Эмбриональные Мультипотентные Isl1⁺

Multipotent Embryonic Isl1⁺ Progenitor Cells Lead to Cardiac, Smooth Muscle, and Endothelial Cell Diversification A.Moretti, L.Caron, A.Nakano, J.T. Lam, A.Bernshausen, Y.Chen, Y.Quang, L.Bu, M.Sasaki, S. Martin-Puig, Y.Sun, S.M.Evans, K-L.Laugwitz, K.R.Chien Cell Vol. 127, No 6, P. 1151-1165, 2006
	Кардиальный нервный гребень, проэпикард и кардиальные предшественники из двух полей сердца, как полагают, следуют отдельными параллельными путями в ходе последовательного созревания клонов (Mikawa, Gourdie, 1996; Manner et al., 2001; Waldo et al., 2001; Kelly, Buckingham, 2002; Stoller, Epstein, 2005). Открытие некоторых генов, ограниченных кардиальными клонами, указывает на то, что генерация разных типов кардиальных клеток может управляться с помощью уникальных комбинированных субнаборов транскрипционных сетей, оперирующих внутри самостоятельных кардиоваскулярных предшественников (Srivastava, Olson, 2000). Тем не менее, существует альтернативная возможность, что разные мышечные и не мышечные клоны возникают благодаря выбору на уровне единичной клетки из мультипотентных, примордиальных кардиоваскулярных стволовых клеток, которые в свою очередь дают иерархию нижестоящих клеточных промежуточных состояний, представляющих собой ограниченные тканью предшественники для полностью дифференцированных клеток сердца. Эта клональная модель диверсификации сердечных клонов д.б. гомологичной гематопоэзу, в котором одиночная гематопоэтическая стволовая клетка может генерировать все клоны кровяных клеток (Morrison, Weissman 1994; Weissman, 2000). Недавняя идентификация второго источника миокардиальных предшественников начинает менять классическое представление о формировании сердца (Mjaatvedt et al., 2001; Waldo et al., 2001). LIM-гомеобоксный транскрипционный фактор islet-1 (isl1) вычленяет вторичное поле кардиогенных предшественников (Cai et al., 2003; Laugwitz et al., 2005). В этой связи мы недавно сообщали, что после рождения сердце млекопитающих обладает редким субнабором isl1+ предшественников в предсердиях, тракте оттока и правом желудочке. Постнатальные isl1+ клетки мышей могут обновляться на кардиальных мезенхимных питающих слоях и запускать образование полностью дифференцированных мышечных клеток, это полностью удовлетворяет критериям эндогенных кардиобластов, которые являются онтогенетическими остатками от клона вторичного поля сердца (Laugwitz et al., 2005). Эксперименты по картированию судеб показали, что isl1 и Nkx2.5 могут маркировать популяции клеток, которые вносят вклад в миокардиальные клетки, субнаборы эндокарда и аортальный эндотелий (Cai et al., 2003; Stanley et al., 2002). Более того, Cre-обусловленные клоны, отслеживающие flk+ клетки, показали, что сосудистый эндотелий и кардиальные мышцы возникают из flk+ мезодермальных предшественников во время развития (Motoike et al., 2003; Coultas et al., 2005). В системах мышей и птиц гладкомышечный слой проксимальной части тракта оттока возникает из клона вторичного поля сердца, в то время как только более дистальные области аорты и легочной артерии происходят из кардиального нервного гребня (Waldo et al., 2005; Verzi et al., 2005). Т.о., существует возможность, что, что isl1 маркирует мультипотентные примордиальные кардиоваскулярные предшественники, которые дают раздельные клоны клеток внутри сердечных компонентов, о которых известно, что они происходят из второго кардиогенного поля (Buckingham et al., 2005). Путем использования техники генетического картирования судеб мы идентифицировали субнабор примордиальных multipotent isl1⁺ cardiovascular progenitors (MICPs), которые могут в самом деле генерировать разные кардиоваскулярные типы клеток во время развития эмбрионального сердца in vivo . Транскрипционная сигнатура isl1⁺/Nkx2.5⁺/flk⁺ определяет кардиоваскулярные предшественники, произошедшие из эмбриональных стволовых (ES) клеток, которые мультипотентны и дают кардиальные мышцы, гладкомышечные клетки и эндотелиальные клетки in vitro . Аналогичные трипло-позитивные и дуально-позитивные предшественники были идентифицированы в развивающихся эмбрионах in vivo , которые могут быть клонально размножены и дифференцироваться подобно произошедшим из ES MICPs. Это исследование сообщает об открытии нового субнабора мультипотентных, эмбриональных isl1⁺ предшественников, которые вносят вклад в большинство мышечных клеток и субнабор не мышечных клеток в сердце. Т.к. MICPs могут быть изолированы и избирательно размножены из возобновляемого источника, базирующегося на ES клетках, то эти находки подчеркивают новую стратегию регенерации сердечно-сосудистых тканей путем направленной дифференцировки MICPs, происходящих из ES клеток, в дискретные кардиальные, pacemaker, гладкомышечные и эндотелиальные клоны клеток. DISCUSSION Spatial and Temporal Control of the Formation of Endothelial, Cardiac, and Smooth Muscle Cell Lineages for Diverse Heart Structures Occurs within a Subset of isl1⁺ Progenitors in the Second Heart Field Два самостоятельных пула кардиальных предшественников возникают из кардиогенной пластинки, первичный клон, который дифференцируется первым и позднее дифференцирующаяся популяция кардиальных предшественников, называемая вторичным клоном. Более дорсально/медиально локализованный второй клон представляет самостоятельный миграторный путь, который заставляет поздно прибывшие клетки к началу формирования области сердца из дорсальных позиций на переднем и заднем полюсах (Mjaatvedt et al., 2001; Waldo et al., 2001; Brand, 2003). Isl1⁺ маркирует эту вторую популяцию (Cai et al., 2003), которая является главным источником кардиальных предшественников, которые вносят вклад в тракт оттока, правый желудочек, части левого желудочка и в предсердия, т.е. анатомические структуры, которые отсутствуют в мутантном сердце isl1 гомозиготных нокаутных мышей. Напротив, первая популяция кардиальных предшественников дает левый желудочек и части предсердий (Buckingham et al., 2005). Ретроспективный клональный анализ у мышей показал, что первый и второй кардиогенные клоны могут сегрегировать из общей примордиальной клетки до стадии серпа (Meilhac et al., 2004). Раннее расхождение двух клонов, разный ход дифференцировки и самостоятельные региональные вклады в эмбриональное сердце подтверждают идею, что две популяции м. обладать дискретными свойствами. Кроме того, два пуля кардиальных предшественников, по-видимому, управляются разными генетическими программами самообновления и дифференцировки, которые в свою очередь, регулируются самостоятельными транскрипционными сетями, с Nkx2.5 в качестве критического транскрипционного фактора в первом клоне и isl1 вместе с Foxh1, GATA factors и Hand2, в качестве ключевых регуляторов в вторичном поле кардиальных предшественников (von Both et al., 2004; Dodoy et al., 2004). Исследования по клональному отслеживанию показали, что первая популяция предшественников обладает более ограниченным потенциалом, генерируя левый желудочек и части предсердий, тогда как второй клон вносит вклад в более разнообразные структуры сердца (Cai wt al., 2003; Buckingham et al., 2005; Verzi et al., 2005). Находка, чтоisl1⁺ предшественники во втором поле сердца могут вносить вклад в мышечный и не мышечные клоны, является важной для понимания путей, которые ведут к кардиальному органогенезу (Ward et al., 2005). Предыдущие исследования по картированию судеб в системах птиц выявили общий миогенный предшественник, который давал работающий миокард (атриальные и вентрикулярные мышцы) и клетки Пуркинье проводящей системы (Gourdie et al., 1998). Данное исследование подтвердило, что этот предшественник находится внутри клеточной иерархии isl1⁺ предшественников и что он может быть изолирован как уникальный субнабор предетерминированных предшественников сино-атриальных нодальных миоцитов из пула isl1⁺ кардиогенных клеток. В отношении аорты и легочной артерии теперь установлено, что isl1⁺ клетки клона вторичного поля сердца могут объяснить большую часть гладкомышечных клеток в наиболее проксимальных частях тракта оттока и их вклад, по-видимому, не зависит от известной потребности в производных мигрирующих клеток кардиального нервного гребня (Verzi et al., 2005; Waldo et al., 2005). В отношении системы коронарных артерий, современные исследования показывает, что проэпикардиальный орган является не только источником клеток предшественников, служащих источником этой сосудистой структуры, т.к. существенная порция проксимальной области, по-видимому, происходит из isl1⁺ предшественников внутри вторичного поля сердца. Наконец, наши результаты подтвердили, что пул isl1⁺ предшественников из вторичного поля вносит вклад в эндотелиальные клетки внутри всех компонентов сердца (эндокард, аорта, легочные и коронарные артерии). Это д. определённо указывать на разное происхождение кардиальных эндотелиальных клонов по сравнению теми из периферической васкулатуры, которые, по-видимому, в основном происходят из предшественников гемангиобластов внутри иерархии гематопоэтических клеток (Choi et al., 1998; Kouskoff et al., 2005). A Model for Clonal Heart Cell Lineage Diversification via Multipotency of Individual isl1⁺isl1⁺ Cardiovascular Progenitors Т.к. предшественники isl1⁺ во втором поле сердца могут давать эндотелиальные, кардиальные и гладкомышечные клоны, то мы попытались определить, могут ли существовать примордиальные isl1⁺ кардиоваскулярные стволовые клетки, которые могли бы объяснить все эти три клона. Предыдущие доказательства общих сосудистых предшественников получены в экспериментах на flk⁺ мышиных ES клетках, которые, как было покзано, дифференцируются в сосудистые гладкомышечные и эндотелиальные клетки после инъекции в эмбрионы кур или когда их анализировали в клональных условиях in vitro (Yamashita et al., 2000; Ema et al., 2003). Ретроспективное клональное исследование с использованием nlacZ репортера, нацеленного на ген α-кардиального актина, подтвердило in vivo существование общего источника для клеток предшественников в дорсальной аорте и в миотоме, которые могут дифференцироваться в гладкие мышцы и эндотелий во время развития (Esner et al., 2006). Более того, анализ всего транскриптома кардиальных предшественников FASC-очищенных из трансгенных Nkx2.5_enchancer-eYFP эмбрионов мыши выявил усиленную экспрессию транскриптов flk1 и tie2, подтвердив идентичность предшественников стадии кардиального серпа и vascular/hematopoietic (гемангиобласты) типов клеток (Masino et al., 2004). В согласии с этим недавнее исследование на ES клетках мышей идентифицировало flk⁺ предшественников, способных дифференцироваться в эндотелий и кардиальные мышцы in vitro (Ilda et al., 2005; Yamashita et al., 2005). В данном исследовании мы открыли происходящие из единичных клеток клоны из isl1⁺/Nkx2.5⁺/flk⁺ предшественников (MICPs) , которые спонтанно превращались в эндотелиальные, кардиальные и гладкомышечные клетки. Всё это подтверждает рабочую модель инициальной сети для клеточной иерархии, которая управляет спецификацией клонов во вторичном поле сердца (Рис. 7J). В этой модели клетки isl1⁺, которые в конечном итоге экспрессируют Nkx2.5 и flk1 служат как примордиальные кардиоваскулярные предшественники, которые могут давать все три клона, кардиальных мышц, гладких мышц и эндотелия. Т.к. эндотелиальные клетки возникают только из клонов, содержащих предшественников, которые экспрессируют isl1 и flk1 , то двойные позитивные isl1-flk1 клетки м. представлять субнабор нижестоящих предшественников, которые более ограничены в своем потенциале дифференцировки, и способны превращаться в эндотелиальные и гладкомышечные клетки. Эти результаты согласуются с предыдущими исследованиями, показавшими, что клетки flk1, произошедшие из ES, могут давать два основных сосудистых типа клеток (эндотелиальные и муральные клетки) in vitro и in vivo (Yamashita et al., 2000). Клетки isl1⁺/Nkx2.5⁺ родственны постнатальным isl1⁺ предшественникам и д. в конечном итоге генерировать или кардиальные или гладкомышечные клоны. Оба мышечных клона могут также возникать из клеток, которые являются только Nkx2.5⁺. Эта находка и недавнее исследование Wu et al., (2006) в комбинации с доказательствами, что событие дифференцировки ассоциирует c подавлением isl1 (Cai et al., 2003; Laugwitz et al., 2005), подтверждая, что решение вступить на путь выполнения программы кардиальной или гладкомышечной клетки происходит на уровне предшественников, экспрессирующих Nkx2.5⁺. Эта модель клональной диверсификации клонов сердца в isl1⁺ кардиоваскулярных предшественниках д. быть аналогичной той, что в модели гематопоэтических стволовых клеток (HSC) (Kiel et al., 2005), согласно которой примордиальная одиночная HSC может генерировать все клоны ковяных клеток. Решения на уровне одной клетки также указывают на то, что д. существовать критическая молекулярная сеть, которая не только действует как позитивные регуляторы в направлении определенного клона, но и также репрессирует приобретение альтернативного клеточного фенотипа. Model of cellular hierarchy of cardiovascular progenitors and their leneage specification. isl1⁺ Cardiovascular Progenitors and Molecular Pathways for Congenital and Adult Heart Disease Предыдущие исследования показали, что врожденные болезни сердца обусловлены мутациями в Nkx2.5 гене (Schott et al., 1998) возникают в результате дефектов спецификации кардиальных клонов (Pashmforoush et al., 2004). Соотв. субнабор врожденных болезней сердца, ассоциированный с аномалиями в кардиальном гене внутри isl1⁺ кардиоваскулярных предшественников, может быть обусловлен избирательными дефектами самообновления, дифференцировки и клональной спецификации определенных ткане-специфичных предшественников. Недавние экспериментальные и клинические исследования подчеркнули необходимость идентификации оптимальных типов клеток для управления регенерацией кардиальных мышц при инфаркте (rev. Schwartz 2006; Chien 2004, 2006). Т.к. эмбриональные стволовые клетки, как было предположено, могут являться обновляющимся источником кардиальных мышечных клеток для трансплантаций, но это проблематично, учитывая трудности по генерации достаточных количеств гомогенных кардиальных миоцитов и огромным риском тератом (Laflamme, Murry, 2005; Murry et al., 2005; Rubart, Field, 2006). В этом отношении данное исследование предполагает альтернативную стратегию для достижения регенерации определенных компонентов сердца, которые повреждаются при разных формах дегенеративных болезней сердца. Введение специфических клонального происходения кардиальных предшественников из ES клеток, которые представляют собой ограниченные тканью предшественники, ограниченные по своему потенциалу дифференцировки, может позволить регенерацию специфических структур сердца без риска и ограничений, связанных с системой ES клеток.

Кардиальный нервный гребень, проэпикард и кардиальные предшественники из двух полей сердца, как полагают, следуют отдельными параллельными путями в ходе последовательного созревания клонов (Mikawa, Gourdie, 1996; Manner et al., 2001; Waldo et al., 2001; Kelly, Buckingham, 2002; Stoller, Epstein, 2005). Открытие некоторых генов, ограниченных кардиальными клонами, указывает на то, что генерация разных типов кардиальных клеток может управляться с помощью уникальных комбинированных субнаборов транскрипционных сетей, оперирующих внутри самостоятельных кардиоваскулярных предшественников (Srivastava, Olson, 2000). Тем не менее, существует альтернативная возможность, что разные мышечные и не мышечные клоны возникают благодаря выбору на уровне единичной клетки из мультипотентных, примордиальных кардиоваскулярных стволовых клеток, которые в свою очередь дают иерархию нижестоящих клеточных промежуточных состояний, представляющих собой ограниченные тканью предшественники для полностью дифференцированных клеток сердца. Эта клональная модель диверсификации сердечных клонов д.б. гомологичной гематопоэзу, в котором одиночная гематопоэтическая стволовая клетка может генерировать все клоны кровяных клеток (Morrison, Weissman 1994; Weissman, 2000).

Недавняя идентификация второго источника миокардиальных предшественников начинает менять классическое представление о формировании сердца (Mjaatvedt et al., 2001; Waldo et al., 2001). LIM-гомеобоксный транскрипционный фактор islet-1 (isl1) вычленяет вторичное поле кардиогенных предшественников (Cai et al., 2003; Laugwitz et al., 2005). В этой связи мы недавно сообщали, что после рождения сердце млекопитающих обладает редким субнабором isl1+ предшественников в предсердиях, тракте оттока и правом желудочке. Постнатальные isl1+ клетки мышей могут обновляться на кардиальных мезенхимных питающих слоях и запускать образование полностью дифференцированных мышечных клеток, это полностью удовлетворяет критериям эндогенных кардиобластов, которые являются онтогенетическими остатками от клона вторичного поля сердца (Laugwitz et al., 2005). Эксперименты по картированию судеб показали, что isl1 и Nkx2.5 могут маркировать популяции клеток, которые вносят вклад в миокардиальные клетки, субнаборы эндокарда и аортальный эндотелий (Cai et al., 2003; Stanley et al., 2002). Более того, Cre-обусловленные клоны, отслеживающие flk+ клетки, показали, что сосудистый эндотелий и кардиальные мышцы возникают из flk+ мезодермальных предшественников во время развития (Motoike et al., 2003; Coultas et al., 2005). В системах мышей и птиц гладкомышечный слой проксимальной части тракта оттока возникает из клона вторичного поля сердца, в то время как только более дистальные области аорты и легочной артерии происходят из кардиального нервного гребня (Waldo et al., 2005; Verzi et al., 2005). Т.о., существует возможность, что, что isl1 маркирует мультипотентные примордиальные кардиоваскулярные предшественники, которые дают раздельные клоны клеток внутри сердечных компонентов, о которых известно, что они происходят из второго кардиогенного поля (Buckingham et al., 2005).

Путем использования техники генетического картирования судеб мы идентифицировали субнабор примордиальных multipotent isl1⁺ cardiovascular progenitors (MICPs), которые могут в самом деле генерировать разные кардиоваскулярные типы клеток во время развития эмбрионального сердца in vivo . Транскрипционная сигнатура isl1⁺/Nkx2.5⁺/flk⁺ определяет кардиоваскулярные предшественники, произошедшие из эмбриональных стволовых (ES) клеток, которые мультипотентны и дают кардиальные мышцы, гладкомышечные клетки и эндотелиальные клетки in vitro . Аналогичные трипло-позитивные и дуально-позитивные предшественники были идентифицированы в развивающихся эмбрионах in vivo , которые могут быть клонально размножены и дифференцироваться подобно произошедшим из ES MICPs. Это исследование сообщает об открытии нового субнабора мультипотентных, эмбриональных isl1⁺ предшественников, которые вносят вклад в большинство мышечных клеток и субнабор не мышечных клеток в сердце. Т.к. MICPs могут быть изолированы и избирательно размножены из возобновляемого источника, базирующегося на ES клетках, то эти находки подчеркивают новую стратегию регенерации сердечно-сосудистых тканей путем направленной дифференцировки MICPs, происходящих из ES клеток, в дискретные кардиальные, pacemaker, гладкомышечные и эндотелиальные клоны клеток.

DISCUSSION

Spatial and Temporal Control of the Formation of Endothelial, Cardiac, and Smooth Muscle Cell Lineages for Diverse Heart Structures Occurs within a Subset of isl1⁺ Progenitors in the Second Heart Field

Два самостоятельных пула кардиальных предшественников возникают из кардиогенной пластинки, первичный клон, который дифференцируется первым и позднее дифференцирующаяся популяция кардиальных предшественников, называемая вторичным клоном. Более дорсально/медиально локализованный второй клон представляет самостоятельный миграторный путь, который заставляет поздно прибывшие клетки к началу формирования области сердца из дорсальных позиций на переднем и заднем полюсах (Mjaatvedt et al., 2001; Waldo et al., 2001; Brand, 2003). Isl1⁺ маркирует эту вторую популяцию (Cai et al., 2003), которая является главным источником кардиальных предшественников, которые вносят вклад в тракт оттока, правый желудочек, части левого желудочка и в предсердия, т.е. анатомические структуры, которые отсутствуют в мутантном сердце isl1 гомозиготных нокаутных мышей. Напротив, первая популяция кардиальных предшественников дает левый желудочек и части предсердий (Buckingham et al., 2005). Ретроспективный клональный анализ у мышей показал, что первый и второй кардиогенные клоны могут сегрегировать из общей примордиальной клетки до стадии серпа (Meilhac et al., 2004).

Раннее расхождение двух клонов, разный ход дифференцировки и самостоятельные региональные вклады в эмбриональное сердце подтверждают идею, что две популяции м. обладать дискретными свойствами. Кроме того, два пуля кардиальных предшественников, по-видимому, управляются разными генетическими программами самообновления и дифференцировки, которые в свою очередь, регулируются самостоятельными транскрипционными сетями, с Nkx2.5 в качестве критического транскрипционного фактора в первом клоне и isl1 вместе с Foxh1, GATA factors и Hand2, в качестве ключевых регуляторов в вторичном поле кардиальных предшественников (von Both et al., 2004; Dodoy et al., 2004). Исследования по клональному отслеживанию показали, что первая популяция предшественников обладает более ограниченным потенциалом, генерируя левый желудочек и части предсердий, тогда как второй клон вносит вклад в более разнообразные структуры сердца (Cai wt al., 2003; Buckingham et al., 2005; Verzi et al., 2005).

Находка, чтоisl1⁺ предшественники во втором поле сердца могут вносить вклад в мышечный и не мышечные клоны, является важной для понимания путей, которые ведут к кардиальному органогенезу (Ward et al., 2005). Предыдущие исследования по картированию судеб в системах птиц выявили общий миогенный предшественник, который давал работающий миокард (атриальные и вентрикулярные мышцы) и клетки Пуркинье проводящей системы (Gourdie et al., 1998). Данное исследование подтвердило, что этот предшественник находится внутри клеточной иерархии isl1⁺ предшественников и что он может быть изолирован как уникальный субнабор предетерминированных предшественников сино-атриальных нодальных миоцитов из пула isl1⁺ кардиогенных клеток. В отношении аорты и легочной артерии теперь установлено, что isl1⁺ клетки клона вторичного поля сердца могут объяснить большую часть гладкомышечных клеток в наиболее проксимальных частях тракта оттока и их вклад, по-видимому, не зависит от известной потребности в производных мигрирующих клеток кардиального нервного гребня (Verzi et al., 2005; Waldo et al., 2005). В отношении системы коронарных артерий, современные исследования показывает, что проэпикардиальный орган является не только источником клеток предшественников, служащих источником этой сосудистой структуры, т.к. существенная порция проксимальной области, по-видимому, происходит из isl1⁺ предшественников внутри вторичного поля сердца. Наконец, наши результаты подтвердили, что пул isl1⁺ предшественников из вторичного поля вносит вклад в эндотелиальные клетки внутри всех компонентов сердца (эндокард, аорта, легочные и коронарные артерии). Это д. определённо указывать на разное происхождение кардиальных эндотелиальных клонов по сравнению теми из периферической васкулатуры, которые, по-видимому, в основном происходят из предшественников гемангиобластов внутри иерархии гематопоэтических клеток (Choi et al., 1998; Kouskoff et al., 2005).

A Model for Clonal Heart Cell Lineage Diversification via Multipotency of Individual isl1⁺isl1⁺ Cardiovascular Progenitors

Т.к. предшественники isl1⁺ во втором поле сердца могут давать эндотелиальные, кардиальные и гладкомышечные клоны, то мы попытались определить, могут ли существовать примордиальные isl1⁺ кардиоваскулярные стволовые клетки, которые могли бы объяснить все эти три клона. Предыдущие доказательства общих сосудистых предшественников получены в экспериментах на flk⁺ мышиных ES клетках, которые, как было покзано, дифференцируются в сосудистые гладкомышечные и эндотелиальные клетки после инъекции в эмбрионы кур или когда их анализировали в клональных условиях in vitro (Yamashita et al., 2000; Ema et al., 2003). Ретроспективное клональное исследование с использованием nlacZ репортера, нацеленного на ген α-кардиального актина, подтвердило in vivo существование общего источника для клеток предшественников в дорсальной аорте и в миотоме, которые могут дифференцироваться в гладкие мышцы и эндотелий во время развития (Esner et al., 2006). Более того, анализ всего транскриптома кардиальных предшественников FASC-очищенных из трансгенных Nkx2.5_enchancer-eYFP эмбрионов мыши выявил усиленную экспрессию транскриптов flk1 и tie2, подтвердив идентичность предшественников стадии кардиального серпа и vascular/hematopoietic (гемангиобласты) типов клеток (Masino et al., 2004). В согласии с этим недавнее исследование на ES клетках мышей идентифицировало flk⁺ предшественников, способных дифференцироваться в эндотелий и кардиальные мышцы in vitro (Ilda et al., 2005; Yamashita et al., 2005).

В данном исследовании мы открыли происходящие из единичных клеток клоны из isl1⁺/Nkx2.5⁺/flk⁺ предшественников (MICPs) , которые спонтанно превращались в эндотелиальные, кардиальные и гладкомышечные клетки. Всё это подтверждает рабочую модель инициальной сети для клеточной иерархии, которая управляет спецификацией клонов во вторичном поле сердца (Рис. 7J). В этой модели клетки isl1⁺, которые в конечном итоге экспрессируют Nkx2.5 и flk1 служат как примордиальные кардиоваскулярные предшественники, которые могут давать все три клона, кардиальных мышц, гладких мышц и эндотелия. Т.к. эндотелиальные клетки возникают только из клонов, содержащих предшественников, которые экспрессируют isl1 и flk1 , то двойные позитивные isl1-flk1 клетки м. представлять субнабор нижестоящих предшественников, которые более ограничены в своем потенциале дифференцировки, и способны превращаться в эндотелиальные и гладкомышечные клетки. Эти результаты согласуются с предыдущими исследованиями, показавшими, что клетки flk1, произошедшие из ES, могут давать два основных сосудистых типа клеток (эндотелиальные и муральные клетки) in vitro и in vivo (Yamashita et al., 2000). Клетки isl1⁺/Nkx2.5⁺ родственны постнатальным isl1⁺ предшественникам и д. в конечном итоге генерировать или кардиальные или гладкомышечные клоны. Оба мышечных клона могут также возникать из клеток, которые являются только Nkx2.5⁺. Эта находка и недавнее исследование Wu et al., (2006) в комбинации с доказательствами, что событие дифференцировки ассоциирует c подавлением isl1 (Cai et al., 2003; Laugwitz et al., 2005), подтверждая, что решение вступить на путь выполнения программы кардиальной или гладкомышечной клетки происходит на уровне предшественников, экспрессирующих Nkx2.5⁺.

Эта модель клональной диверсификации клонов сердца в isl1⁺ кардиоваскулярных предшественниках д. быть аналогичной той, что в модели гематопоэтических стволовых клеток (HSC) (Kiel et al., 2005), согласно которой примордиальная одиночная HSC может генерировать все клоны ковяных клеток. Решения на уровне одной клетки также указывают на то, что д. существовать критическая молекулярная сеть, которая не только действует как позитивные регуляторы в направлении определенного клона, но и также репрессирует приобретение альтернативного клеточного фенотипа.

Model of cellular hierarchy of cardiovascular progenitors and their leneage specification.

isl1⁺ Cardiovascular Progenitors and Molecular Pathways for Congenital and Adult Heart Disease

Предыдущие исследования показали, что врожденные болезни сердца обусловлены мутациями в Nkx2.5 гене (Schott et al., 1998) возникают в результате дефектов спецификации кардиальных клонов (Pashmforoush et al., 2004). Соотв. субнабор врожденных болезней сердца, ассоциированный с аномалиями в кардиальном гене внутри isl1⁺ кардиоваскулярных предшественников, может быть обусловлен избирательными дефектами самообновления, дифференцировки и клональной спецификации определенных ткане-специфичных предшественников.

Недавние экспериментальные и клинические исследования подчеркнули необходимость идентификации оптимальных типов клеток для управления регенерацией кардиальных мышц при инфаркте (rev. Schwartz 2006; Chien 2004, 2006). Т.к. эмбриональные стволовые клетки, как было предположено, могут являться обновляющимся источником кардиальных мышечных клеток для трансплантаций, но это проблематично, учитывая трудности по генерации достаточных количеств гомогенных кардиальных миоцитов и огромным риском тератом (Laflamme, Murry, 2005; Murry et al., 2005; Rubart, Field, 2006). В этом отношении данное исследование предполагает альтернативную стратегию для достижения регенерации определенных компонентов сердца, которые повреждаются при разных формах дегенеративных болезней сердца. Введение специфических клонального происходения кардиальных предшественников из ES клеток, которые представляют собой ограниченные тканью предшественники, ограниченные по своему потенциалу дифференцировки, может позволить регенерацию специфических структур сердца без риска и ограничений, связанных с системой ES клеток.

Multipotent Embryonic Isl1+ Progenitor Cells Lead to Cardiac, Smooth Muscle, and Endothelial Cell Diversification A.Moretti, L.Caron, A.Nakano, J.T. Lam, A.Bernshausen, Y.Chen, Y.Quang, L.Bu, M.Sasaki, S. Martin-Puig, Y.Sun, S.M.Evans, K-L.Laugwitz, K.R.Chien Cell Vol. 127, No 6, P. 1151-1165, 2006