Глиогенез — это образование популяций ненейрональных глиальных клеток, происходящих из мультипотентных нейральных стволовых клеток .
Глиогенез приводит к образованию ненейрональных глиальных популяций из нейрональных клеток. В этом качестве глиальные клетки обеспечивают множественные функции как для центральной нервной системы (ЦНС), так и для периферической нервной системы (ПНС). Последующая дифференциация популяций глиальных клеток приводит к появлению специализированных по функциям глиальных линий. Астроциты , полученные из глиальных клеток, являются специализированными линиями, ответственными за модуляцию химической среды путем изменения ионных градиентов и нейротрансдукции . Аналогичным образом полученные олигодендроциты производят миелин , который изолирует аксоны , облегчая передачу электрического сигнала. Наконец, микроглиальные клетки происходят из глиальных предшественников и выполняют макрофагоподобные свойства для удаления клеточного и инородного мусора в центральной нервной системе (ссылка). Функции линий клеток, полученных из глии, рассматриваются Бауманном и Хаувом. [1] Сам глиогенез и дифференциация линий, полученных из глии, активируются при стимуляции определенных сигнальных каскадов. Аналогично, ингибирование этих путей контролируется различными каскадами сигнализации, которые контролируют пролиферацию и дифференциацию. Таким образом, для регулирования образования этих клеток присутствуют сложные внутриклеточные механизмы, основанные на сигналах окружающей среды. Поскольку регуляция гораздо более известна в ЦНС, здесь будут сосредоточены ее механизмы и компоненты. Понимание механизмов, в которых регулируется глиогенез, дает возможность использовать способность контролировать судьбу глиальных клеток и, следовательно, способность обращать вспять нейродегенеративные заболевания .
После генерации нейральных стволовых клеток представляется возможность перейти к нейрогенезу и формировать новые нейроны в ЦНС, перейти к глиогенезу или остаться в состоянии плюрипотентных клеток. Механизмы, определяющие окончательную судьбу нейральных стволовых клеток, сохраняются как среди беспозвоночных , так и среди позвоночных видов и определяются по внеклеточным сигналам, генерируемым соседними клетками. [2] Однако большинство работ по выведению таких механизмов началось с моделей беспозвоночных. Выводы, сделанные в результате этих исследований, направили внимание на конкретные сигнальные молекулы и эффекторные пути, которые отвечают за опосредование клеточных событий, необходимых для поддержания или изменения судьбы нейральных стволовых клеток.
Известно, что сигнализация Notch опосредует важные клеточные события, которые приводят к глиогенезу. Белки семейства Notch являются трансмембранными рецепторами , активируемыми лигандами . В присутствии эффекторов лигандов внутриклеточный домен рецептора расщепляется и изолируется в ядре , где он действует, влияя на экспрессию факторов транскрипции , необходимых для глиогенеза. Факторы транскрипции, синтезируемые в результате каскада сигнализации Notch, связываются с промоторами генов, ответственных за детерминацию глии. [3] Кроме того, сигнализация Notch также действует, подавляя многие гены, ответственные за развитие нейронов, тем самым подавляя возникновение фенотипа нейронов . [4] Оба действия в совокупности функционируют для содействия судьбе глии.
В некоторых тканях ЦНС сигнализация JAK/STAT также известна тем, что способствует глиогенезу [5] [6] Значительные уровни цилиарного нейротрофического фактора (CNTF) экспрессируются непосредственно перед глиогенезом в ответ на сигналы окружающей среды, позволяющие активировать сигнальный путь JAK-STAT. Активность киназы фосфорилирует белки STAT, которые затем рекрутируются факторами транскрипции. Комплекс STAT нацелен на промоторы генов, ответственных за активацию глиогенеза. Важно признать, что при изоляции каскады сигнализации, опосредованные рецепторами, могут производить различные действия, однако, когда in vivo между рецепторными путями часто существует кооперативность, что приводит к гораздо более сложным клеточным действиям.
Рецепторные белки, ответственные за глиогенные пути, часто активируются лигандом. При связывании Delta или Jagged активируются каскады сигнализации, опосредованные notch, что приводит к продукции глиогенного фактора транскрипции, как обсуждалось выше. [7] Как было отмечено для рецепторных белков, взаимодействия in vivo между различными факторами роста, ответственными за глиогенез и другие судьбы клеток, производят совершенно иные роли, чем при изоляции.
Для обеспечения правильной временной дифференциации, а также правильного количества образования глиальных клеток, глиогенез подвергается строгим регуляторным механизмам. Пронейральные факторы экспрессируются в высоких концентрациях в то время, когда глиальные клетки не должны формироваться или необходимо развитие нейронов. Эти белковые сигналы функционируют для ингибирования многих сигналов, используемых во время индукции глиогенеза. Кроме того, свойства и обилие рецепторных молекул, которые опосредуют глиогенез, изменяются, что в результате нарушает распространение сигналов индукции.
В периоды, когда формирование глиальных клеток не поощряется, нейральные стволовые клетки имеют возможность оставаться плюрипотентными или переключать пути линий и начинать формировать нейроны во время нейрогенеза. Если развитие нейронов инструктируется, нейрогенные факторы, т. е. BMP , [8] присутствуют для индукции экспрессии пронейральных факторов транскрипции, таких как нейрогенин и ASCL1 . Эти факторы транскрипции функционируют для взаимодействия с факторами транскрипции, генерируемыми из сигнализации Notch. Следовательно, этот комплекс изолируется от промоторов, активирующих глиогенез, и теперь направляется к промоторам, которые влияют на активность, направленную на развитие нейронов. [9] Белки нейрогенина регулируют сигнализацию JAK/STAT с помощью схожих механизмов. [10]
Недавно был предложен альтернативный механизм регулирования дифференциации в дополнение к ингибированию посредством факторов роста . Было показано, что изменения локальной чувствительности нейральных стволовых клеток модулируют способность факторов роста к дифференциации. Со временем развития нейральные стволовые клетки теряют способность реагировать на факторы роста, которые влияют на дифференциацию, поскольку происходят внутренние изменения в структуре рецепторов и функции этих клеток. [11] Было показано, что рецепторам Notch требуются в 50 раз более высокие концентрации лигандных эффекторов для инициирования ответов дифференциации, аналогичных таковым у более ранних в развитии нейральных стволовых клеток. [12] Снижение чувствительности рецепторов Notch снижает активность Notch-сигнализации, необходимой для возникновения глиогенеза. Следовательно, нейральные стволовые клетки выработали общий механизм, ограничивающий дальнейшую дифференциацию после интенсивной специализации в течение ранних периодов развития.
Интернализация, или эндоцитоз , рецепторных белков из плазматической мембраны клетки способствует еще одному способу регуляции клеточной функции. [13] В то время как интернализация рецептора имеет потенциал для регулирования клеточных функций как положительным, так и отрицательным образом, показано, что интернализация рецептора Notch подавляет события, ведущие к глиогенезу, поскольку этот процесс зависит от сигнализации Notch [14]
Во время подавления глиогенеза повышается экспрессия белка, связывающего Notch , Numb. [15] Предполагается, что Numb функционирует двумя способами: 1) При экспрессии Numb будет взаимодействовать со специфическими эндоцитарными белками и создавать связь между рецептором Notch и эндоцитарными везикулами. Образованный комплекс везикула-рецептор будет направлен обратно в клеточную мембрану, а мембранный рецептор будет рециркулирован на поверхность клетки, так и не достигнув ядра. В качестве альтернативы, 2) Предполагается, что Numb привлекает дополнительные молекулы, отличные от эндоцитарными белками. В частности, показано, что у млекопитающих Numb привлекает убиквитинлигазы . Убиквитинлигазы убиквитинируют Notch и направляют его на деградацию [16] Каким бы ни был механизм Numb, рецептор Notch не достигает ядра, и факторы транскрипции, необходимые для глиогенеза, не генерируются.
Недавние исследования продемонстрировали, что аномалии в сигнальных путях, ответственных за глиогенез и нейрогенез, могут способствовать патогенезу нейродегенеративных заболеваний и развитию опухолей в нервной системе. [17] [18] Распознавание различных путей, контролирующих судьбу нервного ствола, как обсуждалось выше, дает возможность вмешаться в патогенез этих заболеваний.
Патология нейродегенеративных заболеваний связана с нарушением глиогенных путей и недавно была рассмотрена. [19] Субвентрикулярная зона (СВЗ) переднего мозга представляет особый интерес при оценке блуждающих глиогенных путей, поскольку она является крупнейшим хранилищем нейральных стволовых клеток в мозге. [ 20] У пациентов с рассеянным склерозом (РС) поражения в этой области наблюдаются часто и часто распространяются наружу в сторону боковых желудочков мозга. [21] Иммунные клетки инфильтрируют глиогенные области в пределах СВЗ, прилегающие к поражениям, и инициируют механизмы воспалительного ответа в ответ на повреждение в этой области. [22] Предполагается, что высвобождение цитокинов во время воспалительного ответа снижает, прежде всего, присущие популяции нейральных стволовых клеток и совместно потенциал оставшихся нейральных стволовых клеток дифференцироваться в глиальные судьбы. [23] Следовательно, уменьшение количества олигодендроцитов глиального происхождения, среди прочего, ставит под угрозу поддержание выработки миелина для изоляции аксонов, отличительного фенотипа среди пациентов с рассеянным склерозом.
В настоящее время изучаются последствия нарушения глиогенеза при других нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Гентингтона [24] , болезнь Паркинсона [25] и болезнь Альцгеймера [26] , и получены убедительные механистические доказательства патогенеза, схожего с рассеянным склерозом.
Нарушение контролируемой глиальной генерации впоследствии приводит к опухолеобразованию и образованию глиомы в центральной нервной системе. Для глиом характерны потеря контактного торможения, клеточная миграция и нерегулируемая пролиферация. Как и в других тканях, эти злокачественные фенотипы чаще всего возникают из-за делеций хромосом, транслокаций и точечных мутаций . Лински рассматривает как генетические вклады, так и фенотипические наблюдения глиомы [27]
В неканцерогенных нейральных стволовых клетках ключевые регуляторные механизмы предотвращают неконтролируемую глиогенную пролиферацию. Однако такие механизмы нарушаются при генетическом повреждении. Исследования в настоящее время предполагают, что образование глиомы может быть результатом клеточной нечувствительности к регуляторным факторам роста и клеточным сигналам, таким как нейрогенин, которые обычно подавляют дальнейшую пролиферацию глиальных клеток. [28] Считается, что происходят конформационные изменения в рецепторных белках, в результате чего клетка постоянно пролиферирует. [29]
Понимание патологии этих нейродегенеративных заболеваний и установление терапевтических вмешательств требуют признания процессов индукции и ингибирования глиогенеза и регулирующих механизмов, координирующих сложную систему, созданную из обоих действий. Стратегии замены клеток в настоящее время интенсивно изучаются как возможное терапевтическое вмешательство при нейродегенеративных расстройствах, связанных с глией, и глиальных опухолях. Однако, как и в случае с любой новой стратегией, неудачи и обязательства сопровождают обещания, которые эта техника сдерживает. Для того чтобы замена клеток функционировала эффективно и демонстрировала надежные результаты, введенные клетки должны быть 1) сгенерированы с достаточным выходом и 2) иммуносовместимы с хозяином и 3) способны поддерживать самостоятельный рост. [30] Новые перспективы в области биологии стволовых клеток и регуляции глиогенеза предоставили новые идеи за последнее десятилетие, чтобы начать решать эти проблемы. Перепрограммирование терминально дифференцированных нейронных линий обратно в нейрональные стволовые клетки позволяет регенерировать мультипотентную собственную линию, которая может быть перенаправлена на клеточные судьбы, затронутые во время нейрогенеративных заболеваний, олигодендроциты у пациентов с рассеянным склерозом или астроциты у пациентов с болезнью Альцгеймера, при наличии соответствующих сигналов окружающей среды. [31]
Можно ожидать, что, поскольку обсуждаемые сигнальные пути показаны как важные регуляторы во время генерации глиальных клеток, эти же пути станут терапевтическими мишенями для глиальных и других видов рака ЦНС. В медуллобластомах исследования in vivo начали нацеливаться на пути Notch, блокируя рецепторы Notch специфическими ингибиторами, предотвращая дальнейшую дифференциацию. [32] При использовании ингибиторы путей обеспечивали в 10 раз большую чувствительность к апоптотической индукции в клетках медуллобластомы [33] Распознавание регуляторных механизмов глиогенеза открывает новые направления для вмешательства при нейрогенных расстройствах.