Гематопоэтические стволовые клетки (ГСК)

Гематопоэтические стволовые клетки (ГСК) самообновляются в течение всей жизни, но нет точного понимания молекулярных механизмов, посредством которых этот процесс происходит и регулируется. На основании опубликованных данных об экспериментах по оверэкспрессии и нокауте описываются гены, которые влияют на самообновление стволовых клеток, включая факторы транскрипции, регуляторы клеточного цикла гены, влияющие на структуру хромосом. Одна из моделей предлагает, как эти различные классы молекулярных регуляторов могут быть интегрированы, концентрируясь на роли движения по G1/S при переключении развития в сторону самообновления в противоположность дифференцировке/45/.

В течение многих лет взрослые гематопоэтические клетки рассматривались «пластичными» в их способностях к пролиферации и дифференцировке. В последнее время было сообщено о данных, которое подтверждает более новые концепции пластичности взрослых стволовых клеток. В частности, стволовые клетки из гематопоэтических тканей имеют «выдающиеся' способности генерировать или переключать развитие между гематопоэтическими и негематопоэтическими линиями, демонстрируя неожиданную степень потенциала развития или дифференцировки. Механизмы, с помощью которых репрограммируется судьба ГСК, все еще плохо понимаются.

Тем не менее, увеличивающееся количество исследований бросает вызов одной из основных догм биологии, что дифференцировка клеток млекопитающих следует установленной программе иерархическим образом, и если клетка принадлежит одной клеточной линии, она не переходит в другую соматическую линию. «Неиерархический», «обратимый» фенотип в гематопоэических тканях, если он существует, представляет собой преимущество, которое может быть использовано в регенеративной медицине/27/.

Способность поддерживать самообновление — генерацию дочерних клеток, имеющих те же регенеративные способности, как и родительская клетка — это определяющая черта ГСК. Существует сильное доказательство, что самообновление ГСК находится под внешним биологическим контролем in vivo. Ряд цитокинов, морфогенетических лигандов и ассоциированных сигнальных компонентов влияет на самобновление в культуре и in vivo.

Специфические транскрипционные факторы действуют как мощные внутренние агонисты самообновления ГСК in vitro и in vivo, когда добавляются либо трансдуцирующие сДНК или поступающие извне белки. Эти открытия дают инструменты для углубления знаний о механизме и для достижения клинически полезных уровней экспансии ГСК/38/.

Человеческие CD34+ гематопоэтические стволовые и прогениторые клетки способны к поддержанию пожизненного запаса полного спектра клеток крови в зависимости от системных нужд. Последние исследования заставляют предположить, что ГСК, кроме своего гематопоэтического потенциала, способны дифференцироваться в негематопоэтические типы, что открывает новое направление в клеточной терапии.

Иммунофлуоресцентный анализ, культуральные анализы, и трансплантационные модели позволяют дать всестороннюю имунологическую и функциональную характеристику ГСК и прогениторных клеток. Новые методы, такие как сДНК array технология продемонстрировали, что экспрессия отдельных генов транскрипционных факторов и клеточного цикла контролируют на молекулярном уровне самообновление, дифференцировку и пролиферацию. Более того, было показано, что несколько молекул адгезии играют важную роль в регуляции траффика гематопоэза и стволовых клеток. Прогресс также был сделан в определении молекулярных механизмов старения стволовых клеток, которое ограничивают репликативный потенциал/44/.

Две характеристики определяют гематопоэтические стволовые клетки: способность дифференцироваться во все гематопоэтические линии и способность поддерживать гематопоэз пожизненно за счет механизма самообновления. Механизмы, которые регулируют судьбу образующих кровь клеток in vivo, однако плохо понимаются. Несмотря на возможность культивировать гематопэтические прогениторные клетки, принадлежащие к определенным линиям, не удалось получить культуры in vitro самообновляющихся мультипотентных клеток. Что ясно, так это то, что и внутренние, и внешние сигналы регулируют судьбу ГСК и что некоторые из этих сигналов еще не были идентифицированы/48/.

Системы стволовых клеток представляют эффективный и мощный подход к развитию тканей и регенерации различных типов тканей. Общей и определяющей чертой этих исключительных клеток является способность к самообновлению и потенциал для дифференцировки во множественные зрелые типы клеток. Недавно удивительные новые наблюдения указали, что стволовые клетки, изолированные из одной взрослой ткани, могут также дать начало зрелым клеткам других клеточных линий, независимо от назначения классического зародышевого слоя.

Это открытие привело к скачку как в научном знании, так и в потенциальных приложениях стволовых клеток. Эти новые открытия противоречат центральной догме о предопределении и дифференциации стволовых и прогениторных клеток. Однако истинный потенциал соматических стволовых клеток только начинает проясняться, и эти открытия должны быть более полно определены и интегрированы в объединенную модель потенциала и поведения стволовых клеток. Анализируется потенциал развития ГСК мыши и человека после их инъекции в мышиный неимплантационный бластоцит, окружение, которое позволяет развитие всех клеточных линий.

Обсуждаются появляющиеся данные о пластичности развития ГСК и других соматических стволовых клеток, и рассматривается вопрос о том, как устанавливается клеточная память о состояниях транскрипции, и как она может потенциально участвовать в этом феномене/1/.

Хроническая миелоидная лейкемия является нарушением клонирования в плюрипотентных ГСК, признаком которой является конституционно активированный p210-тип Bcr-Abl белка тирозин-киназы. Исследования последних лет помогли нам понять молекулярные процессы, участвующие в инициации и прогрессировании хронической миелоидной лейкемии. Хотя было накоплено большое количество знаний, влияние Bcr-Abl на ГСК все еще не ясно.

Создана система дифферециации ЭСК и индуцированной тетрациклином экспрессии Bcr-Abl. Вынужденная Bcr-Abl экспрессия была достаточной для увеличения числа как многолинейных прогенаторов, так и миелоидных прогенаторов. Данная система является мощным инструментом анализа генетических изменений во время гематопоэтического развития/11/.

Две последние декады были свидетелями значительного прогресса в понимании клеточной физиологии и молекулярной регуляции гематопоэза. В основе самообновления стволовых клеток и принятия решений о выборе клеточной линии лежат относительные уровни экспрессии линия — специфичных транскрипционных факторов.

Экспрессия этих транскрипционных факторов у ранних стволовых клеток может быть разной и неустойчивой, но, в конечном счете, попадает под влияние внеклеточных регуляторных сигналов в форме гематопоэтических цитокинов. Описываются ключевые известные трнскрипционные факторы, управляющие самообновлением и определением линий стволовых клеток. В итоге возникает картина дифференцировки ГСК, в которой решения о судьбе стволовых клеток, управляющихся интегральными эффектами внутренних транскрипционных факторов и внешних сигнальных путей, инициируемыми регуляторными цитокинами/52/.

Все взрослые клетки крови происходят из небольшой популяции самообновляющихся плюипотентных ГСК. Способность к самообновлению характеризует все стволовые клетки, нормальные и неопластические. Интересно, что последние исследования заставляют предположить, что самообновление необходимо для поддержания опухолевых клеток, что подразумевает, что этот процесс имеет клиническое значение. К сожалению, молекулярные основы самообновления клеток позвоночных остаются плохо определенными.

Этот обзор сосредоточен на механизмах развития, лежащих в основе гомеостаза эмбриональных и взрослых ГСК. Конкретно, различия между генетичекими программами, регулирующими ГСК спецификацию (идентичность), самообновление (у эмбрионов и у взрослых) и дифференциацию будут обсуждены со специальным акцентом на регуляторах транскрипции и хроматина/24/.

Представлена контролируемая компьютером цейтраферная система для изображения культивируемых гематопоэтических клеток, меченных для экспрессии различных флуоресцирующих белков.

Во-первых, описаны эксперименты по оптимизации визуализации трех вариантов зеленых флуоресцирующих белков (циан-, зеленый и желтый усовершенствованный флуоресцентный белок) и красный флуоресцентный белок (DsRed) с помощью стандартной с широкой областью регистрации флуоресцентной микроскопии.

Во-вторых, описаны процедуры для лучшего распознавания комбинаций клеток, экспрессирующих эти белки, с использованием семи коммерчески доступных комплектов фильтров, основанные на относительных интенсивностях флуоресценции индивидуальных флуоресцентных белков. Даны рекомендации о том, какие из этих фильтров выбирать при работе со специфическими флуоресцентными белками /43/.

Существуют большие генетически детерминированные количественные вариации в числе и функции гематопоэтических стволовых клеток в инбредных линиях мышей. Более того, старение гематопоэтических клеток генетически детерминировано. Генная идентификация в характерных локусах (местоположениях), участвующих в регуляции и старении гематопоэтических стволовых клеток обеспечит новые инсайты в регуляторные механизмы, которые имеют значение in vivo и могут быть клинически важны. Описаны стратегии для картирования и идентификации генов характерных локусов, которые участвуют в регуляцию гематопоэтических стволовых клеток/42/.

Таким образом, главными проблемами молекуоярной биологии ГСК, как и ЭСК, являются механизмы самообновления и дифференцировки. Особый интерес вызывает свойство ГСК давать как гематопоэтические, так и негематопоэтические линии. В клинике, конечно, наиболее перспективно применение стволовых клеток, имеющих генотип, идентичный генотипу реципиента. Таковыми могут быть либо ЭСК, полученные клонированием с мспользованием ядер соматических клеток реципиента, либо, если говорить о стволовых клетках самого реципиента, прежде всего ГСК.