Генетика стволовых клеток

Ремоделирование хроматина

Биология стволовых клеток было в последнее время качественно изменилась. Дифференциация стволовых клеток (гемопоэтических и негемопоэтических) рассматривалась иерархичной по природе, но последние данные заставляют предположить, что не существует иерархии клетка-прогенитор/стволовая клетка, но скорее обратимый континуум. Фенотип стволовых клеток (гемопоэтический и негемопоэтический), общая способность к дифференцировке (гемопоэтической и негемопоэтической), экспрессия генов, так же, как другие функциональные характеристики (хоуминг, экспрессия рецепторов и молекул адгезии) варьируют в течение клеточного цикла весьма широко. Это представляется зависимым от изменений в хроматине и экспресии генов по мере прохождения клеточного цикла. Опубликованные данные по ДНК метилированию, ацетилированию гистонов и также и РНК, главных регуляторов активности генов, сочетаются очень хорошо и дают объяснение этих главных событий биологии стволовых клеток. Эти черты стволовых клеток, упомянутые выше, довольно трудно понять с точки зрения классической иерархической биологии, но они становятся понятными, когда проводится корреляция с лежащими в их основе эпигенетическими изменениями. Происходит вступление в новую эру биологии стволовых клеток - эру “хроматиномики” /11/.

Таким образом, основные события в биологии стволовых клеток связаны с изменениями в хроматине. Возникла новая наука - хроматиномика.

Самообновление стволовых клеток

Гематопоэтичесие стволовые клети самообновляются в течение всей жизни, но нет точного понимания молекулярных механизмов этого процесса и его регуляции. На основании исследований об оверэкспрессии и нокаута, были описаны гены, влияющие на самообновление стволовых клеток, включая транскрипционные факторы, регуляторы клеточного цикла и гены, влияющие на структуру хромосом. Представлена модель, в которой эти отдельные классы молекулярных регуляторов интегрированы. Она сфокусирована на роли G1/S последовательности в развитии переключений по направлению самовозобновления стволовых клеток против дифференцировки. Экспериментальное изучение этой модели и других родственных гипотез может повести к более полному описанию самовозобновления гемопоэтических клеток и его регуляции, как в нормальных физиологических процессах, так и при прикладных терапиях /56/.

Способность к поддержанию и самовосстановлению - генерации дочерних клеток, имеющих такие же регенеративные свойства, как и родительские клетки - является определяющей чертой гемопоэтических стволовых клеток (ГСК). Существует убедительные доказательства того, что самообновление находится под внешним биологическим контролем in vivo. Разнообразные цитокины, морфогенетические лиганды и ассоциированные сигнальные компоненты влияют на самообновление в культуре и in vivo. Специфические транскрипционные факторы действуют, как сильные внешние агонисты самообновления ГСК in vitro и in vivo, когда на них действуют либо трансдуцированные ДНК, либо введенные извне белки. Эти открытия углубляют знание механизмов и пригодны для расширения достижений клинически полезных уровней ГСК /49/.

Все зрелые клетки крови происходят из небольшой популяции самообновлящихся плюрипотентных гемопоэтических стволовых клеток. Способность к самообновлению характеризует все стволовые клетки, как нормальные, так и неопластические. Интересно, что согласно новейшим исследованиям самообновления важно для поддержания существования опухолевых клеток, что предполагает значение этого процесса для терапии. К сожалению, молекулярные основы самообновления у клеток позвоночных пока еще слабо определены /31/.

Таким образом, существуют гены, влияющие на самообновление стволовых клеток, включая транскрипционные факторы, регуляторы клеточного цикла и гены, влияющие на структуру хромосом. Разнообразные цитокины, морфогенетические лиганды и ассоциированные сигнальные компоненты влияют на самообновление в культуре и in vivo

Дифференцировка стволовых клеток

Относительный состав оснований ДНК регуляторных последовательностей недетерминированных полипотентных родоначальных клеток может иметь значение для частоты транскрипции этих генов при клеточной дифференцировке. Последовательности этих регуляторных областей генов клеточной детерминации, которые обогащены А-Т, создают потенциал для транскрипции из-за их более низко температуры плавления и склонности к связыванию. Одна или несколько групп высокой мобильности хроматиновых белков преимущественно связываются с богатыми АТ регуляторными последовательностями, что приводит к увеличению уровня транскрипции. Нефосфорилированные гистоны, реагирующие с теми же регуляторными сайтами, могут увеличивать частоту транскрипции. Уровень клеточного роста, т.е. суммарный белковый синтез клетки позитивно коррелирует с синтезом белков хроматина высокой мобильности. Синтез гистонов H1 связан с репликацией ДНК. Несбалнсированный рост изменяет количество белков высокой мобильности и H1 гистонов, таким образом, изменяя уровень транскрипции. Чем больше обогащение АТ последовательностями регуляторных областей генов клеточной детерминации, тем в большей степени АТ - обогащенные регуляторные последовательности ответственны за раннюю экспрессию генов клеточной детерминации в течение эмбрионального развития. Преимущественное связывание H1 гистонов с более АТ - обогащенными регуляторными последовательностями ограничивает их транскрипцию по сравнению с генами клеточной детерминации /20/.