Генная регуляция поддержания популяции стволовых клеток в организме

Генная регуляция поддержания популяции стволовых клеток в организме млекопитающих Выполнила: студентка группы БГ-41 Хазеева Альфия

Тотипотентные клетки – клетки, способные давать во время дифференцировки все возможные клеточные производные, из которых состоит организм. Клетки, обладающие свойством тотипотентности, также участвуют в формировании экстраэмбриональных органов и тканей, например, плаценты. У млекопитающих тотипотентными являются только зигота и бластомеры во время первых делений дробления.

Плюрипотентные клетки – клетки, способные производить во время дифференцировки производные трех примитивных зародышевых листков: эктодермы, энтодермы и мезодермы. В онтогенезе из плюрипотентных клеток может полностью сформироваться тело взрослого организма. Однако эти клетки не способны дать начало экстраэмбриональным органам и тканям. Плюрипотентными являются клетки внутренней клеточной массы и эпибласта эмбрионов млекопитающих, а также их производные – культивируемые in vitro эмбриональные стволовые клетки. Кроме того, плюрипотентными являются эмбриональные герминальные клетки – производные предшественников гамет, и эпибластные стволовые клетки, получаемые из эпибласта постимплантационных эмбрионов мыши.

Мультипотентные клетки – это региональные стволовые клетки (стволовые клетки взрослого организма, находящиеся среди дифференцированных клеток различных тканей), которые способны дифференцироваться в несколько типов клеток. Пример клеток такого типа – гематопоэтические стволовые клетки, дающие во время дифференцировки клетки крови.

Унипотентные клетки – это клетки, являющиеся предшественниками только лишь одного типа клеток. Например, сперматогониальные стволовые клетки – предшественники мужских гамет.

Система действия «внешних» и «внутренних регуляторов плюрипотентности» ЭСК человека. Темными кругами показаны сигнальные молекулы, синими столбиками рецепторы на плазматической мембране клетки. Серыми, красными и зелеными овалами показаны молекулы, участвующие в передаче сигнала от рецепторов в ядро клетки и в регуляции экспрессии генов в ядре клетки совместно с транскрипционными факторами OCT 4, SOX 2 и NANOG. Стрелками показано активирующее действие факторов, линиями с тупыми окончаниями – подавляющее действие, а также активность SMAD 1/5/8, вызывающая дифференцировку ЭСК человека.

Ключевыми регуляторами плюрипотентности, по мнению многих исследователей, считаются Oct 4, Nanog и Sox 2 Oct-4 (octamer-binding transcription factor 4) NANOG — North American Network Operators Group Sox 2 (SRY-related HMG box) HMG (high mobility group)

Белок Oct 4 относится к V классу POU (PIT, OCT, UNC), семейства транскрипционных факторов. POU-домен состоит из двух структурно независимых субдоменов: POU- специфического (N- концевой, состоящий из 75 а. о. ) и POUгомеодомена (C-концевой, 60 а. о. ). Оба субдомена соединены между собой вариабельным по длине подвижным линкером. Ген Oct 4 человека локализован в пределах главного комплекса гистосовместимости, и имеет три альтернативных варианта сплайсинга: Oct 4 A, Oct 4 B и Oct 4 B 1, которые кодируют четыре изоформы белка - Oct 4 A, Oct 4 B-190, Oct 4 B-265 и Oct 4 B-164. Белок, кодируемый изоформой Oct 4 A, локализуется в ядре клетки и принимает участие в регуляции транскрипции генов, в то же время белок Oct 4 B локализуется в цитоплазме клеток и не способен поддерживать плюрипотентность. Oct 4 регулирует экспрессию тканеспецифических генов, взаимодействуя с другими факторами, а именно - c FGF-4 (fibroblast growth factor-4), специфичным для ЭСК, Sox 2 (high mobility group box protein Sox 2).

Белок Nanog относится к транскрипционным факторам, содержащим гомеодомен, и наиболее близок по аминокислотной последовательности и структуре к белкам семейства NK 2. Экспрессия гена Nanog характерна для плюрипотентных клеток предымплантационных эмбрионов (ВКМ и эпибласта) и ЭСК мыши и человека. Подавление экспрессии Nanog в ЭСК человека вызывает дифференцировку, сопровождающуюся повышением экспрессии маркеров энтодермы (GATA 4, GATA 6, LAMININ B 1, AFP) и трофэктодермы (CDX 2, GATA 2, h. CG -α и h. CG -β).

Транскрипционный фактор Sox 2 (SRY-related HMG box) содержит ДНКсвязывающий HMG (high mobility group)-домен. Экспрессия SOX 2, как и Oct 4, характерна для клеток ВКМ, эпибласта и герминальных клеток эмбриона. Нормальная экспрессия гена Sox 2 необходима для поддержания самообновления ЭСК мыши и человека. Подавление и сверхэкспрессия SOX 2 вызывают трофэктодермальную дифференцировку ЭСК человека.

В ЭСК человека транскрипционные факторы Oct 4, Nanog и Sox 2 совместно регулируют 353 гена, при этом они могут выступать и как активаторы, и как репрессоры транскрипции. Было показано, что сайты посадки транскрипционных факторов Oct 4, Nanog и Sox 2 ассоциированы с генами, кодирующими микро. РНК. В ЭСК человека сайты связывания транскрипционных факторов Oct 4, Nanog и Sox 2 обнаружены в промоторах 14 генов микро. РНК, причем в промоторах двух генов mir-137 и mir-301 они присутствуют совместно

Эпигенетическая регуляция включает в себя ковалентные модификации гистонов (белков, образующих нуклеосомы) и метилирование ДНК промоторных областей генов. Основными компонентами системы эпигенетической регуляции ЭСК являются белки группы Polycomb (Pc. G). Pc. G образуют два независимых комплекса: PRC 1 (Polycomb repressive complex) и PRC 2. Мишенями для PRC являются множество генов, участвующих в дифференцировке и эмбриональном развитии.

Гены микро. РНК, ассоциированные с транскрипционными факторами OCT 4, SOX 2, NANOG и TCF 3 (показаны стрелками), также совместно регулируемые данными факторами и PRC 1 (SUZ 12) в эмбриональных стволовых клетках мыши и человека

Молекулярные каскады, запускаемые LIF, интегрированы в подсистему внутренних регуляторов плюрипотентности, в которую входят гены Oct 4, Sox 2 и Nanog. Эта интеграция происходит благодаря двум параллельным путям: JAK-STAT 3 и сигнальному пути, опосредованному фосфатидилинозитол-3 -OH-киназой (PI(3)K) Взаимодействие транскрипционных факторов и сигнальных путей, запускаемых LIF в эмбриональных стволовых клетках мыши

Система действия «внешних» и «внутренних регуляторов плюрипотентности» ЭСК человека. Темными кругами показаны сигнальные молекулы, синими столбиками рецепторы на плазматической мембране клетки. Серыми, красными и зелеными овалами показаны молекулы, участвующие в передаче сигнала от рецепторов в ядро клетки и в регуляции экспрессии генов в ядре клетки совместно с транскрипционными факторами OCT 4, SOX 2 и NANOG. Стрелками показано активирующее действие факторов, линиями с тупыми окончаниями – подавляющее действие, а также активность SMAD 1/5/8, вызывающая дифференцировку ЭСК человека.