Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • TechWeek
  • Биомолтекст2020
  • vsh25

Репрограммирование клеток для регенеративной медицины (1)

Статья Anne B.C. Cherry и George Q. Daley Reprogramming Cellular Identity for Regenerative Medicine 
опубликована в журнале Cell (148, March 16, 2012).
Перевод (с сокращениями): Евгения Рябцева

Дифференцировка клеток: от ЭСК до иПСК

Несмотря на то, что процесс развития организма ведет в направлении ограничения дифференцировочных возможностей клеток, результаты недавних исследований продемонстрировали возможность трансформации клеток одного типа в другой, что открывает огромные перспективы в области биомедицинских исследований, в том числе моделирования заболеваний с помощью выделенных у пациента стволовых клеток.

В данной статье рассматриваются свидетельства в пользу того, что из-за происходящего при репрограммировании существенного устранения последствий воздействия факторов окружающей среды и эпигенетических изменений, в краткосрочной перспективе наиболее информативными являются пациентоспецифичные модели заболеваний, имеющих сильный генетический компонент с высокой степенью пенетрантности (вероятности фенотипического проявления в популяции). Обсуждаются также возможности применения новых возможностей репрограммирования клеток в биомедицине.

По мере деления зиготы и ее превращения в сложный организм клетки неизбежно дифференцируются. Экспрессия генов в рамках одного генома естественным образом изменяется под влиянием сложного комплекса факторов до тех пор, пока не будут сформированы различные ростки дифференцировки и не будет определена судьба тканей. Способность многоклеточного организма создавать разнообразные типы клеток на основе одного генома обеспечивает ему возможность адаптации и процветания в разных условиях окружающей среды. Эволюционно более ранние одноклеточные организмы лишены этой способности. Несмотря на то, что некоторые сложные организмы, такие как саламандры, могут регенерировать крупные фрагменты тела путем дедифференцировки клеток, большинство многоклеточных организмов по завершении эмбриогенеза утрачивают эту способность.

В результате эволюции клетки млекопитающих, прошедшие полный цикл естественного развития и дифференцировок и достигшие своего конечного специализированного состояния, утрачивают способность к самообновлению и неизбежно вступают в фазу физиологического старения. Мутации генов, задействованных в функционировании механизмов, обеспечивающих принадлежность клеток к определенному типу, их стабильность и физиологическое старение, повышают вероятность их озлокачествления. Например, приобретение гранулоцитарно-макрофагальными клетками-предшественниками способности к самообновлению означает их превращение в лейкемические стволовые клетки (Krivtsov et al., 2006). Патологические состояния, способствующие приобретению клетками возможности изменять свою принадлежность, могут аналогичным образом приводить к развитию разных типов рака.

В настоящее время ученые занимаются изучением механизмов, обеспечивающих трансформацию дифференцированных клеток в клетки другого типа (метаплазия) или в менее дифференцированные клетки (дисплазия). Существующие данные указывают на то, что к подобным трансформациям приводят изменения эпигенома и экспрессии генов, что, в свою очередь, обеспечивает благоприятную почву для появления мутаций, способствующих злокачественной трансформации (Kang et al., 2003; Nardone et al., 2007; Herfs et al., 2009).

Изменение принадлежности клеток в лабораторных условиях

Процесс дифференцировки клеток в процессе развития организма подробно описан при проведении исследований in vivo, однако ответы на некоторые вопросы легче получить в строго контролируемых условиях тканевой культуры in vitro.

Человеческие эмбриональные клетки (ЭК), выделяемые из внутренней клеточной массы бластоцист, впервые были успешно получены менее 15 лет назад группой ученых из университета Висконсина, работающей под руководством Томсона (Thomson et al., 1998). Уникальность этих плюрипотентных клеток заключается в их способности к неограниченному делению и сохранении способности дифференцироваться в клетки трех эмбриональных ростков. Получение этих клеток вселило в специалистов огромные надежды по поводу изучения механизмов развития организма человека и прогрессии различных заболеваний, а также возможности замещения пораженных тканей новыми.

Тканевая принадлежность клеток является отражением их эпигеномов, которые могут быть изменены в результате множества внутренних процессов, в том числе нормального развития, метаплазии и дисплазии. С ними также можно проводить эксперименты по прямой дифференцировке, трансдифференцировке и репрограммированию.

Однако эта задача исключительно сложна. Мышиные эмбриональные клетки широко используются в исследовательской работе в течение уже более чем трех десятилетий, но до сих пор попытки их превращения в функционально полноценные клетки крови, поджелудочной железы и высокоспециализированные нейроны были лишь частично успешны. Несмотря на это, биологи уверены, что эмбриональные клетки можно дифференцировать в клетки разных типов. Сложность заключается в разработке протоколов, которые обеспечили бы условия культивирования, в мельчайших деталях повторяющие условия, в которых происходит естественное развитие эмбриона.

При дифференцировке in vitro стволовые клетки индуцируют к формированию агрегатов с прогнозируемой структурой (эмбриональных телец), повторяющей организацию эмбриона. Идентифицированы также факторы роста, избирательно направляющие дифференцировку плюрипотентных клеток. Целью этих подходов является воспроизведение эпигенетических изменений, происходящих в процессе эмбриогенеза, для получения тканей, аналогичных формирующимся в результате эмбрионального развития. Исследователям удалось разработать протоколы, позволяющие превращать человеческие эмбриональные стволовые клетки в клетки многих типов, в том числе двигательные нейроны, клетки эпителия сетчатки и клетки-предшественники гемопоэза (Wichterle et al., 2002; Klimanskaya et al., 2004; Ng et al., 2005). Эти протоколы подтверждали общее мнение о том, что действие дифференцировочных факторов должно повторять естественные изменения, происходящие в ходе развития организма.

Однако эта парадигма была опровергнута в 2006 году, когда Такахаши и Яманака опубликовали результаты экспериментов, в которых им удалось «противоестественным» образом превратить зрелые мышиные фибробласты в так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК) (Takahashi and Yamanaka, 2006).

Возвращать дифференцированные клетки в эмбриональное состояние ученые умели и раньше, однако применяемый для этого метод переноса ядра соматической клетки неэффективен, трудоемок и малопонятен (Rideout et al., 2001). В основе подхода Яманака, напротив, лежит использование нескольких известных факторов, позволяющее радикально изменять принадлежность клеток. Это революционное исследование привело к перевороту в клеточной биологии и предоставило специалистам новую мощную стратегию для биомедицинских исследований и регенеративной медицины.

Плюрипотентность мышиных иПСК была подтверждена множеством тестов, в том числе анализом экспрессии генов и профилированием эпигенома, а также формированием химер и тетраплоидных эмбрионов (Okita et al., 2007; Zhao et al., 2009). Вскоре после появления первой публикации ученым многих лабораторий удалось воспроизвести результаты репрограммирования на человеческих клетках (Yu et al., 2007; Takahashi et al., 2007; Park et al., 2008b). Анализ генной экспрессии и эпигенома подтвердил, что получающиеся при этом иПСК гораздо ближе к эмбриональным стволовым клеткам, чем к клеткам ткани, из которой они были выделены (Hawkins et al., 2010; Doi et al., 2009; Kim et al., 2010; Polo et al., 2010). Это подтвердило, что трансдукция четырех факторов транскрипции (Oct4, Sox2, Klf4 и c-Myc) действительно разворачивает развитие клеток млекопитающих в обратном направлении.

Оригинальная публикация, посвященная репрограммированию иПСК, вдохновила ученых на разнообразные попытки манипулирования их дифференцировкой. Эктопическая экспрессия факторов транскрипции в настоящее время рассматривается как потенциальный метод прямого превращения (трансдифференцировки) в клетки другого типа – например, получения нейронов и кардиомиоцитов из фибробластов и инсулинпродуцирующих бета-клеток из экзокринных клеток (Zhou et al., 2008; Vierbuchen et al., 2010; Ieda et al., 2010; Efe et al., 2011). Исследователи продолжают публиковать протоколы трансформации плюрипотентных клеток в клетки различных типов, более эффективного получения стволовых клеток из соматических, а также превращения дифференцированных клеток из одного типа в другой.

Это разнообразие стало результатом радикальной смены представлений о возможностях изменения принадлежности клеток в условиях in vitro (рис. 1). Недавнее осознание пластичности клеток сделало эту область исследований одним из наиболее интересных направлений современной биологии стволовых клеток. Потенциальными областями применения иПСК являются создание моделей заболеваний, скрининг препаратов и клеточная терапия. Внедрение методов клеточной терапии в практику пока еще на горизонте, тогда как использование технологии репрограммирования для моделирования заболеваний и тестирования препаратов уже началось.


Рисунок 1. Непостоянство клеточной принадлежности в условиях in vivo и in vitro.

Изучение заболеваний человека можно проводить на разнообразных платформах, от эпидемиологии до животных моделей и клеточных культур. Все эти подходы обеспечивают получение разных типов информации и каждый из них имеет свои ограничения. Новые платформы для изучения заболеваний возникают не так часто, поэтому появление плюрипотентных стволовых клеток является очень значимым событием.

Исследователи надеются, что дифференцировка собственных иПСК пациента в клетки, ответственные за развитие конкретного заболевания, станет новым мощным инструментом, который позволит доказать существующие или сформулировать новые гипотезы об этиологии заболеваний (Maehr et al., 2009). Для заболеваний, при которых токсичность применяемых препаратов для сердца или почек является фактором, ограничивающим эффективность лечения, основанные на стволовых клетках модели позволят экспериментально оценивать и снижать ассоциированную с лечением токсичность. И, наконец, полученные из иПСК клеточные модели со специфичными для конкретных заболеваний фенотипами можно использовать для скрининга потенциальных агентов, способных воздействовать на молекулярные механизмы патогенеза заболевания in vitro и последующего тестирования на живых организмах.

Продолжение: Моделирование заболеваний in vitro

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru

15.06.2012

назад

Читать также:

Полмиллиона евро за репрограммирование клеток

Премию 2012 Technology Prize разделили Линус Торвальдс, создатель Linux, и Синья Яманака – тоже в чём-то программист :)

читать

Впервые: репрограммирование соматических клеток без промежуточных этапов

Ученым удалось превратить соматические клетки кожи мышей в мультипотентные нервные стволовые клетки, минуя стадию плюрипотентности, что значительно повышает безопасность таких клеток для клинического применения.

читать

Омолаживаем старые клетки до эмбрионального возраста

Исследователям из университета Монпелье удалось омолодить клетки глубоких стариков до состояния эмбриональных стволовых клеток. Пока, к сожалению, только «в пробирке».

читать

ИПСК: проблемы переходного возраста

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки – одна из новейших областей биологии, быстро набирающая обороты. Как и любая другая новая наука, сейчас она вступила в трудный «подростковый» период.

читать

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки: нет предела совершенству

Новый подход снижает канцерогенность индуцированных плюрипотентных стволовых клеток и повышает эффективность их получения из клеток взрослого организма. Но работа над усовершенствованием метода продолжается.

читать