Посещений:
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ



Метаболическое программирование

The metabolic programming of stem cells
Ng Shyh-Chang and Huck-Hui Ng
Genes and Dev. 2017. V/31. P. 336-346

Advances in metabolomics have deepened our understanding of the roles that specific modes of metabolism play in programming stem cell fates. Here, we review recent metabolomic studies of stem cell metabolism that have revealed how metabolic pathways can convey changes in the extrinsic environment or their niche to program stem cell fates. The metabolic programming of stem cells represents a fine balance between the intrinsic needs of a cellular state and the constraints imposed by extrinsic conditions. A more complete understanding of these needs and constraints will afford us greater mastery over our control of stem cell fates.


Рисунки к статье

Стволовые клетки - это недифференцированные клетки многоклеточных организмов, обладающие долговременной способностью к мультипотентной дифференцировке и самообновлению. Из-за ограниченной продолжительности жизни большинства соматических клеток стволовые клетки обладают способностью восполнять поврежденные соматические клетки и поддерживать самообновляющийся резервуар предшественников, важных для гомеостаза большинство тканей большинства организмов.
Недавние успехи в анализе метаболомики и транскриптомики повысили наше понимание самообновления и клональной спецификации стволовых клеток. Эта новая информация показала, что помимо морфогенов и транскрипционных факторов различные метаболические пути также участвуют в регуляции судеб стволовых клеток. Помимо тонкой регуляции ими гликолиза и оксидативного фосфорилирования (OxPhos), происходящих во время самообновления и дифференцировки, метаболиты, регулирующие эпигенетические изменения, включая метилирование гистонов и ацетилирование, как было установлено, являются критическими регуляторами клеточных судеб стволовых клеток. Возникают указания, что метаболические пути также могут обеспечивать изменения сигналов во внешнем окружении, чтобы регулировать прирожденные судьбы клеток. Метаболизм стволовых клеток представлен комбинацией и балансом внутренних метаболических потребностей и внешних метаболических ограничений.

Metabolism to maintain stem cell pluripotency


OxPhos in pluripotency


OxPhos означает серию реакций, связанных с потреблением кислорода митохондриями с помощью electron transport chain (ETC) и ATP synthase комплексов, которые генерируют АТФ, используя энергию, продуцируемую с помощью окисления NADH, который в свою очередь происходит в результате окисления питательных веществ посредством цикла Кребса в митохондриях и др. окислительно-восстановительных (redox) реакций. Главный и наиболее эффективный источник энергии в большинстве клеток млекопитающих, хотя некоторые типы клеток базируются на гликолизом управляемом фосфорилировании субстрата (glycolysis-driven substrate-level phosphorylation) в качестве основного источника.
Плюрипотентность возникает в эпибласте во время преимплантационного периода развития. Исходное (naïve) состояние ассоциировано с плюрипотентными стволовыми клетками (PSCs) в преимплантационном эпибласте эмбрионов и эти плюрипотентные клетки становятся готовыми (primed) во время пост-имплантационного развития (Boroviak et al. 2015). У грызунов исходный преимплантационный эпибласт может быть получен in vitro в виде эмбриональных стволовых клеток (ESCs) и может поддерживаться неопределенно долго как исходные PSCs, используя определенную среду, содержащую LIF, GSK3β и MEK ингибиторы, также широко известную как 2iL условия (Ying et al. 2008). Исходные и подготовленные PSCs обладают ключевыми различиями в зависимости от своего происхождения из germline-компетентных PSCs, по эпигеномному состоянию, экспрессии генов маркеров исходной плюрипотентности и по клон-специфическим маркерам, сигнальным потребностям, чтобы поддерживать самообновление и центральный метаболизм углерода (Davidson et al. 2015). В частности, исходные PSCs используют в большей степени OxPhos, тогда как подготовленные PSCs полагаются почти целиком на гликолиз (Zhou et al. 2012; Takashima et al. 2014; Sperber et al. 2015). Действительно ли эти изменения напоминают ситуацию in vivo, при которой преимплантационные эмбрионы преимущественно используют митохондриальное OxPhos, но сдвигаются в направлении анаэробного гликолиза после имплантации в стенку матки (Barbehenn et al. 1978; Brinster and Troike 1979) предстоит проверить. Фактически, недавнее исследование подтвердило, что течение OxPhos в PSCs сильно зависит от состава среды и культуральных условий, чем от прирожденных изменений в состоянии плюрипотентности (Zhang et al. 2016).
Однако, всё увеличивающиеся доказательства подтверждают идею, что сдвиг биоэнергетического метаболизма прирожденно запрограммирован с помощью факторов плюрипотентности и в свою очередь регулирует некоторый эпигенетический аппарат (machinery), который участвует в программировании исходных и подготовленных состояний плюрипотентности (Takashima et al. 2014; Ware et al. 2014). Напр., как LIF-индуцированный Stat3, который может способствовать митохондриальной транскрипции (Carbognin et al. 2016), так и Esrrb, который может способствовать транскрипции митохондриальных OxPhos генов (Zhou et al. 2012), считаются факторами плюрипотентности, которые прирожденно способствуют OxPhos в исходных PSCs. OxPhos регенерирует NAD+ , чтобы удерживать ход цикла Кребса и поддерживать достаточные клеточные пулы α-ketoglutarate (αKG) для использования в качестве кофактора с помощью энзимов эпигенетических модификаторов, включая Jumonji domain-containing (JmjC) гистоновую деметилазу и ten-eleven translocation (TET) methylcytosine диоксигеназы. Эти Fe2+-зависимые диоксигеназы удаляют метилирование гистонов и ДНК, чтобы регулировать состояние хроматина и тем самым плюрипотентность.
Напр., было установлено, что 2i (GSK3β ингибитор + MEK ингибитор) условия культивирования переделывают прирожденный метаболизм глюкозы и глютамина, чтобы контролировать внутриклеточный αKG (Carey et al. 2015), промежуточное звено в митохондриальном цикле Кребса, это приводит к образованию succinate (Fig. 1). Т.к. αKG является кофактором, поскольку succinate является конкурентным ингибитором для αKG/Fe2+-зависимых диоксигеназ, то повышения соотношения αKG/succinate бывает достаточным, чтобы способствовать активности αKG/Fe2+-зависимой диоксигеназы, чтобы стереть многочисленные репрессивные модификации хроматина (напр., деметилирование H3K9me3, H3K27me3, H4K20me3 и ДНК), чтобы способствовать восстановлению исходной плюрипотентности (Carey et al. 2015). Добавка in vitro αKG способствует исходной (naïve) плюрипотентности, тогда как succinate способствует дифференцировке исходных (naïve) PSCs. Однако, αKG не является специфичным для исходной плюрипотентности, т.к. он может также способствовать дифференцировке измененных (primed) PSC путем регуляции деметилирования гистонов (Teslaa et al. 2016).



Figure 1.

Т.о., становится очевидным, что митохондриальный цикл Кребса посредством αKG и αKG/Fe2+-зависимых диоксигеназ является критическим для изменения эпигенетического состояния как исходной плюрипотентности, так и дифференцирующихся PSCs. Это может быть одной из причин, почему и исходные PSCs и дифференцирующиеся PSCs активируют митохондриальное OxPhos, тогда как подготовленные (primed) PSCs предпочитают гликолиз. Однако, необходимы дальнейшие исследования, чтобы полностью прояснить роль этих разных способов метаболизма для разных состояний плюрипотентности. Более того, точные условия культивирования человеческих naïve PSCs остаются спорными и их метаболические потребности всё ещё до конца неясны.
Интересно, что др. кофактор для αKG/Fe2+-зависимых диоксигеназ, ascorbate (или витамин C), как было установлено, улучшает репрограммирование соматических клеток в induced PSCs (iPSCs), стимулируя DNA 5-methyl-cytosine и H3K9me3 деметилирование (Chen et al. 2013a,b). В отличие от αKG, который может быть синтезирован и прирожденно регулируется во всех клетках млекопитающих, ascorbate не может быть синтезирован клетками человека и д. быть добавлен извне. Следовательно, αKG/Fe2+-зависимые диоксигеназы человека представляют собой узел, который интегрирует как прирожденные метаболические потребности, так и внешние метаболические условия, чтобы детерминировать судьбы стволовых клеток человека.

Glycolysis in primed pluripotency and reprogramming


Гликолиз является серией redox реакций в цитозоле, которая быстро разлагает (catabolizes) каждую молекулу глюкозы из 6 углеродов, чтобы получить две молекулы пирувата из трех углородов и две чистые молекулы АТФ в качестве энергии посредством substrate-level фосфорилирования. В большинстве типов клеток пируват может быть направлен по двум метаболическим путям: стать или лактатом посредством lactate dehydrogenase (LDH) или acetyl-CoA посредством pyruvate dehydrogenase (PDH). Промежуточные образования в гликолизе могут быть также направлены по пути синтеза макромолекул во время быстрого клеточного роста. Т.о., в то время как он является менее эффективным источником энергии, гликолиз всё же может генерировать как anabolic ростовые промежуточные образования, так и АТФ очень быстро благодаря более высокой скорости реакций гликолиза.
При переходе от naïve к primed плюрипотентному состоянию, мышиные PSCs прирожденно снижали величину своего OxPhos и вместо этого приобретали более высокую величину гликолиза благодаря высокой экспрессии транспортеров глюкозы, это в свою очередь приводило в высокому уровню потребления глюкозы и гликолизу (Leese 1995; Zhou et al. 2012). Кроме того, было показано, что эти высокие уровни глюкозы используются также pentose phosphate путем, чтобы синтезировать нуклеотиды в PSCs (Filosa et al. 2003;Varum et al. 2011, Manganelli et al. 2012). Поэтому считается, что высокая доля потребления глюкозы и гликолиз необходимы, чтобы обеспечить потребности быстрой пролиферации мышиных PSCs, подобно ситуации в раковых клетках с эффектом Warburg (Vander Heiden et al. 2009). Эффект Warburg оперирует преимущественно в высоко пролиферативных клетках, таких как раковые клетки, чтобы накапливать гликолитические промежуточные образования для быстрой пролиферации, минимизировать тем самым повреждения, вызываемые реактивными видами кислорода (ROS). В частности, эти гликолитические промежуточные образования может быть направлены на синтез аминокислот посредством 3-phosphoglycerate, на синтез липидов посредством dihydroxyacetone phosphate и acetyl-CoA, и на синтез нуклеотидов и NADPH посредством пути glucose-6-phosphate и pentose phosphate. Накопление этих макромолекул является критическим для быстрого роста PSCs и раковых клеток.
Репрограммирование соматических клеток мышей в iPSCs открывает др. окно прирожденных метаболических потребностей плюрипотентности. Переключение с митохондриального OxPhos на гликолиз широко наблюдается во время репрограммирования в iPSC (Folmes et al. 2011). Известно, что митохондриальный метаболизм играет фундаментальную роль в репрограммировании и, как было установлено, во время процесса репрограммирования в iPSC происходит ранняя фрагментация митохондрий. Такое вызванное репрограммированием разделение митохондрий, управляемое фактором Drp1, необходимо для полной активации плюрипотентности (Prieto et al. 2016). В исследованиях роли ооцитарных факторов при somatic cell nuclear transfer (SCNT)-обусловленном репрограммировании, биогенез митохондрий, как было установлено, является критическим в регуляции репрограммирования и приобретении bona fide плюрипотентности (Khaw et al. 2015). Обогащенный в ооцитах фактор и Oct4 мишень Tcl1, как было установлено, снижают локализацию в митохондриях polynucleotide phosphorylase (PnPase). Супрессия митохондриальной PnPase приводит к снижению биогенеза митохондрий, снижению OxPhos, и повышению гликолиза во время репрограммирования. Понижение OxPhos может быть причиной помимо активации гликолиза, т.к. АТФ является мощным аллостерическим ингибитором большинства ферментов гликолиза (Johnson et al. 2003). Т.о., Tcl1-PnPase переключение супрессирует OxPhos и способствует гликолизу, чтобы ремоделировать метаболомику и облегчить репрограммирование соматических клеток в iPSCs.
Также важно подчеркнуть, что в противоположность PSCs мышей, человеческие исходные PSCs обладают повышенным гликолизом по сравнению с подготовленными (primed) PSCs (Gu et al. 2016). Это основное различие может быть обусловлено видо-специфичными различиями, такими как различия в динамике X-хромосом и зависимость от передачи сигналов FGF. Повышенный гликолиз ассоциирует с высоким уровнем в ядре N-MYC и C-MYC в исходных PSCs. Исходные PSCs превращают больше углеродов глюкозы в лактат, нуклеотиды и серин. Очевидно, что присутствие feeders или feeder-секретирующих факторов влияет на зависимость от глюкозы для самообновления primed PSCs человека. В целом ясно, что гликолиз вызывает выраженные эффекты на плюрипотентное состояние человеческих PSCs (Gu et al. 2016).

Glycine (Gly)-methionine (Met) metabolism for self-renewal


PSCs также обладают уникальным метаболизмом аминокислот, чтобы поддерживать свое недифференцированное плюрипотентное состояние. В отличие от др. пролиферативных типов клеток мышиные PSCs чувствительны ко внешней депривации threonine (Thr) (Wang et al. 2009;Shyh-Chang et al. 2013). Более того, заметное усиление активности Thr-catabolizing энзима Thr dehydrogenase (Tdh) обнаруживается в мышиных PSCs по сравнению с дифференцированными клетками. Tdh ответственна за катаболизм Thr в Gly. Энзим Gly decarboxylase (Gldc), который также сильно активируется в PSCs, использует Gly, чтобы генерировать folate промежуточные образования в качестве топлива для one-carbon метаболизма (Zhang et al. 2012). Синтез folate промежуточных образований используется в качестве топлива для синтеза нуклеотидов и быстрой пролиферации PSCs, также как и предшественников нервного гребня (Wang et al. 2009; Tan et al. 2016). Однако, специфичность депривации Thr для PSCs , а не для какого-либо др. типа пролиферативных клеток также указывает на то, что возникающие в результате метаболиты от деградации Thr-Gly могут быть использованы специфически для самообновления плюрипотентного состояния.
В самом деле, folate промежуточные образования также снабжают энергией ре-метилирование homocysteine, чтобы сформировать Met и S-adenosyl-Met (SAM) на пути утилизации отходов метаболизма Met. SAM, в свою очередь, необходим для всех реакций метилирования белков. Tdh и Gldc необходимы для усиления синтеза SAM посредством folate промежуточных образований, приводя к высокому соотношению SAM к S-adenosyl-homocysteine (SAH) и вызывая состояние метилирования гистона H3 для самообновления мышиных PSC (Shyh-Chang et al. 2013). Итак, путь метаболизма Thr-Gly-Met передает информацию на внешние уровни аминокислот, чтобы регулировать самообновление PSCs чтобы подпитывать folate one-carbon пул, SAM, синтез нуклеотидов, чтобы поддерживать прирожденное эпигеномное состояние плюрипотентности в течение длительного времени.
Последующие исследования показали, что человеческие PSCs используют высокие уровни Metв противоположность мышиным PSCs, которые сильно зависят от Thr (Shiraki et al. 2014). Это из-за того, что Tdh использует псевдоген у людей, в отличие от большинства др. млекопитающих (Wang et al. 2009). Исследование показало, что депривация Met приводит к быстрому снижению SAM, потере H3K4me3, к снижению экспрессии NANOG и к понуждению человеческих PSCs дифференцироваться в любой из трех эмбриональных зародышевых слоёв. Даже если человеческие PSCs могут выносить кратковременную депривацию Met за счет пополнения пула Met и SAM посредством Met salvage пути, то продолжительная депривация Met приводит к аресту клеточного цикла и апоптозу в PSCs человека (Shiraki et al. 2014). Дальнейшие исследования подтвердили, что уровни SAM также являются критическими для исходных PSCs человека, при этом эпигенетический ландшафт ремоделируется за счет изменений в H3K27me3-репрессивных метках (Sperber et al. 2015). этих исследований показало важность Gly-Met метаболизма для интеграции информации о внешних аминокислотах с прирожденным состоянием плюрипотентности, чтобы детерминировать клеточные судьбы PSCs.

Acetyl-CoA to prevent differentiation


Помимо существования в качестве субстрата, который подкармливает цикл Кребса, acetyl-CoA также играет роль в ацетилировании белков. Ацетилирование гистона H3 приводит эухроматин к открытому состоянию, который подобно H3K4me3, поддерживает плюрипотентное эпигенетическое состояние и самообновление в PSCs (Azuara et al. 2006; Gaspar-Maia et al. 2011). В согласии с этим то, что химическое подавление гистоновых деацетилаз способствует перепрограммированию соматических клеток в iPSCs (Huangfu et al. 2008; Mali et al. 2010).
В недавнем исследовании, проведенном Moussaieff et al. (2015), анализ метаболома и транскриптома выявил, что PSCs продуцируют цитозольный acetyl-CoA посредством гликорлиза и происходящий из pyruvate появление citrate посредством ATP citrate lyase (ACLY) и что этот метаболический путь выключается в ходе дифференцировки PSC. В PSCs человека и мыши происходящий в результате гликолиза acetyl-CoA оказывается достаточным, чтобы блокировать деацетилирование гистонов и дифференцировку стволовых клеток. Кроме того, acetate, который является альтернативным предшественником цитозольного acetyl-CoA, также задерживает дифференцировку PSC путем предотвращения деацетилирования гистонов зависимым от дозы способом. Эксперименты с фармакологическими пертурбациями показали, что цитозольный acetyl-CoA необходим и достаточен, чтобы предотвратить дифференцировку PSCs. Эти данные подразумевают, что гликолитическое выключение контролирующего деацетилирования гистонов может или поддерживать плюрипотентность стволовых клеток или быстро освобождать их от плюрипотентности, чтобы начать дифференцировку (Moussaieff et al. 2015).
Эти находки указывают на существенное различие между разными способами гликолиза и знаменитым эффектом Warburg в раковых клетках. Эффект Warburg является более специфической формой гликолиза, определяемой как необычайно быстрый гликолиз, сопровождаемый продукцией лактата даже в аэробных условиях. Ступень pyruvate-lactate в эффекте Warburg является абсолютно необходимой для быстрого рециклинга скорость лимитирующего NAD+ коэнзима и удержания реакций гликолиза, протекающих очень быстро. В резком контрасте, Moussaieff et al. (2015) показали вместо этого, что это цитозольные pyruvate-acetyl-CoA реакции, а не ступень pyruvate-lactate важны для плюрипотентности. Эта деталь представляет критическое отличие поскольку она указывает, что эффект Warburg и ступень pyruvate-lactate, хотя и действуют в компетентных (primed) PSCs (см. выше обсуждение о гликолизе в PSCs), не является скорость ограничивающей для плюрипотентности. Вместо классической дихотомии эффекта Warburg (pyruvate-lactate) в противовес митохондриальному OxPhos (pyruvate-Krebs cycle), их данные подтвердили, что гликолиз вносит наиболее значительный вклад в регуляцию плюрипотентности с помощью шунтирования некоторых pyruvate с помощью третьего способа: посредством citrate synthase, снования citrate и, наконец, цитозольного ACLY, чтобы продуцировать цитозольный acetyl-CoA (Shyh-Chang and Daley 2015).

Metabolism to maintain stem cell quiescence or proliferatio


Hypoxic niche and glycolysis


В отличие от гиперпролиферативных PSCs, большинство стволовых клеток взрослых напоминает покоящиеся в своих нишах, если не активированы стрессами или повреждениями, поэтому они нуждаются в других прирожденных метаболитах (Fig. 2). Покоящиеся стволовые клетки взрослых обычно располагаются в ткани глубоко в гипоксическом окружении ниш. Некоторые примеры стволовых клеток взрослых включают нервные стволовые клетки (NSCs) в субвентрикулярной зоне головного мозга, сателлитные клетки, лежащие под скелетными мышцами в базальной ламине, долговременные гематопоэтические стволовые клетки (LT-HSCs), и мезенхимные стромальные клетки (MSCs) в костном мозге. Стволовые клетки взрослых обычно находятся в покоящемся состоянии, сохраняя в течение длительного времени способность к самообновлению для поддержания ткани (Rossi et al. 2008; Suda et al. 2011).



Figure 2.

Такое покоящееся состояние обычно коррелирует с внешними гипоксичными нишами и прирожденным гликолитическим способом метаболизма. Напр., известно, что молчащие LT-HSCs приспособлены к гипоксическому окружению в нишах костного мозга путем использования гликолиза в качестве источника энергии (Suda et al. 2011). Четкие доказательства гипоксического окружения в нише для LT-HSC получены непосредственно с использованием двух-фотонной фосфоресцирующей lifetime микроскопии (Spencer et al. 2014). Одним из ключевых преимуществ использования анаэробного гликолиза в гипоксических условиях является последующая минимизация митохондриального OxPhos и продукции ROS. У взрослых LT-HSCs, подобно многим стволовым клеткам взрослых очень чувствительны к ROS. Напр., в присутствии чрезмерных количеств ROS, LT-HSCs индуцируются к активной пролиферации, сопровождаемой дифференцировкой и апоптозом (Tothova et al. 2007). В субвентриркулрной зоне головного мозга NSCs взрослых обладают сходной реакцией на избыток ROS (Renault et al. 2009). Гликолитический способ метаболизма в LT-HSCs взрослых, по-видимому, частично предварительно запрограммирован, а также возникает под влиянием транскрипционного фактора MEIS1 (Simsek et al. 2010), который активирует многие гликолитические энзимы. Корреляция между состоянием LT-HSC и гликолитической программой настолько строгая, что LT-HSCs взрослых могут быть изолированы из аспиратов костного мозга, подвергаемых воздействию нормоксии путем отбора клеток с низким эндогенным NADH и низким митохондриальным мембранным потенциалом (Simsek et al. 2010). Полученные в результате клетки обладают высокой способностью к реконструкции гематопоэза in vivo .
Однако, низкий мембранный митохондриальный потенциал в устойчивом состоянии д. указывать или на низкий ток OxPhos (low substrate input) или высокий ток OxPhos (high product output). Предыдущие исследования подтвердили, что LT-HSCs' низкий митохондриальный мембранный потенциал возникает из-за низкой активности OxPhos, поскольку LT-HSCs экспрессируют высокие уровни PDK1 (PDH kinase 1) и PDK3, которые подавляют PDH, чтобы переключить продукцию pyruvate в actate (Klimmeck et al. 2012). Более того, PDK2 и PDK4, оба из которых являются мишенями для HIF1α, необходимы также для самообновления LT-HSC, демонстрируя, что выключение тока pyruvate на лактат lactate в противовес циклу Кребса является критическим в выборе LT-HSC судьбы (Takubo et al. 2013). Когда mitochondrial carrier homolog 2 (MTCH2) кондиционно делетирован в гематопоэтической системе, то слияние митохондрий, объем митохондрий и митохондриальное OxPhos увеличиваются, приводя к детерминации HSC и пролиферации (Maryanovich et al. 2015). В соответствии с этими находками, было установлено, что кондиционная делеция mitofusin 2 (MFN2) в гематопоэтической системе, которая приводит к фрагментации митохондрий и, по-видимому, к нарушению способности OxPhos, не оказывает эффекта на жизнеспособность и самообновление первичных LT-HSC взрослых (Luchsinger et al. 2016). Однако, неожиданно дефицит MFN2 приводит к потере склонности выбора LT-HSCs лимфоидной судьбы в методе вторичной трансплантации с одиночным LT-HSCs после летального облучения. Это, скорее всего, обусловлено неспособностью буфферинга Ca2+ и передачи сигналов NFAT, это подтверждает, что хотя LT-HSCs обнаруживают низкое митохондриальное OxPhos, они всё ещё используют митохондрии для др. метаболических функций.
Интересно, что недавнее исследование выявило, что усиление низкого потенциала митохондриальных мембран в LT-HSCs с помощью внесения разобщителя FCCP (carbonyl cyanide-p-trifluoromethoxyphenylhydrazone), который рассеивает потенциал митохондриальной мембраны, может способствовать LT-HSCs чтобы они вступали в самообновляющие асимметричные деления вместо того, чтобы подвергаться дифференцировке во время пролиферации (Vannini et al. 2016). Поскольку FCCP обычно индуцирует максимальный ETC ток в исследованиях потребления кислорода, путем устранения резистентности к градиенту протонов или мембранному потенциалу, то эти результаты парадоксально подтвердили, что максимальный ток ETC д. способствовать самообновлению LT-HSC. Более ранние результаты о потребности в низком OxPhos в LT-HSCs, по-видимому, противоречат этим находкам. Исследователи полагают, что эти резултьтаты возможны из-за того, что FCCP индуцирует митофагию и снижает общую OxPhos способность в течение длительного времени даже, если ток ETC максимален для данного доступного OxPhos аппарата в течение короткого времени. Существуют ли эффекты FCCP и максимально притока ETC на уровни ROS в LT-HSCs, остается неясным.
MSCs располагаются также в гипоксических условиях ниши костного мозга. MSCs прирожденно экспрессируют высокие уровни гликолитических ферментов и более низкие уровни белков OxPhos по сравнению с более дифференцированными остеобластами. Это указывает на то, что MSCs преимущественно используют гликолиз по сравнению с остеобластами (Chen et al. 2008a). При нормоксических условиях MSCs могут быть вынуждены потреблять высокие количества кислорода, используя OxPhos, и фактически пролиферация MSC существенно возрастает при normoxia (Pattappa et al. 2013). Однако, переключение на OxPhos вызывает существенное увеличение старения MSC. Эта находка указывает на то, что условия гипоксии и гликолиз необходимы для предотвращения ROS-индуцируемой пролиферации и старения, чтобы гарантировать способность к долговременному самообновлению MSCs костного мозга (Pattappa et al. 2013). Т.о., по крайней мере, существует три типа стволовых клеток взрослых (а именно, LT-HSCs, MSCs и NSCs), супрессия ROS в которых за счет использования гликолиза внутри гипоксических ниш предупреждает вступление в более пролиферативное и дифференцированное состояние при normoxia. Комбинация и баланс внутренне присущих метаболических потребностей и внешние метаболических условий необходим для состояния покоя, а смещение баланса необходимо для инициации пролиферации, это может быть общим механизмом регуляции гомеостаза стволовых клеток взрослых (Fig. 2).

ROS during proliferation


ROS обычно рассматривается как стрессовый сигнал, даже если он необходим для нормальных клеточных процессов в некоторых случаях. ROS могут возникать из многих отличающихся источников, включая неэффективный перенос электронов с помощью митохондриальных OxPhos комплексов, цитозольных оксидаз и оксигеназ. ROS могут также возникать аномально из-за внешних стрессов в результате радиации, загрязнений или лекарств, или прирожденного дефицита путей стрессовых реакций, таких как пути FoxO или NRF2, способствующие экспрессии антиоксидантных энзимов, таких как glutathione peroxidases или superoxide dismutases (Holmström; and Finkel 2014).
При пролиферации LT-HSCs активность митохондриального OxPhos и уровни ROS повышаются. приводя к дифференцировке HSC. Гематопоэтические клетки у модельных Drosophila подобно общим миелоидным предшественникам у млекопитающих, также нуждаются в ROS для созревания в окончательно дифференцированные клетки крови (Owusu-Ansah and Banerjee 2009). У мышей гиперактивация митохондриального OxPhos в HSCs приводит к усилению пролиферации HSC и или к миелоидной, или лимфоидной лейкемии с полной пенетрантностью (Ueda et al. 2015). Однако, мишени для ROS, которые активируют пролиферацию и дифференцировку HSCs всё ещё остаются неизвестными. Возможно, что путь метаболизма eicosanoid, который реагирует на и генерирует ROS во время окисления липидов в PSCs (Yanes et al. 2010), может в этом участвовать. Напр., prostaglandin E2, продукт eicosanoid пути, как было установлено, способствует пролиферации HSCin vivo, способствуя передаче сигналов Wnt (Goessling et al. 2009). Это указывает на то, что метаболизм eicosanoid может быть критическим в регуляции пролиферации и дифференцировки HSC. Др. сообщение недавно подтвердило, что p38 MAPK может быть другой мишенью ROS, которая активирует пролиферацию стволовых клеток (Karigane et al. 2016). Они показали. что p38 MAPK немедленно активируется в HSCs с помощью гематологического стресса, включая ROS, приводя к усилению пролиферации HSC. Кондиционная делеция p38α подавляет восстановление от гематологического стресса и задерживает активацию пролиферации HSPC. ROS-индуцированная экспрессия p38α активирует экспрессию IMPDH2 (inosine-5'-monophosphate dehydrogenase 2) в HSCs, это увеличивает синтез пуринов и усиливает пролиферацию клеток (Karigane et al. 2016).
В NSCs, антиоксидантная программа, управляемая с помощью FoxO3, быстро выключается после дифференцировки NSC, несмотря на увеличение активности митохондриального OxPhos (Renault et al. 2009). Это указывает на то, что ROS необходимы для дифференцировки NSC. Фактически, дефицит FoxO3 вызывает истощение NSCs в головном мозге взрослых, увеличивает нейрогенез в обонятельных луковицах и существенно увеличивает количества олигодендроцитов в corpus callosum во время развития головного мозга, подтверждая, что ROS вызывают предрасположенность к нейральной пролиферации и дифференцировке (Renault et al. 2009;Webb et al. 2013).
В кишечнике модельных Drosophila энтероциты продуцируют чрезвычайно высокие уровни ROS, чтобы контролировать количества присутствующих в кишечнике бактерий. Intestinal stem cells (ISCs) пролиферируют в ответ на эти взрывы ROS, исходящие от окружающих энтероцитов, т.к. это диктуется заранее запрограммированной реакцией в виде регенерации кишечника. Однако, по мере времени в ходе старения кумулятисный оксидативный стресс может приводить к гиперпролиферации ISC, их истощению и в конечном итоге к вызываемой возрастом дегенерации кишечника Drosophila. Эта вызываемая возрастом геперпролиферация ISCs может быть заблокирована путем активации антиоксидантного NRF2 пути или воздействия антиоксидантных молекул (Hochmuth et al. 2011). Дефицит NRF2 регулятора KEAP1 также вызывает гиперпролиферацию в кишечнике мышей (Wakabayashi et al. 2003), подтверждая, что тот же самый механизм, базирующийся на ROS, контролирует пролиферацию ISC у многих модельных животных.

Optimal fatty acid oxidation (FAO)


FAO (или β-окисление) это серия redox реакций, которые разлагают молекулы жирных кислот в митохондриях, чтобы генерировать acetyl-CoA, вступающую с цикл Кребса, и NADH и FADH2, которые окисляются в ETC чтобы задействовать OxPhos.
Интересно, что FAO является важным, чтобы способствовать нормальному самообновлению LT-HSC (Ito et al. 2012). Было установлено, что подавление FAO или истощение стоящего выше FAO мастера регулятора PPARδ приводят к симметричным дифференцирующим делениям HSCs в детерминированные клетки предшественники, тогда как активация PPARδ повышает асимметричные деления и самообновление HSCl. В недавнем исследовании было установлено, что активация PPARδ-FAO приводит к повышению аутофагии митохондрий, чтобы способствовать самообновлению LT-HSC (Ito et al. 2016).
Сходным образом, NSCs также, по-видимому, используют FAO для самообновления. NSCs в субвентрикулярной зоне головного мозга взрослых экспрессируют энзимы FAO и обнаруживают повышенное потребление кислорода после воздействия etomoxir, ингибитора FAO, приводящее к снижению самообновления NSC (Xie et al. 2016). Эксперименты по клональному отслеживанию показали, что течение FAO необходимо, чтобы предупредить симметричны дифференцирующие деления за счет самообновления (Stoll et al. 2015).
В покоящихся скелено-мышечных стволовых клетках (MuSCs), активная SIRT1 деацетилирует и активирует PGC-1α, чтобы способствовать FAO в митохондриях. PGC-1α трансактивирует гены OxPhos и репрессирует гены гликолиза, чтобы поддержать высоким внутриклеточный NAD+ и удерживать активным SIRT1 (Wu et al. 1999; Rodgers et al. 2005; Gerhart-Hines et al. 2007). Во время их выхода из состояния покоя, MuSCs деактивируют FAO в пользу катаболизма глюкозы (Ryall et al. 2015). Такое метаболическое переключение снижает NAD+ и деактивирует SIRT1, а его активность по деацетилированию гистона H4K16 активирует программы миогенной транскрипции и мышечной дифференцировки. Т.о., FAO необходим для поддержания MuSCs в покоящемся состоянии. Однако, избыточность FAO в MuSCs и миоцитах может также приводить к избыточным оксидативным стрессам, которые подавляют мышечный рост и вызывают мышечную атрофию (Fukawa et al. 2016). Очевидно, что оптимальный уровень FAO, не слишком высокий и не слишком низкий, необходим для сохранения самообновления в покоящихся MuSCs. Приложим ли этот Goldilocks принцип в FAO метаболизме к NSCs и LT-HSCs?

Metabolism during stem cell aging


После повторных раундов пролиферации и старения стволовые клетки взрослых, такие как эпидермальные стволовые клетки, HSCs, ISCs, MuSCs и NSCs постепенно уменьшают свои количества, а также свою способность к долговременному самообновлению и мультипотентной дифференцировке. Это прогрессирующее снижение было ассоциировано со многими дегенеративными условиями старения, включая потерю волос, иммунная дисфункция, колиты, sarcopenia и нейродегенеративные болезни. Многочисленные механизмы объясняют это снижение количества и функции.

Oxidative stress response via FoxO signaling


Путь передачи сигналов insulin-PI3K-AKT фосфорилирует и супрессирует FoxO семейство транскрипционных факторов. Напротив, избыточные ROS активируют FoxO семейство, чтобы управлять оксидативными стрессовыми реакциями. Дефицит транскрипционных факторов FoxO нарушает реакцию на окисдативный стресс и постепенно происходит истощение мышиных LT-HSCs во время старения (Miyamoto et al. 2007; Tothova et al. 2007). FoxO-дефицитные мыши, обнаруживают выраженное повышение ROS, что в конечном результате приводит к снижению популяции HSC и склоняет их в направлении миелоидной дифференцировки, что характерно для старения HSCs. Дальнейшие исследования выяснили точную роль FoxO-регулируемых реакций на оксидативные стрессы, показав, что дефицит FoxO3 гиперактивирует передачу сигналов p53 и PI3K, приводя к порочному кругу, который и приводит к старению HSC. Этот порочный круг может быть прерван применением антиоксидантных молекул (Yalcin et al. 2008,2010). Помимо регуляции ROS, FoxOs вызывает также mitophagy и аутофагию, чтобы защитить HSCs во время ограничения приема пищи (Warr et al. 2013). Было также показано, что митохондриальный метаболизм может непосредственно регулироваться с помощью FoxO3 (Rimmel? et al. 2015).
Стволовые клетки зародышевой линии Caenorhabditis elegans и Drosophila приспосабливают свою пролиферацию к условиям питания (Drummond-Barbosa and Spradling 2001) и особенно в ответ на старение регуляторного insulin-PI3K-FoxO сигнального пути (Kimura et al. 1997; LaFever and Drummond-Barbosa 2005; Hsu et al. 2008; Ueishi et al. 2009). Дальнейшие исследования показали, что старение ниши стволовых клеток зародышевой линии Drosophila, поддерживаемое с помощью стволовых клеток овариальных фолликулов, регулируется с помощью передачи сигналов insulin-PI3K и продукции митохондриями ROS (Wang et al. 2012).

AMP/ATP and AMPK signaling


Низкие уровни АТФ/АМФ во время ограничения калорий и активные упражнения активируют путь AMPK. Этот путь способствует также продолжительности жизни организма путем регуляции митохондриального FAO и супрессии передачи сигналов mTOR. Истощение LKB1, AMPK регуляторной киназы, вызывает тяжелую митохондриальную дисфункцию, приводя к пролиферации и истощению LT-HSC и в конечном итоге к дефектам гематопоэза во время старения (Gan et al. 2010; Gurumurthy et al. 2010; Nakada et al. 2010). Во время развития и старения головного мозга передача сигналов AMPK регулирует также NSCs и их митохондрии. Истощение AMPK приводит к потере dentate gyrus гиппокампа и к тяжелой атрофии головного мозга (Dasgupta and Milbrandt 2009). Передача сигналов AMPK модулирует также покой стволовых клеток зародышевой линии, чтобы влиять на старение нематод (Narbonne and Roy 2006).

Mitochondria, PGC-1α, and mTOR signaling


Разнообразные модели стволовых клеток однозначно продемонстрировали, что митохондриальное OxPhos, регулируемое с помощью передачи сигналов PGC-1α и mTOR , может регулировать старение стволовых клеток и тем самым продолжительность жизни.
Dj время старения Drosophila ISCs подвергаются гиперпролиферации в ответ на кишечные ROS, приводя к истощению стволовых клеток и дегенерации кишечника со временем (Hochmuth et al. 2011). Активация Spargel, Drosophila гомолога PGC-1α, может существенно ослабить старение ISC путем усиления эффективности OxPhos в клетках кишечника, чтобы снизить ROS, редуцировать гиперпролиферацию ISCs и тем самым уменьшить неправильную дифференцировку клеток и улучшить целостность кишечника. Это приводит к удлинению продолжительности жизни Drosophila (Rera et al. 2011). Сходным образом, снова функция comaster регуляторного транскрипционного фактора для митохондриального OxPhos и антиоксидантных энзимов, NRF2, может усиливать самообновление ISC, чтобы увеличить также продолжительность жизни Drosophila (Hochmuth et al. 2011).
Во время дифференцировки NSC в нейроны, PGC-1α регулирует также биогенез митохондрий (O'Brien et al. 2015), клеточный процесс, который часто становится не функциональным во время нейродегенеративных болезней. Напр., дефицит Parkin, как считается, вызывает болезнь Паркинсона путем уменьшения PGC-1α, чтобы понизить митохондриальный биогенез и понизить mitophagy, чтобы снизить митохондриальный оборот, вызывая тем самым накопление несовершенных митохондрий в допаминергических нейронах во время развития и старения. Эи несовершенные митохондрии затем постепенно демаскируются во время старения, приводя к апоптозу нейронов в поздней жизни (Shaltouki et al. 2015; Stevens et al. 2015). У Drosophila, моделирующих нейрогенез и нейродегенерация, мутациями обусловленный дефицит пути Parkin, как было установлено, нарушает регуляцию самообновления NSC и вызывает паркинсонизм (Goh et al. 2013).
Стоящий ниже ростового фактора и путей восприятия аминокислот, путь передачи сигналов mTOR также играет главную роль в регуляции mitophagy (Egan et al. 2011) и активности митохондрий, чтобы контролировать старение стволовых клеток. С помощью фосфорилирования митохондриальных белков и активации PGC-1α, mTOR, как было установлено, поддерживает митохондриальное OxPhos (Schieke et al. 2006; Cunningham et al. 2007; Ramanathan and Schreiber 2009). В LT-HSCs активация передачи сигналов mTOR с помощью кондиционной делеции TSC1 увеличивает митохондриальный оксидативный стресс, тем самым освобождая популяцию LT-HSC из состояния покоя и в конечном итоге приводя к истощению и нарушению гематопоэза во время старения (Chen et al. 2008b).
Напротив, rapamycin-обусловленное подавление передачи сигналов mTOR задерживает старение гематопоэза путем сохранения долговременного самообновления и способности к гематопоэзу у LT-HSCs (Chen et al. 2009). Этот молекулярный механизм хорошо законсервирован у Drosophila, поскольку передача сигналов insulin-PI3K-TOR, как было установлено, регулирует способность к долговременному самообновлению гематопоэтических предшественников (Shim et al. 2012). Избыточная передача сигналов mTOR также может вызывать истощение эпидермальных стволовых клеток и прогрессирующую аллопецию у взрослых мышей, тогда как rapamycin может задерживать это проявление старения (Castilho et al. 2009). Очень важно, что воздействие rapamycin во взрослом периоде, как было установлено, удлиняет продолжительность жизни мышей (Harrison et al. 2009).

Conclusion


Many metabolic pathways are emerging as important regulatory mechanisms for programming stem cell fates. While many of the metabolic changes in stem cells are undoubtedly a response to changes in their niche or environment, it does not follow that they have no effect on the intrinsic programming of stem cell fates. Like growth factor signaling pathways, metabolic pathways can also convey changes in the extrinsic environment to reprogram stem cell fates via changes in epigenetics, proliferation, and differentiation (Fig. 3). Moreover, it is becoming clear that many metabolic pathways are also intrinsically programmed by stem cell factors to facilitate the metabolic needs of that particular cellular state. Thus, in retrospect, the recent flurry of studies on stem cell metabolism supports the notion that the metabolic programming of stem cells represents a fine balance between the intrinsic needs of a cellular state and the constraints imposed by extrinsic nutrient and oxygen levels. A more complete understanding of these needs and constraints and the effects of manipulating them will afford us greater mastery and control over the fates of stem cells for both tissue engineering in vitro and regenerative medicine in vivo.