ГЕНЕТИКА, 2008, том 44, № 3, с. 293-304
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 611.018.8
ГЕНОМНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ СУДЬБЫ НЕЙРАЛЬНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК МЛЕКОПИТАЮЩИХ
© 2008 г. Г. В. Павлова1, В. Е. Охотин2, Л. И. Корочкин1, А. В. Ревищин1' 2
1 Институт биологии гена Российской академии наук, Москва 119334; e-mail: revishchin@mail.ru 2 Институт проблем экологии и эволюции им. АН. Северцова Российской академии наук, Москва 119071
Поступила в редакцию 14.05.2007 г.
Научные исследования последних 15 лет позволяют по-новому понять функционирование мозговой ткани в норме и патологии. Показано существование пролиферирующих стволовых клеток во взрослом мозге, которые при определенных условиях могут участвовать в процессах посттравматической репарации, замещая погибшие клетки. Показано участие стволовых клеток в генезе злокачественных опухолей. При исследовании нейральных стволовых клеток выявлены многочисленные геномные механизмы управления их самовоспроизведением, пролиферацией и дифференци-ровкой. Полученные знания открывают новые направления исследования функционирования и развития мозга. Они используются для создания принципиально новых технологий лечения нейро-дегенеративных и онкологических заболеваний мозга. В настоящем обзоре приводятся новые данные о геномных механизмах, участвующих в управлении судьбой стволовых нейральных клеток in vivo и in vitro.
Открытие стволовых клеток в нервной системе взрослого организма вызвало переоценку целого ряда устоявшихся представлений, в особенности касающихся восстановительных процессов в центральной нервной системе. Понятие о стволовых клетках сформулировал великий россий-скии гистолог A.A. Максимов [1]. Считалось, что во взрослом организме стволовые клетки отсутствуют, что их существование ограничивается самым ранним периодом эмбрионального развития. В 1971 г. А.Я. Фриденштейн с соавторами обнаружил эти клетки в мезенхиме (строме) "взрослого" костного мозга [2, 3]. По принадлежности к строме их в дальнейшем стали называть стромальны-ми стволовыми клетками (а также мезенхималь-ными стволовыми клетками). В эти годы были опубликованы работы, демонстрировавшие наличие клеток с характеристиками стволовых во многих органах взрослых животных и человека [4]. В 1971 г. в лаборатории Л.И. Корочкина в Новосибирске были описаны островки, состоящие из 5-15 клеток, содержащих эмбриональные маркеры, в печени взрослых крыс. Предполагалось их участие в процессах канцерогенеза [5].
Стволовая клетка в нервной системе характеризуется теми же основными свойствами, что и стволовая клетка вообще. В настоящее время стволовыми считаются клетки, которые удовлетворяют трем основным условиям: 1) мультипо-тентность (способность генерировать различные типы клеток), 2) высокий пролиферативный потенциал и 3) самовоспроизводимость - способность воспроизводить идентичных себе потомков в результате симметричных делений [6, 7].
Стволовые клетки подразделяют на эмбриональные и региональные (тканеспецифические). Нейральные стволовые клетки (НСК) принадлежат к региональным стволовым клеткам. Они происходят из более примитивных фетальных стволовых клеток и существуют не только в развивающемся мозге, но также и во взрослой нервной системе всех млекопитающих, включая человека. В центральной нервной системе имеется два основных "очага" распределения нейральных стволовых клеток - субэпендимная выстилка желудочков мозга (субвентрикулярная область) и зубчатая извилина гиппокампа. НСК сохраняют способность к пролиферации и дифференциров-ке в различном, но преимущественно в нейраль-ном, направлении. Они растут в культуре ткани, образуя при этом специфические структуры -нейросферы, гетерогенные по клеточному составу. При их трансплантации в мозг подопытных животных они размножаются, мигрируют и дифференцируются [8, 9]. Специфика их дифферен-цировки может зависеть от характера микроокружения. Например, НСК, попавшие в зону расположения клеток Пуркинье мозжечка, будут дифференцироваться в направлении клеток Пуркинье [9]. В настоящее время выделяют и культивируют НСК человека, которые способны переживать и дифференцироваться при ксенотранс-плантации. Характерные особенности поведения НСК могут быть использованы в клеточной терапии нейродегенеративных заболеваний.
Способность региональных и эмбриональных стволовых клеток трансформироваться в разных направлениях делает их весьма удобной модель-
ной системой для изучения молекулярно-генети-ческих событий, обуславливающих дифференци-ровку клеток. В процессе развития центральной нервной системы в нейральных стволовых клетках и взаимодействующих с ними тканевых системах активируются комплексы генов, от которых зависит судьба стволовых клеток, их пролиферация, самовоспроизведение и/или выход в диффе-ренцировку. Маркирование стволовых клеток с помощью репортерных генов, изоляция их в культуру, а также их трансплантация в развивающийся или взрослый организм подопытных животных позволяют анализировать функции различных генных сетей на последовательных этапах развития [10].
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ КАК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ
ДЛЯ АНАЛИЗА ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ В ПРОЦЕССЕ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ
В процессе развития центральной нервной системы в нейральных стволовых клетках и взаимодействующих с ними тканевых системах активируются комплексы генов, от которых и зависят характерные преобразования стволовых клеток, и в первую очередь их пролиферация и выход в дифференцировку. Так, в период эмбриональной индукции выявлена важная роль гомеодомен-ге-нов Fgf, Shh, Wnt. В этот период определяются границы различных компартментов, на которые подразделяется центральная нервная система. На стадии детерминации - одной из важнейших в жизни стволовых клеток - активируются гены пронейральных транскрипционных факторов спираль-петля-спираль (bHLH) и происходит коммутирование стволовых клеток к развитию в нейральном или глиальном направлении. В их пролиферации также участвует целый ансамбль генов: в возобновлении клеточного цикла - гены Fgf, Shh, EGF, в прекращении деления - гены BDNF, TGF beta, PACAP. Как только нейральные стволовые клетки приступают к построению своего фенотипа, функционируют на полную мощность факторы bHLH, гомеодомен-гены [11].
Стволовые клетки можно изолировать в "чистом виде" и затем анализировать функции различных генных сетей на последовательных этапах их дифференцировки [10].
Оказалось, в частности, что время последовательного включения генов, контролирующих развитие, совпадает в постимплантационных зародышах и в культуре эмбриоидных тел [12]. Следовательно, стволовые клетки могут служить удобной экспериментальной моделью для уточнения молекулярно-генетических процессов, сопровождающих клеточную специализацию.
Анализ культур стволовых клеток с помощью молекулярно-генетического микроэррэй-метода (DNA microarray analyses) продемонстрировал, что в одном клоне мезенхимных стволовых клеток синтезируется по крайней мере 1200 матричных РНК [13]. В разных стволовых клетках присутствует сходный набор предсинтезированных матричных РНК-копий многих генов [14]. В то же время имеются и фракции, специфические для разных стволовых клеток на разных стадиях их развития. При этом удалось выяснить, что в культуре мезенхимных стволовых клеток взрослой гематогенной ткани содержится практически весь набор матричных РНК, которые функционируют в зародышевых листках и на стадии органогенеза в составе целостного эмбриона [14]. Идентифицированы также матричные РНК ключевых генов, регулирующих созревание клеток мезенхимального и мезодермального происхождения, а также энто- и эктодермы. Большинство матричных РНК HOX-генов присутствует уже в яйцеклетке и презумптивных зародышевых клетках [10]. Следовательно, в стволовых клетках проявляется общий принцип онтогенеза - функция генов с "опережением", т.е. синтез тех матричных РНК, которые будут "работать" на стадиях развития, порою значительно более поздних.
Анализ поведения стволовых клеток в культуре тканей позволил выявить ключевые гены и генные сети, участвующие в дифференцировке этих клеток, в их развитии в том или ином направлении [15]. Исследования такого рода весьма перспективны как для решения фундаментальных задач нейрогенетики, так и для разработки методов использования нейральных стволовых клеток в клеточной и генной терапии.
При ксенотрансплантации фетальных стволовых нервных клеток человека в мозг взрослых крыс наблюдалась их активная миграция, что могло бы способствовать репарации дефектов при нейродегенеративных заболеваниях [8, 16, 17-21]. Немаловажно при этом учитывать генетическую конституцию трансплантируемого материала, поскольку известно, что процесс миграции и дифференцировка стволовых нервных клеток контролируются наборами специальных генов [22]. В частности, сигнал клетке-предшественнице начинать процесс дифференцировки дает белковый продукт протоонкогена c-ret совместно с глияпроизводным нейротрофическим фактором (glial cell line-derived neurotrophic factor -GDNF). Следующий сигнал поступает от гена Mash-1, который является гомологом комплексу achaete-scute дрозофилы, управляющему выбором пути развития клетки. Специфическая реакция дифференцирующихся клеток зависит также от альфа-рецептора цилиарного нейротрофиче-ского фактора [23]. Во многих случаях развития нервной системы клетки, вступившие на путь
нейрального развития, мигрируют в различные области центральной и периферической нервной системы и, становясь "оседлыми", претерпевают последовательные фазы дифференци-ровки вплоть до терминальной.
Полученные данные позволят уточнить организацию соответствующих генных сетей, что в условиях целостного организма иногда не так-то просто [10]. В частности, представляется возможность выявить пути взаимодействия так называемых "генов-господ" (master gene) и "генов-рабов". Под первыми подразумевают ключевые гены, от которых зависит специфика развития данной ткани или органа. Под вторыми - запускаемые генами-господами каскады структурных генов, обеспечивающих синтез тканеспецифических белков и соответственно формирование того или иного органа или ткани.
Г
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.