Różnicowanie komórkowe - Cellular differentiation

Różnicowanie komórek macierzystych w różne typy tkanek.
Rozkład liczby komórek obejmujący różnicowanie komórek dla trzech typów komórek (progenitorowych , osteoblastów i chondrocytów ) narażonych na bodziec proosteoblastyczny.

Różnicowanie komórkowe to proces, w którym komórka zmienia się z jednego typu komórki na inny. Zwykle komórka zmienia się na bardziej wyspecjalizowany typ. Różnicowanie zachodzi wielokrotnie podczas rozwoju organizmu wielokomórkowego, gdy zmienia się on z prostej zygoty w złożony układ tkanek i typów komórek. Różnicowanie trwa w wieku dorosłym, ponieważ dorosłe komórki macierzyste dzielą się i tworzą w pełni zróżnicowane komórki potomne podczas naprawy tkanek i podczas normalnego obrotu komórkowego. Pewne zróżnicowanie następuje w odpowiedzi na ekspozycję na antygen . Różnicowanie radykalnie zmienia rozmiar, kształt, potencjał błony komórkowej , aktywność metaboliczną i reakcję na sygnały. Zmiany te są w dużej mierze spowodowane wysoce kontrolowanymi modyfikacjami ekspresji genów i są badaniem epigenetyki . Z kilkoma wyjątkami różnicowanie komórek prawie nigdy nie wiąże się ze zmianą samej sekwencji DNA . Chociaż skład metaboliczny zmienia się dość dramatycznie, komórki macierzyste charakteryzują się dużą ilością metabolitów o wysoce nienasyconych strukturach, których poziomy zmniejszają się po różnicowaniu. Tak więc różne komórki mogą mieć bardzo różne cechy fizyczne, mimo że mają ten sam genom .

W niektórych tkankach, na przykład w układzie nerwowym kręgowców, mięśniach prążkowanych, naskórku i jelitach, istotny jest wyspecjalizowany typ różnicowania, znany jako różnicowanie końcowe . Podczas końcowego różnicowania komórka prekursorowa, która wcześniej była zdolna do podziału komórkowego, na stałe opuszcza cykl komórkowy, rozmontowuje maszynerię cyklu komórkowego i często wyraża szereg genów charakterystycznych dla ostatecznej funkcji komórki (np. miozyna i aktyna dla komórki mięśniowej). Różnicowanie może nadal występować po różnicowaniu końcowym, jeśli pojemność i funkcje komórki ulegną dalszym zmianom.

Wśród dzielących się komórek istnieje wiele poziomów siły działania komórki , czyli zdolności komórki do różnicowania się w inne typy komórek. Większa siła działania wskazuje na większą liczbę typów komórek, które można wyprowadzić. Komórka, która może różnicować się we wszystkie typy komórek, w tym tkankę łożyska, jest znana jako totipotencjalna . U ssaków tylko zygota i kolejne blastomery są totipotencjalne, podczas gdy u roślin wiele zróżnicowanych komórek może stać się totipotencjalnymi za pomocą prostych technik laboratoryjnych. Komórka, która może różnicować się we wszystkie typy komórek dorosłego organizmu, jest znana jako pluripotencjalna . Takie komórki nazywane są komórkami merystematycznymi w roślinach wyższych i embrionalnymi komórkami macierzystymi u zwierząt, chociaż niektóre grupy zgłaszają obecność dorosłych komórek pluripotencjalnych. Indukowana przez wirusy ekspresja czterech czynników transkrypcyjnych Oct4 , Sox2 , c-Myc i Klf4 ( czynniki Yamanaka ) jest wystarczająca do wytworzenia komórek pluripotencjalnych (iPS) z dorosłych fibroblastów . Komórka multipotencjalna to taka, która może różnicować się na wiele różnych, ale blisko spokrewnionych typów komórek. Komórki oligopotencjalne są bardziej ograniczone niż multipotencjalne, ale nadal mogą różnicować się w kilka blisko spokrewnionych typów komórek. Wreszcie komórki unipotencjalne mogą różnicować się tylko w jeden typ komórek, ale są zdolne do samoodnowy. W cytopatologii poziom zróżnicowania komórkowego jest wykorzystywany jako miara progresji nowotworu . „ Stosunek ” jest wskaźnikiem stopnia zróżnicowania komórki w guzie.

Typy komórek ssaków

Trzy podstawowe kategorie komórek ssaków tworzą ciało: komórki zarodkowe , komórki somatyczne i komórki macierzyste . Każdy z około 37200000000000 (3.72x10 13 ) komórek, w przypadku dorosłego człowieka ma swoją własną kopię lub kopii genomu wyjątkiem pewnych typów komórek, takich jak czerwone ciałka krwi , które nie posiadają jądra w ich w pełni zróżnicowanych stanu. Większość komórek jest diploidalna ; mają dwie kopie każdego chromosomu . Takie komórki, zwane komórkami somatycznymi, stanowią większość ludzkiego ciała, takie jak komórki skóry i mięśni. Komórki różnicują się, aby specjalizować się w różnych funkcjach.

Komórki linii zarodkowej to dowolna linia komórek, z której powstają gamety – jaja i plemniki – a zatem są ciągłe przez pokolenia. Z drugiej strony komórki macierzyste mają zdolność dzielenia się przez nieokreślony czas i tworzenia wyspecjalizowanych komórek. Najlepiej opisuje się je w kontekście normalnego rozwoju człowieka.

Rozwój zaczyna się, gdy plemnik zapładnia komórkę jajową i tworzy pojedynczą komórkę, która ma potencjał do uformowania całego organizmu. W pierwszych godzinach po zapłodnieniu komórka ta dzieli się na identyczne komórki. U ludzi, około cztery dni po zapłodnieniu i po kilku cyklach podziału komórki, komórki te zaczynają się specjalizować, tworząc pustą kulę komórek, zwaną blastocystą . Blastocysta ma zewnętrzną warstwę komórek, a wewnątrz tej pustej kuli znajduje się skupisko komórek zwane wewnętrzną masą komórkową . Komórki wewnętrznej masy komórkowej tworzą praktycznie wszystkie tkanki ludzkiego ciała. Chociaż komórki wewnętrznej masy komórkowej mogą tworzyć praktycznie każdy rodzaj komórki znajdującej się w ludzkim ciele, nie mogą tworzyć organizmu. Komórki te określane są jako pluripotencjalne .

Pluripotencjalne komórki macierzyste ulegają dalszej specjalizacji w multipotencjalne komórki progenitorowe, które następnie dają początek funkcjonalnym komórkom. Przykłady komórek macierzystych i progenitorowych obejmują:

Szlak, który jest prowadzony przez cząsteczki adhezyjne komórek składające się z czterech aminokwasów, argininy , glicyny , asparaginy i seryny , powstaje, gdy blastomer komórkowy różnicuje się z jednowarstwowej blastuli do trzech podstawowych warstw komórek rozrodczych ssaków, a mianowicie ektodermy , mezodermy i endodermy (wymienione od najbardziej odległym (zewnętrzną) na bliższym (Wewnętrzna)). Ektoderma ostatecznie tworzy skórę i układ nerwowy, mezoderma tworzy kości i tkankę mięśniową, a endoderma tworzy tkanki narządów wewnętrznych.

Odróżnicowanie

Mikrograf przedstawiający tłuszczakomięsaka z pewnym odróżnicowaniem, którego nie można zidentyfikować jako tłuszczakomięsaka (lewa krawędź obrazu) i komponentu zróżnicowanego (z lipoblastami i zwiększonym unaczynieniem (po prawej stronie)). W pełni zróżnicowana (morfologicznie łagodna) tkanka tłuszczowa (w środku obrazu) ma niewiele naczyń krwionośnych. Bejca H&E .

Odróżnicowanie lub integracja jest procesem komórkowym często obserwowanym w bardziej podstawowych formach życia, takich jak robaki i płazy, w których częściowo lub ostatecznie zróżnicowana komórka powraca do wcześniejszego etapu rozwoju, zwykle jako część procesu regeneracyjnego . Odróżnicowanie występuje również w roślinach. Komórki w kulturze komórkowej mogą utracić właściwości, które pierwotnie miały, takie jak ekspresja białka lub zmienić kształt. Ten proces jest również określany jako odróżnicowanie.

Niektórzy uważają, że odróżnicowanie jest aberracją normalnego cyklu rozwojowego, która prowadzi do raka , podczas gdy inni uważają, że jest to naturalna część odpowiedzi immunologicznej utraconej przez ludzi w pewnym momencie w wyniku ewolucji.

Odkryto małą cząsteczkę zwaną rewersyną , analog puryn , która, jak udowodniono, indukuje odróżnicowanie w miotubulach . Te odróżnicowane komórki mogą następnie ponownie różnicować się w osteoblasty i adipocyty .

Schemat przedstawiający kilka metod stosowanych do przywracania dorosłych komórek somatycznych do totipotencji lub pluripotencji.

Mechanizmy

Mechanizmy różnicowania komórek.

Każdy wyspecjalizowany typ komórki w organizmie wyraża się podzbiór wszystkich genów tworzących genom z tym, że gatunek . Każdy typ komórki jest zdefiniowany przez swój szczególny wzór regulowanej ekspresji genów . Różnicowanie komórek jest zatem przejściem komórki z jednego typu komórki do drugiego i obejmuje przełączenie z jednego wzorca ekspresji genów na inny. Różnicowanie komórkowe podczas rozwoju można rozumieć jako wynik sieci regulacyjnej genów . Gen regulatorowy i jego moduły regulatorowe cis są węzłami w sieci regulatorowej genów; odbierają dane wejściowe i tworzą dane wyjściowe w innym miejscu sieci. Biologia systemów podejście do biologii rozwojowej podkreśla znaczenie bada w jaki sposób mechanizmy rozwojowe współdziałają w celu wytworzenia przewidywalne wzory ( morfogenezy ). Jednak ostatnio zaproponowano alternatywny pogląd. W oparciu o stochastyczną ekspresję genów różnicowanie komórek jest wynikiem darwinowskiego procesu selektywnego zachodzącego między komórkami. W tym ujęciu sieci białkowe i genowe są wynikiem procesów komórkowych, a nie ich przyczyną.

Przegląd głównych szlaków transdukcji sygnału.

Podczas ewolucyjnie zakonserwowanych procesy molekularne zaangażowane w mechanizmy komórkowe leżące u podstaw tych przełączników w zwierzęcych Gatunki te różnią się od dobrze scharakteryzowanych genów mechanizmów regulacyjnych z bakterii , a nawet od tych najbliżej zwierzęcia jednokomórkowych krewnych . W szczególności różnicowanie komórek u zwierząt w dużym stopniu zależy od biomolekularnych kondensatów białek regulatorowych i sekwencji wzmacniających DNA.

Różnicowanie komórkowe jest często kontrolowane przez sygnalizację komórkową . Wiele cząsteczek sygnałowych, które przenoszą informacje z komórki do komórki podczas kontroli różnicowania komórkowego, nazywa się czynnikami wzrostu . Chociaż szczegóły poszczególnych szlaków przekazywania sygnału są różne, szlaki te często dzielą następujące ogólne etapy. Ligand wytwarzany przez jedną komórkę wiąże się z receptorem w regionie zewnątrzkomórkowym innej komórki, indukując zmianę konformacyjną receptora. Zmienia się kształt domeny cytoplazmatycznej receptora, a receptor nabiera aktywności enzymatycznej. Receptor następnie katalizuje reakcje fosforylujące inne białka, aktywując je. Kaskada reakcji fosforylacji ostatecznie aktywuje uśpiony czynnik transkrypcyjny lub białko cytoszkieletu, przyczyniając się w ten sposób do procesu różnicowania w komórce docelowej. Komórki i tkanki mogą różnić się kompetencjami, zdolnością reagowania na sygnały zewnętrzne.

Indukcja sygnału odnosi się do kaskad zdarzeń sygnalizacyjnych , podczas których komórka lub tkanka wysyła sygnały do ​​innej komórki lub tkanki, aby wpłynąć na jej los rozwojowy. Yamamoto i Jeffery zbadali rolę soczewki w tworzeniu oka u ryb zamieszkujących jaskinie i na powierzchni, co jest uderzającym przykładem indukcji. Dzięki wzajemnym przeszczepom Yamamoto i Jeffery odkryli, że pęcherzyk soczewkowy ryb powierzchniowych może wywołać rozwój innych części oka u ryb jaskiniowych i powierzchniowych, podczas gdy pęcherzyk soczewkowy ryb zamieszkujących jaskinie nie.

Inne ważne mechanizmy należą do kategorii asymetrycznych podziałów komórkowych , podziałów, które dają początek komórkom potomnym o odrębnych losach rozwojowych. Asymetryczne podziały komórek mogą wystąpić z powodu asymetrycznej ekspresji matczynych determinant cytoplazmatycznych lub z powodu sygnalizacji. W poprzednim mechanizmie podczas cytokinezy powstają odrębne komórki potomne z powodu nierównomiernego rozmieszczenia cząsteczek regulatorowych w komórce macierzystej; odrębna cytoplazma, którą dziedziczy każda komórka potomna, skutkuje odrębnym wzorem różnicowania dla każdej komórki potomnej. Dobrze zbadanym przykładem tworzenia wzorców przez asymetryczne podziały jest wzorcowanie osi ciała u Drosophila . Cząsteczki RNA są ważnym rodzajem sygnału sterującego różnicowaniem wewnątrzkomórkowym. Molekularne i genetyczne podstawy asymetrycznych podziałów komórek badano również w zielonych algach z rodzaju Volvox , systemie modelowym do badania, w jaki sposób organizmy jednokomórkowe mogą ewoluować w organizmy wielokomórkowe. W Volvox carteri 16 komórek w przedniej półkuli 32-komórkowego zarodka dzieli się asymetrycznie, z których każda wytwarza jedną dużą i jedną małą komórkę potomną. Wielkość komórki na końcu wszystkich podziałów komórkowych określa, czy stanie się ona wyspecjalizowaną komórką zarodkową, czy somatyczną.

Kontrola epigenetyczna

Ponieważ każda komórka, niezależnie od typu, posiada ten sam genom , określenie typu komórki musi nastąpić na poziomie ekspresji genów . Chociaż regulacja ekspresji genów może zachodzić poprzez elementy cis- i trans-regulatorowe, w tym promotor i wzmacniacze genu , pojawia się problem, w jaki sposób ten wzorzec ekspresji jest utrzymywany przez wiele pokoleń podziałów komórkowych . Jak się okazuje, procesy epigenetyczne odgrywają kluczową rolę w regulowaniu decyzji o przyjęciu losu komórki macierzystej, progenitorowej lub dojrzałej. Ta sekcja skupi się przede wszystkim na komórkach macierzystych ssaków .

W biologii systemów i matematycznym modelowaniu sieci regulatorowych genów przewiduje się, że determinacja losu komórki będzie wykazywać pewną dynamikę, taką jak zbieżność atraktora (atraktorem może być punkt równowagi, cykl graniczny lub dziwny atraktor ) lub oscylacja.

Znaczenie kontroli epigenetycznej

Pierwszym pytaniem, jakie można zadać, jest zakres i złożoność roli procesów epigenetycznych w określaniu losu komórki. Jednoznaczną odpowiedź na to pytanie można znaleźć w artykule z 2011 roku Listera R i in. o nieprawidłowym programowaniu epigenomicznym w ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórkach macierzystych . Ponieważ uważa się, że indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC) naśladują embrionalne komórki macierzyste pod względem pluripotencjalnych właściwości, powinno istnieć między nimi niewiele różnic epigenetycznych. Aby przetestować tę prognozę, autorzy przeprowadzili profilowanie całego genomu wzorców metylacji DNA w kilku ludzkich embrionalnych komórkach macierzystych (ESC), iPSC i liniach komórek progenitorowych.

Żeńskie komórki tłuszczowe , fibroblasty płuc i fibroblasty napletka zostały przeprogramowane do indukowanego stanu pluripotencjalnego za pomocą genów OCT4 , SOX2 , KLF4 i MYC . Porównano wzorce metylacji DNA w ESC, iPSC, komórkach somatycznych. Lister R i in. zaobserwowali znaczące podobieństwo w poziomach metylacji między komórkami embrionalnymi i indukowanymi pluripotencjalnymi. Około 80% dinukleotydów CG w ESC i iPSC było zmetylowanych, to samo dotyczyło tylko 60% dinukleotydów CG w komórkach somatycznych. Ponadto komórki somatyczne wykazywały minimalny poziom metylacji cytozyny w dinukleotydach innych niż CG, podczas gdy indukowane komórki pluripotencjalne wykazywały podobny poziom metylacji jak embrionalne komórki macierzyste, między 0,5 a 1,5%. Tak więc, zgodnie z ich odpowiednimi aktywnościami transkrypcyjnymi, wzorce metylacji DNA, przynajmniej na poziomie genomowym, są podobne w ESC i iPSC.

Jednak po dokładniejszym zbadaniu wzorców metylacji autorzy odkryli 1175 regionów zróżnicowanej metylacji dinukleotydu CG między co najmniej jedną linią komórkową ES lub iPS. Porównując te regiony o zróżnicowanej metylacji z regionami metylacji cytozyny w pierwotnych komórkach somatycznych, 44-49% regionów o zróżnicowanej metylacji odzwierciedlało wzorce metylacji odpowiednich progenitorowych komórek somatycznych, podczas gdy 51-56% tych regionów było niepodobnych do obu komórek progenitorowych. i embrionalne linie komórkowe. Indukowane in vitro różnicowanie linii iPSC spowodowało transmisję odpowiednio 88% i 46% obszarów o zróżnicowanej metylacji hiper i hipometylowanych.

Z tego badania łatwo wynikają dwa wnioski. Po pierwsze, procesy epigenetyczne są silnie zaangażowane w określanie losu komórki, co widać na podstawie podobnych poziomów metylacji cytozyny między indukowanymi pluripotencjalnymi i embrionalnymi komórkami macierzystymi, zgodnie z ich odpowiednimi wzorcami transkrypcji . Po drugie, mechanizmy przeprogramowania (a co za tym idzie, różnicowania) są bardzo złożone i nie da się ich łatwo powielić, co widać po znacznej liczbie różnie zmetylowanych regionów między liniami komórkowymi ES i iPS. Teraz, gdy te dwa punkty zostały ustalone, możemy zbadać niektóre z mechanizmów epigenetycznych, które uważa się za regulujące różnicowanie komórkowe.

Mechanizmy regulacji epigenetycznej

Czynniki pionierskie (Oct4, Sox2, Nanog)

Trzy czynniki transkrypcyjne, OCT4, SOX2 i NANOG – z których dwa pierwsze są wykorzystywane w indukowanym przeprogramowaniu pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC), wraz z Klf4 i c-Myc – są silnie wyrażane w niezróżnicowanych embrionalnych komórkach macierzystych i są niezbędne do utrzymania ich pluripotencji . Uważa się, że osiągają to poprzez zmiany w strukturze chromatyny , takie jak modyfikacja histonów i metylacja DNA, aby ograniczyć lub umożliwić transkrypcję genów docelowych. Mimo wysokiej ekspresji, ich poziomy wymagają precyzyjnej równowagi, aby utrzymać pluripotencję, której zaburzenia będą sprzyjać różnicowaniu w kierunku różnych linii w oparciu o zmiany poziomów ekspresji genów. Wykazano , że różnicowa regulacja poziomów Oct-4 i SOX2 poprzedza wybór losu listka zarodkowego. Zwiększone poziomy Oct4 i obniżone poziomy Sox2 promują los mezendodermalny , przy czym Oct4 aktywnie tłumi geny związane z nerwowym losem ektodermalnym . Podobnie, zwiększone poziomy Sox2 i obniżone poziomy Oct4 sprzyjają różnicowaniu w kierunku nerwowego losu ektodermalnego, przy czym Sox2 hamuje różnicowanie w kierunku mezendodermalnego losu. Niezależnie od stopnia różnicowania się komórek linii, supresja NANOG została zidentyfikowana jako niezbędny warunek wstępny różnicowania.

Kompleks represyjny Polycomb (PRC2)

W dziedzinie wyciszania genów , Polycomb represyjnych kompleks 2 , jeden z dwóch klas grupa Polycomb (PCG) rodziny białek katalizuje di- i tri-metylowanie lizyny histonów H3 27 (H3K27me2 / me3). Wiążąc się z nukleosomem znakowanym H3K27me2/3, PRC1 (również kompleks białek z rodziny PcG) katalizuje monoubikwitylację histonu H2A przy lizynie 119 (H2AK119Ub1), blokując aktywność polimerazy RNA II i powodując supresję transkrypcji. Komórki ES z nokautem PcG nie różnicują się wydajnie do trzech listków zarodkowych, a delecja genów PRC1 i PRC2 prowadzi do zwiększonej ekspresji genów powiązanych z rodowodem i nieplanowego różnicowania. Przypuszczalnie kompleksy PcG są odpowiedzialne za represję transkrypcyjną genów różnicowania i rozwoju.

Białka grupy trithorax (TrxG)

Alternatywnie, po otrzymaniu sygnałów różnicowania, białka PcG są rekrutowane do promotorów czynników transkrypcyjnych pluripotencji. Komórki ES z niedoborem PcG mogą rozpocząć różnicowanie, ale nie mogą utrzymać zróżnicowanego fenotypu. Jednocześnie geny promujące różnicowanie i rozwój są aktywowane przez regulatory chromatyny z grupy Trithorax (TrxG) i tracą swoją represję. Białka TrxG są rekrutowane w regionach o wysokiej aktywności transkrypcyjnej, gdzie katalizują trimetylację lizyny 4 histonu H3 ( H3K4me3 ) i promują aktywację genów poprzez acetylację histonów. Kompleksy PcG i TrxG angażują się w bezpośrednią konkurencję i uważa się, że są funkcjonalnie antagonistyczne, tworząc przy różnicowaniu i promujące rozwój loci, co określa się mianem „domeny dwuwartościowej” i czyniąc te geny wrażliwymi na szybką indukcję lub represję.

Metylacja DNA

Regulacja ekspresji genów jest dalej osiągana przez metylację DNA, w której pośredniczona przez metylotransferazę DNA metylacja reszt cytozyny w dinukleotydach CpG utrzymuje dziedziczną represję poprzez kontrolowanie dostępności DNA. Większość miejsc CpG w embrionalnych komórkach macierzystych jest niemetylowana i wydaje się być związana z nukleosomami przenoszącymi H3K4me3. Po zróżnicowaniu niewielka liczba genów, w tym OCT4 i NANOG, ulega metylacji, a ich promotory są tłumione, aby zapobiec ich dalszej ekspresji. Konsekwentnie, embrionalne komórki macierzyste pozbawione metylacji DNA szybko przechodzą apoptozę po różnicowaniu in vitro.

Pozycjonowanie nukleosomu

Podczas gdy sekwencja DNA większości komórek organizmu jest taka sama, wzorce wiązania czynników transkrypcyjnych i odpowiadające im wzorce ekspresji genów są różne. W dużym stopniu różnice w wiązaniu czynników transkrypcyjnych są określane przez dostępność chromatyny ich miejsc wiązania poprzez modyfikację histonów i/lub czynniki pionierskie . W szczególności ważne jest, aby wiedzieć, czy nukleosom pokrywa dane miejsce wiązania genomu, czy nie. Można to określić za pomocą testu immunoprecypitacji chromatyny (ChIP).

Acetylacja i metylacja histonów

Oddziaływania DNA-nukleosom charakteryzują się dwoma stanami: ściśle związanym przez nukleosomy i nieaktywnym transkrypcyjnie, zwanym heterochromatyną , lub luźno związanym i zwykle, ale nie zawsze, transkrypcyjnie aktywnym, zwanym euchromatyną . Za te zmiany odpowiadają przede wszystkim epigenetyczne procesy metylacji i acetylacji histonów oraz ich odwrotne procesy demetylacji i deacetylacji. Skutki acetylacji i deacetylacji są bardziej przewidywalne. Grupa acetylowa jest albo dodawana lub usuwana z dodatnio naładowanych reszt lizyny w histonach przez enzymy zwane odpowiednio acetylotransferazami histonowymi lub deacteylazami histonowymi . Grupa acetylowa zapobiega asocjacji lizyny z ujemnie naładowanym szkieletem DNA. Metylacja nie jest tak prosta, ponieważ ani metylacja, ani demetylacja nie są konsekwentnie skorelowane z aktywacją lub represją genów. Jednak wielokrotnie wykazano, że pewne metylacje aktywują lub tłumią geny. Trimetylacja lizyny 4 na histonie 3 (H3K4Me3) jest związana z aktywacją genów, podczas gdy trimetylacja lizyny 27 na histonie 3 tłumi geny

W komórkach macierzystych

Podczas różnicowania komórki macierzyste zmieniają swoje profile ekspresji genów. Ostatnie badania wskazują na rolę pozycjonowania nukleosomów i modyfikacji histonów w tym procesie. Istnieją dwa elementy tego procesu: wyłączenie ekspresji genów embrionalnych komórek macierzystych (ESC) oraz aktywacja genów losu komórek. Uważa się, że demetylaza 1 specyficzna dla lizyny ( KDM1A ) zapobiega stosowaniu regionów wzmacniających geny pluripotencji, hamując w ten sposób ich transkrypcję. Współdziała z kompleksem Mi-2/NuRD (przebudowa nukleosomów i deacetylaza histonowa), dając przykład, w którym metylacja i acetylacja nie są procesami dyskretnymi i wzajemnie się wykluczającymi, ale są ze sobą powiązane.

Rola sygnalizacji w kontroli epigenetycznej

Ostatnie pytanie, które należy zadać, dotyczy roli sygnalizacji komórkowej w wpływaniu na procesy epigenetyczne rządzące różnicowaniem. Taka rola powinna istnieć, ponieważ rozsądne byłoby sądzić, że sygnalizacja zewnętrzna może prowadzić do przebudowy epigenetycznej, podobnie jak może prowadzić do zmian w ekspresji genów poprzez aktywację lub represję różnych czynników transkrypcyjnych. Niewiele jest bezpośrednich danych dotyczących konkretnych sygnałów wpływających na epigenom , a większość aktualnej wiedzy na ten temat składa się z spekulacji na temat prawdopodobnych potencjalnych regulatorów przebudowy epigenetycznej. Najpierw omówimy kilku głównych kandydatów uważanych za zaangażowanych w indukcję i utrzymanie zarówno embrionalnych komórek macierzystych, jak i ich zróżnicowanego potomstwa, a następnie przejdziemy do jednego przykładu specyficznych szlaków sygnałowych, w których istnieją bardziej bezpośrednie dowody na ich rolę w zmianach epigenetycznych.

Pierwszym głównym kandydatem jest szlak sygnałowy Wnt . Szlak Wnt bierze udział we wszystkich etapach różnicowania, a ligand Wnt3a może zastąpić nadekspresję c-Myc w wytwarzaniu indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych. Z drugiej strony zakłócenie β-kateniny , składnika szlaku sygnałowego Wnt, prowadzi do zmniejszonej proliferacji prekursorów neuronalnych.

Czynniki wzrostu stanowią drugi główny zestaw kandydatów na epigenetyczne regulatory różnicowania komórek. Te morfogeny są kluczowe dla rozwoju i obejmują białka morfogenetyczne kości , transformujące czynniki wzrostu (TGF) i czynniki wzrostu fibroblastów (FGF). Wykazano, że TGF i FGF podtrzymują ekspresję OCT4, SOX2 i NANOG poprzez przekazywanie sygnałów do białek Smad . Ubytek czynników wzrostu sprzyja różnicowaniu ESC, podczas gdy geny z dwuwartościową chromatyną mogą stać się bardziej restrykcyjne lub permisywne w ich transkrypcji.

Za głównych kandydatów uważa się również kilka innych szlaków sygnałowych. Cytokiny hamowania białaczkę czynniki związane są z utrzymaniem mysich RSG w stanie niezróżnicowany. Osiąga się to poprzez aktywację szlaku Jak-STAT3, który okazał się konieczny i wystarczający do utrzymania pluripotencji ESC u myszy. Kwas retinowy może indukować różnicowanie ludzkich i mysich ESC, a sygnalizacja Notch jest zaangażowana w proliferację i samoodnowę komórek macierzystych. Wreszcie, Sonic hedgehog , oprócz swojej roli morfogenu, promuje różnicowanie embrionalnych komórek macierzystych i samoodnowę somatycznych komórek macierzystych.

Problem polega oczywiście na tym, że kandydatura tych szlaków sygnałowych została wywnioskowana przede wszystkim na podstawie ich roli w rozwoju i różnicowaniu komórek. Chociaż regulacja epigenetyczna jest niezbędna do napędzania różnicowania komórek, z pewnością nie są one wystarczające do tego procesu. Bezpośrednia modulacja ekspresji genów poprzez modyfikację czynników transkrypcyjnych odgrywa kluczową rolę, którą należy odróżnić od dziedzicznych zmian epigenetycznych, które mogą utrzymywać się nawet przy braku pierwotnych sygnałów środowiskowych. Obecnie istnieje tylko kilka przykładów szlaków sygnałowych prowadzących do zmian epigenetycznych, które zmieniają los komórki, a my skupimy się na jednym z nich.

Ekspresja Shh (Sonic hedgehog) zwiększa produkcję BMI1 , składnika kompleksu PcG, który rozpoznaje H3K27me3 . Dzieje się to w sposób zależny od Gli, ponieważ Gli1 i Gli2 są efektorami w dół szlaku sygnałowego Hedgehog . W kulturze Bmi1 pośredniczy w zdolności szlaku Hedgehog do promowania samoodnowy ludzkich komórek macierzystych sutka. Zarówno u ludzi, jak i u myszy naukowcy wykazali, że Bmi1 ulega silnej ekspresji w proliferujących niedojrzałych prekursorach komórek ziarnistych móżdżku. Gdy Bmi1 został znokautowany u myszy, nastąpiło upośledzenie rozwoju móżdżku, co doprowadziło do znacznego zmniejszenia poporodowej masy mózgu wraz z nieprawidłowościami w kontroli motorycznej i zachowaniu. Oddzielne badanie wykazało znaczny spadek proliferacji nerwowych komórek macierzystych wraz ze zwiększoną proliferacją astrocytów u myszy zerowych Bmi.

Alternatywny model różnicowania komórkowego podczas embriogenezy polega na tym, że informacja o położeniu opiera się na sygnalizacji mechanicznej przez cytoszkielet za pomocą fal różnicowania embrionalnego . Sygnał mechaniczny jest następnie transdukowany epigenetycznie przez systemy transdukcji sygnału (którego częścią są specyficzne cząsteczki, takie jak Wnt), aby uzyskać zróżnicowaną ekspresję genów.

Podsumowując, rola sygnalizacji w epigenetycznej kontroli losu komórek u ssaków jest w dużej mierze nieznana, ale istnieją wyraźne przykłady wskazujące na prawdopodobne istnienie dalszych takich mechanizmów.

Wpływ elastyczności matrycy

Wiadomo, że dorosłe pędy migrują ze swoich nisz, przywierają do nowych macierzy zewnątrzkomórkowych (ECM) i różnicują się, aby spełnić cel regeneracji różnych tkanek. Plastyczność tych mikrośrodowisk jest unikalna dla różnych typów tkanek. ECM otaczające mózg, mięśnie i tkanki kostne wahają się od miękkich do sztywnych. Transdukcja komórek macierzystych do tych typów komórek nie jest kierowana wyłącznie przez sygnały chemokinowe i sygnalizację komórka-komórka. Elastyczność mikrośrodowiska może również wpływać na różnicowanie mezenchymalnych komórek macierzystych (MSC, które pochodzą ze szpiku kostnego). Gdy MSCs są umieszczone na podłożach o tej samej sztywności co mózgowe, mięśniowe i kostne ECM, MSC nabierają właściwości odpowiednich komórek typy. Wykrywanie matrycy wymaga, aby komórka przyciągała matrycę w ogniskowych adhezji, co powoduje, że komórkowy mechano-przetwornik generuje sygnał informujący, jaka siła jest potrzebna do odkształcenia matrycy. Aby określić kluczowe podmioty w specyfikacji rodowodu opartej na elastyczności macierzy w MSC, naśladowano różne mikrośrodowiska macierzy. Na podstawie tych eksperymentów wywnioskowano, że ogniskowe adhezji MSCs były komórkowym mechano-przetwornikiem wyczuwającym różnice w elastyczności matrycy. Niemięśniowe izoformy miozyny IIa-c wytwarzają siły w komórce, które prowadzą do sygnalizacji wczesnych markerów zaangażowania. Miozyna niemięśniowa IIa generuje najmniejszą siłę wzrastającą do miozyny niemięśniowej IIc. W komórce znajdują się również czynniki, które hamują niemięśniową miozynę II, takie jak blebbistatyna . To sprawia, że ​​komórka jest skutecznie ślepa na otaczającą macierz. Badacze odnieśli pewien sukces w indukowaniu właściwości podobnych do komórek macierzystych w komórkach HEK 239 poprzez zapewnienie miękkiej macierzy bez użycia czynników dyfuzyjnych. Wydaje się, że właściwości komórek macierzystych są powiązane z napięciem w sieci aktynowej komórek. Jednym ze zidentyfikowanych mechanizmów różnicowania indukowanego przez macierz są białka indukowane napięciem, które przebudowują chromatynę w odpowiedzi na rozciąganie mechaniczne. W proces ten zaangażowany jest również szlak RhoA.

Historia ewolucyjna

Miliard-letni, prawdopodobnie holozoan , protist , Bicellum brasieri z dwóch rodzajów komórek, pokazuje, że ewolucja zróżnicowanego wielokomórkowości , ewentualnie lecz niekoniecznie zwierzęcych rodów, wystąpił co najmniej 1 miliard lat temu i prawdopodobnie głównie w słodkowodnych jeziorach raczej niż ocean.

Zobacz też

Bibliografia