Модель для анализа роли генов в дифференцировке

Что такое стволовые клетки

Л.И. Корочкин, доктор медицинских наук, член-корреспондент РАН

Понятие «стволовые клетки» впервые появилось в России еще в начале прошлого века. Тогда великий российский гистолог А.А.Максимов, изучая процесс кроветворения, пришел к выводу об их существовании. Что же это за клетки и каковы их отличительные свойства?

Стволовые клетки могут давать начало любым клеткам организма — и кожным, и нервным, и клеткам крови. Сначала полагали, что во взрослом организме таких клеток нет и существуют они лишь в самом раннем периоде эмбрионального развития. Однако в 70-е годы А.Я.Фриденштейн с соавторами обнаружили стволовые клетки в мезенхиме (строме) «взрослого» костного мозга, в; дальнейшем их стали называть стромальными клетками.

Тогда же появились работы, доказывающие наличие стволовых клеток практически во всех органах взрослых животных и человека. В связи с этим принято разделять стволовые клетки на эмбриональные стволовые клетки (выделяют из эмбрионов на стадии бластоцисты — очень ранней стадии развития, когда еще нет ни тканей, ни закладок органов) и региональные стволовые клетки (выделяют из органов взрослых особей или из органов эмбрионов более поздних стадий), которые сохраняют свойства эмбриональных клеток, о чем свидетельствуют обнаруженные в них эмбриональные белковые маркеры (рис.1).

Стволовые клетки можно выделять и растить в культуре ткани. При этом образуются шарообразные клеточные ассоциаты: скопления эмбриональных клеток называют эмбриоидными телами, а нейральных — нейросферами.  

Рис.1. Островки клеток, сохранивших эмбриональные белки (светлые клетки, выявленные с помощью иммунофлюоресцентной техники), в печени взрослой мыши. Препарат получен в 1971 г. в лаборатории Л.И.Корочкина в Новосибирском институте цитологии и генетики СО АН СССР.

Способность давать множество разнообразных клеточных типов (плюрипотентность) делает стволовые клетки важнейшим восстановительным резервом в организме, который используется для замещения дефектов, возникающих в силу тех или иных обстоятельств.

Особое удивление биологов вызвало присутствие стволовых клеток в центральной нервной системе. Как известно, сами нервные клетки утрачивают способность к размножению уже на самой ранней стадии нейральной дифференцировки (стадии нейробласта). А стволовые клетки в ответ на различные поражения нервной ткани начинают делиться с последующей дифференцировкой в нервные и глиальные клетки. Изолированные нейральные стволовые клетки могут превращаться и в другие производные.

Обнаружить стволовые клетки можно с помощью специальных методов. Дело в том, что в «нативных» стволовых клетках и их производных синтезируются специфические белки, которые выявляются с помощью иммуногистохимической техники. На каждый белок получают антитела, которые метят флюоресцирующим красителем. Такой реагент выявляет белки, присутствующие в стволовых клетках на разных стадиях развития. Так, нейральные стволовые клетки содержат белок нестин (рис.2). Когда они вступают на путь специализации, в них появляется новый белок — виментин. Если клетки развиваются в нейральном направлении, то синтезируются соответствующие маркирующие белки — нейрофиламентные, b3-тубулин, энолаза и др. Когда клетки специализируются как вспомогательные, глиальные, появляются другие маркеры, например глиальный фибриллярный кислый белок, белок S-100 и др.

Рис.2. Культура стромальных стволовых клеток человека.

Зеленым флюоресцирует цитоплазма, содержащая нестин, синим — ядерный материал.

Модель для анализа роли генов в дифференцировке

Способность любых стволовых клеток давать разные клеточные типы делает их весьма удобной системой для изучения молекулярно-генетических событий, обусловливающих специфическую дифференцировку клеток. Действительно, изолировав стволовые клетки в чистом виде, можно затем анализировать функции генов, ответственных за последовательные этапы дифференцировки.

Оказалось, в частности, что время последовательного включения генов, контролирующих развитие, совпадает и в постимплантационных зародышах, и в культуре эмбриоидных тел. Значит, стволовые клетки — действительно хорошая экспериментальная модель для изучения молекулярных механизмов клеточной специализации.

Анализ культур стволовых клеток с помощью молекулярно-генетического микроэррэй-метода (microarray), оценивающего количество функционально активных генов, показал, что в одном клоне мезенхимных стволовых клеток синтезируется по крайней мере 1200 матричных РНК (мРНК). В разных стволовых клетках присутствует сходный набор заранее синтезированных мРНК (копий многих генов), но есть и специфические РНК. При этом удалось выяснить, что в стромальных стволовых клетках взрослой гематогенной (кровеобразующей) ткани содержится практически весь набор мРНК, которые функционируют в зародышевых листках и на стадии органогенеза. Идентифицированы также мРНК ключевых генов, регулирующих созревание клеток всех зародышевых листков: мезенхимального и мезодермального происхождения, а также энто- и эктодермы. Большинство мРНК регуляторных генов присутствует уже в яйцеклетке и зародышевых клетках.

Следовательно, в стволовых клетках проявляется общий принцип онтогенеза — работа генов с «опережением», т.е. синтез тех мРНК, которые понадобятся на значительно более поздних стадиях развития.