[МУЗЫКА] [МУЗЫКА] Организм взрослого человека состоит из 100 триллионов клеток. Миллионы или даже миллиарды клеток погибают каждый день, но мы этого даже не замечаем, так как ряды почивших клеток регулярно и успешно восполняются. Обязанность поддерживать разнообразие и пространство клеточного состава возложено на стволовые клетки. В отличие от специализированных клеток, которые не способны делиться, выполнять определенную функцию, и не способны превратиться в клетки другого типа, стволовые клетки сохраняют способность к самообновлению путем деления и в подходящих условиях могут дифференцироваться в специализированные клеточные типы. В организме стволовые клетки располагаются в строго определенных местах, где окружающие клетки и внеклеточные вещества обеспечивают правильное функционирование стволовых клеток. Такие места называются клеточной нишей. Стволовые клетки бывают разными и отличаются в первую очередь способностью превращаться в специализированные клетки. Эта способность описывается термином потентность. Наибольшей потентностью обладает зигота, из этой клетки формируются все клетки организма, а также все экстраэмбриональные ткани, например, плаценты. Зиготу называют тотипотентной. В ходе дробления зиготы получившиеся клетки также сохраняют тотипотентность. Они даже могут отделиться друг от друга и дать начало полноценному организму. Таким образом на свет появляются однояйцевые близнецы. Специализация клеток начинается уже на шестнадцатиклеточном эмбрионе. Здесь клетки приобретают различия в зависимости от местоположения. Спустя несколько дней после оплодотворения эмбрион превращается в бластоцисту, в эмбрионе появляется полость — бластоцель, и клетки эмбриона разделяются на трофобласт и внутреннюю клеточную массу. Клетки трофобласта в будущем формируют плаценту, а внутренняя группа клеток дает начало всему зародышу и в конце концов новому организму. Внутренние клетки могут дифференцироваться во все известные специализированные соматические клетки, кроме внезародышевых, и называются плюрипотентными. После имплантации бластоцисты в стенку матки способность генерировать плюрипотентные клетки быстро теряется. Происходит гаструляция, и клетки зародыша специализируются в три зародышевых листка. Из эктодермы формируются покровы и нервные системы. Энтодерма образует пищеварительную систему, а из мезодермы формируются мышцы, соединительная ткань и кровь. Стволовые клетки, полученные из разных зародышевых листков, дают начало только клеткам своего зародышевого листка. Если стволовая клетка дает начало нескольким клеточным типам, ее называют мультипотентной. Например, гемопоэтическая стволовая клетка дает все клетки крови. Некоторые стволовые клетки могут дифференцироваться только в один тип клеток, это унипотентные клетки. Например, сперматогонии могут дифференцироваться только в сперматозоиды. В 1980-е годы исследователям удалось вывести клетки внутренней клеточной массы в клеточную культуру. Эти культуральные клетки получили название эмбриональные стволовые клетки, или сокращенно ЭСК. Добавляя в культуральную среду определенные белки, факторы роста, удается долго поддерживать ЭСК в недифференцированном состоянии. ЭСК способны неограниченно размножаться, сохраняя при этом свои свойства. В культуральных условиях эмбриональные стволовые клетки способны контролируемо превращаться в специализированные клеточные типы. Это позволяет с помощью ЭСК клеток получать большое количество клеток для исследовательских задач или для применения в медицине. Если пересадить ЭСК клетки во внутреннюю клеточную массу зародыша, то из них вырастут нормальные здоровые ткани и органы. В результате на свет появится химера, однако, несмотря на плюрипотентную способность превращаться в разные клеточные типы, может различаться у ЭС клеток в зависимости от способа получения или генотипа. Золотым стандартом для определения потенциала плюрипотентных клеток является так называемый тератомный тест. В этом исследовании предполагаемые плюрипотентные стволовые клетки трансплантируют в организм мышей с ослабленным иммунитетом. В отсутствие воспалительной реакции плюрипотентные клетки размножаются, дифференцируются в месте инъекции под действием факторов окружения и кровообращения. В результате образуется опухоль, которая содержит множество типов клеток и может содержать даже зачаточные органы. Такую опухоль называют тератомой, от греческого слова «чудовище». Ни в коем случае не гуглите. Далее тератому анализируют на предмет клеточного состава. Истинные плюрипотентные клетки формируют тератомы, содержащие производные всех трех зародышевых листков. Однако зачастую клетки дифференцируются предпочтительно в один или два зародышевых листка. Итак, высокий потенциал и способность неограниченно делиться делают плюрипотентные клетки идеальным объектом для исследования в области трансплантологии и тканевой инженерии. И для исследователей крайне важно отличить плюрипотентные клетки от клеток, утративших свой потенциал, а также от злокачественных клеток, которые тоже способны неограниченно делиться, так же как и плюрипотентные стволовые клетки. Идентификацию плюрипотентных клеток проводят по наличию так называемых маркеров плюрипотентности. Это белки или олигопептиды, комбинация которых характерна именно для плюрипотентных клеток. Распространенным маркером плюрипотентности служит фермент под названием щелочная фосфатаза, который отщепляет от молекулы остаток фосфата. Еще один маркер — теломераза. Этот фермент защищает концы хромосом от укорочения, и благодаря ему плюрипотентные клетки способны неограниченно делиться в отличие от более специализированных стволовых клеток. Существуют маркеры, расположенные на поверхности клеток. Наиболее изученные вилки семейства стадии специфичных эмбриональных антигенов. Плюрипотентные клетки также содержат определенный набор транскрипционных факторов, их также называют факторы плюрипотентности. Наиболее важными считают Oct4, Sox2 и Nanog. Плюрипотентные клетки сильно отличаются от специализированных в плане эпигенетики. Например, эмбриональные стволовые клетки, полученные из женских особей, обладают двумя активными X-хромосомами. В процессе дифференцировки одна из X-хромосом случайным образом инактивируется, точно так же происходит и при естественном развитии организма. Еще одно отличие плюрипотентных клеток от специализированных — это паттерн метилирования ДНК. Как правило, у млекопитающих метилированию подвергается цитозин в CpG-островках. Однако в плюрипотентных клетках гены, обогащенные CpG-островками, как правило, гипометилированы. А гены, объединенные CpG-островками, гиперметилированы по сравнению со специализированными клетками. Еще одна важная характеристика плюрипотентных клеток — это так называемый бивалентный хроматин. То есть хроматин, обогащенный одновременно меткой активного хроматина H3K4me3 и меткой неактивного хроматина H3K27me3. Гены, обогащенные бивалентным хроматином, обладают низким уровнем экспрессии в плюрипотентных клетках. Однако во время дифференцировки одна из меток утрачивается, и в соответствии с этим ген либо активируется, либо инактивируется. Как правило, такой регуляции подвергаются гены дифференцировки. И это необходимо для слаженной во времени регуляции генов в процессе дифференцировки клеток. Еще одно отличие плюрипотентных клеток от специализированных — это объединение гетерохроматином. Хроматин плюрипотентных клеток в принципе более активный, более доступный для транскрипционных факторов и РНК-полимеразы. Это также необходимо для слаженной и своевременный активации или инактивации генов. В ходе дифференцировки плюрипотентные клетки утрачивают свою плюрипотентность, и с момента получения первых эмбриональных стволовых клеток исследователи активно изучают механизмы поддержания плюрипотентности. И наибольшего успеха исследователи добились с изобретением техники репрограммирования клеток. Мы подробно обсудим, что это такое, и механизмы поддержания плюрипотентности в следующей лекции.