Значение для Клиники

Metaplasia and transdifferentiation: from pure biology to the clinic Jonathan M. W. Slack NATURE REVIEWS \| MOLECULAR CELL BIOLOGY VOLUME 8 \| MAY 2007 \| Зю369
Transformations from one tissue type to another make up a well established set of phenomena that can be explained by the principles of developmental biology. Although these phenomena might be rare in nature, we can now imagine the possibility of deliberately reprogramming cells from one tissue type to another by manipulating the expression of transcription factors. This approach could generate new therapies for many human diseases.	'Трансдифференцировка' привлекает в последнее время к себе внимание в основном в связи тем, могут ли стволовые клетки из костного мозга колонизировать др. ткани после трансплантации^1,2. Однако, основная область переключения типа ткани много шире. Она затрагивает некоторые биологические и патологические феномены, которые заслуживают большее внимание, чем получают. Недавно возникла тенденция использовать слово трансдифференцировка подразумевая 'превращение чего-либо во что-либо другое'. Но оно преимущественно закреплено как определение - трансформация одних дифференцированных клеток в клетки др. типа^3,4 - и используется термин 'metaplasia' для обозначения более общей трансформации одного типа ткани в др. Это потому, что ткань обычно состоит из нескольких дифференцированных типов клеток и метаплазия часто вовлекает трансформацию недифференцированных стволовых клеток или клеток предшественников, таких как те, что продуцируют репертуар клеточных типов, характерных для разных тканей^5,6. Figure 1 \| A simple developmental hierarchy. Each variation of tissue-type switching (transdifferentiation (1), metaplasia (2), dysplasia (3) and embryonic stem (ES) transformation (4)) represents an abnormal transition. Рис.1 показывает типичную иерархию онтогенетических решений, которые клетки проходят в ходе эмбрионального развития. На них накладываются некоторого сорта разные аномальные трансформации. Трансформации между дифференцированными клетками являются трансдифференцировками, тогда как трансформации между ткане-специфическими стволовыми клетками являются метаплазиями, но не трансдифференцировками. Рис. 1 показывает также возможность изменений к аномальным фенотипам не имеющими аналогов в нормальном теле (dysplasia). Недавно возник интерес к возможности репрогаммирования клеток из дифференцированного состояния обратно к плюрипотентному состоянию, напоминающему эмбриональные стволовые клетки (ES), ES трансформации. В данной статье термин 'metaplasia' будет использоваться для любого переключения тканевого типа, а 'transdifferentiation' будет использован только когда и предшественник и продукт являются клетками дифференцированного типа. Из-за скептицизма относительно реальности метаплазий, необходимо осуществление тщательно отобранных критериев, чтобы доказать их появление. Наиболее важным из этих критериев, перечислены Eguchi and Kodama. Во-первых, два клеточных состояния перед и после перехода д. быть четко определяемы, это требует как морфологической, так и молекулярной характеристики клеток. Во-вторых, клонально-клеточные взаимоотношения между двумя типами клеток д.быть установлены. Найти эти критерии часто легче в системе культуры ткани, чем у интактных животных. Большинство случаев трансдифференцировки вызывают некоторые вмешательства в клеточные деления и потери дифференцированного проявления, хотя существуют немногие примеры непосредственной трансдифференцировки, возникающей без клеточных делений. might be Большинство примеров метаплазии, которые нам известны распадаются на две основные группы, наблюдаемые у arthropods и наблюдаемые при патологии людей. Я введу эти группы и покажу, что лежащие в основе механизмы сходны, не смотря на широкие пределы терминологического использования (transdetermination, heteromorphosis и т.д.). В др. месте представлена информация о детальном понимании онтогенетических механизмов у плодовых мушек Drosophila melanogaster, существенных для понимания феноменов у людей. В целом метаплазии скорее всего возникают в ситуациях, при которых ткани или части тела повреждены и вынуждены регенерировать. Transdetermination in D. melanogaster Трансдетерминация является названием, данным для формы метаплазии, которая связана с трансформациями между разными имагиналными дисками у D. melanogaster. подобно др. насекомым с полным метаморфозом эмбрионы D. melanogaster вылупляются в виде личинок. Они подвергаются двумя линькам. Спустя приблизительно неделю они становятся куколками, тело личинки подвергается кардинальному метаморфозу, во время которого большинство личиночных тканей аутолизируется, а взрослые ткани и структуры возникают из имагинальных дисков и др. резервных гнезд клеток. Диски образуются во время эмбриональной жизни и пролиферируют во время личиночной жизни. Но они не дифференцируются вплоть до метаморфоза. Формируются разные диски: головные, ножные, крыловые и гальтерные в тораксе и генитальные. Имагинальные диски могут выживать в недифференцированном состоянии, если он трансплантируются в абдоминальную гемолимфу взрослых мух. Здесь они могут расти бесконечно без дифференцировки. Фрагментация дисков, которая необходима для повторяющихся трансплантаций, позволяет им находиться в состоянии постоянно регенерации. По возвращении имагинальных дисков обратно в поздних личинок, которые начинают метаморфоз, приводит к дифференцировке имплантатов вместе с метаморфозом хозяина. В большинстве случаев формируемые структуры соответствуют исходным характеристикам диска, хотя иногда соответствуют др. диску. Напр., ткань из ножного диска может продуцировать крыловые структуры. В классическом, но довольно замысловатом эксперименте, который связан с комбинированным клональным мечением и трансдетерминацией, было показано, что трансдетерминация может иногда происходить в группах клеток, а также в одиночных клетках. Эта находка указывает на то, что соматические мутации не являются механизмом трансдетерминации, т.к. одна и та же мутация не может появляться одновременно в группе клеток. Похожие феномены трансдетерминации были обнаружены и в др. группах артропод. Напр., т.наз. серийные гетероморфозы, обнаруживаемые при регенерации придатков у ракообразных и насекомых. Давно известно, что если клешня ампутирована у креветки Palinurus, она может быть регенерирована не как клешня, а как антенна. У некоторых типов насекомых ампутированная антенна может быть частично замещена конечностью. Серийные гетероморфозы не были исследованы длительное время, но имели все признаки типичной метаплазии. Metaplasia in human pathology При гистопатологии у человека нередко обнаруживаются фокусы определенной ткани в необычном месте. Напр., появление кости в мягкой соединительной ткани или слущивающихся участков эпителия, который обычно является железистым при гистологии. Метаплазии почти всегда возникают в тканях, которые стали предметами хронической травмы, инфекции или аномально гормональной стимуляции, следовательно, подвергавшихся постоянной регенерации. Эта связь с регенерацией сходна с примерами у артропод. В некоторых случаях неясно возникла ли эктопическая ткань in situ или мигрировала откуда-то. Очевидно, что ситуация с мигрирующей тканью не имеет отношения к рассматриваемому вопросу. Но железистые метаплазии, при которых обнаруживаются участки ткани, внедренные в др. эпителий, маловероятно, что возникают за счет миграции. Эти железистые метаплазии могут быть обнаружены особенно в кишечнике и женской репродуктивной системе, вообще-то, из-за того, что в каждой из этих двух систем имеется серия органов, расположенных в виде трубки, при этом каждый орган выстлан гистологически отличающимся эпителием. Когда возникают участки метаплазии, они часто состоят из тканевого типа, обычно происходящего из соседнего региона эмбриона. Напр., кишечная метаплазия желудка вызывает появление участков кишечной ткани в слизистой желудка; кишечник и желудок развиваются из соседних территорий энтодермы у ранних эмбрионов. Менее ясно состояние, известное как cystitis glandularis, при котором возникает ткань типа толстой кишки в мочевом пузыре. Это отдельный орган по отношению к кишечнику взрослого, но он происходит из соседней энтодермы у эмбрионов, т.к. мочевой пузырь формируется из проксимальной части алантоисного выпячивания задней кишки (FIG. 2). Figure 2 \| Diagram of human embryo gut at ~35 days gestation. This shows how the epithelium of the oesophagus, stomach, intestine and urinary bladder are neighbours, derived from a single endodermal cell sheet.Adapted from REF. 100. Некоторые метаплазии имеют клиническое значение, т.к. они предрасполагают индивидов к развитию рака. Напр., бронхи, выстланные столбчатым эпителием, но у курильщиков часто имеются участки слущивающейся метаплазии и они образуются внутри тех участков, в которых обычно возникает рак легких. Аденокарцинома пищевода обычно возникает в областях Barrett's метаплазии, состояния, при котором обычно слущивающийся эпителий нижней части пищевода превращается в столбчатый с паттернами желудочной или кишечной дифференцировки. В таких случаях метаплазия может рассматриваться как первая ступень в многоступенчатом процессе возникновения рака. Theoretical basis for the phenomena Homeotic mutations. Метаплазии у артропод и у людей напоминают гомеозисные мутации, при которых одна часть тела замещается др. Эти мутации особенно хорошо известны у D. melanogaster. Принципы гомеозисных мутаций объясняются на гипотетическом организме, на Рис. 3, Figure 3 \| How homeotic mutations can alter the character of body parts. a \| Normal genotype and phenotype. Three regulatory genes are differentially activated such that the embryo consists of four territories with gene-activity codes, from anterior to posterior, of 000 001, 011 and 111 (in which 0 indicates that a gene is off an 1 indicates that it is on). b \| Loss-of-function mutation of gene 2 causes the second body segment to resemble the first. c \| Gain-of-function mutation of gene 2 causes the firs body segment to resemble the second. This example assumes that abnormal codings (010 and 101) do not produce homeotic effects. Modified with permission from REF. 26 © (2005) Blackwell Science. представляющем упрощенную схему системы Hox генов. У этого организма голова и три сегмента тела возникают из общего слоя эмбриональных клеток благодаря действию диффундирующего морфогена, высокая концентрация которого на будущем заднем конце и низкая концентрация на будущем переднем конце. Три регуляторных гена активируются разными порогами концентрации морфогена, так что эмбрион состоит из 4 территорий с кодами генной активности спереди назад 000, 001, 011 и 111 (где 0 указывает, что ген выключен, а 1 что включен). Если второй ген мутирует до неактивности, то код станет 000, 001, 001 and 101, это д. приводить к гомеозисной трансформации, так что второй сегмент тела примет характеристики первого. Напротив, если второй ген экспрессируется по всему эмбриону, то коды будут 010, 011, 011 and 111, и это будет приводить к тому, что первый сегмент тела будет развиваться с характеристиками второго. Последствия для сегментов с аномальными кодами 101 и 010 не могут быть предсказаны без дополнительной информации о нижестоящих связях трех генов. Операция Hox систем сегодня изучена в существенных молекулярных деталях как у насекомых, так и позвоночных. Это соответствует схеме в общем, но детали более сложны. Theory of metaplasia. В 1980s, я предложил унифицированную теорию метаплазий на базе неправильной экспрессии гомеозисных генов; т.е. тип ткани меняется, т.к. комбинация экспрессируемых регуляторных генов меняется (BOX 1; FIG. 4). (BOX 1; FIG. 4). Box 1 \| The five important elements of the metaplasia theory • Different body parts arise in embryonic development because different, specific, combinations of genes encoding transcription factors become activated. A combination constitutes a ‘code’ that specifies a body part. The code is built up through a hierarchy of developmental decisions, which mostly depend on the response of cells to inducing factors that are secreted by neighbouring tissues. The code works because it leads, directly or indirectly, to the activation of the relevant set of differentiation genes. • Many body parts are associated with specific tissue types. For example, each of the organs derived from the endoderm of the early embryo has its own specific epithelium (such as oral, bronchial, thyroid, gastric, intestinal and hepatic). • Wherever a tissue is sustained by cell turnover, there are stem or progenitor cells that persist into adult life. It is assumed that these cells retain the same codes as the embryonic organ rudiments. • Whenever the code is changed, whether by mutation, epigenetic switching or environmental effects (such as hormone action), then the tissue type that is produced by those stem or progenitor cells will change. A metaplasia will arise if the code is changed to another normal code, and other changes, such as dysplasias, can arise when abnormal codes are generated. The initial change need only occur in one or a few cells. If the new tissue type has a growth advantage over the old, it can expand to become a macroscopic focus of metaplasia. • The probability of metaplasia increases with regeneration. This is because tissue damage causes a need for stem-cell niches to be repopulated with new cells, giving a metaplastic focus the opportunity to expand to visible size. Figure 4 \| Model for metaplasia. a \| During embryonic life, rudiments arise for two tissues that are distinguished from each other by the activation of a transcription factor X in part of the cell sheet. b \| Assuming that the transcription factor X continues to distinguish the tissue-specific stem cells postnatally, then a change to the microenvironment or a somatic mutation can alter the expression of X and can induce an ectopic focus of the neighbouring tissue. Modified with permission from REF. 5 © (2001) Elsevier. Тогда имелось мало возможностей сбора доказательств в пользу этой теории, но доказательства постепенно накапливались. Во-первых, общий принцип онтогенетической иерархии был одобрен с помощью детальной разработки, ступень за ступенью, что происходит во время созревания оплодотворенных яиц до взрослого во всех основных экспериментальных модельных организмах. Хотя история ещё не закончена, ясно, что поля клеток оказываются подразделенными в ответ на индуцирующие факторы (такие как fibroblast growth factor (FGF), bone morphogenetic protein (BMP), Hedgehog and WNT) и что экспрессия транскрипционных факторов активируется или репрессируется соотв. Во многих случаях коды из транскрипционных факторов для разных типов тканей сегодня известны. Напр., сердце кодируется комбинацией NKX2.5, MEF2, GATA, TBX и HAND факторов; поджелудочная железа нуждается в PDX1 и p48, чтобы отличать её от окружающей энтодермы; щитовидная железа нуждается в TTX1 (известном также как NKX2.1), TTX2 и PAX8 (REF. 30); а поддержание дифференцировки гепатоцитов нуждается в 5 транскрипционных факторах во взаимно активируемой сети. Идентификация 'body part' с 'tissue type' может создать неудобство для генетиков D. melanogaster, но это не более, чем восприятие, чем доказательство. Возможно, что действительно имеем дело с типами тканей, но части тела у артропод, названы и идентифицированы на базе специализаций, обнаруживаемых в наружным тканевом слое (эпидермис). В классических экспериментах по регенерации имагинальных дисков формируемые структуры были дезорганизованы и идентифицировались на основании характерных волосков и щетинок, которые квалифицированными морфологами могут быть идентифицированы и вне их нормального контекста. В кишечнике позвоночных тип органа определяется эпителием и имеющимися множественными ассоциированными мышцами и соединительной тканью, которые не обладают видимой региональной специфичностью эпителия. Единственным отличием является то, что у артропод регионально специфичные ткани находятся снаружи, а нерегионализованные ткани внутри и поэтому менее видны. Хотя ткани, такие как мышцы и фасции рассматриваются как неспецифические, т.к. они встречаются по всему телу, они в действительности возникают из специфических клеточных популяций эмбриона (миотомы сомитов и латеральная пластинка. соотв.) Следовательно, они также могут рассматриваться как 'body parts' на ранних эмбриональных стадиях. Спор, что популяции стволовых клеток сохраняют характеристики своих предшественников, эмбриональных рудиментов, получил некоторое подтверждение. Хотя трудно провести бок-о-бок сравнение микромассивов, т.к. тканевые выборки обычно смешанного состава, сегодня имеется много примеров, в которых ключевые транскрипционные факторы важны как для онтогенетической детерминации эмбриональных рудиментов, так и для стволовых клеток, происходящих из них. Напр., SOX2 является транскрипционным фактором, который предопределяет свойства как эмбрионального нейроэпителия, так и постнатальных нейрональных стволовых клеток. RUNX1 необходим как для инициального образования гематопоэтической ткани области aorta-gonad-mesonephros так и для поддержания взрослых гематопоэтических стволовых клеток. CDX гены необходимы как для спецификации кишечника эмбрионов, так и для поддержания зон стволовых клеток кишечника у взрослых. Ген p63 экспрессируется, когда эмбриональный эпителий становится стратифицированным и остается критическим для контроля свойств слущивающегося эпителия и стволовых клеток кератиноцитов. Рост метапластических фокусов до макроскопических размеров изучен плохо. Обычно эпителии разных типов тканей сосуществуют в стабильной манере в соединениях, таких как пищеводно-желудочном и желудочно-двенадцатиперстном соединении кишечника или в ecto-endocervical соединении репродуктивного сайта самок. Это верно даже для скоростей клеточной пролиферации на двух сторонах соединения, которые могут отличаться существенно. Стабильность достигается благодаря тому, что ткани организуются в структурные пролиферативные единицы, такие как кишечные крипты, в которых клетки появляются, дифференцируются и погибают без миграции в окружающие пролиферативные единицы (FIG. 5). Однако, избыточный Figure 5 \| Growth of a metaplastic focus by replacement of neighbouring structural-proliferative units. Destruction of tissue by wounding or disease creates space for the multiplication of the structural-proliferative units (SPUs) of the new tissue type. рост одного типа ткани может приводить к определённым обстоятельствам. Напр., Barrett's пищевод может использовать элемент миграции желудочной ткани в пищевод, а шейные 'эрозии' могут использовать миграцию эндоцервикальной выстилки в exocervix. Возможность избыточного роста объясняет универсальную ассоциацию метаплазии с тканевым повреждением. Такое повреждение может нарушать некоторые пролиферативные единицы и тем самым делает возможным формирование на их месте некоторых новых единиц. Где граничат два эпителиальных типа, эта ситуация предоставляет возможность для конкуренции за занятие пространства, не просто в терминах скорости делений, а в терминах относительной предрасположенности двух тканей генерировать новые пролиферативные единицы. Это процесс не был исследован достаточно, хотя известно, что ряд пролиферативных единиц, таких как железы желудка или кишечные крипты, увеличиваются за счет почкования как при нормальном росте, так и в условиях регенерации. В этом отношении эпителиальные ткани напоминают колониальных животных, таких как асцидии или bryozoa, которые могут расти по поверхности подводных скал и давать границы, которые детерминируются конкуренцией с др. организмами. Well understood examples of metaplasia Феномен, упомянутый выше, известен давно, то только в последние годы технологии молекулярной биологии позволили достичь успеха в понимании механизма, которые может быть исследован в молекулярных и генетических терминах. Как результат, некоторые примеры метаплазии сегодня хорошо изучены. Transdetermination. Хотя трансдетерминация имагинальных дисков D. melanogaster традиционно рассматривается как редкое явление, оно может быть индуцировано с высокой частотой при рассечении дисков в специфических местах - т.наз. слабых точках. Одно такое место находится на дорсальной части проторакального ножного диска, где разрез провоцирует трансдетерминацию в крыло с 95% частотой. Такая высокая частота нуждается в детальном исследовании. Эктопическая экспрессия сигнальной молекулы Wingless (Wg) во втором личиночном возрасте может вызывать трансдетерминацию этой области крыла. Это связано с активацией гена транскрипционного фактора vestigial. Использование vestigial репортера, vg-lacZ, позволяет визуализовать события трансдетерминации вскоре после их появления, не ожидая видимой дифференцировки в ходе метаморфоза. Ранение вызывает экспрессию vestigial, так как повреждение активирует путь Jun N-terminal kinase (JNK). Активация пути JNK репрессирует экспрессию генов Polycomb-group, которые обычно репрессируют wg, сигнальные активности, которые активируют экспрессию vestigial. Этот пример демонстрирует центральную роль транскрипционного фактора Vestigial. Этот транскрипционный фактор обычно экспрессируется в дорсальных дисках (wing, haltere), но не в вентральных (legs), и служит для выбора судеб крала в противовес конечностям. Этот пример показывает также участие в межклеточной передаче сигналов (Wg у D. melanogaster является гомологом WNT факторов), это объясняет, почему трансдетерминация может возникнуть во многих клетках одновременно. Это указывает также на роль в организации хроматина. Белки Polycomb-group имеют тенденцию выключать активность генов в регионах хромосом, с которыми они соединяются с помощью различных механизмов, включая содействие ингибирующим гистоновым methylases и ингибирование хроматин-ремоделирующих белков. Клеточные дифференцировка и детерминация зависят от организации хроматина и это скорее всего важная тема для будущих исследований механизмов метаплазии. Intestinal metaplasia. Участки кишечного эпителия иногда обнаруживают в желудке человека, рак желудка часто возникает из таких участков. Во время эмбрионального развития важным компонентом кода из транскрипционных факторов, который отличает желудок от кишечника, является экспрессия 'parahox' гомеодоменовых транскрипционных факторов генов Cdx1 и Cdx2, которые экспрессируются в будущем кишечнике, но не в желудке. Этот паттерн экспрессии поддерживается и в постнатальной жизни. Потеря функции Cdx2 в клетках кишечника мышей ведет к формированию метапластических фокусов слущивающегося эпителия, напоминающего пищевод. Проверка естественно возникших участков кишечной метаплазии в желудке человека показала, что они экспрессируют CDX гены. Более того, они возможно продуцируют кишечную ткань в эпителии желудка благодаря экспрессии Cdx2 у трансгенных мышей, используя специфичный для желудка промотор. Это показало, что эктопическая экспрессия генов CDX2 является причинной для развития метаплазии. Также скорее всего, что CDX транскрипционные факторы играют роль в Barrett's пищеводе, т.к. эктопическая экспрессия CDX2 была найдена и в этой ситуации тоже. Vaginal adenosis. Др. тип метаплазии, который предрасполагает индивидов к раку, является vaginal adenosis. Островки железистой ткани часто присутствуют в шеечно-вагинальном слущивающемся эпителии женщин, которые подвергались воздействию in utero синтетического агониста стерола, diethylstilboestrol (DES), предписываемого для предупреждения выкидышей в 1940 - 1960 годы. эти индивиды обнаруживали склонность к развитию обычно очень редких аденокарцином (clear-cell carcinoma) из этих метапластических островков. Недавно было показано, что транскрипционный фактор p63 критическим переключателем, который позволяет сделать выбор между эпителием влагалища и матки. Вагинальный эпителий обычно экспрессирует p63 и является слущивающимся, тогда как эпителий матки (эндометрий) не экспрессирует p63 и является железистым. Потеря p63 ведет к трансформации из вагинального в эндометриальный тип. Известно также, что DES не затрагивает экспрессии некоторых транскрипционных факторов в развивающемся репродуктивном тракте женщин, среди них и p63. У людей чувствительный период приходится на первую половину беременности, но у мышей чувствительность к DES сохраняется в течение первой постнатальной недели. Этот эффект более правильно описывать как heterotopia, чем метаплазия, т.к. он возникает во время инициального эмбрионального развития рассматриваемых тканей. Имеется, однако, др интересный пример клинически важного переключения тканевого типа, описанного в молекулярных терминах. B lymphocytes into macrophages. Этот пример интересен из-за прекрасного анализа клеточных клонов, который однозначно идентифицирует клетки предшественники. В целом клеточный клон гематопоэтической системы более понятен, чем др. системы взрослых стволовых клеток. Он также оказывается продвинутым из-за техники выделения клеток с помощью fluorescence-activated cell sorting (FACS) и благодаря множеству доступных маркеров клеточной поверхности. Кроме того, доступен метод по клеточной детерминации в течение длительного времени, путем или повторному заселению облученных мышей или благодаря использованию систем культивирования in vitro . Известно, что дифференцировка В лимфоцитов нуждается в транскрипционных факторах E2A и early B-cell factor (EBF). Эти белки активируют экспрессию др. транскрипционного фактора, PAX5, который в свою очередь активирует многие продукты зрелых В лимфоцитов, включая маркер клеточной поверхности CD19. В исследовании В лимфоциты были изолированы из костного мозга мышей или селезенки благодаря сортировке по CD19 (REF. 57). Затем введение basic leucine-zipper транскрипционных факторов C/EBPα или C/EBPβ приводило к трансформации в макрофаги с потерей CD19 и добавлением маркера макрофагов MAC1. Включение второго транскрипционного фактора, PU.1, улучшало реакцию почти до 100%. Механизмом является комбинация репрессии функции PAX5 и активация специфичных для макрофагов генов. Тот факт, что клетки предшественники были истинными В клетками, было показано двумя методами. Линия мышей, которая экспрессирует Cre recombinase под контролем промотора CD19, скрещивалась с линией, в которой экспрессия репортерного гена (EYFP) активировалась в присутствии Cre. Это создавало постоянное мечение клеток, которые имели всегда активированный промотор CD19 и обнаруживали, что макрофаги первоначально были В лимфоцитами. Дальнейшие доказательства были получены при натуральном клональном мечении, которое являлось результатом перестройки генов антител, которые возникали во время дифференцировки В клеток. Такая перестройка происходила в репрограммированных макрофагах, которые получались в ходе эксперимента. Exocrine pancreas to hepatocyte. Имеется ряд примеров переключения клеточного тапа в линиях дифференцированных клеток, растущих в тканевой культуре, некоторые были обсуждены в предыдущем обзоре. Одной из проблем подходов in vitro является то, что клетки часто изменяют свои свойства, если они эксплантируются из интактного организма и культивируются, так что их полностью дифференцированный статус не может быть гарантирован. С др. стороны, ситуация in vitro открывает прекрасные возможности для тщательного наблюдения за клеточными фенотипами и клеточными клонами. В одной из систем, налаженных в моей лаб., мы продемонстрировали прямую трансдифференцировку. AR42J-B13 панкреатические клетки, которые обладали многими свойствами экзокринных клеток, могут быть превращены в хорошо дифференцированные гепатоциты путем обработки dexamethasone и oncostatin M. Используя промотор elastase для управления экспрессией green fluorescent protein (GFP), мы показали, что как печеночные белки, так и GFP могут присутствовать вместе в трансдифференцированных клетках, указывая тем самым, что гепатоциты д. дифференцироваться в экзокринные клетки. Мы идентифицировали молекулярные основы переключения как индукцию транскрипционного фактора C/EBPβ. Трансфекция C/EBPβ или C/EBPα в клетки AR42J-B13 провоцирует трансдифференцировку, тогда как введение специфического ингибитора факторов C/EBP, печень-ингибирующего белка, предупреждало трансдифференцировку. C/EBPα и C/EBPβ обычно экспрессируются в раннем печеночном рудименте, но не в соседней панкреатической области, будучи комплементарным домену панкреатических транскрипционных факторов PDX1 и p48. Следовательно, они являются прекрасными кандидатами на роль транскрипционных факторов, помогают сделать выбор печеночной судьбы в противовес панкреатической в ходе развития. Это является также системой, в которой трансдифференцировка может возникать в отсутствие клеточных делений, как показано отсутствием BrdU мечения, по крайней мере, некоторых трансдифференцированных гепатоцитов. Эта in vitro система предоставляет возможное объяснение часто наблюдаемых фокусов гепатоцитов, которые возникают во время регенерации вследствие токсических повреждений экзокринной части панкреас. Wolffian lens regeneration. Единственный пример трансдифференцировки, представленный скептиками, заключается в регенерации хрусталика, обнаруживаемой у различных видов urodele amphibia (тритонов и саламандр). По иронии этот случай, в котором проведено тщательное исследование клеточных клонов не было проделано, вообще-то из-за неотразимости морфологического проявления трансдифференцировки. При Wolffian регенерации после удаления хрусталика глаз, клетки дорсальной части радужки начинают пролиферировать, подвергаются депигментации и в конечном итоге повторно дифференцируются, чтобы сформировать новые хрусталики. Эти два типа клеток очень различны: клетки радужки являются пигментированными эпителиальными клетками, которые сходны с таковыми пигментированной сетчатки, тогда как хрусталик состоит из модифицированных кератиноцитов, которые содержат высокие концентрации кристаллиновых белков, которые обеспечивают характерную прозрачность. Эта система экстенсивно исследовалась in vitro и было показано, что возможно получить развитие lentoids из клональной культуры, инициированной из одиночной пигментированной эпителиальной клетки радужки эмбрионов кур. Удивительно, что система культивирования in vitro работает во всех системах позвоночных, включая радужку плода человека и сетчатку, и не только у urodeles, которые регенерируют после удаления хрусталика in vivo. Подобно дискам D. melanogaster эта система обнаруживает связь между ранением и инициацией регенеративного процесса. Однако, механизм, по-видимому, иной, согласно усилению активности протеолитического энзима thrombin, компонента каскада свертывания крови. Удаление хрусталика, вызывает повреждение сосудов ciliary тел, что высвобождает prothrombin в водянистую влагу. Она оказывается секвестрированной на дорсальной, но не вентральной, части радужки из-за локального присутствия субстанции, наз. 'tissue factor', и затем превращается в thrombin. Thrombin необходим для вступления клеток радужки в S фазу и возможно вызывает высвобождение др. фактора. который присутствует в латентной форме в сыворотке. Та же самая активность может провоцировать повторное вступление в S фазу urodele миофибрилл. В терминах внутриклеточных механизмов было показано, что внесение гомеодоменового транскрипционного фактора Six3, вместе с ингибированием передачи сигналов BMP может провоцировать регенерацию хрусталиков из вентральной части радужки, которая обычно неспособна к регенерации. Six3 является гомеодоменовым транскрипционным фактором, который ответственен вместе с Pax6 за детерминацию глаз в развитии и он может индуцировать образование эктопических хрусталиков, когда экспрессируется в головном эпидермисе эмбрионов рыб (medaka). Possible lability of stem cells Обсуждаемый феномен, что большинство метаплазий, в которых стартующие типы клеток являются недифференцированными определенным образом, это указывает на то, что возможно более легкое превращение детерминированных, но недифференцированных клеток в др. клон, чем превращение дифференцированных клеток в др. дифференцированный тип клеток. Но являются ли стволовые или клетки предшественники более лабильными, чем терминально дифференцированные клетки? Многочисленные эксперименты с использованием трансплантатов гематопоэтических стволовых клеток облученным хозяевам, не кажутся в конце концов как участвующие в репрограмировании клеток по большой шкале. Скорее имеется небольшая остаточная настоящая метаплазия после различных др. процессов, таких как перенос маркерных генов или слияния клеток, которая и делает это возможным. Часто подтверждается, что клеточная дифференцировка есть просто вопрос дифференциальной экспрессии генов. Но разного сорта недифференцированные клетки также отличаются заметно по своим паттернам генной экспрессии. Напр., различные типы стволовых клеток были изучены в деталях и они существенно отличались, так что было трудно идентифицировать какие-либо определенные продукты генов, которые обеспечивают поведение стволовых клеток. Реальная причина того, что мы называем дифференцированные клетки 'differentiated' заключается в том, что они обладают опознаваемыми признаками, видимыми в световом микроскопе. Их проявление зависит от присутствия больших количеств немногих генных продуктов, таких как специфические промежуточные филаменты или продукты секреции, включая компоненты внеклеточного матрикса. Итак, дифференцировка не только дифференциальная экспрессия генов, а также суперэкспрессия немногих специфических генов. Популярная модель детерминации клеток во время эмбрионального развития предполагает активацию регуляторных петель, которые затрагивают транскрипционные факторы. Следовательно, внеклеточный индуцирующий фактор вызывает экспрессию гена транскрипционного фактора. Продукт этого гена, затем поддерживает свою собственную экспрессию непосредственно или опосредованно, обеспечивая стабильность специфицированного состояния, так что персистенция индуцирующего фактора больше не нужна (FIG. 6). Такого Figure 6 \| Developmental memory. An important transcription factor (TF) gene is activated during development by the action of an inducing factor. The transcription factor activates its own production,so that the gene remains on even when the inducing signal is removed. In the long term this is reinforced by changes to chromatin structure. типа механизм является лабильным, т.к. он может быть обращен, если имеются крупные флюктуации уровня транскрипционного фактора, приводящие к порогу, ниже необходимого для самоподдержания. Обычно считается, что дифференцированные клетки, которые могут выживать в течение месяцев и лет, нуждаются в более надежных механизмах для поддержания своего состояния. Эти механизмы связаны с перманентными изменениями в структуре хроматина, которые могут включать метилирование ДНК и стабильные модификации гистонов. Это мнение недавно было поколеблено, т.к. способ действия индивидуальных транскрипционных факторов всё чаще представляется в терминах взаимодействия с хроматин-модифицирующими компонентами и в результате увеличивается или уменьшается ацетилирование гистонов в непосредственной близости от транскрипционного комплекса. Также, хотя стабильность посредством клеточных делений метилирования ДНК хорошо установлена, способ с помощью которого модификации гистонов переживают клеточные деления, неизвестен. Итак, эти механизмы остаются в основном зоной спекуляций, хотя возможно, что стволовые клетки или вообще все недифференцированные клетки, имеют структуру хроматина, которая легче нарушается, чем у дифференцированных клеток. Су3ществует значительный интерес относительно возможности репрограммирования тканевых клеток в ES-подобное состояние путем внесения набора транскрипционных факторов, которые д. обеспечивать полную плюрипотентность. Но логика анализа метаплазий в онтогенетических терминах заключается в том, что это возможно, при соотв. условиях, чтобы вернуться назад на одну ступеньку в онтогенетической иерархии. В самом деле, это д. быть легче, чем пройти назад весь путь до ES клеток и большинство примеров. приведенных здесь наиболее вероятно связано с реверсией на одну ступень. Имеется немного случаев, в которых одноступенчатые реверсии сносно задокументированы. Внесение активированного β-catenin bили общие лимфоидные предшественники или общие миэлоидные предшественники может генерировать мльтипотентные клетки, которые генерируют как лимфоидное, так и миэлоидное потомство. Но оно не дает клетки с полностью восстановленным потенциалом, когда трансплантируются облученным мышам, так что, по-видимому, они не продвинулись назад достаточно далеко, чтобы генерировать bona fide гематопоэтические стволовые клетки. В системе C2C12 миобластов синтетическое соединение reversine, ка было установлено превращает клетки в мультипотентные типы, способные к формированию остеобластов и адипоцитов, которые, по-видимому, являются одноступенчатыми реверсиями от миобласта к клеткам соматической мезодермы. Use of induced metaplasia for therapy Хотя метаплазии являются редкими событиями в природе, понимание того, как это происходит может помочь в разработке методов преднамеренной индукции её путем активации или ингибирования экспрессии определенных важных факторов в ткани мишени. Мы видим два генеральных класса приложения: реверсия вредных метаплазий и генерация пригодных дифференцированных клеток для терапевтических трансплантаций. Antagonizing harmful metaplasias. Примеры вредных метаплазий, которые предрасполагают индивидов к неоплазиям, включая кишечные метаплазии желудка, squamous мет аплазию бронхов и Barrett's метаплазию пищевода. Целью является нахождение методов реверсии метапластичесого фенотипа обратно к нормальной ткани путем переключения обратно состояний экспрессии важных транскрипционных факторов. Целенаправленным подходом является внесение генов для транскрипции соотв. факторов. Но такой метод сразу же ставит две проблемы: способ высвобождения агента и трудности 100% репрограммирования клеток мишеней. Становится ясно, что ретровирусы, используемые для генной терапии, несут существенный риск внесения онкогенных изменений путем инсерционного мутагенеза. Эту проблему можно преодолеть путем использования не-интегрируемого вектора доставки, таких как аденовирусы или не-вирусный метод. Возможна также доставка транскрипционных факторов как белков, т.к. некоторые белки включают, а др.могут быть наделены белок-трансдуцирующми доменами, которые способны непосредственно вступать в клетку. Основная причина использования какого-либо из не-интегрирующего метода заключается в том, что состояние клеточной дифференцировки, как ожидается, стабильно, поэтому возникшее переключение д. доставаться стабильным даже в отсутствие стимула, который был использован для индукции перехода (FIG. 6). Имеются некоторые доказательства, что не-интегрирующие методы могут работать Напр., трансдифференцированные гепатоциты персистируют после того, как ростовые факторы были использованы для индукции их образования и были удалены; а β-подобные клетки, продуцируемые избыточной экспрессией PDX1VP16 в клетках гепатомы человека, выглядят стабильными после образования. Даже для клеток смешанного фенотипа, которые возникают in vivo после воздействия PDX1 на печень, имеются доказательства, что секреция инсулина персистирует и после времени экспрессии аденовирусом кодируемого гена. В терминах клеточного таргетинга существует таже самая проблема и для генной терапии метаплазий как для генной терапии рака: это эффективность, гены, необходимо доставлять на 100% аномальным клеткам, и врад ли когда-нибудь будут системы для достижения этого. Однако, мы видим, что многие события трансдифференцировки, обсужденные выше, происходят в группах клеток одновременно и часто имеется некий элемент внеклеточной передачи сигналов вызывающий её. Эти находки указывают на то, что частичной генной терапии может быть достаточно, т.к. ревертированная область может быть способна репрограммировать оставшиеся области метаплазии в результате вторичных межклеточных взаимодействий. Фактически, обе эти проблемы могут быть преодолены, если бвудт эффективные низко-молеулярные агенты для активации или репрессии специфических заинтересованных субнаборов транскрипционных факторов. С ними не связан риск инсерционного мутагенеза, и они затронут высокий процент клеток мишеней в результате повторных воздействий на поврежденную область. Making desirable cell types. Большинство общих дегенеративных заболеваний Западного мира потенциально отвечают на клеточную терапию по замещению поврежденных клеток, тканей или органов. Сюда входят диабет (pancreatic β cells), сердечные болезни (cardiomyocytes), артриты (chondrocytes), паркинсонизм (dopaminergic neurons) или любое из заболеваний, для которого используются трансплантации, содержащие гематопоэтические стволовые клетки. Значительная энергия сегодня затрачивается на разработку методов для направленной дифференцировки ES клеток людей к каждому из этих дифференцированных типов. Недавние работы описывают протокол для получения панкреатических эндокринных клеток из ES клеток человека в 5 стадаий, которые базируются на воспроизведении нормальных онтогенетических механизмов. Для направленной трансдифференцировки необходимы сходные подходы, но для них необходимо меньше онтогенетических ступеней и они могут осуществляться легче. Напр., печень и поджелудочная железа, как известно возникают из соседних регионов эмбриональной энтодермы, где сигналы FGF и BMP индуцируют образование печеночного рудимента, приводя не экспозированную часть клеточного слоя к становлению панкреас. Один из генов, которые отличают печень от панкреас, кодирует транскрипционный фактор PDX1, который действует как генеральный pancreatic фактор в раннем развитии и снова как специфический транскрипционный активатор инсулина во время дифференцировки β-клеток. Частичная трансформация в направлении β-клеточного фенотипа может быть воспроизведена человеческими гепатоцитами просто путем введения гена PDX1. Человеческие гепатоциты, модифицированные таким образом, обнаруживаются в состояниях, в которых neurogenin-3 становится способным лечить диабет, индуцированный у грызунов β-клеточными токсинами, таким как streptozotocin. Он может также лечить модельный диабет у грызунов. В поджелудочной железе, хорошо известно, что эндокринные и экзокринные клетки возникают из общей энтодермальной популяции, с экспрессией транскрипционного фактора neurogenin-3, который активируется в эндокринных предшественниках. Возможно культивировать панкреатические экзокринные клетки крыс в условиях, при которых neurogenin-3 становится активированным и продуцирует популяцию β-подобных клеток, которые также могут лечить модельные диабеты грызунов. Эти эксперименты являются подтверждением принципа эффективности запрограммированной трансдифференцировки.

'Трансдифференцировка' привлекает в последнее время к себе внимание в основном в связи тем, могут ли стволовые клетки из костного мозга колонизировать др. ткани после трансплантации^1,2. Однако, основная область переключения типа ткани много шире. Она затрагивает некоторые биологические и патологические феномены, которые заслуживают большее внимание, чем получают.

Недавно возникла тенденция использовать слово трансдифференцировка подразумевая 'превращение чего-либо во что-либо другое'. Но оно преимущественно закреплено как определение - трансформация одних дифференцированных клеток в клетки др. типа^3,4 - и используется термин 'metaplasia' для обозначения более общей трансформации одного типа ткани в др. Это потому, что ткань обычно состоит из нескольких дифференцированных типов клеток и метаплазия часто вовлекает трансформацию недифференцированных стволовых клеток или клеток предшественников, таких как те, что продуцируют репертуар клеточных типов, характерных для разных тканей^5,6.

Figure 1 | A simple developmental hierarchy. Each variation of tissue-type switching (transdifferentiation (1), metaplasia (2), dysplasia (3) and embryonic stem (ES) transformation (4)) represents an abnormal transition.

Рис.1 показывает типичную иерархию онтогенетических решений, которые клетки проходят в ходе эмбрионального развития. На них накладываются некоторого сорта разные аномальные трансформации. Трансформации между дифференцированными клетками являются трансдифференцировками, тогда как трансформации между ткане-специфическими стволовыми клетками являются метаплазиями, но не трансдифференцировками. Рис. 1 показывает также возможность изменений к аномальным фенотипам не имеющими аналогов в нормальном теле (dysplasia).

Недавно возник интерес к возможности репрогаммирования клеток из дифференцированного состояния обратно к плюрипотентному состоянию, напоминающему эмбриональные стволовые клетки (ES), ES трансформации. В данной статье термин 'metaplasia' будет использоваться для любого переключения тканевого типа, а 'transdifferentiation' будет использован только когда и предшественник и продукт являются клетками дифференцированного типа.

Из-за скептицизма относительно реальности метаплазий, необходимо осуществление тщательно отобранных критериев, чтобы доказать их появление. Наиболее важным из этих критериев, перечислены Eguchi and Kodama. Во-первых, два клеточных состояния перед и после перехода д. быть четко определяемы, это требует как морфологической, так и молекулярной характеристики клеток. Во-вторых, клонально-клеточные взаимоотношения между двумя типами клеток д.быть установлены. Найти эти критерии часто легче в системе культуры ткани, чем у интактных животных. Большинство случаев трансдифференцировки вызывают некоторые вмешательства в клеточные деления и потери дифференцированного проявления, хотя существуют немногие примеры непосредственной трансдифференцировки, возникающей без клеточных делений. might be

Большинство примеров метаплазии, которые нам известны распадаются на две основные группы, наблюдаемые у arthropods и наблюдаемые при патологии людей. Я введу эти группы и покажу, что лежащие в основе механизмы сходны, не смотря на широкие пределы терминологического использования (transdetermination, heteromorphosis и т.д.). В др. месте представлена информация о детальном понимании онтогенетических механизмов у плодовых мушек Drosophila melanogaster, существенных для понимания феноменов у людей. В целом метаплазии скорее всего возникают в ситуациях, при которых ткани или части тела повреждены и вынуждены регенерировать.

Transdetermination in D. melanogaster

Трансдетерминация является названием, данным для формы метаплазии, которая связана с трансформациями между разными имагиналными дисками у D. melanogaster. подобно др. насекомым с полным метаморфозом эмбрионы D. melanogaster вылупляются в виде личинок. Они подвергаются двумя линькам. Спустя приблизительно неделю они становятся куколками, тело личинки подвергается кардинальному метаморфозу, во время которого большинство личиночных тканей аутолизируется, а взрослые ткани и структуры возникают из имагинальных дисков и др. резервных гнезд клеток. Диски образуются во время эмбриональной жизни и пролиферируют во время личиночной жизни. Но они не дифференцируются вплоть до метаморфоза. Формируются разные диски: головные, ножные, крыловые и гальтерные в тораксе и генитальные. Имагинальные диски могут выживать в недифференцированном состоянии, если он трансплантируются в абдоминальную гемолимфу взрослых мух. Здесь они могут расти бесконечно без дифференцировки. Фрагментация дисков, которая необходима для повторяющихся трансплантаций, позволяет им находиться в состоянии постоянно регенерации. По возвращении имагинальных дисков обратно в поздних личинок, которые начинают метаморфоз, приводит к дифференцировке имплантатов вместе с метаморфозом хозяина. В большинстве случаев формируемые структуры соответствуют исходным характеристикам диска, хотя иногда соответствуют др. диску. Напр., ткань из ножного диска может продуцировать крыловые структуры. В классическом, но довольно замысловатом эксперименте, который связан с комбинированным клональным мечением и трансдетерминацией, было показано, что трансдетерминация может иногда происходить в группах клеток, а также в одиночных клетках. Эта находка указывает на то, что соматические мутации не являются механизмом трансдетерминации, т.к. одна и та же мутация не может появляться одновременно в группе клеток.

Похожие феномены трансдетерминации были обнаружены и в др. группах артропод. Напр., т.наз. серийные гетероморфозы, обнаруживаемые при регенерации придатков у ракообразных и насекомых. Давно известно, что если клешня ампутирована у креветки Palinurus, она может быть регенерирована не как клешня, а как антенна. У некоторых типов насекомых ампутированная антенна может быть частично замещена конечностью. Серийные гетероморфозы не были исследованы длительное время, но имели все признаки типичной метаплазии.

Metaplasia in human pathology

При гистопатологии у человека нередко обнаруживаются фокусы определенной ткани в необычном месте. Напр., появление кости в мягкой соединительной ткани или слущивающихся участков эпителия, который обычно является железистым при гистологии. Метаплазии почти всегда возникают в тканях, которые стали предметами хронической травмы, инфекции или аномально гормональной стимуляции, следовательно, подвергавшихся постоянной регенерации. Эта связь с регенерацией сходна с примерами у артропод. В некоторых случаях неясно возникла ли эктопическая ткань in situ или мигрировала откуда-то. Очевидно, что ситуация с мигрирующей тканью не имеет отношения к рассматриваемому вопросу. Но железистые метаплазии, при которых обнаруживаются участки ткани, внедренные в др. эпителий, маловероятно, что возникают за счет миграции. Эти железистые метаплазии могут быть обнаружены особенно в кишечнике и женской репродуктивной системе, вообще-то, из-за того, что в каждой из этих двух систем имеется серия органов, расположенных в виде трубки, при этом каждый орган выстлан гистологически отличающимся эпителием.

Когда возникают участки метаплазии, они часто состоят из тканевого типа, обычно происходящего из соседнего региона эмбриона. Напр., кишечная метаплазия желудка вызывает появление участков кишечной ткани в слизистой желудка; кишечник и желудок развиваются из соседних территорий энтодермы у ранних эмбрионов. Менее ясно состояние, известное как cystitis glandularis, при котором возникает ткань типа толстой кишки в мочевом пузыре. Это отдельный орган по отношению к кишечнику взрослого, но он происходит из соседней энтодермы у эмбрионов, т.к. мочевой пузырь формируется из проксимальной части алантоисного выпячивания задней кишки (FIG. 2).

Figure 2 | Diagram of human embryo gut at ~35 days gestation. This shows how the epithelium of the oesophagus, stomach, intestine and urinary bladder are neighbours, derived from a single endodermal cell sheet.Adapted from REF. 100.

Некоторые метаплазии имеют клиническое значение, т.к. они предрасполагают индивидов к развитию рака. Напр., бронхи, выстланные столбчатым эпителием, но у курильщиков часто имеются участки слущивающейся метаплазии и они образуются внутри тех участков, в которых обычно возникает рак легких. Аденокарцинома пищевода обычно возникает в областях Barrett's метаплазии, состояния, при котором обычно слущивающийся эпителий нижней части пищевода превращается в столбчатый с паттернами желудочной или кишечной дифференцировки. В таких случаях метаплазия может рассматриваться как первая ступень в многоступенчатом процессе возникновения рака.

Theoretical basis for the phenomena

Homeotic mutations. Метаплазии у артропод и у людей напоминают гомеозисные мутации, при которых одна часть тела замещается др. Эти мутации особенно хорошо известны у D. melanogaster. Принципы гомеозисных мутаций объясняются на гипотетическом организме, на Рис. 3,

Figure 3 | How homeotic mutations can alter the character of body parts. a | Normal genotype and phenotype. Three regulatory genes are differentially activated such that the embryo consists of four territories with gene-activity codes, from anterior to posterior, of 000 001, 011 and 111 (in which 0 indicates that a gene is off an 1 indicates that it is on). b | Loss-of-function mutation of gene 2 causes the second body segment to resemble the first. c | Gain-of-function mutation of gene 2 causes the firs body segment to resemble the second. This example assumes that abnormal codings (010 and 101) do not produce homeotic effects. Modified with permission from REF. 26 © (2005) Blackwell Science.

представляющем упрощенную схему системы Hox генов. У этого организма голова и три сегмента тела возникают из общего слоя эмбриональных клеток благодаря действию диффундирующего морфогена, высокая концентрация которого на будущем заднем конце и низкая концентрация на будущем переднем конце. Три регуляторных гена активируются разными порогами концентрации морфогена, так что эмбрион состоит из 4 территорий с кодами генной активности спереди назад 000, 001, 011 и 111 (где 0 указывает, что ген выключен, а 1 что включен). Если второй ген мутирует до неактивности, то код станет 000, 001, 001 and 101, это д. приводить к гомеозисной трансформации, так что второй сегмент тела примет характеристики первого. Напротив, если второй ген экспрессируется по всему эмбриону, то коды будут 010, 011, 011 and 111, и это будет приводить к тому, что первый сегмент тела будет развиваться с характеристиками второго. Последствия для сегментов с аномальными кодами 101 и 010 не могут быть предсказаны без дополнительной информации о нижестоящих связях трех генов.

Операция Hox систем сегодня изучена в существенных молекулярных деталях как у насекомых, так и позвоночных. Это соответствует схеме в общем, но детали более сложны.

Theory of metaplasia. В 1980s, я предложил унифицированную теорию метаплазий на базе неправильной экспрессии гомеозисных генов; т.е. тип ткани меняется, т.к. комбинация экспрессируемых регуляторных генов меняется (BOX 1; FIG. 4). (BOX 1; FIG. 4).

Box 1 | The five important elements of the metaplasia theory

• Different body parts arise in embryonic development because different, specific, combinations of genes encoding transcription factors become activated. A combination constitutes a ‘code’ that specifies a body part. The code is built up through a hierarchy of developmental decisions, which mostly depend on the response of cells to inducing factors that are secreted by neighbouring tissues. The code works because it leads, directly or indirectly, to the activation of the relevant set of differentiation genes.

• Many body parts are associated with specific tissue types. For example, each of the organs derived from the endoderm of the early embryo has its own specific epithelium (such as oral, bronchial, thyroid, gastric, intestinal and hepatic).

• Wherever a tissue is sustained by cell turnover, there are stem or progenitor cells that persist into adult life. It is assumed that these cells retain the same codes as the embryonic organ rudiments.

• Whenever the code is changed, whether by mutation, epigenetic switching or environmental effects (such as hormone action), then the tissue type that is produced by those stem or progenitor cells will change. A metaplasia will arise if the code is changed to another normal code, and other changes, such as dysplasias, can arise when abnormal codes are generated. The initial change need only occur in one or a few cells. If the new tissue type has a growth advantage over the old, it can expand to become a macroscopic focus of metaplasia.

• The probability of metaplasia increases with regeneration. This is because tissue damage causes a need for stem-cell niches to be repopulated with new cells, giving a metaplastic focus the opportunity to expand to visible size.

Figure 4 | Model for metaplasia. a | During embryonic life, rudiments arise for two tissues that are distinguished from each other by the activation of a transcription factor X in part of the cell sheet. b | Assuming that the transcription factor X continues to distinguish the tissue-specific stem cells postnatally, then a change to the microenvironment or a somatic mutation can alter the expression of X and can induce an ectopic focus of the neighbouring tissue. Modified with permission from REF. 5 © (2001) Elsevier.

Тогда имелось мало возможностей сбора доказательств в пользу этой теории, но доказательства постепенно накапливались. Во-первых, общий принцип онтогенетической иерархии был одобрен с помощью детальной разработки, ступень за ступенью, что происходит во время созревания оплодотворенных яиц до взрослого во всех основных экспериментальных модельных организмах. Хотя история ещё не закончена, ясно, что поля клеток оказываются подразделенными в ответ на индуцирующие факторы (такие как fibroblast growth factor (FGF), bone morphogenetic protein (BMP), Hedgehog and WNT) и что экспрессия транскрипционных факторов активируется или репрессируется соотв. Во многих случаях коды из транскрипционных факторов для разных типов тканей сегодня известны. Напр., сердце кодируется комбинацией NKX2.5, MEF2, GATA, TBX и HAND факторов; поджелудочная железа нуждается в PDX1 и p48, чтобы отличать её от окружающей энтодермы; щитовидная железа нуждается в TTX1 (известном также как NKX2.1), TTX2 и PAX8 (REF. 30); а поддержание дифференцировки гепатоцитов нуждается в 5 транскрипционных факторах во взаимно активируемой сети.

Идентификация 'body part' с 'tissue type' может создать неудобство для генетиков D. melanogaster, но это не более, чем восприятие, чем доказательство. Возможно, что действительно имеем дело с типами тканей, но части тела у артропод, названы и идентифицированы на базе специализаций, обнаруживаемых в наружным тканевом слое (эпидермис). В классических экспериментах по регенерации имагинальных дисков формируемые структуры были дезорганизованы и идентифицировались на основании характерных волосков и щетинок, которые квалифицированными морфологами могут быть идентифицированы и вне их нормального контекста. В кишечнике позвоночных тип органа определяется эпителием и имеющимися множественными ассоциированными мышцами и соединительной тканью, которые не обладают видимой региональной специфичностью эпителия. Единственным отличием является то, что у артропод регионально специфичные ткани находятся снаружи, а нерегионализованные ткани внутри и поэтому менее видны. Хотя ткани, такие как мышцы и фасции рассматриваются как неспецифические, т.к. они встречаются по всему телу, они в действительности возникают из специфических клеточных популяций эмбриона (миотомы сомитов и латеральная пластинка. соотв.) Следовательно, они также могут рассматриваться как 'body parts' на ранних эмбриональных стадиях.

Спор, что популяции стволовых клеток сохраняют характеристики своих предшественников, эмбриональных рудиментов, получил некоторое подтверждение. Хотя трудно провести бок-о-бок сравнение микромассивов, т.к. тканевые выборки обычно смешанного состава, сегодня имеется много примеров, в которых ключевые транскрипционные факторы важны как для онтогенетической детерминации эмбриональных рудиментов, так и для стволовых клеток, происходящих из них. Напр., SOX2 является транскрипционным фактором, который предопределяет свойства как эмбрионального нейроэпителия, так и постнатальных нейрональных стволовых клеток. RUNX1 необходим как для инициального образования гематопоэтической ткани области aorta-gonad-mesonephros так и для поддержания взрослых гематопоэтических стволовых клеток. CDX гены необходимы как для спецификации кишечника эмбрионов, так и для поддержания зон стволовых клеток кишечника у взрослых. Ген p63 экспрессируется, когда эмбриональный эпителий становится стратифицированным и остается критическим для контроля свойств слущивающегося эпителия и стволовых клеток кератиноцитов. Рост метапластических фокусов до макроскопических размеров изучен плохо. Обычно эпителии разных типов тканей сосуществуют в стабильной манере в соединениях, таких как пищеводно-желудочном и желудочно-двенадцатиперстном соединении кишечника или в ecto-endocervical соединении репродуктивного сайта самок. Это верно даже для скоростей клеточной пролиферации на двух сторонах соединения, которые могут отличаться существенно. Стабильность достигается благодаря тому, что ткани организуются в структурные пролиферативные единицы, такие как кишечные крипты, в которых клетки появляются, дифференцируются и погибают без миграции в окружающие пролиферативные единицы (FIG. 5). Однако, избыточный

Figure 5 | Growth of a metaplastic focus by replacement of neighbouring structural-proliferative units. Destruction of tissue by wounding or disease creates space for the multiplication of the structural-proliferative units (SPUs) of the new tissue type.

рост одного типа ткани может приводить к определённым обстоятельствам. Напр., Barrett's пищевод может использовать элемент миграции желудочной ткани в пищевод, а шейные 'эрозии' могут использовать миграцию эндоцервикальной выстилки в exocervix. Возможность избыточного роста объясняет универсальную ассоциацию метаплазии с тканевым повреждением. Такое повреждение может нарушать некоторые пролиферативные единицы и тем самым делает возможным формирование на их месте некоторых новых единиц. Где граничат два эпителиальных типа, эта ситуация предоставляет возможность для конкуренции за занятие пространства, не просто в терминах скорости делений, а в терминах относительной предрасположенности двух тканей генерировать новые пролиферативные единицы. Это процесс не был исследован достаточно, хотя известно, что ряд пролиферативных единиц, таких как железы желудка или кишечные крипты, увеличиваются за счет почкования как при нормальном росте, так и в условиях регенерации. В этом отношении эпителиальные ткани напоминают колониальных животных, таких как асцидии или bryozoa, которые могут расти по поверхности подводных скал и давать границы, которые детерминируются конкуренцией с др. организмами.

Well understood examples of metaplasia

Феномен, упомянутый выше, известен давно, то только в последние годы технологии молекулярной биологии позволили достичь успеха в понимании механизма, которые может быть исследован в молекулярных и генетических терминах. Как результат, некоторые примеры метаплазии сегодня хорошо изучены.

Transdetermination. Хотя трансдетерминация имагинальных дисков D. melanogaster традиционно рассматривается как редкое явление, оно может быть индуцировано с высокой частотой при рассечении дисков в специфических местах - т.наз. слабых точках. Одно такое место находится на дорсальной части проторакального ножного диска, где разрез провоцирует трансдетерминацию в крыло с 95% частотой. Такая высокая частота нуждается в детальном исследовании. Эктопическая экспрессия сигнальной молекулы Wingless (Wg) во втором личиночном возрасте может вызывать трансдетерминацию этой области крыла. Это связано с активацией гена транскрипционного фактора vestigial. Использование vestigial репортера, vg-lacZ, позволяет визуализовать события трансдетерминации вскоре после их появления, не ожидая видимой дифференцировки в ходе метаморфоза. Ранение вызывает экспрессию vestigial, так как повреждение активирует путь Jun N-terminal kinase (JNK). Активация пути JNK репрессирует экспрессию генов Polycomb-group, которые обычно репрессируют wg, сигнальные активности, которые активируют экспрессию vestigial. Этот пример демонстрирует центральную роль транскрипционного фактора Vestigial. Этот транскрипционный фактор обычно экспрессируется в дорсальных дисках (wing, haltere), но не в вентральных (legs), и служит для выбора судеб крала в противовес конечностям. Этот пример показывает также участие в межклеточной передаче сигналов (Wg у D. melanogaster является гомологом WNT факторов), это объясняет, почему трансдетерминация может возникнуть во многих клетках одновременно. Это указывает также на роль в организации хроматина. Белки Polycomb-group имеют тенденцию выключать активность генов в регионах хромосом, с которыми они соединяются с помощью различных механизмов, включая содействие ингибирующим гистоновым methylases и ингибирование хроматин-ремоделирующих белков. Клеточные дифференцировка и детерминация зависят от организации хроматина и это скорее всего важная тема для будущих исследований механизмов метаплазии.

Intestinal metaplasia. Участки кишечного эпителия иногда обнаруживают в желудке человека, рак желудка часто возникает из таких участков. Во время эмбрионального развития важным компонентом кода из транскрипционных факторов, который отличает желудок от кишечника, является экспрессия 'parahox' гомеодоменовых транскрипционных факторов генов Cdx1 и Cdx2, которые экспрессируются в будущем кишечнике, но не в желудке. Этот паттерн экспрессии поддерживается и в постнатальной жизни. Потеря функции Cdx2 в клетках кишечника мышей ведет к формированию метапластических фокусов слущивающегося эпителия, напоминающего пищевод. Проверка естественно возникших участков кишечной метаплазии в желудке человека показала, что они экспрессируют CDX гены. Более того, они возможно продуцируют кишечную ткань в эпителии желудка благодаря экспрессии Cdx2 у трансгенных мышей, используя специфичный для желудка промотор. Это показало, что эктопическая экспрессия генов CDX2 является причинной для развития метаплазии. Также скорее всего, что CDX транскрипционные факторы играют роль в Barrett's пищеводе, т.к. эктопическая экспрессия CDX2 была найдена и в этой ситуации тоже.

Vaginal adenosis. Др. тип метаплазии, который предрасполагает индивидов к раку, является vaginal adenosis. Островки железистой ткани часто присутствуют в шеечно-вагинальном слущивающемся эпителии женщин, которые подвергались воздействию in utero синтетического агониста стерола, diethylstilboestrol (DES), предписываемого для предупреждения выкидышей в 1940 - 1960 годы. эти индивиды обнаруживали склонность к развитию обычно очень редких аденокарцином (clear-cell carcinoma) из этих метапластических островков. Недавно было показано, что транскрипционный фактор p63 критическим переключателем, который позволяет сделать выбор между эпителием влагалища и матки. Вагинальный эпителий обычно экспрессирует p63 и является слущивающимся, тогда как эпителий матки (эндометрий) не экспрессирует p63 и является железистым. Потеря p63 ведет к трансформации из вагинального в эндометриальный тип. Известно также, что DES не затрагивает экспрессии некоторых транскрипционных факторов в развивающемся репродуктивном тракте женщин, среди них и p63. У людей чувствительный период приходится на первую половину беременности, но у мышей чувствительность к DES сохраняется в течение первой постнатальной недели. Этот эффект более правильно описывать как heterotopia, чем метаплазия, т.к. он возникает во время инициального эмбрионального развития рассматриваемых тканей. Имеется, однако, др интересный пример клинически важного переключения тканевого типа, описанного в молекулярных терминах.

B lymphocytes into macrophages. Этот пример интересен из-за прекрасного анализа клеточных клонов, который однозначно идентифицирует клетки предшественники. В целом клеточный клон гематопоэтической системы более понятен, чем др. системы взрослых стволовых клеток. Он также оказывается продвинутым из-за техники выделения клеток с помощью fluorescence-activated cell sorting (FACS) и благодаря множеству доступных маркеров клеточной поверхности. Кроме того, доступен метод по клеточной детерминации в течение длительного времени, путем или повторному заселению облученных мышей или благодаря использованию систем культивирования in vitro . Известно, что дифференцировка В лимфоцитов нуждается в транскрипционных факторах E2A и early B-cell factor (EBF). Эти белки активируют экспрессию др. транскрипционного фактора, PAX5, который в свою очередь активирует многие продукты зрелых В лимфоцитов, включая маркер клеточной поверхности CD19. В исследовании В лимфоциты были изолированы из костного мозга мышей или селезенки благодаря сортировке по CD19 (REF. 57). Затем введение basic leucine-zipper транскрипционных факторов C/EBPα или C/EBPβ приводило к трансформации в макрофаги с потерей CD19 и добавлением маркера макрофагов MAC1. Включение второго транскрипционного фактора, PU.1, улучшало реакцию почти до 100%. Механизмом является комбинация репрессии функции PAX5 и активация специфичных для макрофагов генов.

Тот факт, что клетки предшественники были истинными В клетками, было показано двумя методами. Линия мышей, которая экспрессирует Cre recombinase под контролем промотора CD19, скрещивалась с линией, в которой экспрессия репортерного гена (EYFP) активировалась в присутствии Cre. Это создавало постоянное мечение клеток, которые имели всегда активированный промотор CD19 и обнаруживали, что макрофаги первоначально были В лимфоцитами. Дальнейшие доказательства были получены при натуральном клональном мечении, которое являлось результатом перестройки генов антител, которые возникали во время дифференцировки В клеток. Такая перестройка происходила в репрограммированных макрофагах, которые получались в ходе эксперимента.

Exocrine pancreas to hepatocyte. Имеется ряд примеров переключения клеточного тапа в линиях дифференцированных клеток, растущих в тканевой культуре, некоторые были обсуждены в предыдущем обзоре. Одной из проблем подходов in vitro является то, что клетки часто изменяют свои свойства, если они эксплантируются из интактного организма и культивируются, так что их полностью дифференцированный статус не может быть гарантирован. С др. стороны, ситуация in vitro открывает прекрасные возможности для тщательного наблюдения за клеточными фенотипами и клеточными клонами. В одной из систем, налаженных в моей лаб., мы продемонстрировали прямую трансдифференцировку. AR42J-B13 панкреатические клетки, которые обладали многими свойствами экзокринных клеток, могут быть превращены в хорошо дифференцированные гепатоциты путем обработки dexamethasone и oncostatin M. Используя промотор elastase для управления экспрессией green fluorescent protein (GFP), мы показали, что как печеночные белки, так и GFP могут присутствовать вместе в трансдифференцированных клетках, указывая тем самым, что гепатоциты д. дифференцироваться в экзокринные клетки.

Мы идентифицировали молекулярные основы переключения как индукцию транскрипционного фактора C/EBPβ. Трансфекция C/EBPβ или C/EBPα в клетки AR42J-B13 провоцирует трансдифференцировку, тогда как введение специфического ингибитора факторов C/EBP, печень-ингибирующего белка, предупреждало трансдифференцировку. C/EBPα и C/EBPβ обычно экспрессируются в раннем печеночном рудименте, но не в соседней панкреатической области, будучи комплементарным домену панкреатических транскрипционных факторов PDX1 и p48. Следовательно, они являются прекрасными кандидатами на роль транскрипционных факторов, помогают сделать выбор печеночной судьбы в противовес панкреатической в ходе развития. Это является также системой, в которой трансдифференцировка может возникать в отсутствие клеточных делений, как показано отсутствием BrdU мечения, по крайней мере, некоторых трансдифференцированных гепатоцитов. Эта in vitro система предоставляет возможное объяснение часто наблюдаемых фокусов гепатоцитов, которые возникают во время регенерации вследствие токсических повреждений экзокринной части панкреас.

Wolffian lens regeneration. Единственный пример трансдифференцировки, представленный скептиками, заключается в регенерации хрусталика, обнаруживаемой у различных видов urodele amphibia (тритонов и саламандр). По иронии этот случай, в котором проведено тщательное исследование клеточных клонов не было проделано, вообще-то из-за неотразимости морфологического проявления трансдифференцировки. При Wolffian регенерации после удаления хрусталика глаз, клетки дорсальной части радужки начинают пролиферировать, подвергаются депигментации и в конечном итоге повторно дифференцируются, чтобы сформировать новые хрусталики. Эти два типа клеток очень различны: клетки радужки являются пигментированными эпителиальными клетками, которые сходны с таковыми пигментированной сетчатки, тогда как хрусталик состоит из модифицированных кератиноцитов, которые содержат высокие концентрации кристаллиновых белков, которые обеспечивают характерную прозрачность. Эта система экстенсивно исследовалась in vitro и было показано, что возможно получить развитие lentoids из клональной культуры, инициированной из одиночной пигментированной эпителиальной клетки радужки эмбрионов кур. Удивительно, что система культивирования in vitro работает во всех системах позвоночных, включая радужку плода человека и сетчатку, и не только у urodeles, которые регенерируют после удаления хрусталика in vivo.

Подобно дискам D. melanogaster эта система обнаруживает связь между ранением и инициацией регенеративного процесса. Однако, механизм, по-видимому, иной, согласно усилению активности протеолитического энзима thrombin, компонента каскада свертывания крови. Удаление хрусталика, вызывает повреждение сосудов ciliary тел, что высвобождает prothrombin в водянистую влагу. Она оказывается секвестрированной на дорсальной, но не вентральной, части радужки из-за локального присутствия субстанции, наз. 'tissue factor', и затем превращается в thrombin. Thrombin необходим для вступления клеток радужки в S фазу и возможно вызывает высвобождение др. фактора. который присутствует в латентной форме в сыворотке. Та же самая активность может провоцировать повторное вступление в S фазу urodele миофибрилл. В терминах внутриклеточных механизмов было показано, что внесение гомеодоменового транскрипционного фактора Six3, вместе с ингибированием передачи сигналов BMP может провоцировать регенерацию хрусталиков из вентральной части радужки, которая обычно неспособна к регенерации. Six3 является гомеодоменовым транскрипционным фактором, который ответственен вместе с Pax6 за детерминацию глаз в развитии и он может индуцировать образование эктопических хрусталиков, когда экспрессируется в головном эпидермисе эмбрионов рыб (medaka).

Possible lability of stem cells

Обсуждаемый феномен, что большинство метаплазий, в которых стартующие типы клеток являются недифференцированными определенным образом, это указывает на то, что возможно более легкое превращение детерминированных, но недифференцированных клеток в др. клон, чем превращение дифференцированных клеток в др. дифференцированный тип клеток. Но являются ли стволовые или клетки предшественники более лабильными, чем терминально дифференцированные клетки? Многочисленные эксперименты с использованием трансплантатов гематопоэтических стволовых клеток облученным хозяевам, не кажутся в конце концов как участвующие в репрограмировании клеток по большой шкале. Скорее имеется небольшая остаточная настоящая метаплазия после различных др. процессов, таких как перенос маркерных генов или слияния клеток, которая и делает это возможным.

Часто подтверждается, что клеточная дифференцировка есть просто вопрос дифференциальной экспрессии генов. Но разного сорта недифференцированные клетки также отличаются заметно по своим паттернам генной экспрессии. Напр., различные типы стволовых клеток были изучены в деталях и они существенно отличались, так что было трудно идентифицировать какие-либо определенные продукты генов, которые обеспечивают поведение стволовых клеток. Реальная причина того, что мы называем дифференцированные клетки 'differentiated' заключается в том, что они обладают опознаваемыми признаками, видимыми в световом микроскопе. Их проявление зависит от присутствия больших количеств немногих генных продуктов, таких как специфические промежуточные филаменты или продукты секреции, включая компоненты внеклеточного матрикса. Итак, дифференцировка не только дифференциальная экспрессия генов, а также суперэкспрессия немногих специфических генов.

Популярная модель детерминации клеток во время эмбрионального развития предполагает активацию регуляторных петель, которые затрагивают транскрипционные факторы. Следовательно, внеклеточный индуцирующий фактор вызывает экспрессию гена транскрипционного фактора. Продукт этого гена, затем поддерживает свою собственную экспрессию непосредственно или опосредованно, обеспечивая стабильность специфицированного состояния, так что персистенция индуцирующего фактора больше не нужна (FIG. 6). Такого

Figure 6 | Developmental memory. An important transcription factor (TF) gene is activated during development by the action of an inducing factor. The transcription factor activates its own production,so that the gene remains on even when the inducing signal is removed. In the long term this is reinforced by changes to chromatin structure.

типа механизм является лабильным, т.к. он может быть обращен, если имеются крупные флюктуации уровня транскрипционного фактора, приводящие к порогу, ниже необходимого для самоподдержания. Обычно считается, что дифференцированные клетки, которые могут выживать в течение месяцев и лет, нуждаются в более надежных механизмах для поддержания своего состояния. Эти механизмы связаны с перманентными изменениями в структуре хроматина, которые могут включать метилирование ДНК и стабильные модификации гистонов. Это мнение недавно было поколеблено, т.к. способ действия индивидуальных транскрипционных факторов всё чаще представляется в терминах взаимодействия с хроматин-модифицирующими компонентами и в результате увеличивается или уменьшается ацетилирование гистонов в непосредственной близости от транскрипционного комплекса. Также, хотя стабильность посредством клеточных делений метилирования ДНК хорошо установлена, способ с помощью которого модификации гистонов переживают клеточные деления, неизвестен. Итак, эти механизмы остаются в основном зоной спекуляций, хотя возможно, что стволовые клетки или вообще все недифференцированные клетки, имеют структуру хроматина, которая легче нарушается, чем у дифференцированных клеток.

Су3ществует значительный интерес относительно возможности репрограммирования тканевых клеток в ES-подобное состояние путем внесения набора транскрипционных факторов, которые д. обеспечивать полную плюрипотентность. Но логика анализа метаплазий в онтогенетических терминах заключается в том, что это возможно, при соотв. условиях, чтобы вернуться назад на одну ступеньку в онтогенетической иерархии. В самом деле, это д. быть легче, чем пройти назад весь путь до ES клеток и большинство примеров. приведенных здесь наиболее вероятно связано с реверсией на одну ступень. Имеется немного случаев, в которых одноступенчатые реверсии сносно задокументированы. Внесение активированного β-catenin bили общие лимфоидные предшественники или общие миэлоидные предшественники может генерировать мльтипотентные клетки, которые генерируют как лимфоидное, так и миэлоидное потомство. Но оно не дает клетки с полностью восстановленным потенциалом, когда трансплантируются облученным мышам, так что, по-видимому, они не продвинулись назад достаточно далеко, чтобы генерировать bona fide гематопоэтические стволовые клетки. В системе C2C12 миобластов синтетическое соединение reversine, ка было установлено превращает клетки в мультипотентные типы, способные к формированию остеобластов и адипоцитов, которые, по-видимому, являются одноступенчатыми реверсиями от миобласта к клеткам соматической мезодермы.

Use of induced metaplasia for therapy

Хотя метаплазии являются редкими событиями в природе, понимание того, как это происходит может помочь в разработке методов преднамеренной индукции её путем активации или ингибирования экспрессии определенных важных факторов в ткани мишени. Мы видим два генеральных класса приложения: реверсия вредных метаплазий и генерация пригодных дифференцированных клеток для терапевтических трансплантаций.

Antagonizing harmful metaplasias. Примеры вредных метаплазий, которые предрасполагают индивидов к неоплазиям, включая кишечные метаплазии желудка, squamous мет аплазию бронхов и Barrett's метаплазию пищевода. Целью является нахождение методов реверсии метапластичесого фенотипа обратно к нормальной ткани путем переключения обратно состояний экспрессии важных транскрипционных факторов. Целенаправленным подходом является внесение генов для транскрипции соотв. факторов. Но такой метод сразу же ставит две проблемы: способ высвобождения агента и трудности 100% репрограммирования клеток мишеней. Становится ясно, что ретровирусы, используемые для генной терапии, несут существенный риск внесения онкогенных изменений путем инсерционного мутагенеза. Эту проблему можно преодолеть путем использования не-интегрируемого вектора доставки, таких как аденовирусы или не-вирусный метод. Возможна также доставка транскрипционных факторов как белков, т.к. некоторые белки включают, а др.могут быть наделены белок-трансдуцирующми доменами, которые способны непосредственно вступать в клетку. Основная причина использования какого-либо из не-интегрирующего метода заключается в том, что состояние клеточной дифференцировки, как ожидается, стабильно, поэтому возникшее переключение д. доставаться стабильным даже в отсутствие стимула, который был использован для индукции перехода (FIG. 6). Имеются некоторые доказательства, что не-интегрирующие методы могут работать Напр., трансдифференцированные гепатоциты персистируют после того, как ростовые факторы были использованы для индукции их образования и были удалены; а β-подобные клетки, продуцируемые избыточной экспрессией PDX1VP16 в клетках гепатомы человека, выглядят стабильными после образования. Даже для клеток смешанного фенотипа, которые возникают in vivo после воздействия PDX1 на печень, имеются доказательства, что секреция инсулина персистирует и после времени экспрессии аденовирусом кодируемого гена.

В терминах клеточного таргетинга существует таже самая проблема и для генной терапии метаплазий как для генной терапии рака: это эффективность, гены, необходимо доставлять на 100% аномальным клеткам, и врад ли когда-нибудь будут системы для достижения этого. Однако, мы видим, что многие события трансдифференцировки, обсужденные выше, происходят в группах клеток одновременно и часто имеется некий элемент внеклеточной передачи сигналов вызывающий её. Эти находки указывают на то, что частичной генной терапии может быть достаточно, т.к. ревертированная область может быть способна репрограммировать оставшиеся области метаплазии в результате вторичных межклеточных взаимодействий.

Фактически, обе эти проблемы могут быть преодолены, если бвудт эффективные низко-молеулярные агенты для активации или репрессии специфических заинтересованных субнаборов транскрипционных факторов. С ними не связан риск инсерционного мутагенеза, и они затронут высокий процент клеток мишеней в результате повторных воздействий на поврежденную область.

Making desirable cell types. Большинство общих дегенеративных заболеваний Западного мира потенциально отвечают на клеточную терапию по замещению поврежденных клеток, тканей или органов. Сюда входят диабет (pancreatic β cells), сердечные болезни (cardiomyocytes), артриты (chondrocytes), паркинсонизм (dopaminergic neurons) или любое из заболеваний, для которого используются трансплантации, содержащие гематопоэтические стволовые клетки. Значительная энергия сегодня затрачивается на разработку методов для направленной дифференцировки ES клеток людей к каждому из этих дифференцированных типов. Недавние работы описывают протокол для получения панкреатических эндокринных клеток из ES клеток человека в 5 стадаий, которые базируются на воспроизведении нормальных онтогенетических механизмов. Для направленной трансдифференцировки необходимы сходные подходы, но для них необходимо меньше онтогенетических ступеней и они могут осуществляться легче.

Напр., печень и поджелудочная железа, как известно возникают из соседних регионов эмбриональной энтодермы, где сигналы FGF и BMP индуцируют образование печеночного рудимента, приводя не экспозированную часть клеточного слоя к становлению панкреас. Один из генов, которые отличают печень от панкреас, кодирует транскрипционный фактор PDX1, который действует как генеральный pancreatic фактор в раннем развитии и снова как специфический транскрипционный активатор инсулина во время дифференцировки β-клеток. Частичная трансформация в направлении β-клеточного фенотипа может быть воспроизведена человеческими гепатоцитами просто путем введения гена PDX1. Человеческие гепатоциты, модифицированные таким образом, обнаруживаются в состояниях, в которых neurogenin-3 становится способным лечить диабет, индуцированный у грызунов β-клеточными токсинами, таким как streptozotocin. Он может также лечить модельный диабет у грызунов. В поджелудочной железе, хорошо известно, что эндокринные и экзокринные клетки возникают из общей энтодермальной популяции, с экспрессией транскрипционного фактора neurogenin-3, который активируется в эндокринных предшественниках. Возможно культивировать панкреатические экзокринные клетки крыс в условиях, при которых neurogenin-3 становится активированным и продуцирует популяцию β-подобных клеток, которые также могут лечить модельные диабеты грызунов. Эти эксперименты являются подтверждением принципа эффективности запрограммированной трансдифференцировки.

Metaplasia and transdifferentiation: from pure biology to the clinic Jonathan M. W. SlackNATURE REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOGY VOLUME 8 | MAY 2007 | Зю369

Metaplasia and transdifferentiation: from pure biology to the clinic
Jonathan M. W. Slack
NATURE REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOGY VOLUME 8 | MAY 2007 | Зю369