Kento Onishi, Peter W. Zandstra Development 2015 142: 2230-2236; doi: 10.1242/dev.117598
Leukemia inhibitory factor (LIF) is a member of the interleukin-6 (IL-6) cytokine family. All members of this family activate signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3), a transcription factor that influences stem and progenitor cell identity, proliferation and cytoprotection. The role of LIF in development was first identified when LIF was demonstrated to support the propagation of mouse embryonic stem cells. Subsequent studies of mice deficient for components of the LIF pathway have revealed important roles for LIF signaling during development and homeostasis. Here and in the accompanying poster, we provide a broad overview of JAK-STAT signaling during development, with a specific focus on LIF-mediated JAK-STAT3 activation.
Эмбриональные стволовые клетки (ESCs) - это плюрипотентные клетки, происходящие из бластоциста мыши (Evans and Kaufman, 1981; Martin, 1981) - являются важной модельной системой для изучения раннего развития. Вскоре после инициального возникновения мышиных (m) ESCs было установлено, что их in vitro размножение нуждается в активности цитокина leukemia inhibitory factor (LIF) (Smith et al., 1988; Williams et al., 1988), который действует, активируя Janus kinase-signal transducer and activator of transcription (JAK-STAT) сигнальный путь (Boeuf et al., 1997; Niwa et al., 1998). Последующие исследования выяснили роль передачи сигналов JAK-STAT в mESCs и их производных, существенно увеличили информацию о роли передачи сигналов вдоль оси LIF JAK/STAT3 в раннем развитии. В то время как человеческие (h) ESCs, как было установлено, не зависят от передачи сигналов JAK-STAT при своем умножении (Beattie et al., 2005; Dah?ron et al., 2004; Humphrey et al., 2004; Vallier et al., 2005), недавние успехи в нашем понимании разных состояний плюрипотентности клеток человека (Buecker et al., 2010; Chan et al., 2013; Gafni et al., 2013; Hanna et al., 2010; Theunissen et al., 2014; Ware et al., 2014) подтвердили роль передачи сигналов LIF в развитии человека.
Mechanisms of JAK-STAT signaling
Передача сигналов JAK-STAT обеспечивается прежде всего посредством цитокинов семейства interleukin-6 (IL-6), которые передают свои сигналы посредством рецепторов, отнесенных или к сигнальным или не сигнальным α-рецепторам. LIF, напр., сначала соединяется с сигнальным рецептором, LIF-R (Gearing et al., 1991), и рекрутирует др. сигнальный рецептор, glycoprotein 130 (GP130), чтобы сформировать гетеродимер, который обеспечивает дальнейшую передачу сигнала вниз. LIF-R и GP130, являются сигнальными рецепторами, используемые и др. членами семейства IL-6. В противоположность LIF, однако, др. цитокины семейства IL-6 сначала соединяются со специфическими, низкого сродства не сигнальными рецепторными субъединицами (такими как IL-6R, IL-11R, CT-1R и CNTFR-1) и инициируют или гомодимеризацию GP130 рецепторов (Hibi et al., 1990) или гетеродимеризацию LIF-R и GP130. Кроме того, цитокин oncostatin M (OSM) способен связывать или LIF-R или свой собственный специфический сигнальный рецептор, OSM-R, чтобы сформировать гетеродимер с GP130 [rev. Heinrich et al. (2003, 1998)]. После димеризации сигнальные рецепторы рекрутируют и фосфорилируют JAKs (JAK1, JAK2, JAK3 и Tyk2) которые, в свою очередь, фосфорилируют STAT3 и др. членов семейства STAT (STAT1 и STAT5). Каскад достигает своей кульминации при димеризации фосфорилированного STAT3 (pSTAT3), его транслокации в ядро и непосредственной регуляции транскрипции широкого круга генов. В состав этих генов мишеней входит мощный JAK-STAT ингибитора suppressor of cytokine signaling 3 (SOCS3) (Naka et al., 1997;Starr et al., 1997). Ингибирование STAT3 также независимо обеспечивается посредством protein inhibitor of activated STAT3 (PIAS3) (Chung et al., 1997), т.о., создается быстро реагирующий и подкрепляемый обратной связью механизм, чтобы регулировать передачу сигналов JAK-STAT. Парадоксально, передача сигналов JAK-STAT также действует feed-forward способом, инициируя быструю транскрипцию STAT3, JAK1, GP130 и LIF-R (Davey et al., 2007; He et al., 2005). Эти негативные и позитивные ауторегуляторные аспекты передачи сигналов JAK-STAT способны циклическим изменениям между состоянием покоя и активности в ответ на специфические онтогенетические сигналы и в ответ на внешние стимулы постнатально.
Передача сигналов LIF также активирует mitogen-activated protein kinases (MAPKs) (Burdon et al., 1999; Ernst et al., 1996), cyclic AMP-responsive element binding protein (CREB) и ribosomal s6 kinase (Boeuf et al., 2001), src family kinases (Anneren et al., 2004) и phosphatidylinositol-3-OH kinase (PI3K) (Niwa et al., 2009; Paling et al., 2004). Эти ответвления передачи сигналов не будут рассматриваться здесь.
JAK-STAT signaling in the maintenance of pluripotency in vitro
Существование популяции плюрипотентных клеток in vivo преходящее, поскольку плюрипотентных эпибласт быстро дифференцируется в собственно эмбрион и в компоненты вне-эмбриональной ткани. Способность поддерживать плюрипотентное состояние in vitro несмотря на эту быстротечность закрепляется в возникновении mESCs (Evans and Kaufman, 1981; Martin, 1981). Центральным в этом поддержании плюрипотентности является активация STAT3; в его отсутствие, mESCs неспособны к самообновлению (Boeuf et al., 1997; Niwa et al., 1998). Напротив, постоянная активация STAT3 способна обеспечить LIF-независимое самообновление (Matsuda et al., 1999). Некоторые др, транскрипционные факторы, включая Nanog (Chambers et al., 2003; Mitsui et al., 2003), KLF4, KLF (Bourillot et al., 2009; Hall et al., 2009; Niwa et al., 2009), GBX2 (Tai and Ying, 2013) и TFCP2L1 (Martello et al., 2013), могут обеспечить разные степени LIF-независимого самообновления. Важно. что все эти транскрипционные факторы, за исключением Nanog, являются непосредственными мишенями, активируемыми STAT3 (pSTAT3), это подчеркивает важность передачи сигналов JAK-STATа в поддержании плюрипотентности. Кроме того, эндогенная секреция GP130 лигандов в mESCs обеспечивает клеткам буфером против преждевременной дифференцировки (Davey and Zandstra, 2006) и в комбинации с ауторегуляторным поведением передачи сигналов JAK-STAT поддерживает мощное умножение mESCs. В отсутствие экзогенного LIF, однако, секреция аутокринных GP130 лигандов недостаточна для поддержания плюрипотентности mESC в стандартных условиях (Davey et al., 2007). Порог активности STAT3 необходим, чтобы ингибировать дифференцировку, вызываемую компонентами, содержащимися в среде (напр. сыворотке) или за счет эндогенной секреции вызывающего дифференцировку fibroblast growth factor 4 (FGF4) (Kunath et al., 2007). Следовательно, существует шаткое равновесие между сигналами, ингибирующими дифференцировку и индуцирующими дифференцировку, которые управляют выбором клеточных судеб mESCs. В самом деле, супрессия передачи сигналов FGF4 с помощью ингибирования его рецепторов (используя небольшую молекулу ингибитора SU5402) и его нижестоящей мишени ERK (using the MAPK inhibitor PD184352) достаточна для поддержания плюрипотентности (Ying et al., 2008). Oднако, Ying с колл. продемонстрировали, что блокада только FGF неспособна предотвратить преждевременную дифференцировку и апоптоз, и что добавление агониста передачи сигналов Wnt, CHIR99021, необходимо для LIF-независимого умножения mESCs. Итак, PD0325901 (MAPK ингибитор, который более специфичен, чем PD184352) и CHIR99021 составляют '2i' среду; эта среда способна мощно поддерживать умножение mESC, даже при полном отсутствии передачи сигналов JAK-STAT (e.g. в STAT3 нулевых или STAT3-/- клеток). В соответствии с этим передача сигналов Wnt возникает как критический медиатор плюрипотентности mESC (ten Berge et al., 2011). В то время как эти наблюдения подтверждают ненужность передачи сигналов JAK-STAT для умножения mESC, непрерывное присутствие его нижестоящей мишени TFCP2L1 необходимо для поддержания плюрипотентности в уже имеющихся плюрипотентных клетках (Martello et al., 2013). Заметим, что Nanog располагается ниже TFCP2L1 и, следовательно, образует иерархический стержень пути передачи сигналов JAK-STAT, демонстрируя его важность в поддержании плюрипотентности, даже в отсутствие некоторых вышестоящих эффекторов.
JAK-STAT signaling in early development
В то время как первичная роль обычно активируемой с помощью LIF передачи сигналов JAK-STAT in vitro важна для поддержания плюрипотентности, его роль in vivo имеет оттенки и варьирует. Изучение нокаутов индивидуальных компонентов передачи сигналов JAK-STAT у мышей было использовано для выяснения этих ролей. Начиная сверху, было показано, что нокаут LIF не является вредным для развития мышей. Самки Lif-/- мышей, однако, стерильны из-за потребности в материнском LIF для имплантации бластоциста (Stewart et al., 1992). Независимо от этого полное развитие Lif нокаутных мышей во взрослых обнаруживает, что отсутствие LIF во время развития не приводит к гибели. Этот результат, скорее всего, обусловлен перекрываемостью сигнальных молекул, поскольку OSM, cardiotrophin 1 (CT-1) и ciliary neurotrophic factor (CNTF) все способны передавать сигналы через одни и те же рецепторы. В соответствии с этим нокаут нижестоящих эффекторов LIF приводит или к эмбриональной, или перинатальной гибели; гибель происходит раньше при отсутствии эффекторов с немногими перекрываниями и/или более глобальными эффектами. Напр., нокаут LIF-R приводит к гибели благодаря тяжелому дефициту глии и двигательных нейронов (Li et al., 1995; Ware et al., 1995), тогда как нокаут глобального из IL-6 семейства рецептора, GP130, приводит к гибели между днем эмбриогенеза (E) 12 и E18, при этом эмбрионы обнаруживают тяжелые дефекты в развитии сердца, гематопоэтической и нервной системы (Nakashima et al., 1999a; Yoshida et al., 1996). Кроме того, Jak1-/- мыши погибают перинатально, демонстрируя дефект лимфоидного развития (Rodig et al., 1998), тогда как Jak2-/- мыши погибают на ст. E12 из-за неспособности к дефинитивному гематопоэзу (Neubauer et al., 1998; Parganas et al., 1998). В отсутствие STAT3 возникают ещё более тяжелые фенотипы, при этом эмбрионы погибают вскоре имплантации (~E6.5) (Takeda et al., 1997). Благодаря проявлению активности STAT3 в висцеральной энтодерме visceral endoderm (VE), совпадающей по времени с гибелью, Takeda с колл. предположили, что эмбрион голодает в результате нарушения VE и это объясняет фенотип нокаутов по STAT3. Альтернативная гипотеза заключается в том, что STAT3 необходим для формирования плюрипотентности популяции клеток; в этом сценарии потеря STAT3 д. приводить к аресту развития перед гаструляцией из-за отсутствия популяции плюрипотентных клеток. Зиготическая нокаутная STAT3 модель недостаточна, чтобы разрешить эту гипотезу, т.к. она не объясняет латентный STAT3, присутствующий в ооцитах. Итак, зиготы, полностью лишенные STAT3 (STAT3mat-/-), происходили из ооцитов, лишенных STAT3 и, как было установлено, экспрессируют маркеры плюрипотентности только временно; маркеры плюрипотентности присутствовали на ст. E3.5, но эмбрионы быстро переключались на экспрессию маркеров или трофэктодермы или первичной энтодермы (Do et al., 2013). Это подтверждает, что возникновение плюрипотентности in vivo не зависит от передачи сигналов JAK-STAT и что появляющиеся плюрипотентные клетки чувствительны к эндогенным сигналам, направляющими их дифференцировку на др. клоны. Эта идея подтверждается успешным выделением плюрипотентных STAT3-/- mESCs in vitro в строгой 2i среде (Ying et al., 2008). Однако, необходимо установить, способна ли 2i сохранять плюрипотентность в популяции клеток STAT3mat-/- эмбрионов.
Вместе с исследованиями по нокауту др. компонентов JAK-STAT, эти данные подтверждают, что передача сигналов JAK-STATне нужна для становления плюрипотентности после оплодотворения, а, скорее всего, необходима для её поддержания. В самом деле, было продемонстрировано, что физиологическая роль передачи сигналов GP130 в раннем развитии поддерживает плюрипотентность в предимплантационных эпибластах, во время субоптимальных условий для репродукции, в процессе, известном как диапауза (Nichols et al., 2001). Соотв. делеция GP130 устраняет способность эмбрионов подвергаться диапаузе в ответ на потерю плюрипотентности в эпибласте. Кроме того, mESCs происходили первыми из эмбрионов в диапаузе (Evans and Kaufman, 1981), и это, по-видимому, повышало эффективность образования mESC (Brook and Gardner, 1997; Gardner and Brook, 1997). Итак, эти находки подтверждают, что присутствие передачи сигналов JAK-STAT действует как буфер, чтобы защищать плюрипотентные клетки против негативных избирательных или индуктивных сигналов во время пред-имплантационного развития.
Developmental progression requires loss of JAK-STAT signaling at the peri-implantation stage
Принимая во внимание, что передача сигналов JAK-STAT достаточна для поддержания плюрипотентности, которая возникает вместо инициации дифференцировки, отсюда следует, что эмбрион собственно нуждается в супрессии или преодолении передачи сигналов JAK-STAT, чтобы развитие происходило дальше, В самом деле, в то время как вне-эмбриональная экспрессия STAT3 наблюдалась вскоре после имплантации и во время гаструляции (с E4.5 по E8.5), высокие уровни экспрессии STAT3 у собственно эмбриона не наблюдались вплоть до ст. E7.5 (Duncan et al., 1997), т.е. после инициации гаструляции. Пока остается неясным, действительно ли постоянно активный STAT3 останавливает развитие пост-имплантационных эмбрионов, , однако, способность постоянно активного STAT3 поддерживать плюрипотентность in vitro и во время диапаузы, подтверждает, что активация STAT3 мешает ходу гаструляции. Активная супрессия передачи сигналов JAK-STAT наблюдается во время дифференцировки мышиных ESCs в epiblast stem cells (EpiSCs) (Onishi et al., 2012), которые in vitro моделируют пост-имплантационную плюрипотентность и которые не нуждаются в LIF для самообновления (Brons et al., 2007; Tesar et al., 2007). Кроме того, EpiSCs нечувствительны к передаче сигналов LIF (Onishi et al., 2014). Итак, эти данные подтверждают прирожденный супрессирующий механизм для поддержания минимальной активности STAT3 перед или после имплантации. Такая супрессия может быть не абсолютной потребностью, однако, поскольку присутствие передачи сигналов LIF не является доминирующей в предупреждении дифференцировки, преждевременной или управляемой. В соотв. с этим дифференцировке в EpiSCs может происходить в присутствии LIF (ten Berge et al., 2011), как это происходит при дифференцировке нейральных стволовых клеток (Tropepe et al., 2001). Итак, эти данные показывают, что активная супрессия передачи сигналов JAK-STAT in vitro не является абсолютной потребностью, частично из-за присутствия не физиологических, высоких концентраций цитокинов, управляющих дифференцировкой; , однако, она может быть необходима in vivo для гарантии правильных реакций на высоко скоординированный набор морфогенов.
The recovery of JAK-STAT signaling post-implantation is required for early neural development
Вскоре после потери в эпибласте передачи сигналов JAK-STAT она обнаруживается вновь во время нервного развития, для которого она необходима зависимым от стадии способом, чтобы поддерживать генерацию клеток зрелой глии. Отсутствие GP130, напр., приводит к тяжелой, видимой потере нейронов и астроцитов (подмножество глии) на ст. E18.5 (Nakashima et al., 1999a). В соответствии с потерей передачи сигналов JAK-STAT в эпибласте, ранней стадии (E10-11) кортикальные neural progenitor cells (NPCs) репрессируются в ответ на LIF (He et al., 2005). Напротив, поздней стадии NPCs, выделенные после E14 или постоянно культивируемые in vitro после выделения на E10-11, мощно реагируют на LIF и нуждаются в нем для дифференцировки астроцитов (Bonni et al., 1997; He et al., 2005). Передача сигналов JAK-STAT, по-видимому, выполняет двойную роль в NPCs, как базовый уровень активации в E14 NPCs она способствует самообновлению и подтверждает, что активация JAK-STAT в нейральных стволовых клетках и клетках предшественниках создает буфер против дифференцировки (как в mESCs) (Shimazaki et al., 2001). Такая двойная роль, по-видимому, обусловлена изменениями, подобными переключению, в чувствительности, связанной с контекст-зависимой передачей сигналов. В самом деле, ауторегуляторная JAK-STAT feed-forward петля, которая возобновляет передачу сигналов, гарантирует быстрое и мощное восстановление из состояния покоя (Davey et al., 2007; He et al., 2005). Однако, для предупреждения преждевременной реактивации чувствительности к LIF, такая реактивация нуждается в дополнительных инициирующих сигналах: передаче сигналов bone morphogenic protein (BMP) синергичных с LIF, а именно посредством образования нижестоящего транскрипционного комплекса (Nakashima et al., 1999b), чтобы облегчить образование астроцитов. Этот комплекс также присутствует в EpiSCs и приводит к инициальной реактивации чувствительности к LIF (Onishi et al., 2014). Предполагается, что передача сигналов JAK-STAT пробуждается из состояния покоя в виде каскада, который первоначально нуждается в специфических сигналах (передача сигналов BMP и GP130) , а затем зависит от feed-forward ауторегуляторной петли, чтобы генерировать подобную переключению реакцию для запуска чувствительных ко времени программ дифференцировки. Эти сигналы могут также управлять детерминацией клонов, обеспечиваемой с помощью передачи сигналов JAK-STAT. Др. клоны, использующие передачу сигналов JAK-STAT во время своего развития также могут зависеть от этого механизма возобновления передачи сигналов.
Передача сигналов JAK-STAT широко представлена во время пост-имплантационного развития, а её отсутствие проявляется в виде дефектов в нервном, кардиальном и гематопоэтическом клонах. Кондиционные нокауты STAT3, которые обходят раннюю гибель pan-knockout STAT3 мышей, далее выясняют роль передачи сигналов JAK-STAT во время развития [rev. Levy and Lee (2002)]. Однако, проверка этих данных показала, что передача сигналов JAK-STAT не является абсолютной потребностью для развития большинства тканей. Тогда как эмбриональная гибель и ассоциированные кардиальные дефекты у gp130-/- мышей (Yoshida et al., 1996) подтверждают, что передача сигналов JAK-STAT обязательная для развития сердца, кондиционный нокаут STAT3 в кардиальных клетках не приводит к эмбриональной гибели или отсутствию кардиомиоцитов. Вместо этого STAT3-нулевые кардиомиоциты демонстрируют неспособность защищать (создавать буфер) против апоптоза и активировать способствующие воспалению сигналы TNF-α после индуцированного липосахаридами воспаления (Jacoby et al., 2003). В соответствии с этим передача сигналов JAK-STAT обладает известной ролю в защите сердца от индуцируемых стрессами повреждений с помощью непосредственно регулирующих генов, участвующих в пролиферации и защите клеток [rev. Fischer and Hilfiker-Kleiner (2007)]. В частности, STAT3 регулирует экспрессию факторов, участвующих в гипертрофии (c-fos, ANP), ангиогенезе (VEGF) и защите клеток (MnSOD, Bcl-xl) [rev. Jacoby et al. (2003)]. Сходным образом, в гематопоэтических клетках отсутствие STAT3 не приводит к устранению клеток, а скорее к снижению защитной и анти-апоптической способности. Напр., T клетки, лишенные STAT3 не обнаруживают дефектов в развитии, но вместо этого обнаруживают потерю пролиферативной способности в ответ на IL-6 и большую чувствительность к апоптозу (Takeda et al., 1998). Кроме того, кондиционный нокаут STAT3 в кератиноцитах приводит к нарушению заживления ран и цикла волос (Sano et al., 1999), тогда как нокаут в печени может приводить к нарушению острой фазы реакции (Alonzi et al., 2001). В этих примерах многие патологии могут быть связаны с отсутствием регуляции транскрипции соотв. ткане-специфичных генов мишеней для STAT3. Итак, подтверждается, что в позднем развитии передача сигналов JAK-STAT играет роль в ответ на повреждения в ограниченных типах клеток скорее, чем в процессах развития, роль наиболее подходящая для передачи сигналов JAK-STAT благодаря её способности быстро выходить из покоя и прямой регуляции многих защищающих клетки генов.
JAK-STAT signaling during germ line development
Примордиальные зародышевые клетки (PGCs) являются ранними эмбриональными предшественниками зародышевых клеток и гамет взрослых. Инициальная спецификация PGCs в задней, проксимальной части эпибласта (Ohinata et al., 2005) управляется с помощью поддерживающих BMP сигналов, исходящих из вне-эмбриональной эктодермы (ExE), и противодействующей BMP супрессии из передней висцеральной энтодермы (AVE) (Lawson et al., 1999; Umulis et al., 2009). Хотя большинство фокусов сигналов, управляющих спецификацией PGC, концентрируется на передаче сигналов BMP, передача сигналов JAK-STAT также выступает в качестве важного фактора, управляющего приобретением судьбы и созреванием PGC клеток. Доказательства её роли в спецификации PGC у мышей получены in vitro во время прямой дифференцировки или культивируемых мышиных pluripotent stem cells (PSCs), или эксплантов E6.0 эпибластов в PGCs (Hayashi et al., 2011; Ohinata et al., 2009). В обоих случаях, BMP сам по себе необходим для инициальной экспрессии маркера PGC предшественников, Blimp1, и маркеров для детерминации PGCs, Stella или alkaline phosphatase (ALP). Однако, появление PGC-подобных клеток in vitro повышается в присутствии LIF, и является оптимальным в присутствии коктейля цитокинов, включая LIF, BMP8b, stem cell factor (SCF, известен также как steel фактор) и epidermal growth factor (EGF). На сегодня отсутствует строгий анализ роли передачи сигналов JAK-STAT во время спецификации судьбы PGC in vivo , поэтому заключения об их роли в выборе судьбы клеток сделать нельзя. Однако, используя сигналы из др. сигнальных систем, исследования in vitro и др. организмы, становится ясно, что активация JAK-STAT повышает подвижность, пролиферацию и жизнеспособность PGCs. SCF, который передает сигналы посредством STAT3, известен как фактор жизнеспособности и потенциальный митоген для PGCs in vitro (Dolci et al., 1991; Godin et al., 1991; Matsui et al., 1991), и он является критическим для подвижности PGC in vivo (Gu et al., 2009). Однако, является ли STAT3 первичным медиатором действия SCF, неизвестно. Сходное наблюдение нарушения подвижности получено в дефицитных по передаче сигналов JAK-STAT Drosophila melanogaster PGCs (Brown et al., 2006). Тогда как его роль в подвижности у млекопитающих остается неясной, передача сигналов JAK-STAT может действовать на PGCs в качестве митогена или фактора выживания. В самом деле, передача сигналов GP130, как было установлено, управляет экспансией PGCs in vitro (Koshimizu et al., 1996; Matsui et al., 1991). Поскольку кондиционные нокауты для индивидуальных компонентов передачи сигналов JAK-STAT, особенно тех, которые в передаче сигналов стоят ниже, на сегодня ограничены для PGCs, вопрос остается открытым, действительно ли известные митогены и факторы выживания конвергируют на передаче сигналов JAK-STAT, чтобы осуществить свои функции. Несмотря на это передача сигналов JAK-STAT остается важным компонентом во время развития PGCs.
JAK-STAT signaling in the re-establishment of pluripotency
PGCs сами по себе являются унипотентными, способными только к генерации взрослых гамет. Несмотря на это, PGCs способны репрограммироваться обратно в плюрипотентное состояние под действием специфических сигналов. Такое репрограммирование впервые наблюдалось, когда PGCs были идентифицированы в качестве источника клеток для тератокарцином (Stevens, 1967). PGCs также дают тератомы и тератокарциномы, если имлантированы эктопически (Stevens, 1970). Эта способность к восстановлению плюрипотентности, если стимулированы эктопически может быть воспроизведена in vitro: добавление комбинации LIF, SCF и basic fibroblast growth factor (bFGF) достаточно для репрограммирования PGCs, хотя и с низкой частотой, в плюрипотентные эмбриональные зародышевые клетки (EGCs) (Matsui et al., 1992; Resnick et al., 1992). Добавление LIF или др. GP130 лигандов является абсолютно необходимым для его трансформации (Koshimizu et al., 1996). LIF, специфически, необходим на более поздних стадиях превращения в EGC и активация STAT3 в это время также абсолютно необходима (Leitch et al., 2013). Сходным образом, репрограммирование к плюрипотентности может происходить в унипотенных стволовых клетках зародышевой линии (GSCs), происходящих из семенников новорожденных (Kanatsu-Shinohara et al., 2004) и взрослых (Ko et al., 2009), хотя роль передачи сигналов JAK-STAT в этих событиях остается неясной. Передача сигналов JAK-STAT, следовательно, демонстрирует удивительную способность управления повторного возникновения плюрипотентности у близко родственных типов клеток. Т.о., хотя это, по-видимому, не играет существенной роли в становлении плюрипотентности непосредственно после оплодотворения (т.e. во время перехода от тотипотентности к плюрипотентности, от зиготы к бластоцисту), STAT3 активация играет центральную роль в эктопически восстанавливаемой плюрипотентности из детерминированных зародышевых клеток. В соотв. с этим активация STAT3 достаточна, чтобы управлять репрограммированием нативной плюрипотентности, как в EpiSCs (Bao et al., 2009; Onishi et al., 2012; Yang et al., 2010), так и в частично репрограммированных индуцированных плюрипотентных стволовых клетках (iPSCs) (Yang et al., 2010). В то время как эти примеры происходят в контексте культивирования in vitro или озлокачествления in vivo, передача сигналов JAK-STAT, по-видимому, осуществляет важную роль в нормальном развитии зародышевой линии вследствие спецификации PGC. Это было показано по её необходимости для спецификации зародышевой линии у самцов у Drosophila (Sheng et al., 2009), хотя остается неясным, законсервирована ли эта роль у млекопитающих.
In summary, JAK-STAT signaling is present in many different cell types and its activation regulates diverse physiological responses. In early development, the activation of JAK-STAT signaling during diapause ensures the maintenance and therefore protection of the embryo in sub-optimal conditions. Outside of this optional, protective feature, JAK-STAT signaling is not required in the epiblast. In fact, its continuous activity prevents the exit from pluripotency and thus prevents progression to gastrulation. Paradoxically, its complete absence from the embryo is also detrimental and leads to the death of the embryo. However, this most likely occurs through a secondary effect - the compromising of extraembryonic tissue - and JAK-STAT signaling is probably not required in the embryo proper at the initiation of gastrulation. Following gastrulation, JAK-STAT signaling re-emerges, both in the germ line and in the development of some somatic tissues. However, JAK-STAT signaling does not appear to be a requirement for the development of these tissues, as conditional knockouts of STAT3 surprisingly result in mild phenotypes. Instead, the absence of JAK-STAT signaling later in development results in aberrant responses to perturbations or stress. Indeed, as a whole, a picture emerges in which on the one hand JAK-STAT activation serves to protect stem cells during development from overt differentiation inducing signals. On the other hand, in more differentiated cells (emerging later in development or during homeostasis), it acts to buffer cells against other types of signals, such as apoptosis or proliferation.
Owing to its role as a master regulator of the pluripotency-related transcriptional network, dysregulated, hyper-active JAK-STAT signaling can lead to malignant reacquisition of pluripotency in the form of teratocarcinomas. As such, and possibly as an evolutionary prevention of the development of this malignancy, JAK-STAT signaling is muted in pluripotent stem cells derived from many different species, including most strains of mice (non-permissive strains), and is unable to maintain their pluripotency (Brons et al., 2007; Park et al., 2013; Thomson et al., 1998, 1995; Wang et al., 2008). Indeed, the first mESC lines were derived from strains of mice (129) that spontaneously generate teratocarcinomas (Stevens and Little, 1954). Only with appropriate co-stimulation is JAK-STAT signaling able to maintain the pluripotency of cells derived from non-permissive mouse strains (Hanna et al., 2009), rats (Buehr et al., 2008) and, importantly, humans (Chan et al., 2013; Gafni et al., 2013;Hanna et al., 2010; Theunissen et al., 2014; Ware et al., 2014). Together, this suggests that JAK-STAT signaling plays a conserved role across different species to ensure the preservation of pluripotency. In an extension to human pluripotency, apparently pluripotent stem cell lines with some properties reflective of different stages of mouse pluripotency can now be propagated, including under conditions supported by JAK-STAT signaling (Chan et al., 2013; Gafni et al., 2013; Hanna et al., 2010; Theunissen et al., 2014; Ware et al., 2014). This paradigm shift suggests that the numerous studies conducted in mice concerning the role LIF in development, are, at least in part, relevant to human development. Excitingly, a recent demonstration of this relevance comes with the derivation of human PGCs from LIF-responsive hESCs (Irie et al., 2015).
)