010).
Среди соматических СК наиболее изучены ге-мопоэтические, которые способны к дифферен-цировке, по крайней мере, в десять типов клеток (Panigrahi, Pati, 2012). Мезенхимные СК (МСК) выделены практически из всех тканей и способны дифференцироваться в разные типы клеток в условиях культуры in vitro (Kolf et al., 2007). С другой стороны, СК хрусталика являются уни-потентными. С помощью флуоресцентно-активированной сортировки клеток после окрашивания Hoechst33342 из эпителия хрусталика мыши удалось выделить популяцию неокрашенных клеток (side cells). Эти клетки находились в фазе G0/G1 клеточного цикла и имели меньшие размеры по сравнению с другими клетками эпителия хрусталика. Они локализовались вблизи экватора хрусталика и отличались высокой экспрессией
генов, специфичных для СК (ABCG2, рецептор нейротрофина р75, нестин, BCL2, поверхностный антиген стволовых клеток Бса-1). Предполагают, что часть из них является СК хрусталика. Число этих клеток уменьшалось с возрастом, но они сохранялись и у взрослых мышей (около 0.05% в возрасте 10 нед) (Ока et а1., 2010).
Свойства и поведение СК (пребывание в состоянии покоя и самовоспроизведение), а также направление и степень дифференцировки дочерних транзиторных клеток тонко контролируются микроокружением, которое обозначают термином "ниша". Понятие ниши является широким и включает в себя совокупность взаимосвязанных факторов (генетических, транскрипционных, белковых, механических и других), прямым либо косвенным образом влияющих на функционирование СК. В состав таких "интерактомов", в частности, входят внеклеточный матрикс (ВКМ), адгезионные контакты СК с ВКМ, межклеточные контакты, растворимые и связанные с клеточными поверхностями регуляторные молекулы (в частности, факторы роста) (Терских и др., 2007).
Еще совсем недавно основными регуляторами свойств СК считались растворимые молекулярные факторы, в то время как влияние механических контактов и физических сил, действующих на СК, оставалось неизученным. Однако, как показали исследования последних лет, дифференци-ровка СК может определяться не только составом ВКМ ниши, но и его физико-химическими свойствами. Стало очевидным, что топологические характеристики ВКМ и/или внешние физические воздействия могут контролировать поведение СК et а1., 2009). При этом изменение молекулярного профиля СК и/или окружающих тканей (ниши) может идти параллельно с модификацией их биомеханических характеристик, и наоборот. Вполне возможно, что биомеханические и биохимические сигналы взаимодействуют друг с другом и сходятся на одинаковых мишенях. Последнее подтверждается изменением статуса СК и их дифференцировкой в определенные фенотипы в непосредственной зависимости от применения модифицированных биоматериалов для выращивания клеток различных зародышевых листков, влиянием однонаправленных потоков жидкости или других факторов.
В целом, микроокружение (ниша) обеспечивает баланс между самообновлением СК и их дифференцировкой. При этом динамику развития СК и направление их дифференцировки могут определять как биохимические, так и биомеханические свойства ниши. ВКМ ниши посредством трансмембранных рецепторов (интегринов, рецепторов ростовых факторов и др.) воздействует
на организацию цитоскелета СК и влияет на экспрессию целого ряда генов (Терских и др., 2007). Одновременно существует обратная цепочка взаимодействий: ядро-цитоскелет-интегрины-ВКМ (так называемые inside-out и outside-in сиг-налинги) (Hu, Luo, 2013). При этом интегрины, вероятно, занимают центральное положение в системе взаимодействий между СК и их нишей, участвуя в обеспечении практически всех аспектов функционирования СК.
В первой части обзора мы рассмотрим сигнальные каскады, которые активируются растворимыми биохимическими факторами и обеспечивают основные функции СК. Во второй части внимание будет уделено биомеханическим факторам и молекулярно-генетическим механизмам, с помощью которых механические воздействия приводят к изменению экспрессии генов и контролируют судьбу СК.
РОЛЬ БИОХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
В РЕГУЛЯЦИИ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК
Клетки ниши, которые окружают СК, секретиру-ют ВКМ и различные растворимые факторы. ВКМ ниши выполняет несколько взаимосвязанных функций по отношению к СК: 1) прикрепление за счет адгезионных контактов (хоуминг) и самоподдержание СК (предотвращение апоптоза, см. ниже); 2) депо для хранения факторов роста и других морфогенетически активных веществ в неактивной форме; 3) сохранение формы клеток и передача механических воздействий (Brizzi et al., 2012).
Мобилизация, миграция и заселение ниши (хоуминг)
По одной из гипотез первоначальное заселение ниши СК происходит в ходе эмбрионального развития, вторичное - во время регенерации или патогенеза тканей. Хоуминг ниши является адресным, что обеспечивается, с одной стороны, секрецией хемоаттрактантов клетками ниши, которые "привлекают" строго определенные СК, с другой стороны, специфичностью ВКМ ниши и набором специфических рецепторов на поверхности СК. Ярким проявлением хемотаксиса является скопление тучных клеток в очаге воспаления. В качестве хемоаттрактантов могут выступать разные вещества (фактор стволовых клеток SCF, колонии-стимулирующие факторы, простаглан-дины, хемокины, трансформирующие факторы роста бета 1-3 и др.) (Halova et al., 2012).
Остеокласты, эндотелиальные клетки и субпопуляция ретикулярных клеток костного моз-
га секретируют хемокин CXCL12 (C-X-C-motif ligand 12), который для кроветворных СК является хемоаттрактантом и одновременно блокирует их вхождение в клеточный цикл (Nie et al., 2008). При повреждении тканей растворимые формы белков ВКМ (коллаген, фибронектин, витро-нектин) и продукты их частичного протеолиза в области раны могут также служить хемоаттрак-тантами для МСК (Thibault et al., 2007). Взаимодействуя с соответствующими рецепторами на их поверхности, они вызывают перестройку цито-скелета и стимулируют миграцию клеток.
Можно выделить четыре этапа миграции клеток: поляризация, образование выпячиваний (фи-лоподии, ламеллоподии), формирование контактов с ВКМ, "подтягивание" клетки в направлении миграции (Kurosaka, Kashina, 2008). В ходе миграции СК и заселения ниши происходит быстрое формирование, созревание и перестройка адгезионных контактов. Более подробно их пространственная организация и взаимодействие с ВКМ во время миграции рассмотрены ниже.
Выживание и апоптоз
Адгезия клеток к ВКМ, опосредованная интег-ринами, обеспечивает выживание клеток, тогда как потеря контакта с матриксом ведет к активации программированной гибели клеток, апопто-зу. Апоптоз, индуцированный потерей контакта клетки с ВКМ, получил название аноикис. Выбор клетки между выживанием или аноикисом (апоптозом) обеспечивается балансом про- и ан-тиапоптозных факторов, среди которых важную роль играют белки семейства BCL2. Ключевым моментом в регуляции выживания клеток является образование комплекса Р1 интегрина с киназой фокальных контактов (focal adhesion kinase, FAK) или интегрин-связанной киназой (integrin-linked kinase, ILK) (Chiarugi, Giannoni, 2008), причем каждый из этих адаптеров может обеспечить блокирование аноикиса независимо друг от друга. FAK взаимодействует с коактиватором стероидного рецептора (Src) и через активацию сигнального пути протеинкиназы B (PKB/Akt) подавляет аноикис на разных уровн
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.