УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2008, том 128, № 5, с. 458-466
УДК 612.119:616.155.05
МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ САМОПОДДЕРЖАНИЯ ГЕМОПОЭТИЧЕСКОЙ СТВОЛОВОЙ КЛЕТКИ
© 2008 г. Л. Б. Топоркова, С. К. Халдояниди, И. А. Орловская
Научно-исследовательский институт клинической иммунологии СО РАМН, Новосибирск
Приводится обзор генетических регуляторных программ, играющих важную роль в процессе самоподдержания гемопоэтических стволовых клеток (ГСК). Обсуждается проблема баланса самоподдержания и дифференцировки ГСК в контексте регуляции кинетики клеточного цикла. Рассматриваются возможности контроля самоподдержания ГСК, открывающие перспективы развития новых стратегий клеточной и генной терапии.
Фундаментальным свойством гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) является их способность самоподдерживаться: общее число стволовых клеток строго регулируется через внутренние и внешние механизмы, что приводит к стабильности пула ГСК. Самоподдержание - это специализированное клеточное деление, в результате которого дочерние клетки остаются недифференцированными и сохраняют репликаци-онный потенциал родительской клетки [1]. Иначе говоря, чтобы стволовые клетки самоподдерживались, они должны пролиферировать без гибели или дифференцировки [39].
В последние годы идентифицировано несколько генетических регуляторных программ, играющих важную роль в процессе самоподдержания ГСК. Внеклеточные регуляторы самоподдержания включают специфическое микроокружение -нишу ГСК, и классические сигнальные пути эмбрионального развития: Wnt, Notch, Sonic hedgehog [54]. Клетки гемопоэтического (макрофаги, лимфоциты, остеокласты) и мезенхимального (стромальные клетки, остеобласты, адипоциты и др.) происхождения, молекулы экстрацеллюляр-ного матрикса представляют нишу ГСК, регулируя процессы пролиферации и дифференцировки ГСК в ответ на физиологические и патофизиологические запросы [32]. Внутриклеточные факторы включают антиапоптотические белки (Bcl-2, Mcl-1), факторы транскрипции (Tel/Etv6, с-тус, HoxB4, HoxA4, HoxC4, Gfil, STAT5, NF-Ya, Hmgb3, SCL), ингибиторы клеточного цикла (p21, p27), белки семейства Polycomb group - PcG (Bmi-1, Mel18, Rae28), белки, вовлеченные в хромосомные перестройки (теломераза).
ВНЕКЛЕТОЧНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ
Wnt
Wnt-путь - сигнальный каскад, регулирующий клеточную пролиферацию и дифференцировку
как в эмбриональном периоде, так и во взрослом организме [1]. Наиболее изученным в гемопоэзе является канонический Wnt-путь [41], центральной молекулой которого является Р-катенин, регулирующий активность генов на уровне транскрипции (рис. 1). Wnt-белки связываются с рецепторами двух типов: белками семейства Frizzled и липопротеинов низкой плотности LRP-5/6 (lipoprotein receptor - relaited protein) [57].
В отсутствии Wnt-сигнала Р-катенин связан с большим мультипротеиновым "деструктивным" комплексом, включающим опухолевый супрес-сорный белок APC (adenomatosis polyposis coli), scaffold белок Axin, казеин киназу 1 (СК1) и конститутивно активный фермент GSK-3P (glycogen synthase kinase-3 beta). В этом комплексе GSK-3P вместе с СК1 фосфорилируют Р-катенин, который становится мишенью для деградации протео-сомами [7].
Инициация Wnt-пути сопровождается активацией белков Dishevelled (DVL), ингибированием GSK-3P и Axin, с образованием комплекса DVL/Axin/LRP, что влечет за собой ингибирова-ние фосфорилирования Р-катенина, предупреждая деградацию, и вызывает его стабилизацию и накопление в цитозоле. Р-катенин транслоциру-ется в ядро, где связывается с LEF/TCF факторами транскрипции. LEF/TCF белки в норме взаимодействуют с транскрипционным репрессором, блокируя экспрессию генов-мишеней. Связывание Р-катенина отменяет репрессию, позволяя LEF/TCF факторам индуцировать экспрессию генов (c-myc, c-jun, cyclin D1), которые стимулируют переход G1-S, репликацию ДНК и отмену апопто-за [17].
Р-катенин, встроенный в геном ГСК мыши, индуцирует их пролиферацию и выживание; трансплантация таких ГСК летально облученным мышам приводит к ускоренному восстановлению гемопоэза. Повышение экспрессии Axin, ингибитора активности Р-катенина, приводит к
Shh
HSC
WNT LRP5/6
Frizzled
Jagged -
Hmgb
CK1
AXIN
■ DVL
1.
GSK3ß APC
i
ß-catenin
Wnt10B Frizzled
c-myc c-jun cyclinD HoxB4 Notch1
HOX
ß-catenin LEF TCF
HoxB4 HoxB7 Notch LEF-1 JunB CDK1 p27 telome-rase
NF-Ya
Delta + м PTC-: SMO RTK
PdJV Bmi
ICN
Г
c-myc ID2 RB CDK4 CDK2 Hes E2F CDC25A
ICN MAML1 SCL
PKA
E2F CDC25 CDK2 CDK4 Cul1 ID2 RB
GLI
p16
1
J 1
p19
p15, p21 p27
CDK4\6 +
(CyclinD
CDK4\6 CyclinD
MDM2
p53
pRB pRB
N-myc
ptc glil, 2
c-myc
GLI
d
pRB E2F
p-19 Myb
cyclinE telome-rase, etc
Г
Wig1 p21 Al-6
E2F
p53
Gfi1
1
PIAS3 PIAS3
STAT3
E2F5 E2F6
Г
p21
Gfi1 STAT3
G1/S
Эритро- G1/S
поэз |
G1/S
G1/S
G1/S
G1/S арест клеточного цикла G1/S G1/S апоптоз | G0
G1/S
Рис. 1. Основные пути регуляции самоподдержания гемопоэтической стволовой клетки.
снижению пролиферации ГСК, увеличению апо-птоза ГСК in vitro и задержке восстановления ге-мопоэза in vivo. Следует также отметить, что активация Wnt-пути увеличивает экспрессию HoxB4 и Notch-1 генов, участвующих в самоподдержании ГСК [42].
Однако существуют данные, что инактивация гена Р-катенина в ГСК не ингибирует их способности к самоподдержанию и восстановлению ге-мопоэза [49]. Установлено, что экспрессия стабильной формы Р-катенина в ГСК приводит к задержке миелопоэза на стадии КОЕ-Гм, блоку эритроидной дифференцировки, нарушению лим-фопоэза, снижению репопулирующей активности ГСК. Такой блок дифференцировки объясняет накопление эритробластов, что приводит к анемии, наряду с лейкопенией и тромбоцитопе-нией [26].
Sonic hedgehog
Sonic hedgehog (Shh) - классический путь регуляции эмбриогенеза, в настоящее время рассматривается и как регулятор функциональной активности ГСК (рис. 1). Shh и его рецепторы РТС
(Patched) h SMO (7-transmembrane protein) aKcnpec-cnpyroTca b nonyna^H CD34+Lin-CD38- KneToK nenoBeKa. ^oSaBneHHe pacTBopHMbix Shh SenKOB in vitro npHBo^HT k yBenHHeHHro HHcna TCK c penony-nHpyro^en aKTHBHocrbro [3].
Ha cTBonoBMx KneTKax HepBHoH TKaHH h koxh noKa3aHo, hto peцenтop p,na nHraH^a Shh - PTC (12-transmembrane protein) He nepe^aeT BHyTpHKne-tohhmh cHrHan, ho penpeccHpyeT aKTHBHocTb SMO. nocne^oBaTenbHocTb coSmthh coctoht b PKA-ono-cpe^oBaHHoH ннaктнвaцнн ^aKTopa тpaнcкpнnцнн GLI c npeBpa^eHHeM ero b penpeccop, hto npHBo-^ht k KoHcTHTyTHBHoH ннaктнвaцнн reHoB-MHme-HeH Shh [45].
B pe3ynbTaTe cтнмynflцнн Shh cBfl3MBaeTcfl c PTC, SMO ^epenpeccHpyeTcfl c ^anbHeHmeH aKTH-вaцнeн GLI, kotopmh ннцyцнpyeт тpaнcкpнnцнro reHoB-MHmeHeH Shh (ptcl, glil, gli2). Shh cHrHan ac-coцннpyeтcfl c nponH^epaTHBHbiM oTBeToM b KneT-Kax-MHmeHflx: up-perynHpyroTcfl цнкnннм D1 h D2. KoMnneKc цнкnнн D/Cdk ^oc^opHnHpyeT 6enoK peTHHoSnacToMM (pRB). THnep^oc^opHnHpoBaH-hmh pRB He cnocoSeH HHrH0HpoBaTb тpaнcкpнnцн-ohhmh ^aKTop E2F, hto npHBo^HT k aктнвaцнн reHoB-MHmeHeH, cTHMynHpyro^Hx G1-S-nporpeccHro,
таких как циклин Е, р19. Этот эффект может быть специфически блокирован с помощью активации РКА, сильного внутриклеточного ингибитора Shh сигнала [45].
Notch
Notch является сигнальным путем, участвующим в самоподдержании ГСК и других стволовых клеток. Гены Notch-1 кодируют высококонсервативные трансмембранные гликопротеиновые рецепторы (рис. 1). Активация Notch происходит в результате связывания лигандов Jaggedl, Jagged2 или Delta (также трансмембранные белки) с рецептором Notch [56], что приводит к высвобождению внутриклеточного фрагмента Notch (ICN). ICN транслоцируется в ядро, где формируется мультимерный комплекс с транскрипционным фактором SCL (stem cell leukemia) и транскрипционным коактиватором MAML1 (mastermind-like). В результате репрессорная форма SCL трансформируется в транскрипционный активатор, что приводит к транскрипции генов-мишеней Notch, вовлеченных в процессы самоподдержания [22].
Сигнальный путь Notch высоко активен в ГСК и down-регулируется в процессе их дифференци-ровки in vitro. Ингибирование сигнала Notch в ГСК ведет к ускоренной дифференцировке in vitro и истощению ГСК in vivo. Следовательно, Notch сигнал играет важную роль в сохранении ГСК на недифференцированной стадии для последующего самоподдерживающего деления [16]. Активация Notch-1 с помощью специфических лигандов приводит к ингибированию гранулоци-тарной дифференцировки и сохранению незрелого фенотипа в клеточных линиях 32D, HL-60 и в первичных культурах клеток-предшественников мыши и человека [56]. Интересно, что активация Notch-1 задерживает гемопоэтическую диффе-ренцировку, изменяя кинетику клеточного цикла (сокращая в1-фазу) [8]. Одним из генов, который напрямую активирует Notch-1, является c-myc.
Wnt, Shh и Notch сигнальные пути участвуют в контроле самоподдержания и пролиферации ГСК, активируя транскрипцию mус. Wnt/P-кате-нин путь индуцирует с^ус со вторичной индукцией циклина D1 и down-регуляцией р21 cip 1. Shh транскрипционная программа включает в себя индукцию N-mус, которая обеспечивает экспрессию циклина D1 и E2F1, стимулируя пролиферацию [29]. Остается неясным, как взаимодействуют Notch и Wnt сигналы в процессе самоподдержания. Показано, что Wnt не может сохранять ГСК на недифференцированной стадии, когда Notch сигнал ингибирован. В дополнение к этому, стимуляция ГСК в присутствии Wnt3A приводит не только к аккумуляции Р-катенина и активации генов-мишеней Wnt, но и накоплению внутриклеточного фрагмента Notch и повышению экспрес-
сии Hesl, Dtxl, Heyl - генов-мишеней Notch. Возможно, что это параллельные пути регуляции ГСК: Wnt усиливает пролиферацию и выживание, а Notch предупреждает дифференцировку [16].
ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ ФАКТОРЫ
c-myc
Экспрессия c-myc отсутствует в покоящихся клетках и быстро индуцируется под действием ростовых факторов; при новообразовании наблюдается его непрерывная оверэкспрессия. Активация с-тус приводит к усилению активности тело-меразы и экспансии ГСК (возрастанию числа КОЕ-ГЭММ) и репопулирующей активности ГСК [14].
с-тус индуцирует молекулы-мишени E2F, CDC25A, CDK2, CDK4, Cull, Id2, Rb, и снижает экспрессию
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.