CC BY
346
ЭПИТЕЛИАЛЬНО-МЕЗЕНХИМАЛЬНЫЙ ПЕРЕХОД, ТРАНСДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ, РЕПРОГРАММИРОВАНИЕ И МЕТАПЛАЗИЯ: СОВРЕМЕННЫЙ ВЗГЛЯД НА ПРОБЛЕМУ
Мнихович М.ВЛ 2, Вернигородский С.В.3, Буньков К.В.4, УДК: 611-018.7:616-006.3-003.972
Мишина Е.С.5
1 НИИ морфологии человека, Москва
2 РНИМУ им. Н.И. Пирогова, Москва
3 ВНМУ имени Н.И. Пирогова, Винница
4 Смоленский областной институт патологии, Смоленск
5 Курский ГМУ, Курск
EPITHELIALLY-MESENCHIMAL TRANSITION TRANSDIFFERENTIATION, REPROGRAMMING AND METAPLASIA: MODERN VIEW ON THE PROBLEM
Mnihovich M.V., Vernigorodskij S.V., Bunkov K.V., Mishina E.S.
Соматические клетки, которые переходят от одного зрелого фенотипа к другому, обладают свойством пластичности. Благодаря детерминации тканям свойственно сохранение своей специфической структуры после повреждения. Пластичность обеспечивает возможность различных преобразований. Детерминация и пластичность являются проявлениями наследственности. Консерватизм наследственности обуславливает тканевую детерминацию, изменчивость наследственности - тканевую пластичность. При оценке консерватизма наследственности ткани необходимо учитывать время появления ее в филогенезе. Чем ткань детерминированней, тем она менее пластична и наоборот. Филогенетически наиболее древними являются эпителии кожи и кишечника. Их производные, в частности образованные из них железы, - моложе. Морфогенетические потенции тканей, следовательно, и границы метаплазии зависят как от консерватизма наследственности и филогенетической давности ткани, так и от различных видов патологии развития, с разной силой расшатывающих этот консерватизм.
Морфологическое исследование имеет решающее значение в изучении границ метаплазии и объема предполагаемых тканевых преобразований. Но именно здесь толкование феномена оказывается сложным и запутанным.
В обычных условиях пластичность тканей ограничена их наследственными свойствами. Консерватизм наследственности определяет специфическую тканевую дифференциацию, ответственен за то, что из недифференцированных клеток образуется только желудочный эпителий. Морфологическим проявлением этого является появление уплощенного эпителия в ямках и на валиках. Длительное нарушение физиологической регенерации с преобладанием фазы пролиферации над фазой дифференциации до некоторой степени «раскачивает» наследственность, что приводит к замене «детерминации» на «пластичность» с расширением формообразующих
потенций ткани. Следовательно, клетки герминативной зоны могут дифференцироваться в кишечный эпителий [1]. Причины подобного искаженного хода физиологической регенерации не выяснены.
Становится все более очевидным, что эпителиальные и эндотелиальные клетки используют некоторые свойства пластичности, которые легко были продемонстрированы при изучении процесса эпителиально-мезенхимального перехода (ЭМТ). Эпителиальные клетки, пластичность которых можно рассматривать как форму либо трансдифференциации (метаплазии), либо ЭМТ. Трансдифференциация в целом относится к способу, при котором один зрелый фенотип эпителиальных клеток превращается в другой зрелый фенотип эпителиальной клетки, с или без клеточного деления. Неясно, представляет ли собой трансдифференциация переходное состояние.
М. Zeisberg and E.G. Neilson в своей работе [2] выделяют следующие категории пластичности эпителиальных клеток (Рис. 1).
Эпителиальная трансдифференциация, которая включает трансдифференциацию гепатоцитов в остров-ковые клетки поджелудочной железы, преобразование пигментных эпителиальных клеток радужки глаза в хрусталик, формирование альвеолоцитов I типа из II, интерполяцию клеток типа А в Б клетки щитовидной железы, эпителиальных клеток нижней трети пищевода в пищевод Барретта, преобразование лактотропных клеток гипофиза в соматотропные. Возможные эпителиальные переходы (Рис. 1).
Эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП) - сложный процесс изменения эпителиальными клетками эпителиального фенотипа на мезенхимальный, происходящий в эмбриональном развитии, при заживлении ран, а также при патологических процессах, в том числе опухолевой прогрессии и фиброзе [3]. Существует также и обратный процесс - мезенхимально-эпителиальный переход (МЭП). Этот биологический феномен впервые
Трансдифференцировка
Эпителиальная пластичность
Типы ЭМП (на основе контекста)
(Метаплазия) Тип 1 Тип 2 Тип 3
(мезвнхимальный) (фибробластический) (фибробластический)
Рис. 1. Эпителиальная пластичность клеток [2]
описала Элизабет Хей в 1995 году [4]. Она же впервые применила и термин, который вскоре был заменен на более точный - ЭМП, что отчасти отображает обратимость процесса.
В настоящее время под ЭМП понимают процесс, при котором эпителиальные клетки утрачивают присущие им свойства (межклеточную адгезию и апикально-базальную полярность) и приобретают свойства, типичные для мезенхимальных клеток (веретеновидная форма, реорганизация цитоскелета с появлением стрессорных фибрилл, подвижность и синтез компонентов внеклеточного матрикса). ЭМП - это эволюционно закрепившийся процесс, связанный с переходом от одноклеточных организмов к многоклеточным и обеспечивающий перемещение эмбриональных клеток, дающих начало новым специализированным тканям и органам. Однако при изменении условий существования тканей в постэмбриональном периоде, при воздействии повреждающих факторов, в процессе канцерогенеза возможна активация генетических программ ЭМП [5].
R. КаИип и соавт. (2009) предложили разделить ЭМП на три типа. Первый тип ЭМП связан с эмбриогенезом, он носит временную и пространственную запрограммированность, обеспечивает перемещение эпителиальных клеток и формирование новых тканей, может быть обратимым, не сопровождается фиброзом, деструкцией и неконтролируемым ростом клеток. Второй тип ЭМП развивается при повреждении клеток, репарации и воспалении в тканях и может лежать в основе фиброзирования органов. Третий тип ЭМП характерен для опухолевой трансформации клеток и определяет появление у них свойств инвазии и метастазирования. Он связан с генетическими и эпигенетическими изменениями онкогенов и супрессорных генов [6].
Основным признаком ЭМП считается подавление в клетках экспрессии Е-кадхерина, участвующего в образовании плотных контактов между эпителиоцитами.
Подавление экспрессии Е-кадхерина приводит к потере межклеточных контактов и увеличению уровня в-катенина в ядре [7]. Также признаками ЭМП является
подавление синтеза эпителиальных маркеров таких, как десмоплакин и плакоглобин, и индукция синтеза мезен-химельных белков таких, как виментин, фибронектин и гладко-мышечный актин [3].
На сегодняшний момент не подлежит сомнению тот факт, что ЭМП играет ключевую роль в опухолевой прогрессии и метастазировании. Запуск программы перехода даёт клеткам явные преимущества, которые способствуют эффективной инвазии и метастазированию в удалённые органы и ткани. ЭМП является основным, хоть и не единственным механизмом, отвечающим за образование метастазов. Приобретая мезенхимальный фенотип, отдельные раковые клетки получают возможность проникать в окружающие ткани, а также преодолевать барьер эндотелия, поступая в кровеносные или лимфатические сосуды [3]. Когда клетки достигают вторичных очагов роста, они перестают получать сигналы от первичной опухоли и претерпевают обратные изменения, снова приобретая эпителиальный фенотип. Этот обратный процесс получил название МЭП [8; 9].
ЭМП запускается и контролируется сигналами клеточного микроокружения, которые регулируют функции определённых генов и запускают цитоплазматические реакции. Описано несколько транскрипционных факторов, которые играют ключевую роль в подавлении эпителиальных белков, таких, как Е-кадхерин и ZO-1 (Zona occludens protein 1). Это транскрипционные факторы типа цинковых пальцев, к которым относятся SNAIL1, SLUG (SNAIL2), TWIST1, ZIB1 (другое название TCF8 и 5EF1), SIP1 (другое название ZEB2 и ZFXH1B) и E47 (другое название TCF3) [10-14].
Известно, что Е-кадхерин закрепляется в мембране посредством в-катенина - мультифункционального белка, который помимо стабилизации клеточных контактов, выполняет функцию транскрипционного фактора. в-катенин связывается с цитоплазматическим доменом E-кадхерина, соединяя его с белками цитоскелета, тем самым закрепляя в мембране. При подавлении экспрессии E-кадхерина в процессе ЭМП в-катенин высвобождается из комплекса с E-кадхерином, переходя в цитоплазму, где может стабилизироваться посредством Wnt- сигнала и транспортироваться в ядро. В ядре в-катенин выступает в роли ко-фактора некоторых транскрипционных факторов, запускающих экспрессию генов контроля клеточного цикла [15; 16].
Известно, что одним из ключевых факторов развития ЭМП является белок Snail1. По данным ряда исследователей, Snail1 напрямую подавляет транскрипцию E-кадхерина - основного белка клеточных контактов [17]. Эксперименты, проведённые N. Kurrey и соавт. на клеточных линиях рака яичников показывают, что повышение экспрессии Snail1 в условиях гипоксии сопровождается снижением уровня E-кадхерина и повышением способности клеток к инвазии [18]. Предположительно Snail1 вовлечён в развитие гормональной резистентности клеток рака молочной железы [19]. Также существуют данные о
том, что Snaill не только способствует клеточной инвазии, но и делает клетки более устойчивыми к некоторым неблагоприятным факторам [20].
Среди механизмов ЭМП можно выделить несколько ключевых моментов:
1. Подавление экспрессии гена Е-кадгерина (E-cadherin (CDH1), участвующего в образовании плотных контактов между эпителиоцитами.
2. Увеличение экспрессии генов ответственных за ме-зенхимальный фенотип эпителиоцитов, таких как виментин (Vimentin), гладко-мышечный актин, фи-бронектин (Fibronectin).
3. Усиление клеточной подвижности вследствие активации сигнальных путей приводящих к реорганизации цитоскелета.
4. Повышение экспрессии генов, кодирующих матрикс-ные металлопротеиназы (MMP), которые участвуют в деградации внеклеточного матрикса и базальной мембраны.
Растворимые факторы роста (Рис. 2), цитокины, молекулы внеклеточного матрикса активируют сигнальные пути ведущие к реализации программы ЭМП. Эти пути активируют ряд транскрипционных факторов (Snail, Twist, Slug, ZEB1, ZEB2, Lef-1 и др.), которые связываются с промоторами генов ответственных за ЭМП [21].
Промоторы генов, кодирующих белки плотных контактов (Tight Junction, TJ) - E-cadherin, occludin, claudin-1, транскрипционно ингибируются этими транскрипционными факторами, а, соответственно, промоторы генов компонентов цитоскелета, например Vimentin, а также генов белков внеклеточного матрикса Fibronectin, в свою очередь, наоборот активируются.
Одним из основных процессов, происходящих во время регенерации тканей является превращение эпителиальных клеток в мезенхимальные и наоборот, из мезенхимальных клеток в эпителиальные.
На Рис. 3 показана разница между этими двумя основными фенотипами клеток. Важно, что нет никаких других многоклеточных тканей. Эпителиальные клетки плотно связаны друг с другом и с внеклеточным матриксом. Внеклеточный матрикс является базальной пластинкой, которая служит своего рода «колыбелью» для эпителиальных клеток. Мезенхимальные клетки расположены в 3D внеклеточной матрицы. Они биполярны, а это значит, что у них есть другое расположение цитоскелета и распределение органелл внутри них. 1. Первый этап ЭМП - разрушение эпителиальных межклеточных контактов, плотных соединений, слипающихся между собой, десмосом и щелевых контактов, а также, нарушение клеточной полярности через нарушение частиц, разделение неисправных так называемых PAR- и Scribble (SCRIB) - полярные комплексы. Экспрессия эпителиальных генов подавляется, одновременно с активацией экспрессии мезенхимальных генов.
ФРГ ФРФ ТФРР ЭФР ФРТ
Сигнальный путь
WNT ВКМ
Рецепторные тирозинкиназы
Рецепторы Сигнальный Рецепторы Интегрины ТФР путь Notch Frizzled
Активация транскрипционных факторов, регулирующих транскрипцию генов
TWIST ZEB1 snail Slug Lef-1 KLF8 „ »Й
ZEB2
Ингибирование транскрипции генов: Е-кадгерин, окклюдин,
кпаудин-1, плакофилин-3
Активация транскрипции генов:
виментин, альфа-гладкомышечный актин, М-кадгерин, фибронектин
Программа эпителиально-мезенхимапьного перехода
Рис. 2. Механизмы ЭМП
Эпителиальный
Апикальный край
Мезенхимальный
Хвостовой край
Матриксные металлопротеазы Ведущий край
Рис. 3. Эпителиальный и мезенхимальный фенотипы клеток
2. Далее эпителиальная структура актина реорганизуется и клетки приобретают подвижность и инвазивный потенциала путем формирования ламеллиподий, филоподий и инвадопий, а также, с помощью экспрессии матричной металлопротеиназы (matrix metalloproteinases - MMPs), что, в дальнейшем, может привести к снижению внеклеточных матричных белков (extracellular matrix (ECM) proteins). Процесс МЭП позволяет клеткам, которые подверглись ЭМП вернуться в эпителий [22].
ЭМП свойственно нормальному эпителию в процессе развития, особенно раннего, например, при га-струляции, когда эпителий приобретает подвижность и активно внедряется в подлежащие слои. ЭМП имеет место при временных повреждениях ткани, при этом эпителиальные клетки теряют полярность, прекращают синтез кадхеринов, образуют виментин и фибронектин и одновременно с этим приобретают подвижность. Они
прекращают синтез клеточных ядерных трансфакторов и образование антигенов, характерных для эпителиальных тканей. Эпителиальные клетки становятся типичными фибробластами. ЭМП, по-видимому, лежит в основе инвазии и метастазирования: клетки эпителиальной опухоли становятся подвижными и приобретают способность расселяться по разным территориям организма. При этом очень существенно, что клетки претерпевают физиологическое, а не генетическое превращение, так как ЭМП обратим [3].
Одним из маркеров ЭМП является переход от ци-токератиновых промежуточных филаментов к вимен-тиновым. ЭМП сопровождается изменением профилей транскрипции генов, в том числе, компонентов цитоске-лета и внеклеточного матрикса, а также протеолитиче-ских ферментов, участвующих в деградации последнего. Нарушения межклеточных контактов недостаточно для приобретения клетками подвижности и способности проникать в новое для них окружение. Важная роль в этом процессе отводится интегринам, определяющим взаимодействие клеток с внеклеточным матриксом (ВКМ), и протеазам, осуществляющим перестройку или деградацию компонентов матрикса. Изменение соотношения интегриновых субъединиц в клетке и их аффинности может не только сообщать клетке новую субстратную специфичность, но и модулировать активность проте-олитических ферментов, контролировать организацию цитоскелета и влиять на выживаемость [23]. Изменение локального микроокружения и утрата эпителиальной морфологии могут способствовать снижению уровня дифференцировки - нарушение функций исходной ткани и дерегуляция экспрессии тканеспецифических генов являются характерным признаком опухолевой прогрессии. Однако полной утраты тканеспецифических свойств никогда не происходит - при дедифференци-ровке эпителиальные опухоли сохраняют по крайней мере часть признаков исходной ткани и способность к редифференцировке. Кроме того, при дедифференци-ровке может происходить возобновление синтеза эм-бриоспецифических белков, характерных для незрелых клеток определенного типа. Метастазы, возникшие на основе ЭМП, могут приобретать морфологию исходной опухоли, а эпителий в краевых районах раны может приобретать свойства фибробластов. Индукция ЭМП имеет место при взаимодействии опухолей, экспрессирующих онкоген Ras и TGFр. Но так или иначе ЭМП выглядит как заключительный этап прогрессии эпителиальной опухоли, когда опухоль теряет эпителиальные признаки (полярность клеток, специфические клеточные контакты, характерную морфологию и тканеспецифическую антигенную структуру) и одновременно приобретает черты фибробластов (экспрессию виментина, подвижность, независимость от территории роста).
Можно думать, что понимание этого процесса и факторов, в нем участвующих, создадут основу для рациональной терапии инвазии и метастазирования - главных
свойств злокачественности. При этом непонятно, что будет дальше. Ведь прогрессия должна быть бесконечна, а ЭМП как бы завершает ее [24].
До сих пор считалось, что дифференцированные клетки могут возникать из зародышевых или стволовых клеток. Но сейчас известно [25], что путем трансдифференциации зрелые клетки одного фенотипа могут превращаться в полностью дифференцированные клетки другого.
Метаплазия, в широком аспекте использования термина, означает превращение одного клеточного или тканевого фенотипа в другой и происходит как путем превращения стволовых клеток, так и прямой конверсии уже дифференцированных клеток. Впервые метаплазия слизистой оболочки желудка (СОЖ) упоминается Куп-фером в 1883 г. [26]. В 1884 г. Вирхов ввел это понятие в медицинскую практику [27]. Как считал Вирхов, метаплазия есть изменение характера ткани при сохранности ее клеток. Он не разграничивал метаплазию, эмбриональные дифференцировки и изменчивость, также он выделял прямую метаплазию, возникающую без размножения клеток, и косвенную, связанную с пролиферацией.
Трансдифференциация - это разновидность метаплазии, которая характеризуется необратимым переходом уже дифференцированных клеток в другой тип, вследствие потери одного фенотипа и получения другого.
Трансдифференциация может происходить двумя основными путями:
1) с привлечением клеточного деления, дедифференци-ации через промежуточный тип клеток и появлением нового фенотипа без свойств первичной дифференцированной клетки (преобразование пигментных эпителиальных клеток радужки глаза в хрусталик);
2) прямой трансдифференциацией без клеточного деления (например, превращение клеток поджелудочной железы в гепатоциты) [28-31].
В норме дедифференциация и клеточное деление являются существенными промежуточными процессами развития клетки, но они не обязательно возникают во всех случаях. Трансдифференциация ассоциирована с изолированным изменением в программе экспрессии генов и является прямым прототипом связи между двумя клеточными линиями (видам).
Таким образом, метаплазию можно рассматривать как потенциально обратимое изменение, при котором дифференцированные типы клеток замещаются другими дифференцированными типами клеток, как правило, лучше приспособленных к трансформированным условиям среды [32].
На молекулярном уровне причиной трансдифференциации, вероятно, является изменения в экспрессии главного гена-переключателя (гомеотического гена), который способен различать две клеточные линии при нормальном развитии.
О тесной патогенетической связь метаплазии с системой генетической детерминации тканей свидетельствуют
и современные труды иностранных авторов в опытах на Cdx2-трансгенных мышах [33-35] и исследований гастро-биопсий, полученных от пациентов [36; 37].
После того, как были открыты и изучены гомео-зисные гены дрозофилы, похожие гены были найдены у всех других многоклеточных организмов от нематоды до человека.
Большое количество транскрипционных факторов многоклеточных организмов вовлечены в обеспечение их развития. Определяющая черта этих факторов - наличие в их составе одного или более ДНК-связывающих доменов, которые взаимодействуют с определенными участками ДНК, расположенными в регуляторных областях генов. Гомеодоменные белки связывают гомеобокс (особый участок ДНК) и играют критическую роль в индивидуальном развитии организмов - онтогенезе [38]. В геноме человека обнаружено более 2600 белков, имеющих ДНК-связывающий домен, и большинство из них - факторы транскрипции [39]. Поэтому они составляют наибольшее семейство белков человека.
Многие гены регулируются корпоративным взаимодействием различных факторов транскрипции, что делает уникальность регуляции каждого гена в процессе развития организма.
Сегодня до конца не выяснено, как происходит спецификация (специализация, детерминация) кишечной энтодермы. Считается, что она дифференцируется локально на ранних стадиях эмбриогенеза и спецификация детерминируется во взаимодействии с окружающей мезенхимой. Согласно переднезадней оси тела, модель экспрессии гомеобоксных генов (Нох), как полагают, ответственна за спецификацию различных органов. Гены Нох кодируют белки, регулируют транскрипцию и определяют структуры тела и их расположение в перед-незаднем направлении. Работая в соответствии с генетической программой, они инициируют или подавляют транскрипцию определенных генов в ответ на внешние воздействия, что приводит к изменению морфологии, дифференциации клеток, морфогенеза, органогенеза.
Cdx1 и Cdx2 - это каудально связанные гомеобокс-ные транскрипционные факторы с селективной локализацией в ядрах эпителиоцитов слизистой оболочке тонкой и толстой кишки плодов и взрослых. В неизмененной слизистой оболочке желудка (СОЖ) они отсутствуют. В слизистой оболочке здорового кишечника Cdx2 экс-прессируются преимущественно в дифференцированных энтероцитах на ворсинках, а Cdx1 - в недифференцированных клетках пролиферативного компартмента крипт [40]. Многочисленные исследования показали, что аберрантная экспрессия Cdx1 и Cdx2 в СОЖ может иметь ключевую роль в развитии кишечной метаплазии. Так, Mesquita и соавт. [41] доказали, что Cdx2 активирует экспрессию кишечного муцинового гена МиС2 в желудочных клетках, индуцируя интестинальную трансдифференциацию как в участках кишечной метаплазии, так и в отдельных типах рака желудка.
Вместе с этим, дифференцированию желудочного эпителия способствуют Runx3, Sox2, Shh и Ptc. Потеря их функции, вероятно, также может приводить к трансдифференциации клеток желудочного типа в кишечный. В нормальной СОЖ экспрессия Cdx2 может прямо или косвенно подвергаться супрессии при участии Runx3, Sox2, Shh и Ptc [42].
Таким образом, молекулярно-биологические исследования показывают, что Cdx2 путем активации собственного промотора может закреплять кишечный фенотип за клетками, что противоречит концепции обратимости метаплазии. Поэтому дальнейшие исследования этого феномена могут прояснить идентичные молекулярные механизмы возникновения кишечной метаплазии при различных патологических процессах.
Регенерация эпителия СОЖ, как и любой другой ткани в организме человека, включает его детерминацию, дифференцировку и специализацию. Согласно современным взглядам, стволовая клетка является полипотентной, развитие которой однозначно еще не детерминировано. Тканевая детерминация, или достижение специфичности, которая является проявлением наследственности, реализуется в дочерних клетках. Механизм детерминации связан с репрессией (блокировкой) и дерепрессией (деблокированием) генов. Изменения активности генетического аппарата в процессе тканевой детерминации в дальнейшем реализуются в определенных линиях специфической дифференцировки. При этом детерминация тканевых свойств клеток осуществляется на уровне синтеза иРНК, в то время, как дифференцировка происходит путем трансляции генетического кода с молекулы иРНК на специфические молекулы белка, который синтезируется.
Дифференцировка клеток представляет собой сложный процесс, при котором совершенствуются внутриклеточные структуры и функции клеток. На основе глубокого обзора литературы по клеточной дифференцировке, выполненного Трумэном [43], можно сделать вывод, что изменения и усовершенствования структуры и функции клеток при их дифференцировке возникают без изменений клеточного генома, но с активацией или репрессией различных групп генов (его составляющих).
На основе этих данных низкодифференцирован-ные клетки генеративных зон является пулом дочерних клеток стволового эпителиоцита слизистой. Они уже имеют направление в дифференцировке в соответствии с набором активированных и репрессированных генов. Последующие дифференцировки происходят благодаря редукции одних и развития других внутриклеточных структур, осуществляются под воздействием активированных генов, транскрибируются в мРНК.
Современные данные свидетельствуют о том, что именно изменение программы дифференцировки стволовой клетки СОЖ, расположенной в зоне перешейка желез, является пусковым механизмом метаплазии [44]. Но некоторые авторы придерживаются теории дедиф-
ференцирования, согласно которой зрелая клетка СОЖ - мукоцит теряет признаки специализации и становится похожей на стволовую клетку [45]. Также существует теория развития кишечной метаплазии из клеток костного мозга, которые с током крови попадают в СОЖ [46].
Восстановление плюрипотентности в дифференцированных клетках и связанные с этим процессы репрограммирования генома - актуальные проблемы современной биологии и молекулярной патологии. Посвященные им исследования, кроме прикладных аспектов (получение иммуносовместимых клеток для трансплантологического лечения различных болезней), причастны и к другим фундаментальным проблемам биологии (регуляция дифференцированной активности генов, процессов индивидуального развития и другие). В течение нормального развития эмбриональные клетки при дифференцировании теряют свою первоначальную плюрипотентность, в результате чего специализированные клетки лишены потенциала преобразования в другие типы клеток. Долгое время считалось, что потеря плюрипотентности необратима. Впрочем, в экспериментах на амфибиях и млекопитающих было показано, что ядра дифференцированных клеток, изъятых у взрослого животного, после пересадки в энуклеированные ооциты способны обеспечить полное развитие организма. Эти данные свидетельствуют о том, что ядра отдельных дифференцированных клеток могут быть репрограммирова-ны цитоплазматическими факторами ооцита [47].
Феномен репрограммирования ядра зрелой соматической клетки интенсивно изучается в последнее время в связи с перспективой получения «пациент-специфических» плюрипотентных клеток, подобных эмбриональным стволовым. При реализации этого феномена под влиянием неизвестных факторов в ядре соматической клетки происходит активация генов раннего эмбриогенеза и ингибирование генов, ответственных за дифферен-цировку и специализацию. При полном репрограмми-ровании теряется как специализированная генетическая, так и эпигенетическая информация, и клетка приобретает свойства плюрипотентной.
Полное репрограммирование ядра терминально дифференцированной соматической клетки доказано экспериментально. Оно происходит при его переносе в энуклеированную неоплодотворенную яйцеклетку [47] при слиянии зрелой специализированной клетки с эмбриональной стволовой [48; 49]. Однако до сих пор остаются неизученными механизмы и факторы, регулирующие реализацию этого биологического феномена.
До 2008 г. перепрограммированные клетки удавалось получать, лишь внедряя в их хромосомы дополнительные гены (с помощью встраивающихся в них видоизмененных вирусных ДНК), работа которых и возвращала клетки в «младенческое», недифференцированное, состояние. Как бы ни были эффективны подобные методы, они предусматривают изменение генома, и даже если внедренные гены, перепрограммировав клетки, перестают работать,
полученная в итоге культура оказывается генетически неидентичной исходным клеткам — и всему организму, из которого они происходят. Поэтому перспектива внедрения в медицинских целях потомков таких клеток обратно в этот организм вызывала дополнительные опасения, связанные с возможными побочными эффектами их генетических отличий (в частности, внедрение новых генов нередко повреждает уже имеющиеся гены, что может повышать вероятность развития из таких клеток злокачественной опухоли). В 2008 году исследователям впервые удалось перепрограммировать клетки, не внося изменений в их геном или внося меньшие изменения, чем приходилось делать ранее. Внедрение некоторых генов удалось заменить воздействием определенных веществ. Кроме того, клетки мышей удалось перепрограммировать с помощью вирусов, не встраивающихся в геном: гены, встроенные в ДНК этих вирусов, работают в зараженной клетке, но не оказываются в составе ее хромосом и не передаются всем ее потомкам [50].
Наиболее важным успехом в репрограммировании стало открытие, что клетки могут быть репрограмми-рованы путем избыточной экспрессии ключевых транскрипционных факторов [51]. Четыре транскрипционных фактора (Oct4, Sox2, Klf4 и Myc) могут быть действительно трансформированы в соматические клетки и при правильных условиях культивирования будут репрограм-мированы некоторые из них в ESC-подобное состояние, обозначаемое 'induced pluripotent stem cells' (iPSCs) [52].
Одной из наиболее актуальных задач клинической науки нынешнего столетия является развитие терапевтических стратегий, способных обратить вспять прогресси-рование сердечной недостаточности — основной причины инвалидности и смертности населения. Большие надежды в этом плане возлагаются на методы клеточной терапии, которые могли бы предотвратить образование соединительной рубцовой ткани вместо мышечной. Простейшим подходом к решению этой задачи могло бы быть перепрограммирование сердечных фибробла-стов непосредственно в организме путем доставки в сердце факторов транскрипции [53] или микроРНК [54; 55]. Была предпринята попытка перепрограммировать сердечные фибробласты в кардиомиоцит-подобные клетки in vivo путем гиперэкспрессии в них факторов транскрипции Gata4, Mef2c и Tbx5 (GMT) [56]. В случае удачи, такой поход позволил бы превращать рубцовую ткань в мышечную непосредственно в сердце, без необходимости клеточной трансплантации. Эффективность такого перепрограммирования оказалась очень низкой, а фенотип полученных кардиомиоцитов существенно отличался от фенотипа нормальных зрелых кардиоми-оцитов. Результатом чего явилась низкая выживаемость перепрограммированных клеток [57]. Позднее в опытах in vitro фенотип удалось несколько исправить (добавлением ESRRG, MESP1, Myocardin, ZFPM2 и TGF-ß), но эффективность перепрограммирования осталась низкой [58]. Таким образом, необходимы дальнейшие техниче-
ские усовершенствования, чтобы сделать эту технологию более применимой для лечения.
Методы перепрограммирования клеток, не предполагающие изменения их генома, пока работают менее эф -фективно, чем основанные на внедрении дополнительных генов в хромосомы, и некоторые из них пока позволяют перепрограммировать лишь клетки мыши, но не человека. Однако теперь, когда ясно, что перепрограммирование клеток без изменения генома принципиально осуществимо, есть все основания полагать, что технологии, лежащие в основе такого перепрограммирования, будут развиты и усовершенствованы в недалеком будущем.
Важная недавняя ветвь репрограммирования соответствует трансдифференцировки или трансверсии, при которой соматические клетки переключаются из одного состояния в другое, но при этом не обязательно возрастает онтогенетическая пластичность. Использование коктейля транскрипционных факторов успешно используется, чтобы трансдифференцировать ряд клеточных типов из одного клона в другой. Такое репро-граммирование может произойти внутри клона, так, например, конверсия экзокринных клеток в эндокринные клетки (обе энтодермального происхождения) или альтернативный поперечный переход клонов, как это было продемонстрировано при превращении фибробластов в нейроны (мезодермально-эктодермальное переключение клонов). Можно ожидать, что список типов клеток, которые могут стать предметом для трансдифференцировки будет постоянно расти благодаря новым комбинациям транскрипционных факторов, способных обеспечивать определенные клеточные особенности. Трансдифферен-цировка также обещает ряд потенциальных преимуществ по генерации клинически пригодных клеток, особенно в отношении эффективности конверсии, которая, по-видимому, в некоторых случаях достаточно высокая. Кроме того, клетки, возникающие с помощью этого пути, могут нести меньший риск генерации карцином, поскольку необходимые онкогены не используются в этой процедуре репрограммирования [59].
Рассмотренные в настоящей статье особенности метаплазии, трансдифференциации, ЭМП и клеточного репрограммирования позволяют представить лишь общие контуры событий, которые возникают при межклеточных взаимодействиях через активацию различных молекулярно-генетических путей. Ежегодное открытие новых факторов, участвующих в межклеточных взаимодействиях ставит перед исследователями важные задачи, которые возможно разрешить только при тесном международном сотрудничестве научного сообщества.
Литература
1. Аруин, Л.И. О морфогенезе кишечной метаплазии слизистой оболочки желудка / Под ред. акад. АМН СССР В.Х. Василенко и проф. А.С. Логинова // Актуальные вопросы гасторэнтерологии. Сборник трудов - М., 1972; С. 103-108.
2. Zeisberg, M., Eric, G.N. Biomarkers for epithelial-mesenchymal transitions. J. Clin. Invest. 2009; 119 (6): 429-1437.
3. Thiery, J.P., Sleeman, J.P. Complex networks orchestrate epithelial-mesenchym-al transitions. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2006; 7 (2): 131-142.
4. Hay, E.D. An overview of epithelio-mesenchymal transformation. Acta Anat. 1995; 154: 8-20.
5. Пасечник, Д.Г. Роль эпителиально-мезенхимального перехода в генезе хронической болезни почек и почечно-клеточного рака (проблемы и перспективы). Науковий воик мiжнародного гумаштарного ушверситету. 2014; 6: 30-33.
6. Kalluri, R., Robert, A.W. The basics of epithelial-mesenchymal transition. J. Clin. Invest. 2009; 119 (6): 1420-1428.
7. Cowin, P., Rowlands, T.M., Hatsell, S.J. Cadherins and catenins in breast cancer. Curr Opin Cell Biol. 2005; 17 (5): 499-508.
8. Bukholm, I.K., Nesland, J.M., Borresen-Dale, A.L. Re-expression of E-cadh-erin, alpha-catenin and beta-catenin, but not of gamma-catenin, in metastatic tissue from breast cancer patients. J Pathol. 2000; 190 (1): 15-19.
9. Zhang, X.H., Liang, X., Liang, X.H. The Mesenchymal-Epithelial Transition During In Vitro Decidualization. Reprod. Sci. 2013; 20 (4): 354.-360.
10. Cano, A., Perez-Moreno, M.A., Rodrigo, I. The transcription factor snail controls epithelial-mesenchymal transitions by repressing E-cadherin expression. Nat Cell Biol. 2000; 2 (2): 76-83.
11. Hajra, K.M., Chen, D.Y., Fearon, E.R. The SLUG zinc-finger protein represses E-cadherin in breast cancer. Cancer Res. 2002; 62 (6): 1613-1618.
12. Nieto, M.A. The snail superfamily of zinc-finger transcription factors. Nat Rev Mol Cell Biol. 2002; 3 (3): 155-166.
13. Pedersen, K.B., Nesland, J.M., Fodstad, O., Maelandsmo, G.M. Expression of S100A4, E-cadherin, alpha- and beta-catenin in breast cancer biopsies. Br J Cancer. 2002; 87 (11): 1281-1286.
14. Yang, M.H., Wu, K.J. TWIST activation by hypoxia inducible factor-1 (HIF-1): implications in metastasis and development. Cell Cycle. 2008; 7 (14): 2090-2096.
15. Herreros, A.G., Peiro, S., Nassour, M., Savagner, P. Snail family regulation and epithelial mesenchymal transitions in breast cancer progression. J Mammary Gland Biol Neoplasia.2010; 15 (2): 135-147.
16. Jiang, Y.G., Luo, Y., He, D.L. Role of Wnt/beta-catenin signaling pathway in epithelial-mesenchymal transition of human prostate cancer induced by hypoxia-ind-uciblefactor-1alpha. Int J Urol. 2007; 14 (11): 1034-1039.
17. Batlle, E., Sancho, E., Franci, C. The transcription factor snail is a repressor of E-cadherin gene expression in epithelial tumour cells. Nat Cell Biol. 2000; 2 (2): 84-89.
18. Kurrey, N.K., Bapat, S.A. Snail and Slug are major determinants of ovarian cancer invasiveness at the transcription level. Gynecol Oncol. 2005; 97 (1): 155-165.
19. Scherbakov, A.M., Andreeva, O.E., Shatskaya, V.A., Krasil'nikov, M.A. The relationships between snail and estrogen receptor signaling in breast cancer cells. Journal of cellular biochemistry.2012; 113 (6): 2147-2155.
20. Vega, S., Morales, A.V., Ocana, O.H. Snail blocks the cell cycle and confers resistance to cell death. Genes Dev. 2004; 18 (10): 1131-1143.
21. Lamouille, S., Jian, Xu., Derynck, R. Molecular mechanisms of epithelial-mesenchymal transition. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2014; 15: 178-196.
22. Российский онкологический портал профессионального общества [Электронный ресурс] Новости онкологии 06.03.2014/URL:http://www.rosoncoweb.ru/news/ oncology/2014/03/06/ (Дата обращения: 06.03.2014).
23. Hood, J.D., Cheresh, D.A. Role of integrins in cell invasion and migration. Nat Rev Cancer. 2002; 2 (2): 91-100.
24. Лазаревич, Н.Л., Флейшман, Д.И. Тканеспецифические транскрипционные факторы в прогрессии эпителиальных опухолей. Биохимия. 2008; 73 (5): 735-750.
25. Eberhard, D., Tosh, D. Transdifferentiation and metaplasia as a paradigm for understanding development and disease. Cellular and molecular life sciences CMLS. 2008; 65 (1): 33-40.
26. Kupffer, C. Epithel und Drüsen des menschlichen Magens. Festschr. Arztl. Ver., München, 1883: 22.
27. Virchow. Uber Metaplasie. Virch. Arch. 1884: 97.
28. Beresford, W.A. Direct transdifferentiation: Can cells change their phenotype without dividing? Cell Differ. Dev. 1990; 29: 81-93.
29. Chia-Ning Shen., Zoë D. Burke, David Tosh. Transdifferentiation, Metaplasia and Tissue Regeneration. Review. Organogenesis. 2004; 1(2): 36-44.
30. Eguchi, G. Introduction: Transdifferentiation. Semin. Cell Biol. 1995; 6: 105-108.
31. Tosh, D. Slack JMW How cells change their phenotype. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2002; 3: 187-94.
32. Stemmermann, G.N. Intestinal metaplasia of the stomach. A status report. Cancer. 1994; 74: 556-564.
33. Chan, C.W.M, Newton, W.A, Yinget, L. Gastrointestinal differentiation marker Cytokeratin 20 is regulated by homeobox gene CDX1. PNAS. 2009; 106 (6): 1936-1941.
34. Fukamachi, H. Runx3 controls growth and differentiation of gastric epithelial cells in mammals. mailto:Dev. Growth and Differ. 2006; 48 (1): 1-13.
35. Mutoh Hiroyuki, Sakurai Shinji, Satoh Kiichi. Development of Gastric Carcinoma from Intestinal Metaplasia in Cdx2-transgenic Mice. Cancer Research. 2004; 64: 7740-7747.
36. Eda, A., Osawa, H., Yanaka, I. Expression of homeobox gene CDX2 precedes that of CDX1 during the progression of intestinal metaplasia. J. Gastroenterol. 2002; 37 (2): 94-100.
37. Samuel, K., Kent M Chu, John Moon Ching Luk Expression of CDX2 and Li-cadherin in intestinal metaplasia and adenocarcinoma of the stomach. Proc. Amer. Assoc. Cancer Res. 2004; 45: 4242.
38. Gehring, W.J., Affolter, M., Bürglin T. "Homeodomain proteins". Annual review of biochemistry. 1994; 63: 487-526.
39. Babu, М.М., Luscombe, N.M., Aravind, L., Gerstein, M., Teichmann, S.A. Structure and evolution of transcriptional regulatory networks. Curr. Opin. Struct. Biol. 2004; 14 (3): 283-291.
40. Mutoh, H., Sakurai, S., Satoh, K. Cdx1 induced intestinal metaplasia in the transgenic mouse stomach: comparative study with Cdx2 transgenic mice. Gut. 2004; 53: 1416-1423.
41. Patri'cia Mesquita, Almeida Raquel, Nuno Lunet. Metaplasia — A Transdifferentiation Process that Facilitates Cancer Development: The Model of Gastric Intestinal Metaplasia. Critical Reviews TM in Oncogenesis. 2006; 12 (1-2): 3-26.
42. Dimmler, A., Brabletz, T. Transcription of Sonic Hedgehog, a Potential Factor for Gastric Morphogenesis and Gastric Mucosa Maintenance, Is Up-regulated in Acidic Conditions. Laboratory investigation. 2003; 83 (12): 1829-1837.
43. Трумэн, Д. Биохимия клеточной дифференцировки. М.: Изд-во «Мир», 1976. - 188 с.
44. Gutierrez-Gonzalez, L., Wright, N.A. Biology of intestinal metaplasia in 2008: More than a simple phenotypic alteration. Dig. Liver Dis. 2008; 40: 510-522.
45. Kirchner, T., Müller, S., Hattori, T., Mukaisyo, K., Papadopoulos, T., Brabletz, T., Jung, A. Metaplasia, intraepithelial neoplasia and early cancer of the stomach are related to dedifferentiated epithelial cells defined by cytokeratin-7 expression in gastritis / A. Jung // Virchows Arch. 2001; 439 (4): 512-522.
46. Houghton, J., Stoicov, С., Nomura, S. Gastric cancer originatin from bone marrow-derived cells. Science. 2004; 306: 1568-1571.
47. Wilmut, I., Schnieke, A.E., McWhir, J. Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells. Nature. 1997; 385 (6619): 810-813.
48. Cowan, C.A., Atienza, J., Melton, D.A. Nuclear reprogramming of somatic cells after fusion with human embryonic stem cells. Science. 2005; 309: 1369-1373.
49. Tada, M., Takahama, Y., Abe, K. Nuclear reprogramming of somatic cells by in vitro hybridization with ES cells. Curr. Biol. 2001; 11: 1553.
50. Gretchen, V. Breakthrough of the year: Reprogramming cells. Science. 2008; 322: 1766-1767.
51. Takahashi, K., Yamanaka, S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 2006; 126 (4): 663-676.
52. Shinya, Y. Induced Pluripotent Stem Cells: Past, Present, and Future. Cell Stem Cell. 2012; 10 (6): 678-684
53. Wong, A.P., Rossant, J. Generation of Lung Epithelium from Pluripotent Stem Cells. Current pathobiology reports. 2013; 1 (2): 137-145.
54. Tilanth, M.J. MicroRNA-mediated in vitro and in vivo Direct Reprogramming of Cardiac Fibroblasts to Cardiomyocytes. Circ Res. 2012; 110 (11): 1465-1473.
55. Ankur, S., Shalu, S. Adhesion strength-based, label-free isolation of human pluripotent stem cells. Nature Methods. 2013; 10: 438-444.
56. Mou, H., Zhao, R., Sherwood, R., Ahfeldt, T., Rajagopal, J. Generation of multipotent lung and airway progenitors from mouse ESCs and patient-specific cystic fibrosis iPSCs. Cell stem cell. 2012; 10 (4): 385-397.
57. Sheng, C., Zheng, Q., Wu, J. Generation of dopaminergic neurons directly from mouse fibroblasts and fibroblast-derived neural progenitors. Cell Res; 2012; 22: 769-772.
58. Lin Cheng. Generation of neural progenitor cells by chemical cocktails and hypoxia. Cell Research. 2014; 24: 665-679.
59. Richard, P., Halley-Stott, Vincent Pasque, Gurdon J.B. Nuclear reprogramming. Development. 2013; 140: 2468-2471.
КОНТАКТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
105203, г. Москва, ул. Нижняя Первомайская, 70 e-mail: [email protected]
