Молекулярные механизмы «Старения» миосателлитоцитов Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

I I I I I I

■ I I I

18

Новости клеточных технологий

Молекулярные механизмы «старения» миосателлитоцитов

Детализация возрастных изменений функциональной активности организма на клеточном уровне имеет принципиальное значение для развития клеточных технологий: изменения количественного и качественного состава клеточных популяций, их регенераторных потенций, восприимчивости к регуляторным влияниям и прочие аспекты функционирования должны быть установлены и изучены для эффективного использования клеточного материала в рамках биотехнологического направления. В этой связи исследования, нацеленные на сравнение различий функциональных особенностей клеток в зависимости от возраста доноров, весьма многочисленны, однако остаются несистематизированными.

Более глобальной причиной активного изучения возрастных изменений, происходящих на тканевом, клеточном и субклеточном уровнях, является установление механизмов старения. В частности, широко известным является факт возрастного ухудшения функционального состояния скелетной мускулатуры, проявляющийся в мышечной атрофии и замещении мышечных волокон соединительной тканью, частично обусловленный системными нарушениями (со стороны нервной и сердечнососудистой систем) [1], но, по всей видимости, связанный также со снижением активности местных регенераторных процессов.

Согласно наиболее распространенной теории, основным клеточным источником, реализующим процессы физиологической и репаративной регенерации поперечнополосатой мышечной ткани, является популяция миосателлитоцитов, способных к пролиферации и последующей дифференцировке в миобласты, сливающихся в мышечные симпласты [2]. В этой связи, характерные дегенеративные изменения мышечной ткани могут быть обусловлены снижением количества или функциональной активности миосателлитоцитов [3]. Данные о вариабельности их количественного состава крайне противоречивы: одни авторы говорят о закономерном возрастном снижении численности миосателлитоцитов [4], другие — о практически неизменном их количестве [5]. В части, касающейся закономерного снижения пролиферативных и дифференцировочных потенций миосателлитоцитов, значимых расхождений во мнениях и результатах исследований нет [4—6], но механизмы клеточного и субклеточного уровней в полной мере не определены.

В этой связи значительный интерес представляют результаты исследования I. СопЬоу с соавт., частично раскрывающие молекулярные механизмы, ответственные за возрастное ухудшение функционального состояния скелетной мускулатуры. В работе приняли участие

21 человек (10 возрастом около 22 лет и 11 — со средним возрастом 71 год), которые были разделены по возрастному критерию на две группы. Гипотрофия латеральной широкой мышцы бедра была индуцирована временной иммобилизацией нижних конечностей (в течение 2 нед.), после чего в течение 4 нед. задавалась интенсивная физическая нагрузка. Биопсии из средней части латеральной головки четырехглавой мышцы бедра выполнялись непосредственно перед и после иммобилизации, а также спустя первые 3 сут. восстановительного периода и на момент его окончания через 4 нед.

На первом этапе исследования было показано, что исходно количество мышечных волокон у пожилых людей меньше, чем у молодых. В ходе индукции гипотрофии дегенерация скелетной мышечной ткани носила более выраженный характер, в периоде восстановления наблюдался постоянный воспалительный процесс и склерозирование, в то время как у лиц возрастом около

22 лет определялась лишь умеренная гипотрофия и быстрое возвращение мышечной ткани к исходному морфофункциональному состоянию. Данные гистологического анализа были сопоставимы с результатами функциональных проб, показавших быстрое восстановление силы и выносливости гипотрофированных мышц до исходного уровня после устранения иммобилизации в группе молодых людей, в противоположность пожилым.

В дальнейшем, чтобы определить ключевые клеточные механизмы, ответственные за возрастное снижение регенеративных потенций поперечнополосатой мышечной ткани, авторы определяли удельную численность популяции миосателлитоцитов. Клетки идентифицировали определением фактора транскрипции Рах7, М-кад-герина и молекулы адгезии нейральных клеток. Было установлено, что количество миосателлитоцитов в группе пожилых вдвое меньше, чем в группе молодых людей. Важно, что незначительное увеличение количества этих клеток в течение двух недель иммобилизации сменялось четырехкратным снижением в течение восстановительного периода, что позволило авторам постулировать об ухудшении активации миосателлитоцитов с возрастом в ответ на повреждение/гипотрофию.

Показав ранее значимость сигнального пути Delta/ Notch в индукции регенераторных потенций миосателлитоцитов [7], исследователи определяли уровень экспрессии клетками Notch и одного из его лигандов — Delta. Оказалось, что до иммобилизации их содержание в миосателлитоцитах было низким в обеих группах, однако с началом регенераторных процессов экспрессия в группе молодых людей значительно возрастала, а в случае пожилых — оставалась практически неизменной, что свидетельствует об изменении активности сигнального пути Delta/Notch с возрастом.

Для более детального изучения молекулярных механизмов, снижающих функциональную активность мио-сателлоцитов в процессе старения, авторы показали, что клетки группы пожилых людей характеризуются более высоким уровнем экспрессии трансформирующего фактора роста-p (TGF-p) и его транскрипционного фактора pSmad3, которые ответственны за снижение про-

p2

экспресии р15 и р21 — ингибиторов циклин-зависимых киназ (cyclin-dependent kinase CCDKDD, за счет чего, по всей видимости, снижается пролиферативная активность миосателлитоцитов. Снижение регенераторных потенций миосателлитоцитов, даже полученных от молодых до-

p

в эксперименте in vitro при добавлении фактора роста в культуральную среду. При этом инкубирование «старых» миосателлитоцитов в кондиционированной «молодыми» клетками среде приводило к статистически значимому

Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том V, N» 1, 2010

I I I I I I

Новости клеточных технологий

■ I I I

19

увеличению их пролиферативной активности, а при обратной постановке эксперимента — к снижению регенераторных потенций миосателлитоцитов группы молодых людей.

В заключение, исследователи подтвердили положительное регулирующее влияние митоген-активированной протеинкиназы (mitogen-activated protein kinase, МАРК) на экспрессию генов, характерную для эмбрионального периода [8]. Внесение в культуральную среду агониста МАРК — фактора роста фибробластов-2, приводило к повышению продукции Delta и Notch и активации пролиферативных потенций клеток, полученных даже от пожилых людей, а введение антагониста — МАРК ингибитора — к снижению экспрессии Delta и Notch. В подтверждение реализации эффектов сигнального пути МАРК через Notch было показано, что положительное

влияние агонистов МАРК на пролиферативную активность миосателлитоцитов нивелируется введением блокатора Notch — ингибитора гамма-секретазы (gamma secretase inhibitor). Непосредственное введение в культуральную среду эндогенного Delta также приводило к активации регенераторного ответа миосателлитоцитов группы пожилых людей.

Таким образом, молекулярные механизмы, ответственные за процесс снижения регенераторных потенций миосателлитоцитов с возрастом, чрезвычайно сложны. Можно с уверенностью утверждать, что авторы в ходе ряда исследований выявили и обосновали один из них, общий для человека и животных, в который вовлечены

p

зависимых киназ, что может найти практическое применение в клеточных технологиях.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Grounds M.D. Age-associated changes in the response of skeletal muscle cells to exercise and regeneration. Ann. NY Acad. Sci. 1998; 854: 78-91.

2. Данилов P.К. Источники развития миобластов при регенерации скелетных мышц. Онтогенез 1983; 14С5): 551—5.

3. Carlson М.Е., Suetta С., Conboy M.J. et al. Molecular aging and rejuvenation of human muscle stem cells. EMBO Molecular Medicine 2009; 1: 381-91.

4. Gibson M.C., Schultz E. Age-related differences in absolute numbers of skeletal muscle satellite cells. Muscle Nerve 1983; 6[8): 574—80.

5. Collins C.A., Zammit P.S., Ruiz A.P. et al. A population of myogenic stem cells that survives skeletal muscle aging. Stem Cells 2007; 25[41: 885-94.

6. Schultz E., Lipton B.H. Skeletal muscle satellite cells: changes in proliferation potential as a function of age. Mech. Ageing Dev. 1982; 20C4): 377-83.

7. Conboy I.M., Conboy M.J., Smythe G.M. et al. Notch-mediated restoration of regenerative potential to aged muscle. Science 2DD3; 302: 1575-7.

8. Carmena A., Buff E., Halfon M.S. et al. Reciprocal regulatory interactions between the Notch and Ras signaling pathways in the Drosophila embryonic mesoderm. Dev. Biol. 2DD2; 244: 226—42.

Порготовип ИЯ. База

По материалам: Carlson М.Е., Suetta С., Conboy M.J. et al. Molecular aging and rejuvenation of human muscle stem cells, EMBO Molecular Medicine 2009; 1:381 - 91

Направленное клеточное перепрограммирование является стохастическим процессом и подвержено акселерации

Процесс перепрограммирования соматических клеток в плюрипотентные in vitro является достаточно сложным для изучения. Наиболее проблематично оценить количественные характеристики и временные рамки происходящих критических событий. Причиной этого является клеточная и генетическая гетерогенность полученных de novo трансформированных соматических клеток. Для того, чтобы обойти необходимость вирусной трансдукции и уменьшить гетерогенность экспрессии перепрограмирующих факторов, была изобретена «вторичная» перепрограммирующая трансгенная система, в которой все соматические клетки обладают одинаковым паттерном интеграции препарат-индуцируемых вирусных трансгенов 0ct4, Sox2, Klf4 и с-Мус [1-3].

Используя эту систему на клетках линии В-лимфо-цитов Nanog-GFP репортерных мышей, коллектив исследователей из Whitehead Institute for Biomedical Research и Massachusetts Institute of Technology взялся решить ряд актуальных вопросов эпигенетики:

— как происходит развитие процесса перепрограми-рования генетической системы клеток в течение времени и что происходит с преобладающим количеством

клеток, которые не становятся перепрограммированными в течение продолжительных клеточных делений на фоне экспрессии перепрограммирующих факторов?

— за счет чего некоторые соматические клетки, обошедшие механизмы клеточного старения и апоптоза в результате экспрессии 0^4, Бох2, КН4 и с-Мус, превращаются в индуцированные плюрипотентные стволовые ПРБ) клетки раньше других?

— все ли взрослые донорские клетки, экспрессирующие факторы 0^4, Бох2, КН4 и с-Мус, в конечном счете станут !РБ-клетками, или это может быть достигнуто за счет дополнительных генетических или молекулярных манипуляций?

— ограничена ли высокая перепрограммирующая способность только для клеток, не принадлежащих к каким-либо линиям дифференцировки, и взрослым стволовым клеткам?

Авторы исследовали характеристики процесса перепрограммирования путем изменения генетической программы клеток. Было использовано индуцированное выключение ряда генов с помощью метода малых интерферирующих РНК. В ходе экспериментов проводился по-

Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том V, № 1, 2010