[МУЗЫКА] [МУЗЫКА] Наши с вами организмы образованы исходно всего лишь из двух половых клеток, полученных от родителей. И в течение первых делений формирования эмбриона наши клетки являются тотипотентными, то есть способны дать начало и экстраэмбриональным и эмбриональным тканям. В ходе дальнейшей специализации клетки становятся плюрипотентными. То есть это эмбриональные стволовые клетки, которые формируют внутреннюю клеточную массу. Такие клетки уже способны дать начало только зародышевым листкам. В ходе дальнейшей специализации клеток клетки становятся все более и более фенотипически отличными и в конечном итоге формируют все клетки организма, как, например, клетки кожи, сердца и так далее. Процесс клеточной спецификации называется клеточной дифференцировкой. Почему клетки настолько фенотипически отличны в нашем организме, ведь, по сути, генетическую информацию они несут практически одну и ту же. Все дело в том, что, как нам известно, наша ДНК содержит более 20 тысяч генов, и суть в том, что клетки не экспрессируют все гены одновременно, лишь определенный набор генов экспрессируется в каждом конкретном клеточном типе. В этом смысле клетки могут быть сравнены с пианино, у которого более 20 тысяч клавиш, и те клавиши, которые вы зажмете, и определят мелодию, которая прозвучит. Избирательная активация генов, которая формирует фенотипические особенности клеток, определяется эпигенетическими механизмами. И такие эпигенетические механизмы, основанные на действии различных репрессивных и активирующих гистоновых модификаций, белков-репрессоров и активаторов хроматина, различных пионерных факторов, которые позволяют связываться активирующим транскрипционным факторам, метилирование ДНК, а также непосредственно регуляторный транскрипционный фактор, специфический, который активирует конкретные гены, которые необходимы клетке. Чем в целом отличается стволовая, например, плюрипотентная клетка от уже дифференцированной клетки? В первую очередь, стволовая плюрипотентная клетка способна самообновляться. И это обуславливается тем, что в ней экспрессируется ген, ответственный за самообновление, и гены плюрипотентности. Также эта клетка способна к дифференцировке, то есть она способна к асимметрическому делению. Помимо этого в клетке обязательно должны быть выключены гены, связанные с дальнейшим развитием, поскольку, если они будут включены, клетка будет стремиться к дифференцировке. Ну и в целом, если говорить про свойства хроматина, у стволовых клеток он, как правило, более пермиссивный. Если же мы говорим о дифференцированной клетке, разумеется, в ней должны быть отключены гены, связанные с пролиферацией и самообновлением, поскольку тогда это будет приводить к различным нехорошим последствиям, а также должны быть активированы те гены, которые требуются для клетки, и выключены те гены, которые клетке не требуются. То есть, действительно, если у нас есть клетка глаза, например, и кожи, зачем в глазу экспрессировать те гены, которые нужны в коже? Я говорю про специфические наборы генов, разумеется. В целом, если мы говорим про свойства хроматина, то в диффернцированных клетках он чуть более специализированный и чуть менее пермиссивный, чем, например, в стволовых клетках. За репрессию генов в клетках, в том числе в стволовых, отвечают зачастую белки группы Polycomb. Эти белки способны размещать репрессивные гистонные модификации и в принципе отвечают за инактивацию генов. И в случае с геном плюрипотентности, например, именно они отвечают за их подавление в ходе дифференцировки. И также они отвечают за подавление генов развития в стволовых клетках. Помимо белков группы Polycomb существует также гетерохроматин. Гетерохроматин, формируя кластеры неактивного хроматина, подавляет экспрессию генов также, и это тоже очень важные фактор поддержания ненужных генов в клетке в неактивном состоянии. Помимо этого есть эпигенетическая модификация, связанная с метилированием ДНК. Метилирование ДНК, как правило, связано с генной репрессией и общей компактизацией хроматина, и это тоже очень важный механизм в поддержании генов неактивного состояния. Но если мы говорим об активации генов, то в данном случае, в первую очередь, это, конечно, также активирующие гистоновые модификации, активация специфических энхансеров и действие специфических транскрипционных факторов, которые уже непосредственно запускают регуляторную сеть, которая активирует все необходимые гены для клетки. Интересно отметить, что в стволовых клетках гены развития и дальнейшей дифференцировки, такие как, например, гены Hox, располагаются в районах бивалентного хроматина, то есть хроматина, который одновременно несет и активирующие, и репрессивные гистонные модификации. Предполагается, что одновременное наличие таких обоих типов гистонных модификаций необходимо для оперативной активации либо инактивации генов развития. И именно это свойство позволяет быстро развертывать программу дифференцировки. Для специфической активации генов требуется запустить специальные регуляторные элементы, которые расположены дистально от ген, — так называемые энхансеры. И за первичную активацию энхансеров отвечают специальные хроматиновые факторы, называемые пионерными факторами. Такие белки способны увеличивать доступность хроматина и позволяют транскрипционным факторам связываться непосредственно с энхансером. Интересно отметить, что с энхансерами также связаны специфические гистонные модификации, как, например, монометилирование четвертого остатка лизина гистона H3, которое служит своего рода меткой энхансеров, и для его полноценной активации требуется также добавить гистонную модификацию — это ацетилирование по 27-му остатку лизина также гистона H3. После этого энхансер становится полностью активен и способен непосредственно запускать экспрессию генов. Этот процесс активации энхансеров, в общем-то, обратимый, и существуют специальные хроматиновые факторы, которые запускают обратный процесс, то есть стимулируют уход специфических транскрипционных факторов, удаление активирующих гистонных модификаций и привлечение ДНК-метилирования посредством энхансеров, что в итоге приводит к развертыванию каскада гетерохроматизации и запечатыванию энхансера. То, как клетка будет выглядеть, и то, какие функции она сможет выполнять, зависит от того, какие гены будут в ней работать. Активацией таких специфичных наборов генов занимаются специализированные транскрипционные факторы, которые зачастую работают только в этой клеточной линии. И они формируют, как правило, регуляторную сеть, во главе которой стоит зачастую так называемый мастер-регулятор. Это транскрипционный фактор, который непосредственно развертывает весь каскад активаций необходимых генов. Классическим примером такого мастер-регулятора, например, является регулятор развития глаза у дрозофила Eyeless. И в экспериментах, когда такой ген запускали, например, в клетках, которые должны превратиться в ногу и в крыло, получалось, что вместо крыльев и ног у дрозофилы возникали глаза, и вы можете увидеть это на этом слайде. Отличия довольно серьезно заметны в сравнении с мухой дикого типа. Интересно отметить, что подобные мастер-регуляторы лежат в основе такого процесса, как трансдифференцировка, то есть когда соматическая клетка, уже дифференцированная, превращается в соматическую клетку другого клеточного типа. Классическим примером трансдифференцировки является превращение мышиных фибробластов в клетки мышечной ткани при помощи активации всего лишь одного транскрипционного фактора. который называется MyoD. И на текущий момент известно много примеров такой трансдифференцировки, в том числе и in vivo. Разумеется, все это делается искусственно, запускаются данные транскрипционные факторы, которые необходимы для активации какой-то конкретной клеточной линии, при том, что в принципе в другой клеточной линии они не работают. Но тем не менее. Даже in vivo были уже получены, например, из клеток печени эндокринные клетки поджелудочной железы, и есть еще много примеров, связанных с этим. Так или иначе клеточная дифференцировка — это очень сложный и интересный процесс, в ходе которого клетки становятся совершенно отличными. И в основе и в начале, собственно, клеточной дифференцировки лежит развитие и деление стволовой клетки. И в следующей лекции мы как раз поговорим более подробно о генетических механизмах регуляции стволовых клеток.
