УДК 576.3
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ БАРЬЕРЫ В ПРОЦЕССАХ ГЕНЕТИЧЕСКОГО РЕПРОГРАММИРОВАНИЯ И ТРАНСФОРМАЦИИ КЛЕТОК
Обзор
© 2014 И.В. Честков1*, Е.А. Хомякова1, Е.А. Васильева1, М.А. Лагарькова1,2*, С.Л. Киселев1,3
1 Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, 119991 Москва, ул. Губкина, 3; факс: +7(499)135-4326, электронная почта: ichestkov@vigg.ru 2 Научно-исследовательский институт физико-химической медицины ФМБА, 119435 Москва, ул. Малая Пироговская, 1а; факс: +7(499)246-4409, электронная почта: maryalag@yahoo.com 3 Казанский (Приволжский) федеральный университет, 420008 Казань; факс: (843)292-4448, электронная почта: public.mail@kpfu.ru
Поступила в редакцию 25.06.14
Разработка технологии генетического репрограммирования посредством эктопической экспрессии генов транскрипционных факторов, индуцирующих плюрипотентное состояние в соматических клетках, позволило не только получать стволовые клетки для каждого человека, но и расширило понимание механизмов контроля эпигенетического состояния клеток. Интересно, что некоторые молекулярные процессы, сопровождающие репрограммирование соматических клеток in vitro, характерны также и для формирования опухоли in vivo, поэтому как для трансформации, так и для индукции плюрипотентного состояния в соматической клетке существуют схожие «молекулярные барьеры», контролирующие стабильность эпигенетического состояния. Перспектива репрограммирования опухолевых клеток может быть интересна в двух аспектах: во-первых, это позволит определить вклад эпигенетических изменений при канцерогенезе; во-вторых, определить стволовые опухолевые клетки, которые, как предполагается, формируют всю клеточную массу опухоли. В обзоре обсуждаются ключевые стадии генетического репрограммирования, сходство и отличие процессов репрограммирования и опухолевой трансформации.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: генетическое репрограммирование, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, трансформация, опухоль, эпигенетика.
РАЗЛИЧНЫЕ КОМБИНАЦИИ ТРАНСКРИПЦИОННЫХ ФАКТОРОВ МОГУТ ИЗМЕНИТЬ СУДЬБУ СОМАТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ
В 2012 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине была вручена Дж. Гердону и Ш. Яма-нака за разработку технологий репрограммиро-вания соматических клеток взрослого организма до плюрипотентного состояния. Технология Гердона основывалась на том, что ооцит содержит все необходимые факторы для того чтобы геном соматической клетки, помещенный в ооцит, стал функционировать как геном эмбриональной клетки [1]. Технология Яманака заклю-
* Адресат для корреспонденции.
чалась в том, что повышенная экспрессия комбинации четырех транскрипционных факторов: Oct3/4, Sox2, ЕЖ и c-Myc в соматической клетке переводила ее в эмбриональное состояние [2]. Безусловно, обе технологии открыли новую эпоху в изучении механизмов самоподдержания и свойств плюрипотентных стволовых клеток, а также приблизили возможность применения плюрипотентных клеток в регенеративной медицине. Нельзя не отметить, что открытию комбинации транскрипционных факторов, т.н. «коктейля Яманака», в значительной мере способствовало исследование, доказывающее, что терминально дифференцированная клетка может быть конвертирована (трансдифференци-рована) в соматическую клетку другого типа ткани под действием эктопической экспрессии
1592
транскрипционных факторов. Например, экспрессия гена МуоБ достаточна для транс-дифференцировки эмбриональных фиброблас-тов мыши в миобласты [3]. Таким образом, при наличии соответствующего экспрессионного профиля соматической клетки, изменение ее эпигенетического состояния может происходить с участием минимального количества транскрипционных факторов. Например, как было сказано выше, ген MyoD является мастер-геном миобластов; экзокринные клетки поджелудочной железы мыши могут быть конвертированы в Р-клетки под действием трех генов (щп3, Pdx1 и Mafa) [4]; эктопическая экспрессия транскрипционных факторов Вгп2 (также известный как РоиЗО), Азе11 и МуШ приводит к трансдиффе-ренцировке мышиных фибробластов в зрелые нейроны [5]; наконец, повышенная экспрессия только одного тканеспецифичного гена достаточна для конвертирования клеток печени в ин-сулин-продуцирующие клетки (ген Pdx1) [6], а каллозальных нейронов — в кортикоспинальные моторные нейроны (ген Fef2) [7]. Необходимо отметить, что трансдифференцировка сомати-
ческих клеток может наблюдаться не только в условиях in vitro, но и in vivo [4, 6—7].
Принципиальным отличием перечисленных трансдифференцировок от репрограммирова-ния является то, что для трансдифференциров-ки в качестве субстрата нужен определенный тип клеток, т.е. необходимо сочетание экспрессионного профиля и эпигенетического состояния клетки, в то время как четыре фактора реп-рограммирования являются универсальными и позволяют индуцировать плюрипотентное состояние практически в любых типах соматических клеток [2, 8—12].
Использование комбинации транскрипционных факторов позволило провести «транс-дифференцировку во времени» и получить уникальный ресурс всех типов клеток каждого человека — индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК). Является ли процесс индукции плюрипотентного состояния примером направленной трансдифференцировки (рис. 1), и могут ли определенные этапы репрограмми-рования иметь место при опухолеобразовании, будет рассмотрено ниже.
Рис. 1. Эквивалентны ли процессы трансдифференцировки и репрограммирования? Для реализации процессов как в одном, так и в другом случае в клетку вводят транскрипционные факторы, которые направленно изменяют профиль экспрессии генов и индуцируют новое эпигенетическое состояние
Генетическое репрограммирование, в отличие от опухолевой трансформации, является направленным процессом. Только один компонент «коктейля Яманака» — Oct3/4 — является мастер-геном плюрипотентного состояния [13], однако, для самоподдержания и контроля эпигенетического состояния эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) необходима кооперация этого транскрипционного фактора с 8ох2 и их совместное участие в составе гетеродимерного комплекса [14]. Кроме того при регуляции экспрессии ряда генов плюрипотентного состояния данный комплекс Ое13/4^ох2 также взаимодействует с транскрипционным фактором ЕЖ [15], который, как было показано ранее, участвует в процессах регуляции клеточного цикла и пролиферации. КЖ ингибирует транскрипцию р53, что приводит к антиапоптотическому эффекту [16], однако, одновременно с этим, взаимодействие КЖ и р53 положительно регулирует экспрессию транскрипционного фактора р21С1Р1 [17].
Особый интерес представляет транскрипционный фактор е-Муе, которому в последнее время отводят роль не более чем усилителя процесса репрограммирования. Действительно, этот фактор не является обязательным для индукции плюрипотентного состояния, и репрог-раммирование может быть проведено с использованием только Ое13/4, 8ох2 и КШ, однако эффективность процесса драматически снижается [18, 19]. Хорошо известно, что с-Муе участвует в регуляции многих генов, а его повышенная экспрессия приводит к увеличению пролиферации и трансформации клеток. Этот белок принимает участие в регуляции клеточного цикла, ингибируя упомянутый ранее р21С1Р1 [20]. Таким образом, при репрограммировании общая роль транскрипционных факторов КЖ и е-Муе заключается в ингибировании сигнального пути р53—р21, что приводит к антиапоптотическому эффекту и блокированию ареста клеток в G1/S фазе. Отчасти это было подтверждено экспериментами по изучению динамики репрограмми-рования. Анализ разных стадий репрограмми-рования соматических клеток мыши привел к выводу о существовании двух фаз изменения экспрессии генов при индукции плюрипотент-ного состояния. В течение первой фазы происходит активация генов, вовлеченных в процессы пролиферации, метаболизма, организации цито-скелета клетки, и снижение экспрессии генов, связанных с развитием. Во время второй фазы активировались гены раннего эмбрионального развития и поддержания плюрипотентного состояния иПСК. Эти выводы подтверждались тремя независимыми полногеномными характеристиками клеток: профилем экспрессии коди-
рующих генов, некодирующих микроРНК и изменением модификаций гистонов, характерных для активного/неактивного хроматина. Интересно, что активация генов «первой волны» (3—6 день репрограммирования) определялась эктопической экспрессией транскрипционных факторов КЖ и с-Муе, тогда как изменение экспрессии генов в течение «второй волны» направлялось факторами Ое13/4, Sox2 и КЖ (9—12 день). Как и предполагалось, КЖ выполняет двоякую роль на пути соматической клетки к плюрипотентному состоянию. Удивительно, но уже на первых этапах репрограммирования (день 3) была определена популяция клеток, неспособных к индукции плюрипотентности при дальнейшем культивировании. Было предложено несколько возможных причин существования таких клеток: 1) неспособность пройти ме-зенхимально-эпителиальный переход; 2) аберрантная активация генов дифференцировки и генов, ассоциированных с иммунным ответом; 3) неспособность поддерживать направленное глобальное изменение экспрессии генов [21]. Таким образом, переход клеток в плюрипотент-ное состояние происходил только в течение второй фазы репрограммирования, при активации генов раннего эмбрионального развития. Становится очевидным, что процесс репрограмми-рования не является процессом обратным диф-ференцировке в ходе онтогенеза.
Наряду с термином «эпигенетика» Конрадом Уодингтоном была предложена концепция эпигенетической поверхности (эпигенетического ландшафта), по которой клетки скатываются, выполняя онтогенетическую программу [22]. Развивая его подход, можно предложить объемную модель онтогенеза в виде комбинации трех поверхностей, каждая из которых отображает дифференцировку клеток в пределах одного зародышевого листка (рис. 2, а). Под действием эктопической экспрессии КЖ и е-Муе клетка переходит в эпигенетическое состояние, равноудаленное от каждой стороны такой пирамиды или ближе к тому состоянию, которым обладала изначальная клетка. Новое эпигенетическое состояние оказывается крайне неустойчивым и не может быть охарактеризовано или сравнено с каким-либо фенотипом
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.