CC BY
75
ОБЗОРЫ
© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2015
УДК 616-006.04-092:612.014.3
Свердлов Е.Д., Плешкан В.В., Алексеенко И.В., Виноградова Т.В., Копанцев Е.П., Дидыч Д.А.
взрослые стволовые клетки и другие резиденты рака. часть i
ФГБУН «Институт биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова» РАН, 117997, Москва
В обзоре делается попытка обобщить последние данные по взрослым стволовым клеткам как наиболее вероятным клеткам, где, согласно доминирующему сегодня представлению, возникает предрасположенность к раковому перерождению или, иными словами, где инициируется рак.
Ключевые слова: рак; стволовые клетки; взрослые стволовые клетки; мастер-гены; факторы транскрипции; энхансе-ры; суперэнхансеры; регуляция транскрипции.
Гигантские усилия, затраченные на секвенирование 10 000 геномов опухолей, начатые в 2006 г. как проект «The Cancer Genome Atlas (TCGA)» стоимостью 100 млн долларов, официально завершились в 2014 г. и привели к созданию Международного консорциума по геному рака - the International Cancer Genome Consortium; сообщают об обнаружении около 10 млн (!) мутаций, ассоциированных с раком [1]. Но даже эта гигантская цифра никак не отражает всей сложности (для определения сложности см. [2]) эволюционирующей, гетерогенной, постоянно меняющейся системы, которую представляет собой раковая опухоль. Главная ее сложность состоит в громадном количестве взаимодействий между собственно раковыми эпителиальными клетками и разнообразными стромаль-ными клетками, составляющими микроокружение опухоли (МО, tumor microenvironment - TME).
Теперь общепринято считать, что микроокружение рака активно влияет на прогрессию опухоли, начиная с пре-неопластического состояния и заканчивая терминальными стадиями, включая метастазирование [3]. При этом стромальные клетки, которые взаимодействуют с раковыми, не только происходят из ближайшего окружения исходных предраковых клеток, но могут активно привлекаться эндотелиальные, миелоидные и лимфоид-ные воспалительные клетки из костного мозга, а также мезенхимальные клетки. Попав в ближайшее соседство к раковым клеткам, они «обучаются» и становятся ассоциированными с опухолью макрофагами, ассоциированными с опухолью фибробластами или васкулярными и периваскулярными клетками. В процессе развития опухоли стромальные клетки переходят из нейтрального или опухолерепрессивного состояния в состояние, способствующее прогрессу опухоли [4]. Раковые клетки секретируют цитокины, которые способствуют привлечению различных периферических клеток и растворимых молекул, таких как ростовые факторы, хемокины и, возможно, субклеточные органеллы. Эти молекулы активируют контактзависимые и паракринные механизмы сигнальных путей в раковых и стромальных клетках, которые могут благоприятствовать прогрессии опухоли [4-6]. Критическим событием в процессе этих взаимодействий является так называемое ангиогенное переключение (angiogenic switch), в результате которого в опухоли формируется своя кровеносная система [7-12].
Для корреспонденции: Виноградова Татьяна Викторовна,
vintv56@gmail.com.
Это событие является одним из решающих шагов на пути развития метастазирующей опухоли. В ангиогенез вовлекаются синтез и секреция различных факторов: ростовых, регулирующих проницаемость сосудов, стимулирующих миграцию клеток, а также протеолитиче-ских ферментов, внеклеточного матрикса, молекул адгезии. Эти факторы могут выделяться как раковыми, так и стромальными клетками.
В результате всех этих взаимозависимых событий опухоль приобретает 8 известных признаков (hallmarks) рака: поддержание системы сигналов клеточной пролиферации, избегание системы супрессии роста клеток, избегание систем клеточной смерти, приобретение ре-пликационной бессмертности, индукция ангиогенеза и активирование инвазии и метастазирования, репрограм-мирование энергетического метаболизма и избегание уничтожения иммунной системой [13]. К этому можно добавить еще один важнейший признак - чрезвычайную внутриопухолевую гетерогенность, которая делает опухоль устойчивой к различного рода терапевтическим воздействиям.
Чтобы подчеркнуть сложность всей этой системы, работающей по принципу «тяни-толкай», где каждый компонент подгоняет другие в гонке за выживание и пищевые ресурсы, размножение и миграцию (типичные свойства эволюционирующей системы), хотелось бы выделить один важнейший фактор, который используется опухолью как для защиты от внешних воздействий, так и для метастазирования, - чрезвычайную фенотипиче-скую пластичность, которая приводит к эпителиально-мезенхимальным (ЭМП) (epithelial-mesenchymal transition - EMT) и мезенхимально-эпителиальным (МЭП) переходам (mesenchymal-epithelial transition - MET). Эти переходы используются для осуществления большинства стадий инвазивно-метастатического каскада. Перечисленные взаимодействующие компоненты уже сами по себе создают суперсложную систему, которая благодаря своей чрезвычайной гетерогенности и эволюционной способности высокостабильна ко всякого рода воздействиям [14, 15]. Но судя по всему, многие детали этой системы еще только начинают входить в поле зрения исследователей и, возможно, большая их часть пока остается незамеченной [6]. С этим связаны, в частности, серьезные проблемы и многочисленные неудачи (при отдельных успехах) молекулярной таргетной терапии [16, 17].
Крайне трудно, если вообще возможно, в этой сложности найти универсальные точки терапевтического воздействия. Однако небесполезно понять, с чего начинается весь этот катастрофический процесс перехода от упорядоченной самоорганизованной системы органов и тканей к динамическому состоянию, имеющему свойства хаотического [2], но на самом деле подчиняющемуся закономерностям эволюции, т.е. селекции случайно возникающих, но имеющих наиболее приспособленное
фенотипическое проявление, наследуемых генетических и эпигенетических изменений. Идентификация клетки, от которой происходит данный рак (клетки происхождения рака - КПР; cancer cell of origin - CCO [18]), и тех генетических систем, которые нарушаются при инициации ракового процесса, была бы, возможно, существенной для выработки стратегии блокирования экспансии опухоли на ранних стадиях [18] до того, как это становится малореальным. Такое рассуждение привело к значительным успехам в идентификации КПР для разных типов рака. Многочисленные данные указывают, что в большинстве случаев роль КПР играют взрослые стволовые клетки (ВСК), называемые также тканерезидент-ными стволовыми клетками (tissue resident stem cells) или соматическими стволовыми клетками [18-23]. Тем не менее, как всегда в биологии, у этого правила, по-видимому, есть многочисленные исключения, когда на природу КПР влияют изменения условий [18].
В этом обзоре делается попытка обобщить последние данные по ВСК как наиболее вероятным клеткам, где, согласно доминирующему сегодня представлению, возникает предрасположенность к раковому перерождению или, иными словами, где инициируется рак.
Взрослые стволовые клетки
Организм животных содержит популяции стволовых клеток (СК), которые необходимы для поддержания клеточного обновления тканей [24, 25]. Однако критерий определения СК остается неоднозначным [26, 27]. Общепринятое определение СК включает в себя 2 основные характеристики: (I) это недифференцированная клетка, которая может самообновляться неопределенное количество раз и при делении образует как минимум одну новую СК с характеристиками, идентичными изначальной клетке, и (II) обладает способностью к асимметричному делению таким образом, что образующиеся клетки коммитированы к дифференцировке в специфичные субпопуляции потомков СК [28], которые называют «транзитными амплифицируемыми клетками» (transit amplifying cells) - ТАК. Они обладают низким потенциалом к самообновлению, но способны к более быстрой, хотя и ограниченной, пролиферации. ТАК предназначены для дифференцировки после определенного числа делений. Все факторы, обеспечивающие уникальные свойства нормальных СК, заключены в слове «стволо-вость» ('sternness') [29, 30]. Этот термин в настоящее время используется для описания уникальных свойств СК - способности к самообновлению и мультипотент-ной дифференциации. Самообновление и мультипотент-ность являются определяющими характеристиками СК. «Стволовость» представляет собой минимальный набор функций, общий для всех СК.
Оплодотворенная яйцеклетка и бластомеры на первых стадиях дробления считаются тотипотентными, т. е. они могут давать начало всем эмбриональным и внезародышевым поколениям клеток. Однако, согласно общепринятому определению, это не СК, поскольку они не способны к самообновлению [27, 31]. Некоторые авторы предлагают называть их клетками-основателями ('founder' cells) [26] или клетками-предшественницами (progenitor cells) [27]. Таким образом, в соответствии с общепринятым определением СК, свойствами СК обладают только ВСК млекопитающих. Эмбрионы на ранних этапах развития не содержат СК.
Бластоциста содержит кластер клеток, называемых «внутренняя клеточная масса». Клетки данного кластера могут дать начало всем органам и тканям эмбриона, но не внезародышевым тканям: они плюрипотентны.
Поскольку клетки внутренней клеточной массы не могут самообновляться, они также не являются СК. Тем не менее, существуют модели предполагаемого развития СК в эмбриональном и постнатальном развитии, которые отличаются от общепринятых [27, 32] и которые допускают использование термина «стволовые клетки» в применении к клеткам-основателям и их производным, получаемым in vitro.
Во время органогенеза большинство клеток дифференцируются во взрослые соматические клетки, но некоторые сохраняют способность к делению и приобретают способность к самообновлению. Это ВСК, которые, как правило, мультипотентны. В отличие от плюрипо-тентных клеток они не могут превратиться в любой из 220 типов клеток организма человека [25].
Взяв за образец процесс развития в гематопоэтиче-ской системе, можно полагать, что ВСК развиваются из плюрипотентных предшественников путем иерархического процесса, в котором на каждой последующей стадии спектр возможных клеточных судеб (траекторий развития) прогрессивно сужается. При этом на каждой из этих стадий клетки обзаводятся все более расширяющимся набором экспрессируемых эффекторных генов
[33]. Эта программа дифференцировки может осуществляться разными способами: (I) активацией нового регу-ляторного гена, (II) селективным сайленсингом регуля-торного гена, действовавшего на более ранней стадии, (III) комбинаторным использованием ранее экспресси-рованных и вновь экспрессированных регуляторных факторов и (IV) изменением спектра цис-регуляторных элементов, доступных для связывания транскрипционных факторов [33].
ВСК уже подверглись нескольким ступеням диффе-ренцировки, начиная с бластоцисты, и они имеют более ограниченный спектр путей дифференцировки. Помимо мультипотентных, ВСК могут быть олиго- или би-потентными и в большинстве случаев приводят только к клеткам ткани или органа, в котором они содержатся. ВСК в той или иной степени присутствуют во всех соматических тканях и органах эмбриона и взрослого организма. Хотя, как мы увидим ниже, в таких органах, как печень или поджелудочная железа, до сих пор не удалось обнаружить ВСК.
СК необходимы для обеспечения жизнедеятельности тканей на протяжении всей жизни организма. Потеря клеток в тканях (вследствие естественного клеточного износа или травмы) постоянно восполняется СК, которые поддерживают непрерывное формирование новой ткани путем создания новых поколений дифференцированных клеток. Обеспечение жизнедеятельности и восстановление взрослых тканей зависят от небольших популяций резидентных СК.
Активность СК обычно регулируется внешними факторами, определяемыми микроокружением - нишей
В тканях взрослого организма эта ниша необходима для поддержания пула покоящихся эпителиальных СК
[34], предотвращения их от истощения или нерегулируемой пролиферации, что может привести к онкогене-зу. Для ВСК характерно: (I) самообновление в течение жизни организма и (II) существование ниши СК - микроокружения, где ВСК располагаются и ожидают сигналов организма для замены или восстановления ткани. ВСК доступны для восстановления тканей в течение всей жизни организма, при этом они строго регулируются для предотвращения аномального роста. Ниша СК осуществляет это путем контроля количества клеток, са-
мообновления и направления развития своих резидентных СК [35-38]. Благодаря этому продукция новых СК строго соответствует потребностям гомеостаза или регенерации [36, 39]. Полагают, что ВСК большей частью находятся в своей нише в состоянии покоя (G0 фазе) [30, 40]. При выходе из состояния покоя они подвергаются делению, давая одну новую СК и другую, относительно быстро делящуюся, вышеупомянутую транзитную амплифицирующуюся клетку. Последняя подвергается нескольким делениям и превращается в терминально дифференцированную клетку данной ткани.
Возможно также симметричное деление ВСК, в результате которого образуются две новые ВСК. Выбор СК, поддерживать ли самообновление симметричными делениями или перейти к дифференцировке, определяется сложной системой взаимодействий (crosstalk) между сигналами, посылаемыми компонентами ниши, внутриклеточной транскрипционной системой, эпигенетическими процессами в клетке и клеточным метаболизмом. Существует тонкий баланс между пролиферацией СК и генерацией дифференцированного потомства. Некоторые СК могут быть потеряны при дифференцировке или из-за повреждений, тогда как другие делятся симметрично, чтобы заполнить этот пробел. Какие из этих событий происходят в данный момент - процесс в значительной степени стохастический [41].
При повреждении ткани ниша передает сигнал СК, вызывая либо их самообновление, либо дифференци-ровку для формирования новой ткани. Взаимодействие между СК и их нишей создает динамическую систему, необходимую для поддержания целостности тканей [42-45].
Ниша СК состоит из различных компонентов, включая ростовые факторы, цитокины, в ней осуществляются межклеточные контакты и контакты клеток с компонентами межклеточного матрикса. Судьбу ВСК регулируют различные сигнальные пути, контролируемые нишей [46-50].
Обусловленное СК обновление ткани особенно хорошо изучено в эпителиальной выстилке стенки кишечника, желудка и кожи, которые постоянно подвергаются агрессивному воздействию окружающей среды. Здесь существует возможность идентифицировать и изолировать популяции ВСК, исследование которых вносит большой вклад в понимание роли СК в гомеостазе ткани и при раке [38, 46, 47, 51]. Мы будем использовать эти СК в качестве парадигмы для объяснения общих свойств ВСК.
Тем не менее различные популяции СК и клеток-предшественниц демонстрируют значительное разнообразие в своих пролиферативных возможностях. Это разнообразие, по-видимому, отражает разные регенеративные потребности индивидуальных тканей и позволяет классифицировать СК в различные категории: (I) постоянно сменяющиеся СК тканей с высоким уровнем обновления; (II) СК, включающие СК базального эпителия дыхательных путей и мышечные сателлитные клетки, пролиферативная активность которых резко повышается при повреждениях; (III) СК с чередующимися периодами покоя и пролиферативной активности, такие как СК волосяных фолликулов.
Поскольку ткани в значительной мере отличаются частотой сменяемости, каждая предъявляет свои требования к скорости поступления обновленных клеток от своих резидентных СК. Интересно, что в различных ВСК развилось множество механизмов, которые включают взаимодействие между покоящимися и активно пролифе-рирующими популяциями СК, стохастическое регулиро-
вание симметричных или асимметричных делений СК, нейтральную конкуренцию потомства СК, или их комбинации. Совокупность этих взаимодействий способна эффективно обеспечивать гомеостаз тканей [52].
Дополнительную информацию можно найти в обзорах, посвященных нормальным СК, их происхождению и функционированию [27, 51, 53-57].
Часть ВСК пребывает в состоянии покоя в течение продолжительного периода времени
Клеточный цикл соматических клеток состоит из 4 периодов: G1 (интерфаза), S (фаза репликации ДНК), G2 (интерфаза) и M (фаза митоза).
Клетки, прошедшие контрольную точку Gl-фазы, входят в S-фазу и завершают процесс деления, в то время как клетки, не прошедшие контрольную точку, остаются неразделенными. Эти неразделенные клетки могут выходить из цикла и переходить в состояние покоя (G0 фаза) (см. предыдущий раздел), из которого они могут вновь войти в клеточный цикл и поделиться или оставаться покоящимися в течение длительного времени, теряя потенциал для вхождения в клеточный цикл, что в некоторых случаях приводит к необратимому старению (senescent). Субпопуляции ВСК млекопитающих находятся в обратимом состоянии покоя в течение длительного времени [58-60] и более часто, чем их потомки [48].
Последние достижения в выделении ВСК обеспечили понимание эпигенетического, транскрипционного и посттранскрипционного контроля состояния покоя и позволили предположить, что оно активно поддерживается в состоянии готовности (poised state), что позволяет обеспечить быструю активацию клеток. Нарушение регуляции и потеря состояния покоя часто приводят к неустойчивости популяции прогениторных клеток и в конечном счете истощению СК. В результате нарушаются поддержание гомеостаза и восстановление тканей после повреждений.
Сейчас полагают, что клетки, в частности СК, принимают это состояние, чтобы сохранить свои основные функциональные характеристики [28], что позволяет клеткам выдерживать метаболический стресс и сохранять геномную целостность на протяжении всей жизни [60].
Лучше других состояние покоя СК и его регуляция изучены у гематопоэтических СК (ГСК, HSCs), которые в основном пребывают в этом состоянии и выходят из него для того, чтобы самообновиться или дифференцироваться в различные гематопоэтические линии. Полагают, что нарушение состояния покоя ГСК уменьшает их способность к самообновлению [61]. Регуляция клеточного цикла является важной особенностью СК, и в последнее время полагают, что клеточный цикл и самообновление регулируются общим набором генов и сигнальных путей. Множество внутренних и внешних факторов участвует в поддержании состояния покоя ГСК, в частности, среди факторов, функционирующих в нише покоящихся клеток, выявлены SCF, CXCL12, N-кадхерин, остеопонин, Wnt, Notch и Tgfb/BMP, и известный онкоген Myc [61].
Дифференцировка ВСК тонкой кишки как парадигма функционирования СК
Чтобы получить представление о том, как происходит превращение ВСК в дифференцированную клетку, используем описание процесса дифференцировки СК тонкой кишки [62].
Эпителий тонкого кишечника мыши обновляется каждые 5 дней. Недавно были идентифицированы как
СК тонкой киши и толстой кишки клетки Lgr5+ (Lgr5 - маркерный ген, характерный для СК тонкого кишечника), локализованные на дне крипты1. Каждая крипта содержит приблизительно 6 долгоживущих СК. Эти клетки находятся не в состоянии покоя, а делятся каждый день. Их дочерние клетки образуют компартмент крипты для транзитных амплифицирующихся клеток (ТАК). ТАК делятся каждые 12-16 ч, образуя примерно 300 клеток на крипту каждый день. Клетки находятся в крипте примерно 48 ч, подвергаясь 5 раундам деления, пока мигрируют вверх. Когда коммитированные ТАК достигают соединения крипты с ворсинками, они быстро дифференцируются, хотя продолжают движение вверх.
В злокачественных опухолях тонкой кишки инициирующие мутации затрагивают компоненты сигнального пути Wnt, чаще всего опухолевый супрессор APC. Это приводит к конститутивной активации генов мишеней Wnt и к образованию доброкачественной аденомы [62].
Поведение ВСК регулируется внутренними
(intrinsic) и внешними (extrinsk) сигнальными системами
ВСК, по всей видимости, регулируются посредством внутренних и внешних механизмов [37, 48, 49]. ВСК по своей природе отличаются от своих потомков в области эпигенетической транскрипционной регуляции и, возможно, метаболических режимов регуляции. Нарушение регуляции этих внутренних факторов, например, посредством введения онкогенных мутаций может приводить к возникновению рака [18].
Внешние сигналы стволовым клеткам
ВСК отправляют и получают сигналы, например сигналы фактора роста, от своей ниши. Нарушение взаимодействия сигналов или изменения в составе ниши могут оказывать влияние на различные аспекты гомеостаза ВСК, такие как индукция их пролиферации. Многие пути, необходимые для взаимодействия ВСК с нишей, часто аномально регулируются во время рака [18].
Информация через сигнальные пути доставляется ре-гуляторному аппарату СК, в результате чего инициируется корректный клеточный ответ на сигналы окружающей среды. Важно, что эта весьма разнообразная информация передается относительно небольшим числом сигнальных путей, которые используются различными типами СК. Сигнальные пути передают информацию геному, взаимодействуя с присущими данным клеткам мастер-регуляторами, которые, являясь транскрипционными факторами, при этом активируются. Эти факторы связаны с определенными сайтами в геноме и при передаче сигнала ассоциируются с различными коактиваторами и хроматин-ремоделирующими комплексами. При этом транскрипция активируется или репрессируется, или происходит изменение архитектуры хроматина, в результате чего меняется доступность определенных участков генома. Комбинации этих воздействий позволяют одним и тем же сигнальным путям давать большое разнообразие клеточных ответов [37, 63].
Также важно, что в каждой данной системе одни и те же сигнальные пути активируют и самообновление, и дифференцировку СК. Дополнительные уровни функ-
'Кишечные железы или крипты (лат. glandulae seu cryptae intestinales) представлены трубчатыми углублениями, расположенными в собственной пластинке слизистой оболочки, а их устья открываются в просвет тонкой кишки между кишечными ворсинками (http:// en.wikipedia.org/wiki/Intestinal_gland).
циональной специфичности достигаются тем, что при передаче сигнала с одним или несколькими присущими клетке мастер-регуляторами взаимодействует несколько сигнальных путей. Эта совокупность сигналов может менять регуляторный ландшафт СК [37] и определяет выбор пути ее дифференцировки [63].
Сигнальные пути, с помощью которых клетки, в том числе и стволовые, получают внешние сигналы, относятся к 11 основным классам [64], определяемым лигандом или передатчиком (signal transducers): Notch, FGF, EGF, Wnt/Wingless (Wg), Hedgehog (Hh), трансформирующий ростовой фактор P (TGF-P)/BMPs, JaK-STAT сигнальный путь передачи сигналов лимфокинов, Hippo, Jun-киназа (JNK), NF-kB и рецептор ретиноевой кислоты (RAR). Эти пути вовлекают либо контакты «клетка-клетка» за счет поверхностных белков (контактная передача сигнала), либо секретируют диффундирующие факторы роста и дифференцировки (паракринная передача сигнала).
Среди путей передачи, упомянутых выше, только два, Notch и Hippo, - контактные, в то время как остальные - паракринные.
Ответ на активацию сигнальных путей обычно комплексный и вовлекает регуляцию многих процессов, таких как контроль клеточной судьбы (cell fate), апоптоз, клеточная пролиферация, реорганизация цитоскелета, полярность клетки, адгезия, миграция клеток.
Ответ той или иной клетки на сигнал зависит от его амплитуды, длительности, взаимодействий между сигнальными путями и взаимодействия транскрипционных факторов с промоторами и энхансерами генов-мишеней. Он может быть также предопределен набором транскрипционных факторов, экспрессируемых в данной клетке во время получения сигнала [64]. Также сочетан-ное действие внутренних и внешних факторов позволяет одним и тем же сигнальным путям быть использованными в различных типах клеточного окружения и вызывать разнообразные клеточные ответы [64, 65].
Интеграция внешних сигнальных путей
с внутриклеточной транскрипционной сетью в эмбриональных СК путем активации транскрипционных факторов
Клетки ощущают свое окружение и реагируют на него с помощью сигнальных путей, которые доставляют информацию в геном посредством активации транскрипционных факторов. Эти факторы, как правило, связаны со специфическими регионами генома и, чтобы осуществить свои функции, взаимодействуют с различными коактиваторами и комплексами ремоделирования хроматина. Это взаимодействие может происходить, в частности, посредством изменения архитектуры хроматина, меняющего доступность определенных геномных локусов.
Например, 2 взаимодействующих во многих процессах развития высококонсервативных сигнальных пути, BMP и Wnt в конечном счете, взаимодействуют через регуляцию транскрипции посредством принадлежащих к данным путям транскрипционных факторов SMAD и TCF/LEF соответственно, которые называют «сигнал-зависимые транскрипционные факторы» (signallingmediated transcription factors) [63]. Эти сигналзависимые факторы транскрипции используются самыми разными типами клеток во многих процессах клеточной дифференцировки. Вопрос: как данный тип клеток может специфически воспринимать эти неспецифические сигналы, чтобы «понять», что в данном случае они дают - сигнал именно этим клеткам? Для этого сигнальные молекулы должны находить в целевых клетках специфические ми-
шени. Такими мишенями являются, как сегодня думают, присущие целевым клеткам транскрипционные факторы, которые называют мастер-регуляторами или факторами, определяющими тип клетки (lineage-specifying transcription factors) [63, 66]. Другой используемый для них термин - транскрипционные факторы, специфичные для клеток определенного типа (cell-type specific factors) [67]. Эти мастер-регуляторы связаны с определенными для данного типа клеток участками ДНК, но сами по себе либо неактивны, либо малоактивны. Сигнальные факторы связываются рядом с ними, если близко оказывается подходящий для данного сигнального фактора сайт связывания. Комбинация мастер-регулятора (регуляторов) и сигнального фактора дает функциональный эффект: ген, к которому относятся сайты связывания факторов, начинает активно транскрибироваться. И если генов, с которыми связаны мастер- регуляторы в клеточном геноме, много (десятки тысяч [68]), хотя большая часть из них функционально неактивна, то генов, которые содержат рядом с мастер-регулятором еще и сайты связывания сигнальных молекул, существенно меньше. Это обеспечивает специфическую к данному сигналу транскрипцию относительно небольшого числа генов [63, 69]. Недавнюю информацию относительно различных сигнальных факторов можно найти в обзоре [64].
Таким образом, мастер-регуляторы на каждом этапе в процессе дифференцировки определяют выбор сайта сигнальных транскрипционных факторов. Эта концепция комбинаторного использования сигнальных факторов и мастер-регуляторов недавно подтверждена широкомасштабными исследованиями генома. Действительно, сайты связывания транскрипционных факторов сигнальных путей часто расположены непосредственно рядом с мастер-регуляторами эмбриональных стволовых клеток. Этот механизм встречается во многих типах клеток и устанавливает порядок, согласно которому факторы, определяющие тип клетки, связаны в данном типе клеток с определенными, специфичными для этих клеток сайтами генома. При поступлении внешнего сигнала, рассчитанного на определенную реакцию данного типа клеток, сигнальный фактор транскрипции связывается с геномом рядом с фактором, определяющим тип клетки, и они совместно запускают транскрипцию генов, требуемых для того, чтобы данный тип клеток осуществил данную функцию [63, 70, 71]. Другие типы клеток отличаются спектром расположения мастер-регуляторов, связанных с геномом. Сигнальные факторы, связываясь рядом с ними, запускают другие комплекты генов.
При этом в точной регулировке связывания сигнальных факторов могут участвовать другие факторы. Далее мы увидим на примере системы сигнализации TGF-P, как интегрируются внешние сигналы с внутренней системой транскрипционной регуляции [65].
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-50-00131).
Сведения об авторах:
ФГБУН Институт биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, 117997, Москва;
Свердлов Евгений Давидович (Sverdlov E.D.) - д-р хим.наук, проф., акад. РАН, рук. лаб. структуры и функций генов человека;
Плешкан В.В. (Pleshkan VV.) - канд. биол. наук, науч. сотр. лаб. структуры и функций генов человека;
Алексеенко И.В. (Alekseenko I.V) - канд.биол.наук, науч. сотр. лаб. структуры и функций генов человека;
Виноградова Т.В. (Vinogradova T.V.) - канд.биол.наук,
ст. науч.сотр. лаб. структуры и функций генов человека,
e-mail: vintv56@gmail.com;
Копанцев Е.П. (Kopantzev E.P.) - канд.биол.наук, ст.
науч.сотр. лаб. структуры и функций генов человека;
Дидыч Д.А. (Didych D.A.) - канд.биол.наук, науч.
сотр. лаб. структуры и функций генов человека.
ЛИТЕ РА Т У РА/REFERENCES
1. Ledford H. End of cancer-genome project prompts rethink. Nature. 2015; 517(7533): 128-9.
2. Свердлов Е.Д.Системная биология и персонализированная медицина: быть или не быть? Российский физиологический журнал им. ИМ. Сеченова. 2014; 100(5): 505-41.
Sverdlov E.D. Systems biology and personalized medicine: to be or not to be? Rossiyskiy fiziologicheskiy zhurnal im. I.M.Sechenova. 2014; 100(5): 505-41. (in Russian)
3. Marsh T., Pietras K., McAllister S.S. Fibroblasts as architects of cancer pathogenesis. Biochim. Biophys. Acta. 2013; 1832(7): 1070-8.
4. Fang H., Declerck Y.A. Targeting the tumor microenvironment: from understanding pathways to effective clinical trials. Cancer Res. 2013; 73(16): 4965-77.
5. Polyak K., Haviv I., Campbell I.G. Co-evolution of tumor cells and their microenvironment. Trends Genet. 2009; 25(1): 30-8.
6. McAllister S.S., Weinberg R.A. The tumour-induced systemic environment as a critical regulator of cancer progression and metastasis. Nature Cell Biol. 2014; 16(8): 717-27.
7. Rogers M.S., Novak K., Zurakowski D., Cryan L.M., Blois A., Lifshits E. et al. Spontaneous reversion of the angiogenic phenotype to a nonangiogenic and dormant state in human tumors. Mol Cancer Res. 2014; 12(5): 754-64.
8. Multhoff G., Radons J., Vaupel P. Critical role of aberrant angiogenesis in the development of tumor hypoxia and associated radioresistance. Cancers (Basel). 2014; 6(2): 813-28.
9. Shaked Y., McAllister S., Fainaru O., Almog N.Tumor dormancy and the angiogenic switch: possible implications of bone marrow-derived cells. Curr. Pharm. Des. 2014; 20(30): 4920-33.
10. Onimaru M., Yonemitsu Y. Angiogenic and lymphangiogenic cascades in the tumor microenvironment. Front. Biosci. (ScholEd). 2011; 3: 216-25.
11. Carmi Y., Dotan S., Rider P., Kaplanov I., White M.R., Baron R. et al. The role of IL-1beta in the early tumor cell-induced angiogenic response. J. Immunol. 2013; 190(7): 3500-9.
12. Bickel S.T., Juliano J.D., Nagy J.D. Evolution of proliferation and the angiogenic switch in tumors with high clonal diversity. PLoS One. 2014; 9(4): e91992.
13. Hanahan D., Weinberg R.A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell. 2011; 144(5): 646-74.
14. Scheel C., Weinberg R.A. Cancer stem cells and epithelial-mesenchymal transition: concepts and molecular links. Semin Cancer Biol. 2012; 22(5-6): 396-403.
15. Pattabiraman D.R., Weinberg R.A. Tackling the cancer stem cells -what challenges do they pose? Nature Rev Drug Discov. 2014; 13(7): 497-512.
16. Sverdlov E.D. Genetic surgery - a right strategy to attack cancer. Curr. Gene Ther. 2011; 11(6): 501-31.
17. Huang M., Shen A., Ding J., Geng M. Molecularly targeted cancer therapy: some lessons from the past decade. Trends Pharmacol. Sci. 2014; 35(1): 41-50.
18. White A.C., Lowry W.E. Refining the role for adult stem cells as cancer cells of origin. Trends Cell Biol. 2015; 25(1): 11-20.
19. Visvader J.E. Cells of origin in cancer. Nature. 2011; 469(7330): 314-22.
20. Sell S. On the stem cell origin of cancer. Am. J. Pathol. 2010; 176(6): 2584-494.
21. Blanpain C. Tracing the cellular origin of cancer. Nature Cell Biol. 2013; 15(2): 126-34.
22. Couzin-Frankel J. Biomedicine. The bad luck of cancer. Science. 2015; 347(6217): 12.
23. Tomasetti C., Vogelstein B. Cancer etiology. Variation in cancer risk among tissues can be explained by the number of stem cell divisions. Science. 2015; 347(6217): 78-81.
24. Drews K., Jozefczuk J., Prigione A., Adjaye J. Human induced pluri-potent stem cells-from mechanisms to clinical applications. J. Mol. Med. (Berl). 2012; 90(7): 735-45.
25. Shevde N. Stem Cells: Flexible friends. Nature. 2012; 483(7387): S22-6.
26. Tajbakhsh S. Stem cell: what's in a name. Available at: http://www. nature.com/stemcells/2009/0906/090625/full/stemcells.2009.90.html.
27. Slack J.M. Origin of stem cells in organogenesis. Science. 2008; 322(5907): 1498-501.
28. Fuchs E., Chen T. A matter of life and death: self-renewal in stem cells. EMBO Rep. 2013; 14(1): 39-48.
29. O'Connor M.L., Xiang D., Shigdar S., Macdonald J., Li Y., Wang T. et al. Cancer stem cells: A contentious hypothesis now moving forward. Cancer Lett. 2014; 344(2): 180-7.
30. Snippert H.J., Clevers H. Tracking adult stem cells. EMBO Rep. 2011; 12(2): 113-22.
31. Kuijk E.W., Chuva de Sousa Lopes S.M., Geijsen N., Macklon N., Roelen B.A. The different shades of mammalian pluripotent stem cells. Hum. Reprod Update. 2011; 17(2): 254-71.
32. Nardi N.B. All the adult stem cells, where do they all come from? An external source for organ-specific stem cell pools. Med. Hypothes. 2005; 64(4): 811-7.
33. Rothenberg E.V. The chromatin landscape and transcription factors in T cell programming. Trends Immunol. 2014; 35(5): 195-204.
34. Fuchs E. The tortoise and the hair: slow-cycling cells in the stem cell race. Cell. 2009; 137(5): 811-9.
35. Somorjai I.M., Lohmann J.U., Holstein T.W., Zhao Z. Stem cells: A view from the roots. Biotechnol. J. 2012; 7(6): 704-22.
36. Clevers H., Loh K.M., Nusse R. Stem cell signaling. An integral program for tissue renewal and regeneration: Wnt signaling and stem cell control. Science. 2014; 346(6205): 1248012.
37. Fossett N. Signal transduction pathways, intrinsic regulators, and the control of cell fate choice. Biochim. Biophys. Acta. 2013; 1830(2): 2375-84.
38. Blanpain C., Fuchs E. Stem cell plasticity. Plasticity of epithelial stem cells in tissue regeneration. Science. 2014; 344(6189): 1242281.
39. Lander A.D., Kimble J., Clevers H., Fuchs E., Montarras D., Buckingham M. et al. What does the concept of the stem cell niche really mean today? BMC Biol. 2012; 10: 19.
40. Ferraro F., Celso C.L., Scadden D. Adult stem cels and their niches. Adv. Exp. Med. Biol. 2010; 695: 155-68.
41. Simons B.D., Clevers H. Strategies for homeostatic stem cell self-renewal in adult tissues. Cell. 2011; 145(6): 851-62.
42. Scadden D.T.Nice neighborhood: emerging concepts of the stem cell niche. Cell. 2014; 157(1): 41-50.
43. Stine R.R., Matunis E.L. Stem cell competition: finding balance in the niche. Trends Cell Biol. 2013; 23(8): 357-64.
44. Voog J., Jones D.L. Stem cells and the niche: a dynamic duo. Cell Stem Cell. 2010; 6(2): 103-15.
45. Sakaki-Yumoto M., Katsuno Y., Derynck R. TGF-beta family signaling in stem cells. Biochim. Biophys. Acta. 2013; 1830(2): 2280-96.
46. Blanpain C., Horsley V., Fuchs E. Epithelial stem cells: turning over new leaves. Cell. 2007; 128(3): 445-58.
47. Gu B., Watanabe K., Dai X. Epithelial stem cells: an epigenetic and Wnt-centric perspective. J. CellBiochem. 2010; 110(6): 1279-87.
48. Lowry W.E., Richter L. Signaling in adult stem cells. Front Biosci. 2007; 12: 3911-27.
49. Ring A., Kim Y.M., Kahn M. Wnt/catenin signaling in adult stem cell physiology and disease. Stem Cell Rev. 2014; 10(4): 512-25.
50. Middendorp S., Schneeberger K., Wiegerinck C.L., Mokry M., Ak-kerman R.D., van Wijngaarden S. et al. Adult stem cells in the small intestine are intrinsically programmed with their location-specific function. Stem Cells. 2014; 32(5): 1083-91.
51. Barker N., Bartfeld S., Clevers H. Tissue-resident adult stem cell populations of rapidly self-renewing organs. Cell Stem Cell. 2010; 7(6): 656-70.
52. Rinaldi L., Benitah S.A. Epigenetic regulation of adult stem cell function. FEBS J. 2014; doi: 10.1111/febs.12946.
53. Herreros-Villanueva M., Bujanda L., Billadeau D.D., Zhang J.S. Embryonic stem cell factors and pancreatic cancer. World J. Gastroenterol. 2014; 20(9): 2247-54.
54. O'Brien C.A., Kreso A., Jamieson C.H. Cancer stem cells and self-renewal. Clin Cancer Res. 2010; 16(12): 3113-20.
55. D'Angelo R.C., Wicha M.S. Stem cells in normal development and cancer. Progr. Mol. Biol. Transl. Sci. 2010; 95: 113-58.
56. Liang Y., Russell I., Walworth C., Chen C. Gene expression in stem cells. Crit. Rev. Eukaryot. GeneExpr. 2009; 19(4): 289-300.
57. Laird D.J., von Andrian U.H., Wagers A.J. Stem cell trafficking in tissue development, growth, and disease. Cell. 2008; 132(4): 61230.
58. Nakamura-Ishizu A., Takizawa H., Suda T. The analysis, roles and regulation of quiescence in hematopoietic stem cells. Development. 2014; 141(24): 4656-66.
59. Sottocornola R., Lo Celso C. Dormancy in the stem cell niche. Stem Cell Res Ther. 2012; 3(2): 10.
60. Cheung T.H., Rando T.A. Molecular regulation of stem cell quiescence. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 2013; 14(6): 329-40.
61. Viatour P. Bridges between cell cycle regulation and self-renewal maintenance. Genes Cancer. 2012; 3(11-12): 670-7.
62. Barker N., Ridgway R.A., van Es J.H., van de Wetering M., Begthel H., van den Born M. et al. Crypt stem cells as the cells-of-origin of intestinal cancer. Nature. 2009; 457(7229): 608-11.
63. Trompouki E., Bowman T.V., Lawton L.N., Fan Z.P., Wu D.C., DiBi-ase A. et al. Lineage regulators direct BMP and Wnt pathways to cell-specific programs during differentiation and regeneration. Cell. 2011; 147(3): 577-89.
64. Perrimon N., Pitsouli C., Shilo B.Z. Signaling mechanisms controlling cell fate and embryonic patterning. Cold Spr. Harb. Perspect. Biol. 2012; 4(8): a005975.
65. Massague J., Xi Q. TGF-beta control of stem cell differentiation genes. FEBS Lett. 2012; 586(14): 1953-8.
66. Oestreich K.J., Weinmann A.S. Master regulators or lineage-specifying? Changing views on CD4+ T cell transcription factors. Nature Rev. Immunol. 2012; 12(11): 799-804.
67. Mullen A.C., Orlando D.A., Newman J.J., Loven J., Kumar R.M., Bilodeau S. et al. Master transcription factors determine cell-type-specific responses to TGF-beta signaling. Cell. 2011; 147(3): 56576.
68. Calero-Nieto F.J., Ng F.S., Wilson N.K., Hannah R., Moignard V., Leal-Cervantes A.I. et al. Key regulators control distinct transcriptional programmes in blood progenitor and mast cells. EMBO J. 2014; 33(11): 1212-26.
69. Heinz S., Benner C., Spann N., Bertolino E., Lin Y.C., Laslo P. et al. Simple combinations of lineage-determining transcription factors prime cis-regulatory elements required for macrophage and B cell identities. Mol. Cell. 2010; 38(4): 576-89.
70. Chen X., Xu H., Yuan P., Fang F., Huss M., Vega V.B. et al. Integration of external signaling pathways with the core transcriptional network in embryonic stem cells. Cell. 2008; 133(6): 1106-17.
71. Young R.A. Control of the embryonic stem cell state. Cell. 2011; 144(6): 940-54.
Поступила 25.03.15 Received 25.03.15
ADULT STEM CELLS AND CELLS OF MALIGNANT ORIGIN. PART I
Sverdlov E. D, Pleshkan V. V., Alekseenko I. V., Vinogradova T. V., Kopantzev E. P., Didich D. A.
Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
Recent data on adult stem cells are reviewed. According to the present dominant paradigm, it is most probable that cancer predisposition arises or cancer is initiated in these cells.
Key words: cancer; stem cells; adult stem cells; master genes; transcription factors; enhancers; super enhancers; transcription regulation.
