Потенциал клетки – это способность клетки дифференцироваться в другие типы клеток. [1] [2] Чем больше типов клеток может дифференцироваться в клетку, тем выше ее эффективность. Потенциал также описывается как потенциал активации гена внутри клетки, который, как и континуум, начинается с тотипотентности , обозначающей клетку с наибольшим потенциалом дифференцировки, плюрипотентностью , мультипотентностью , олигопотентностью и, наконец, унипотентностью .
Тотипотентность (лат. totipotentia, «способность ко всему [вещам]») — способность отдельной клетки делиться и производить все дифференцированные клетки организма . Споры и зиготы являются примерами тотипотентных клеток. [3] В спектре клеточной активности тотипотентность представляет собой клетку с наибольшим потенциалом дифференцировки , способную дифференцироваться в любую эмбриональную клетку, а также в любую внеэмбриональную тканевую клетку. Напротив, плюрипотентные клетки могут дифференцироваться только в эмбриональные клетки. [4] [5]
Полностью дифференцированная клетка может вернуться в состояние тотипотентности. [6] Преобразование в тотипотентность сложное и до конца не изученное. В 2011 году исследование показало, что клетки могут дифференцироваться не в полностью тотипотентные клетки, а в «сложную клеточную вариацию» тотипотентности. [7] Стволовые клетки, напоминающие тотипотентные бластомеры из эмбрионов на 2-клеточной стадии, могут возникать спонтанно в культурах эмбриональных стволовых клеток мыши [8] [9] , а также могут индуцироваться более частое возникновение in vitro за счет подавления активности сборки хроматина КАФ-1 . [10]
Модель развития человека можно использовать для описания того, как возникают тотипотентные клетки. [11] Развитие человека начинается, когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, и в результате оплодотворенная яйцеклетка создает единственную тотипотентную клетку, зиготу . [12] В первые часы после оплодотворения эта зигота делится на идентичные тотипотентные клетки, которые в дальнейшем могут развиться в любой из трех зародышевых листков человека ( энтодерму , мезодерму или эктодерму ) или в клетки плаценты ( цитотрофобласт или синцитиотрофобласт ). Достигнув стадии 16 клеток, тотипотентные клетки морулы дифференцируются в клетки, которые в конечном итоге становятся либо внутренней клеточной массой бластоцисты , либо внешними трофобластами . Примерно через четыре дня после оплодотворения и после нескольких циклов клеточного деления эти тотипотентные клетки начинают специализироваться. Внутренняя клеточная масса, источник эмбриональных стволовых клеток , становится плюрипотентной.
Исследования Caenorhabditis elegans показывают, что множество механизмов, включая регуляцию РНК , могут играть роль в поддержании тотипотентности на разных стадиях развития у некоторых видов. [13] Работа с рыбками данио и млекопитающими предполагает дальнейшее взаимодействие между микроРНК и РНК-связывающими белками (RBP) в определении различий в развитии. [14]
В первичных зародышевых клетках мыши полногеномное перепрограммирование , ведущее к тотипотентности, включает стирание эпигенетических отпечатков. Перепрограммированию способствует активное деметилирование ДНК с участием ферментативного пути репарации вырезания оснований ДНК . [15] Этот путь влечет за собой стирание метилирования CpG (5mC) в первичных зародышевых клетках посредством первоначального превращения 5mC в 5-гидроксиметилцитозин (5hmC), реакции, вызываемой высокими уровнями ферментов десять-одиннадцать диоксигеназ TET-1 и TET-. 2 . [16]
В клеточной биологии плюрипотентность (лат. pluripotentia , «способность ко многим [вещам]») [17] относится к стволовой клетке, которая обладает потенциалом дифференцироваться в любой из трех зародышевых листков : энтодерму (кишечник, легкие и печень), мезодерма (мышцы, скелет, кровеносные сосуды, мочеполовая система, дерма) или эктодерма (нервная, сенсорная, эпидермис), но не во внеэмбриональные ткани, такие как плацента или желточный мешок. [18] Однако плюрипотентность клеток представляет собой континуум, варьирующийся от полностью плюрипотентной клетки, которая может формировать каждую клетку собственно эмбриона, например, эмбриональные стволовые клетки и ИПСК, до неполной или частично плюрипотентной клетки, которая может формировать клетки всех трех зародышевых клеток. слоев, но они могут не проявлять всех характеристик полностью плюрипотентных клеток.
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, обычно сокращенно называемые iPS-клетками или iPSC, представляют собой тип плюрипотентных стволовых клеток , искусственно полученных из неплюрипотентной клетки, обычно взрослой соматической клетки , путем индуцирования «принудительной» экспрессии определенных генов и факторов транскрипции . [19] Эти факторы транскрипции играют ключевую роль в определении состояния этих клеток, а также подчеркивают тот факт, что эти соматические клетки сохраняют ту же генетическую информацию, что и ранние эмбриональные клетки. [20] Способность переводить клетки в плюрипотентное состояние была впервые открыта в 2006 году с использованием фибробластов мыши и четырех факторов транскрипции: Oct4 , Sox2 , Klf4 и c- Myc ; [21] эта техника, называемая перепрограммированием , позже принесла Шинья Яманаке и Джону Гердону Нобелевскую премию по физиологии и медицине. [22] Затем в 2007 году последовала успешная индукция ИПСК человека, полученных из дермальных фибробластов человека, с использованием методов, аналогичных тем, которые используются для индукции клеток мыши. [23] Эти индуцированные клетки обладают свойствами, схожими с таковыми эмбриональных стволовых клеток (ЭСК), но не требуют использования эмбрионов. Некоторые сходства между ЭСК и ИПСК включают плюрипотентность, морфологию , способность к самообновлению (признак, который подразумевает, что они могут делиться и реплицироваться бесконечно), а также экспрессию генов . [24]
Считается также, что эпигенетические факторы участвуют в фактическом перепрограммировании соматических клеток с целью индукции плюрипотентности. Было высказано предположение, что определенные эпигенетические факторы могут фактически работать на очистку исходных соматических эпигенетических меток с целью приобретения новых эпигенетических меток, которые являются частью достижения плюрипотентного состояния. Хроматин также реорганизуется в ИПСК и становится таким же, как в ЭСК, поскольку он менее конденсирован и, следовательно, более доступен. Модификации эухроматина также распространены, что также соответствует состоянию эухроматина , обнаруженного в ЭСК. [24]
Из-за их большого сходства с ЭСК ИПСК интересуют медицинское и исследовательское сообщество. ИПСК потенциально могут иметь те же терапевтические последствия и применения, что и ЭСК, но без спорного использования эмбрионов в этом процессе, что является темой больших биоэтических дебатов. Индуцированная плюрипотентность соматических клеток в недифференцированные iPS-клетки первоначально рассматривалась как конец спорного использования эмбриональных стволовых клеток . Однако было обнаружено, что ИПСК потенциально канцерогенны , и, несмотря на достижения, [19] до недавнего времени никогда не были одобрены для клинических исследований в США. В настоящее время аутологичные дофаминергические клетки-предшественники, полученные из ИПСК, используются в исследованиях по лечению болезни Паркинсона. [25] При создании ИПСК также наблюдались такие недостатки, как низкая скорость репликации и раннее старение, [26] что затрудняло их использование в качестве замены ЭСК.
Соматическая экспрессия комбинированных факторов транскрипции может напрямую индуцировать судьбу других определенных соматических клеток ( трансдифференцировка ); Исследователи определили три транскрипционных фактора, специфичных для нейронных линий, которые могут напрямую превращать мышиные фибробласты (клетки соединительной ткани) в полностью функциональные нейроны . [27] Этот результат ставит под сомнение терминальную природу клеточной дифференцировки и целостность коммитирования клонов; и подразумевает, что при наличии соответствующих инструментов все клетки тотипотентны и могут образовывать любые виды тканей.
Некоторые из возможных медицинских и терапевтических применений ИПСК, полученных от пациентов, включают их использование при трансплантации клеток и тканей без риска отторжения, который обычно встречается. ИПСК потенциально могут заменить непригодные модели на животных, а также модели in vitro , используемые для исследования заболеваний. [28]
Результаты, касающиеся эпибластов до и после имплантации, позволили классифицировать плюрипотентность на два состояния: «наивное» и «праймированное», представляющее эпибласт до и после имплантации соответственно. [29] Континуум от наивного к праймированному контролируется за счет уменьшения димеризации Sox2/Oct4 на элементах ДНК SoxOct, контролирующих наивную плюрипотентность. [30] Примированные плюрипотентные стволовые клетки разных видов можно вернуть в наивное состояние с помощью коктейля, содержащего Klf4 и Sox2 или «супер-Sox» — химерного транскрипционного фактора с повышенной способностью димеризоваться с Oct4. [30]
Исходные стволовые клетки, обычно используемые в науке и называемые эмбриональными стволовыми клетками (ЭСК), происходят из предимплантационного эпибласта; такой эпибласт способен генерировать весь плод, а одна клетка эпибласта может вносить вклад во все клеточные линии, если ее инъецировать в другую бластоцисту. С другой стороны, между эпибластами до и после имплантации можно наблюдать несколько заметных различий, таких как разница в морфологии, при которой эпибласт после имплантации меняет свою морфологию на чашеобразную форму, называемую «яйцевым цилиндром», как а также хромосомные изменения, при которых одна из Х-хромосом подвергается случайной инактивации на ранней стадии яйцевого цилиндра, известное как Х-инактивация . [31] Во время этого развития клетки эпибласта яйцевого цилиндра систематически подвергаются воздействию факторов роста фибробластов , передачи сигналов Wnt и других индуктивных факторов через окружающий желточный мешок и ткань трофобласта [32] , так что они становятся инструктивно специфичными в соответствии с пространственным расположением клеток. организация. [33]
Другое важное отличие состоит в том, что постимплантационные стволовые клетки эпибласта не способны вносить вклад в химеры бластоцисты [34] , что отличает их от других известных плюрипотентных стволовых клеток. Клеточные линии, полученные из таких постимплантационных эпибластов, называются стволовыми клетками, полученными из эпибластов , которые были впервые получены в лаборатории в 2007 году. И ESC, и EpiSCs происходят из эпибластов, но находятся на разных фазах развития. Плюрипотентность все еще сохраняется в постимплантационном эпибласте, о чем свидетельствует консервативная экспрессия Nanog , Fut4 и Oct-4 в EpiSCs, [35] до сомитогенеза и может быть обращена вспять в середине индуцированной экспрессии Oct-4 . [36]
Неиндуцированная плюрипотентность наблюдалась в культуре ткани корневой меристемы, особенно Каримом и др., 2015, Кимом и др., 2018 и Росспопоффом и др., 2017. Эта плюрипотентность регулируется различными регуляторами, включая PLETHORA 1 и PLETHORA 2 ; и PLETHORA 3 , PLETHORA 5 и PLETHORA 7 , экспрессия которых, как обнаружил Карим, провоцируется ауксином . (Они также известны как PLT1, PLT2, PLT3, PLT5, PLT7 и экспрессируются одноименными генами.) [обновлять]Ожидается, что с 2019 года это откроет возможности для будущих исследований плюрипотентности в тканях корня. [37]
Мультипотентность — это когда клетки-предшественники обладают потенциалом активации генов, позволяющим дифференцироваться в отдельные типы клеток. Например, гемопоэтическая стволовая клетка — и этот тип клеток может дифференцироваться в несколько типов клеток крови, таких как лимфоциты , моноциты , нейтрофилы и т. д., но до сих пор неясно, обладают ли HSC способностью дифференцироваться в клетки мозга , костные клетки или другие типы клеток, не относящиеся к крови. [ нужна цитата ]
Исследования, связанные с мультипотентными клетками, показывают, что мультипотентные клетки могут быть способны превращаться в клетки неродственных типов. В другом случае стволовые клетки пуповинной крови человека были преобразованы в человеческие нейроны. [38] Также проводятся исследования по превращению мультипотентных клеток в плюрипотентные клетки. [39]
Мультипотентные клетки обнаружены во многих, но не во всех типах клеток человека. Мультипотентные клетки были обнаружены в пуповинной крови , [40] жировой ткани, [41] сердечных клетках, [42] костном мозге и мезенхимальных стволовых клетках (МСК), которые обнаруживаются в третьих молярах . [43]
МСК могут оказаться ценным источником стволовых клеток из коренных зубов в возрасте 8–10 лет, до кальцификации зубов у взрослых. МСК могут дифференцироваться в остеобласты, хондроциты и адипоциты. [44]
В биологии олигопотентность — это способность клеток-предшественников дифференцироваться в несколько типов клеток . Это степень могущества . Примерами олигопотентных стволовых клеток являются лимфоидные или миелоидные стволовые клетки. [2] В частности, лимфоидная клетка может давать начало различным клеткам крови, таким как В- и Т-клетки, но не другому типу клеток крови, например эритроцитам. [45] Примерами клеток-предшественников являются сосудистые стволовые клетки, которые способны становиться как эндотелиальными , так и гладкомышечными клетками.
В клеточной биологии унипотентная клетка — это концепция, согласно которой одна стволовая клетка способна дифференцироваться только в один тип клеток. [46] В настоящее время неясно, существуют ли настоящие унипотентные стволовые клетки. Гепатобласты, которые дифференцируются в гепатоциты (составляющие большую часть печени ) или холангиоциты (эпителиальные клетки желчных протоков), являются бипотентными. [47] Близким синонимом унипотентной клетки является клетка-предшественник .
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )