Белок Ezh2 управляет экспрессией генов для последовательной дифференцировки тканеспецифичных стволовых клеток Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

■ ИМИ!

Новости клеточных технологий

ЕЕ^ЕШ

Белок ЕгЬ2 управляет экспрессией генов для последовательной дифференцировки тканеспецифичных стволовых клеток

В настоящее время ведется интенсивное изучение механизмов, с помощью которых клетки — мультипо-тентные предшественницы контролируют развитие и поддержание клеточного состава различных тканей организма. Ранее на модели эмбриональных стволовых клеток ИСК) млекопитающих было обнаружено, что активное участие в регуляции клеточной дифференцировки играют белки группы polycomb (Polycomb-repressor complexes, PRCs). Основной особенностью этой группы белков является способность ремоделировать хроматин. В результате их действия структура хроматина видоизменяется, что не позволяет транскрипционным факторам связываться с промоторными последовательностями ДНК. Модулируя структуру хроматина, белки группы polycomb играют важную роль в сайленсинге го-меозисных генов [1]. В результате их действия запускается эпигенетический механизм выключения экспрессии на уровне транскрипции. Одним из наиболее изученных белков этой группы является Ezh2 (Enhancer of zeste homolog 2). Он является метилтрансферазой, катализирующей триметилирование гистона НЗ по лизину 27. Такая модификация хроматина запускает PRC-опосредованную эпигенетическую репрессию через компактиза-цию хроматина или через вмешательство регуляторов транскрипции [2].

Развивая данное направление исследований, международная команда под руководством Elaine Fuchs обнаружила, что белок Ezh2 контролирует пролиферативный потенциал базальных клеток в развивающемся эпидермисе млекопитающих. Препятствуя эпидермальной диф-ференцировке, Ezh2 репрессирует lnk4A-lnk4B локус и не позволяет активатору транскрипции АР1 преждевременно связаться со структурными генами.

При исследованиях была использована модель развивающегося эпидермиса мыши. Клетки эпидермиса берут свое начало от базальных клеток, которые являются мультипотентными предшественницами и располагаются на базальной мембране, отделяющей эпидермис от дермы. Базальные клетки последовательно производят около 10 слоев надбазальных клеток. Как только клетки покидают базальный слой, у них подавляется экспрессия пролиферативных генов и запускается программа терминальной дифференцировки, что приводит к последовательным морфологическим изменениям от шиповатого слоя к зернистому, клетки которого уже не делятся и превращаются в кератиноциты. Они формируют роговой слой и постепенно слущиваются. У зародыша мыши формирование слоистой структуры эпидермиса начинается на 14 сут. развития и завершается непосредственно перед рождением, когда от поверхности кожи требуется выполнение ее защитных функций [3]. Применение такой модели в сочетании с методикой культивирования клеток и использованием методов оценки экспрессии генов позволило авторам определить влияние экспрессии некоторых генов, в частности, Ezh2, на активацию транскрипции генов конечной дифференциации.

В результате исследований было обнаружено, что Ezh2 является критическим медиатором репрессии хроматина

в эмбриональных базальных клетках, а его экспрессия снижается с возрастом и детерминацией клеток к конечной дифференцировке. Наносимая этим белком на хроматин молекулярная метка (триметилирование гистона НЗ, ЬпМеК27-НЗ) обнаружена методом иммунопрециптации в целом ряде неактивных генов. В первую очередь, метка ЬпМеК27-НЗ присутствует в молчащих эпидермальных генах у базальных клеток. Эти гены в норме активируются позже, во время терминальной дифференцировки клеток, которая наступает у клеток шиповатого и зернистого слоев. Метка ЬпМеК27-НЗ обнаружена авторами исследования также в генах, ответственных за другие (неэпидермальные) линии дифференцировки, таких как регуляторы транскрипции нервной и мышечной тканей.

Несомненный интерес представляет наблюдение авторов исследования о независимой регуляции процессов и темпов пролиферации клеток, запуска программы тканевой дифференцировки через молекулярный механизм с участием ЕжЬ2. Несмотря на связь триме-тилирования гистона НЗ с сайленсингом генов различных тканевых линий, потеря РТОв-опосредованной репрессии не влияет на судьбу эпидермальных клеток. Правильнее отметить, что происходит подавление пролиферации таких клеток через активацию локуса 1пк4А-1пк4В, что ведет к возврату транскрипции генов, отвечающих за поздние стадии дифференцировки клеток эпидермиса. Этот процесс контролируется активаторами транскрипции АР1.

На клеточном уровне отсутствие экспрессии гена ЕжЬ2 приводит к ускоренному формированию эпидермального барьера у зародышей, не влияя на послеродовое развитие.

Исследователи также продемонстрировали, что наносимая на хроматин белком ЕжЬ2 метка ЬпМеК27-НЗ препятствует белкам АР1 связываться с генами-мишенями в базальных клетках, сохраняя их пролиферативный потенциал. Во время терминальной дифференциации клеток специфические гены теряют с гистонов метку, что ведет к активации транскрипции с помощью компонентов АР1 и приобретению клетками характеристик надбазальных слоев.

Таким образом, приведенное исследование предлагает новый механизм, описывающий РВСз-опосредован-ную репрессию генов тканеспецифической дифференцировки. Пространственный баланс между экспрессией эпигенетических репрессоров РВСэ в недифференцированных клетках и активаторов транскрипции, таких как АР1, в специализированных клетках контролирует соответствующую работу ступенчатого механизма эпидермальной дифференцировки во время развития кожи.

Кроме того, становится понятным еще одно важное отличие в механизме контроля дифференцировки в эмбриональных стволовых клетках и клетках — эпидермальных предшественницах. В хроматине ЗСК метка ЬпМеК27-НЗ присутствует повсеместно, что ведет к глобальной репрессии ключевых транскрипционных регуляторов и способствует сохранению потенциала к основанию различных клеточных линий [4]. Такая повсеместная

Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том IV, № 3, 2009

I I I I I

■ I I I

Новости клеточных технологий

репрессия у ЭСК особенно важна для сохранения их плюрипотентности. Свойством ЭСК также является сохранение способности отвечать на внешние сигналы активацией любого из путей дифференциации, подавленного белками группы ро1усотЬ. Как только такие клетки оказываются детерминированы к дифференци-ровке, они должны репрессировать плюрипотентные регуляторы, такие как 0сЬ4, №под и Бох2 [5]. В эпидермальных стволовых клетках, напротив, поддерживается постоянная репрессия плюрипотентных регуляторов и

направленно активируется только одна программа дифференцировки, которая ведет к образованию кожного барьера.

В свете новых данных появляется объяснение наблюдений об оверэкспрессии гена ЕгИ2 в клетках многих опухолей. В таких клетках запущен механизм гиперпролиферации и снижены темпы тканевой дифференциации, что ведет возврату в эмбриональное состояние. В регуляции именно таких состояний клеток активное участие принимает белок Е2И2.

Пространственно-временная модель влияния экспрессии РЯС репрессора и АР1 активатора на развитие программы клеточной дифференцировки эпидермиса млекопитающих. В базальных клетках [БК} дикого типа присутствие в хроматине метки ЬпМеК27-НЗ препятствует белкам АР1 связываться и активировать гены, ответственные за тканевую дифференцировку, В базальных клетках с нокаутированным геном ЕгЬ2 [БК ЕгЬ2сК0) или дифференцированных клетках дикого типа отсутствие метки ЬпМеК27-НЗ позволяет белкам АР1 активировать транскрипцию генов поздних стадий дифференцировки

ЛИТЕРАТУРА:

1. Zeidler М., Kleer C.G. The Polycomb group protein Enhancer of Zeste 2: its links to DNA repair and breast cancer. J. Mol. Histol. 2007; 37: 219-23.

2. VirPi E., Brenner C., Deplus R. et al. The Polycomb group protein EZH2 directly controls DNA methylation. Nature 2DD6; 439: 871—4.

3. Watt F.M., Lo Celso C., Silva-Vargas V. Epidermal stem cells: an

update. Curr. Opin. Genet. Dev. 2DD6; 16: 518—24.

4. Boyer L.A., Plath K., Zeitlinger J. et al. Polycomb complexes repress developmental regulators in murine embryonic stem cells. Nature 2DD6; 441: 349-53.

5. Pasini D., Bracken, A.P., Hansen J.B. et al. The polycomb group protein Suz12 is required for embryonic stem cell differentiation. Mol. Cell. Biol. 2007; 27: 3769-79.

Порготовип А. Иванов

По материалам: Ezhkova E„ Pasolli HA., Parker J.S. et al. Ezh2 Orchestrates Gene Expression for the Stepwise Differentiation of Tissue-Specific Stem Cells. Cell 2009; 136: 1122-1135.

Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том IV, hl< 3, 2009