Ниша стволовой клетки

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Ниша стволовой клетки — термин, впервые предложенный ещё в 1978 году Р. Скофилдом (Schofield) для микроокружения стволовой клетки, необходимого для её жизнедеятельности и координации её поведения с нуждами организма[1]. Многие исследователи рассматривают нишу как анатомическую субъединицу тканевого компартмента.

По современным представлениям ниша — это связующее звено контроля и регуляции между клеткой и целостным организмом[2][3][4][5][6]. Она:

  • обеспечивает стволовую клетку факторами, необходимыми для её жизнедеятельности;
  • благодаря её анатомическим особенностям способствует взаимному контролю и обмену информацией между клетками, координирует их действия[7];
  • обеспечивает координацию между различными популяциями клеток[8], регулируя их ориентацию и местоположение в тканевом компартменте, а следовательно регулирует морфогенез и функции тканей.

В основе функционирования ниши лежит множество взаимосвязанных механизмов[9]: это и межклеточные взаимодействия между стволовыми клетками, а также взаимодействия между стволовыми клетками и соседними дифференцированными клетками; взаимодействия между стволовыми клетками и компонентами внеклеточного матрикса[10]; уровень кислорода (наличие или отсутствие гипоксии)[11]; факторы роста и цитокины; физико-химическое состояние окружающей среды (рН, её ионная сила, и в частности концентрация ионов Ca2+; наличие метаболитов и энергоносителей, таких как например АТФ)[12]. Всё больше данных свидетельствует о том, что одним из ключевых путей взаимодействия между стволовыми клетками и нишей являются микроРНК — малые некодирующие РНК[13][14]. Передача РНК между клетками может осуществляться с помощью экзосом — выделяемых клетками мембранных везикул размером не более 100 нанометров, которые считаются одной из форм межклеточного общения[15][16][17] Заблокировать перенос микроРНК экзосомами можно с помощью ингибитора нейтральной сфингомиелиназы (SMPD3) — GW4869 или ингибитора кислой сфингомиелиназы (SMPD1) — дезипрамина[18], что может предотвратить образование раковой ниши.[19][20]

В процессе развития и для поддержания друг друга во взрослом организме стволовые клетки и ниша могут оказывать индуктивное воздействие по отношению к друг другу[8]. Недопонимание или неадекватное понимание этих индуктивных сигналов может приводить к развитию опухолей.

Ниша может быть представлена одним или несколькими типами взаимодействующих между собой клеток, а также клетками вместе с внеклеточными структурами, такими как внеклеточный матрикс. Отделение клетки от взаимодействующего с ней матрикса может привести к гибели клетки в результате аноикиса (англ. anoikis) — запрограммированной смерти клетки в результате утраты нормального взаимодействия с матриксом[21][22][23].

Клетки ниши могут являться источником секретируемых факторов и носителями рецепторов, размещенных на клеточной поверхности. К числу гормональных и паракринных факторов, контролирующих обновление популяции клеток, дифференцировку и апоптоз, относят семейства: Wnt — Notch[24][25],Hedgehog[26], ростового фактора фибробластов (FGF)[27][28][29][30], ростового фактора эпидермиса (EGF)[10][31], трансформирующего ростового фактора (TGF-β)[32], фактора стволовых клеток (SCF)[33][34] и семейства хемокинов[35], а также белки внеклеточного матрикса вроде α-5 ламинина[36]. Так, например, манипулируя сигнальным путём Wnt и определёнными транскрипционными факторами, можно вызвать у червячка C. Elegans образование перемещённых ниш[37], а также «латентных» ниш проявляющих себя только после того как незрелые зародышевые клетки, в результате смещения, вступают в неестественный для нормы контакт с популяцией клеток секретирующих сигнальные молекулы Notch[38]. Такие латентные ниши могут вызывать образование зародышевой опухоли — тератомы из-за нарушения программы развития. Способность некоторых раковых клеток самостоятельно вырабатывать необходимые для их выживания компоненты ниши превращают их в рассадников метастазов. К таким компонентам, в частности, относятся белки внеклеточного матрикса, такие как тенесцин Ц (TNC)[39] и периостин (POSTN)[40]. Оба эти белка являются регуляторами ключевых сигнальных путей, таких как Wnt и Notch[41].

Концепция ниши позволяет выявить механизмы снижения количества стволовых клеток и регенерационной способности в процессе старения организма[29][42]. Так, например, повысив активность сигнала FGF, вырабатываемого сателлитными клетками мышечного волокна, можно вызвать снижение количества стволовых клеток и соответственно уменьшение регенерационной способности мышцы. И наоборот, снизив выработку нишей сигнала FGF можно предотвратить истощение сателлитных стволовых клеток и регенерационной способности мышцы[30].

Ниша в условиях in vitro[править | править код]

Существенное влияние на поведение клеток оказывает микроокружение, навязанное клетке условиями её выращивания in vitro. Показано, что обычные 2D клеточные культуры имеют ряд ограничений, такие как: лимит контактов между клетками и между клеткой и матриксом, придание клеткам плоской морфологии и отсутствие реалистичных градиентов в клеточной нише. Чтобы условия жизни клеток в пробирке лучше имитировали условия их функционирования в теле организма, были разработаны методы культивации клеток в трёхмерной (3D) среде. Так, например, показано, что при культивации клеток сосочкового слоя волосяных фолликулов человека в виде сфероидов в висячей капле, когда клетки растут как бы в более естественном трёхмерном окружении и взаимодействуют друг с другом, они способны заново индуцировать образование волосяных фолликулов в коже человека[43]; культивирование адипоцитов в жидкой суспензии, в которой они образуют сфероиды, позволяет превращать клетки, полученные путём липосакции, в клетки печени без промежуточной фазы плюрипотентных клеток и всего за 9 дней[44]; нервные клетки-предшественники могут быть получены непосредственно из фибробластов путём формирования в культуре клеток 3D сфер, вызванного вынужденным ростом клеток на поверхности с низкой связывающей способностью[45]. Сохранение способности к пролиферации гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) было более выраженным в 3D культуре, в искусственной нише, созданной с помощью подложки из макропористого гидрогеля, имитирующего губчатую архитектуру трабекулярной кости, чем в стандартной 2D клеточной культуре[46] Метод трехмерной (3-D) культуры в геле Matrigel со специально подобранным составом среды, использован для выращивания миниатюрных «затравок» поджелудочной железы. В перспективе такие «затравки» могут быть полезны для борьбы с диабетом в качестве «запчастей»[47].

Механические и биофизические взаимодействия в нише стволовых клеток, участвующие в регуляции их развития и определяющие их судьбы, приведены в обзоре:[48],

Примечания[править | править код]

  1. Schofield R (1978) The relationship between the spleen colony-forming cell and the haemopoietic stem cell. Blood Cells, 4:7-25.
  2. Bilder, D., & O’Brien, L. E. (2013). Beyond the Niche: Tissue-Level Coordination of Stem Cell Dynamics. Annual Review of Cell and Developmental Biology, 29(1).
  3. Chenhui Wang, Pei Wen, Pei Sun Ph.D., Rongwen Xi (2013) Stem Cell Niche. In: Regenerative Medicine. Chapter 3, pp 79-106 DOI: 10.1007/978-94-007-5690-8_3
  4. Lander AD, Kimble J, Clevers H, Fuchs E, Montarras D, Buckingham M, Calof AL, Trumpp A, Oskarsson T. (2012) What does the concept of the stem cell niche really mean today? BMC Biology 2012, 10:19 doi:10.1186/1741-7007-10-19.
  5. Justin Voog, D. Leanne Jones (2010) Stem Cells and the Niche: A Dynamic Duo. Cell Stem Cell 6(2), 103—115 doi.org/10.1016/j.stem.2010.01.011
  6. Kiefer, J. C. (2011), Primer and interviews: The dynamic stem cell niche. Dev. Dyn., 240: 737—743. doi: 10.1002/dvdy.22566
  7. Ema H, Suda T. (2012) Two anatomically distinct niches regulate stem cell activity. Blood. 2012 Sep 13;120(11):2174-81. doi: 10.1182/blood-2012-04-424507
  8. 1 2 Jaclyn G. Y. Lim and Margaret T. Fuller (2012) Somatic cell lineage is required for differentiation and not maintenance of germline stem cells in Drosophila testes. PNAS 109 (45) 18477-18481, doi:10.1073/pnas.1215516109
  9. Peter Breslin S.J., Andrew Volk and Jiwang Zhang (2013) The Stem Cell Niche and Its Role in Self-Renewal, Aging, and Malignancy In: Stem Cells. Ed. by Robert A. Meyers. Wiley-Blackwell ISBN 978-3-527-32925-0, pp. 677—726
  10. 1 2 Maria Felice Brizzi, Guido Tarone, Paola Defilippi (2012) Extracellular matrix, integrins, and growth factors as tailors of the stem cell niche. Current Opinion in Cell Biology 24(5), 645—651 doi.org/10.1016/j.ceb.2012.07.001
  11. Norifumi Urao, Masuko Ushio-Fukai (2012) Redox regulation of stem/progenitor cells and bone marrow niche. Free Radical Biology and Medicine doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2012.10.532
  12. Sireewan Kaewsuwan, Seung Yong Song, Ji Hye Kim, and Jong-Hyuk Sung (2012) Mimicking the functional niche of adipose-derived stem cells for regenerative medicine. Expert Opinion on Biological Therapy, 12(12), 1575—1588 doi:10.1517/14712598.2012.721763
  13. Laine S.K., Hentunen T., Laitala-Leinonen T. (2012) Do microRNAs regulate bone marrow stem cell niche physiology? Gene, 497 (1), pp. 1-9 doi.org/10.1016/j.gene.2012.01.045
  14. Eric R. Lechman, Bernhard Gentner, Peter van Galen et al. & Luigi Naldini.(2012) Attenuation of miR-126 Activity Expands HSC In Vivo without Exhaustion. Cell Stem Cell,; DOI:10.1016/j.stem.2012.09.001
  15. Cecilia Lässer, Maria Eldh, Jan Lötvall (2012) The Role of Exosomal Shuttle RNA (esRNA) in Cell-to-Cell Communication. Emerging Concepts of Tumor Exosome-Mediated Cell-Cell Communication. Zhang, Huang-Ge (Ed.) 2013, pp 33-45 ISBN 978-1-4614-3697-3 DOI 10.1007/978-1-4614-3697-3_2
  16. Yi Lee1, Samir EL Andaloussi and Matthew JA Wood (2012) Exosomes and microvesicles: extracellular vesicles for genetic information transfer and gene therapy. Hum. Mol. Genet. (2012) 21 (R1):R125-R134. doi: 10.1093/hmg/dds317
  17. Claudia Bang, Thomas Thum. (2012) Exosomes: New players in cell-cell communication. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology 44:11, 2060—2064.
  18. Vickers, Kasey C.; Remaley, Alan T. (2012) Lipid-based carriers of microRNAs and intercellular communication. Current Opinion in Lipidology: 23(2), 91-97 doi:10.1097/MOL.0b013e328350a425
  19. Muller Fabbri (2012)TLRs as miRNA Receptors. Cancer Res , 72:6333-6337; doi:10.1158/0008-5472.CAN-12-3229
  20. Ruowen Ge, Evan Tan, Soheila Sharghi-Namini, and Harry H. Asada (2012) Exosomes in Cancer Microenvironment and Beyond: have we Overlooked these Extracellular Messengers? Cancer Microenviron. ; 5(3): 323—332. doi: 10.1007/s12307-012-0110-2
  21. Frisch SM, Screaton RA (2001). Anoikis mechanisms. Current Opinion in Cell Biology 13 (5): 555-62. DOI:10.1016/S0955-0674(00)00251-9. PMID 11544023
  22. Chiarugi, P., & Giannoni, E. (2008). Anoikis: a necessary death program for anchorage-dependent cells. Biochemical pharmacology, 76(11), 1352—1364. DOI:10.1016/j.bcp.2008.07.023
  23. Ishikawa, F., Ushida, K., Mori, K., & Shibanuma, M. (2015). Loss of anchorage primarily induces non-apoptotic cell death in a human mammary epithelial cell line under atypical focal adhesion kinase signaling. Cell Death & Disease, 6(1), e1619; DOI:10.1038/cddis.2014.583
  24. Muñoz-Descalzo, S., de Navascues, J. and Arias, A. M. (2012), Wnt-Notch signalling: An integrated mechanism regulating transitions between cell states. Bioessays, 34: 110—118. doi: 10.1002/bies.201100102
  25. Roozen, P. P.C., Brugman, M. H. and Staal, F. J.T. (2012), Differential requirements for Wnt and Notch signaling in hematopoietic versus thymic niches. Annals of the New York Academy of Sciences, 1266: 78-93. doi: 10.1111/j.1749-6632.2012.06626.x
  26. Marcus Michel, Adam P. Kupinski, and Isabel Raabe (2012) Hh signalling is essential for somatic stem cell maintenance in the Drosophila testis niche. J Cell Sci 125:e1; doi:10.1242/jcs.116673
  27. Di Maggio, N., Mehrkens, A., Papadimitropoulos, A., Schaeren, S., Heberer, M., Banfi, A. and Martin, I. (2012), Fibroblast Growth Factor-2 Maintains a Niche-Dependent Population of Self-Renewing Highly Potent Non-adherent Mesenchymal Progenitors Through FGFR2c. STEM CELLS, 30: 1455—1464. doi: 10.1002/stem.1106
  28. Potthoff M. J., Kliewer S. A. & Mangelsdorf D. J. (2012) Endocrine fibroblast growth factors 15/19 and 21: from feast to famine. Genes & Dev. 2012. 26: 312—324 doi:10.1101/gad.184788.111
  29. 1 2 Kim Baumann (2012) Stem cells: An ageing decline. Nature Reviews Molecular Cell Biology 13, 681 doi:10.1038/nrm3464
  30. 1 2 Joe V. Chakkalakal, Kieran M. Jones, M. Albert Basson & Andrew S. Brack (2012) The aged niche disrupts muscle stem cell quiescence. Nature 490, 355—360 doi:10.1038/nature11438
  31. Parrott BB, Hudson A, Brady R, Schulz C (2012) Control of germline stem cell division frequency--a novel, developmentally regulated role for epidermal growth factor signaling. PLoS One. 2012;7(5): e36460 doi: 10.1371/journal.pone.0036460
  32. Park JK, Ki MR, Lee EM, al. &, Jeong KS (2012) Losartan Improves Adipose Tissue-Derived Stem Cell Niche by Inhibiting Transforming Growth Factor-β and Fibrosis in Skeletal Muscle Injury. Cell Transplant. . doi: 10.3727/096368912X637055
  33. Salm, S., Burger, P. E. and Wilson, E. L. (2012) TGF-β and stem cell factor regulate cell proliferation in the proximal stem cell niche. Prostate, 72(9) 998—1005. doi: 10.1002/pros.21505
  34. Lei Ding, Thomas L. Saunders, Grigori Enikolopov & Sean J. Morrison (2012) Endothelial and perivascular cells maintain haematopoietic stem cells. Nature 481, 457—462 doi:10.1038/nature10783
  35. Nishida C, Kusubata K, Tashiro Y, et al & Hattori K. (2012) MT1-MMP plays a critical role in hematopoiesis by regulating HIF-mediated chemokine/cytokine gene transcription within niche cells. Blood. 2012 Jun 7;119(23):5405-16
  36. Alex Laperle, Cheston Hsiao, Michael Lampe, Jaime Mortier, Krishanu Saha, Sean P. Palecek, Kristyn S. Masters (2015). α-5 Laminin Synthesized by Human Pluripotent Stem Cells Promotes Self-Renewal. Stem Cell Reports 5(2), 195—206. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.stemcr.2015.06.009
  37. Jackson BM, Eisenmann DM (2012) β-catenin-dependent Wnt signaling in C. elegans: teaching an old dog a new trick. Cold Spring Harb Perspect Biol. ;4(8): a007948. doi: 10.1101/cshperspect.a007948
  38. McGovern M, Voutev R, Maciejowski J, Corsi AK, Hubbard EJ (2009) A 'latent niche' mechanism for tumor initiation. Proc Natl Acad Sci USA 2009, 106:11617-11622
  39. Oskarsson T, Acharyya S, Zhang XH, et al. & Massague J (2011) Breast cancer cells produce tenascin C as a metastatic niche component to colonize the lungs. Nat Med , 17:867-874.
  40. Wang Z, Ouyang G. (2012) Periostin: a bridge between cancer stem cells and their metastatic niche. Cell Stem Cell. ;10(2):111- 112 doi.org/10.1016/j.stem.2012.01.002.
  41. Malanchi I, Santamaria-Martinez A. et al. & Huelsken J (2012) Interactions between cancer stem cells and their niche govern metastatic colonization. Nature, 481:85-89.
  42. Gopinath, S. D. and Rando, T. A. (2008), Stem Cell Review Series: Aging of the skeletal muscle stem cell niche. Aging Cell, 7: 590—598. doi: 10.1111/j.1474-9726.2008.00399.x
  43. Higgins C.A., Chen J. C., Cerise J. E., et al. & Christiano A. M. (2013) Microenvironmental reprogramming by three-dimensional culture enables dermal papilla cells to induce de novo human hair-follicle growth. PNAS, doi:10.1073/pnas.1309970110
  44. Xu, Dan ; Nishimura, Toshihiko ; Zheng, Ming et al. & Peltz, Gary (2013) Enabling Autologous Human Liver Regeneration with Differentiated Adipocyte Stem Cells. Cell Transplantation
  45. Guannan Su, Yannan Zhao, Jianshu Wei, et al. & Jianwu Dai (2013) Direct conversion of fibroblasts into neural progenitor-like cells by forced growth into 3D spheres on low attachment surfaces. Biomaterials, 34(24), 5897-5906 DOI:10.1016/j.biomaterials.2013.04.040
  46. Raic, A., Rödling, L., Kalbacher, H., & Lee-Thedieck, C. (2013). Biomimetic macroporous PEG hydrogels as 3D scaffolds for the multiplication of human hematopoietic stem and progenitor cells. Biomaterials. https://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2013.10.038
  47. Greggio, C., De Franceschi, F., Figueiredo-Larsen, et al. & Grapin-Botton, A. (2013) Artificial three-dimensional niches deconstruct pancreas development in vitro. Development, 140(21), 4452-4462. doi: 10.1242/dev.096628
  48. Conway, A., & Schaffer, D. V.(2012) Biophysical regulation of stem cell behavior within the niche. Stem cell research & therapy

Литература[править | править код]

Ссылки[править | править код]