Различные популяции стволовых клеток у взрослых располагаются в теле и подвергаются непрерывному самообновлению в течение всей жизни организма. Сложное окружение, состоящее из клеток и внеклеточного матрикса (ECM), а также сигнальных молекул, ассоциирует с каждой популяцией стволовых клеток, обычно обозначаемое как ниша стволовых клеток (Spradling et al., 2001). Физическая структура ниш варьирует между организмами и между типами стволовых клеток, их состав колеблется от одиночной клетки или типа клеток до многих клеток из разных типов. У C. elegans в гонадах гермафродитов, напр., (Fig. 1A), одиночная клетка, известная как дистальная верхушечная (tip) клетка, функционирует в качестве ниши для germline stem cells (GSCs) (Byrd and Kimble, 2009; Kimble and Crittenden, 2007). Напротиы, в яичниках и семенниках Drosophila (Fig. 1B; 1C), два или три типа соматических клеток формируют нишу для GSCs: ниши для женских GSC представлены клетками терминальной филаменты, клетками шапочки ( cap) и GSC-содержащими клетками экскорта, тогда как нишы у самцов состоят из клеток втулки (hub) и cyst stem cells (CySCs) (de Cuevas and Matunis, 2011; Xie, 2012). Иногда два разных типа стволовых клеток в одной и той же ткани обладают общими клеточными компонентами ниш. Напр., cap клетки в яичниках Drosophila служат в качестве компонента ниш как для GSC, так и follicular stem cell (FSC), тогда как клетки hub семенников функционируют в качестве общего компонента ниш, который регулирует GSCs и CySCs (de Cuevas and Matunis, 2011; Xie, 2012). Ниши стволовых клеток млекопитающих обычно более сложные. Ниша hematopoietic stem cell (HSC) содержит, по крайней мере, 4 разных типа клеток (Fig. 1D), включая остеобласты, сосудистые клетки, мезенхимные стволовые клетки и нейрон-Шванновские клетки (Wang and Wagers, 2011). Помимо специализированных типов клеток, ECM является важным компонентом ниш стволовых клеток; многие типы стволовых клеток, такие как spermatogonial stem cells (SSCs) млекопитающих, эпидермальные стволовые клетки и neural stem cells (NSCs) (Fig. 1E), экспрессируют высокие уровни интегринов и непосредственно контактируют с ECM, подчеркивая роль ECM как интегральной части ниш стволовых клеток (Kanatsu-Shinohara et al., 2008; Kazanis et al., 2010; Shen et al., 2008; Watt, 2002). Эти сложная природа ниш стволовых клеток делает возможной формирование отличающихся и специализированных структур ниш для разных типов стволовых клеток в одном и том же организме или один и тот же тип стволовых клеток у разных организмов. Fig. 1.

Индивидуальные ниши стволовых клеток также используют отличающиеся комбинации сигнальных молекул для контроля самообновления и пролиферации стволовых клеток. Для некоторых типов стволовых клеток активация одиночного сигнального пути с помощью ниши достаточна для побуждения стволовых клеток к самообновлению. Напр., bone morphogenetic protein (BMP) у самок Drosophila в GSC нише необходим и достаточен для самообновления GSC (Xie, 2012). Это также верно для Notch у C. elegans в нишах GSC (Byrd and Kimble, 2009; Kimble and Crittenden, 2007). Однако для большинства типов стволовых клеток необходима одновременная активация нескольких сигнальных путей для постоянного самообновления стволовых клеток. Напр., fibroblast growth factor (FGF), brain-derived neurotrophic factor (BDNF) и sonic hedgehog (Shh) сигнальные пути необходимы для долговременного самообновления NSC млекопитающих in vivo (Zhao et al., 2008). Хотя специфические сигналы или комбинации сигналов необходимы разным нишам для контроля самообновления стволовых клеток, многие из них, по-видимому, действуют как коротко-действующие сигналы. Т.о., стволовые клетки д. находиться внутри ниш, чтобы сохранять самообновление в течение длительного времени. Одним из наиболее подходящих и наиболее надежных методов является метод закрепления стволовых клеток в их нишах с использованием адгезивных молекул.

Classes of adhesion molecules that mediate stem cell-niche interactions

The cadherin family of adhesion proteins

Классические кадгериновые молекулы обеспечивают межклеточную адгезию посредством гомофильных взаимодействий между внеклеточными доменами кадгеринов на соседних клетках и посредством взаимодействий внутриклеточных доменов кадгеринов с белками, ассоциированными с цитоскелетом. Внутриклеточные домены кадгеринов могут взаимодействовать с α-catenin и β-catenin, которые являются каркасными белками, которые соединяют кадгерины с цитоскелетной сетью, чтобы собирать в кластеры кадгериновые молекулы и формировать стабильные adherens junctions (AJs) (Gates and Peifer, 2005; Leckband and Sivasankar, 2012; Meng and Takeichi, 2009). Наиболее изученной молекулой, учавствующей в адгезии в нишах стволовых клеток является E-cadherin. В яичниках Drosophila E-cadherin, как было установлено, накапливается в соединениях между GSCs и клетками их ниш (cap клетками) и формирует AJs (Song et al., 2002). Кроме того, E-cadherin также накапливается между FSCs и клетками их ниш (Song and Xie, 2002). Удаление E-cadherin из GSCs или FSCs ведет к быстрому выходу GSC или FSC из ниш, демонстрируя, что E-cadherin обеспечиваемая клеточная адгезия является критической для удержания GSCs и FSCs в нишах для долговременного самообновления (Song and Xie, 2002; Song et al., 2002). Сходным образом, в семенниках Drosophila E-cadherin накапливается сторонах между GSCs и их клетками ниш (hub клетки) и также важен для удержания GSC (Inaba et al., 2010; Yamashita et al., 2003). Эти находки подкрепляют роль E-cadherin в обеспечении взаимодействий между стволовыми клетками и нишами (Fig. 2A).

Молекулы кадгеринов экспрессируются также разными стволовыми клетками млекопитающих, где они, по-видимому, также играют важную роль в регуляции адгезии стволовых клеток и самообновлении. Во взрослом головном мозге ниши субвентрикулярных NSC, как полагают, состоят, по крайней мере, из эпендимных клеток на вентрикулярной поверхности и эндотелиальных клеток соседних кровеносных сосудов. E-cadherin экспрессируется эпендимными клетками и NSCs, и формирует AJs между двумя типами клеток на их апикальных сторонах и необходим для самообновления NSC in vitro и in vivo (Karpowicz et al., 2009). В HSC нише, HSCs и остеобласты экспрессируют N-cadherin (Zhang et al., 2003), а многочисленные исследования подтверждают, что N-cadherin необходим для удержания HSCs в нишах для долговременного самообновления (Haug et al., 2008; Hosokawa et al., 2010a; Hosokawa et al., 2010b). Однако в др. независимых исследованиях оспаривается роль N-cadherin в контроле самообновления HSC (Bromberg et al., 2012; Greenbaum et al., 2012; Kiel et al., 2009). Противоречивые выводы относительно роли N-cadherin в регуляции самообновления HSC могут быть результатом использования разных экспериментальных методов.

Роль кадгеринов в др. стволовых клетках пока изучается. Сателлитные клетки, которые служат в качестве стволовых клеток в скелетных мышцах (Seale and Rudnicki, 2000), располагаются между базальной мембраной и зрелым мышечным волокном, которые вместе функционируют как ниша. M-cadherin располагается на стороне сателлитной клетки, обращенной к мышечному волокну, но его роль в регуляции сателлитных стволовых клеток ещё предстоит определить (Kuang et al., 2008). Поскольку E-cadherin, N-cadherin и др. классические кадгериновые молекулы широко экспрессируются в разных тканях взрослых, то не будет неожиданностью, если они также окажутся необходимы для взаимодействий стволовых клеток с нишами в др. системах.

The integrin family of adhesion molecules

Integrins являются гетеродимерными (состоящими из α и β субъединиц) трансмембранными молекулами, которые обеспечивают взаимодействия клеток с ECM. Внеклеточные домены интегринов могут соединяться непосредственно с белками ECM, такими как laminin, collagen и fibronectin (Barczyk et al., 2010; Hynes, 2002). Помимо компонентов ECM, интегрины могут также соединяться с др. адгезивными молекулами клеточной поверхности, такими как intercellular adhesion molecule 1 (Icam1, известна также как CD54) и vascular cell adhesion molecule 1 (Vcam1, также известна как CD106), которые, как известно, представлены в некоторых нишах стволовых клеток (Barczyk et al., 2010). В яичниках Drosophila integrin-обеспечиваемое взаимодействие между FSCs и базальным листком необходимо для закрепления FSCs в нише. что делает возможным самообновление и асимметричные деления клеток (O'Reilly et al., 2008). В семенниках Drosophila, интегрины необходимы для позиционирования ниш GSC на апикальном кончике семенников, но безразличны для закрепления GSC или CySC в нише (Tanentzapf et al., 2007).

Многие типы стволовых клеток млекопитающих также экспрессируют интегриновые молекулы и непосредственно контактируют с ECM или с богатой ECM базальной мембраной. SSCs в семенниках мышей, напр., непосредственно контактируют с базальной мембраной и экспрессируют высокие уровни α6β1 интегрина, рецептора для ECM белка laminin (Shinohara et al., 1999). Кроме того, anti-α6 и anti-β1 интегриновые антитела позволяют очищать и обогащать SSCs от диссоциированных клеток семенников (Shinohara et al., 1999), подтверждая, что эти интегрины экспрессируются также на поверхности SSCs. В самом деле, β1 интегрин необходим для обеспечения пребывания SSCs в нишах семенников (Kanatsu-Shinohara et al., 2008), демонстрируя. что интегрины необходимы SSCs для их взаимодействия с базальной мембраной. Интересно, что α6β1 интегрин также экспрессируется на высоком уровне в развивающихся и взрослых субвентрикулярных NSCs и в культивируемых NSCs, а ламининовые цепочки α2 α4 обогащены в субвентрикулярной зоне (Lathia et al., 2007; Shen et al., 2008). Используя нейтрализующие антитела, было продемонстрировано, что α6β1 интегрин позволяет NSCs слипаться с эндотелиальными клетками в NSC сосудистых нишах (Shen et al., 2008). HSCs также экспрессирует высокие уровни α4, α6, α7, α9 и β1 интегринов (Grassinger et al., 2009; Potocnik et al., 2000; Schreiber et al., 2009; Voura et al., 1997). Взрослые HSCs, дефицитные по β1 интегрину, обнаруживают тяжелые дефекты удерживания в нишах костного мозга после элиминации эндогенных HSCs с помощью радиации, демонстрируя тем самым, что β1 интегрин необходим для HSCs, чтобы взаимодействовать с нишами (Potocnik et al., 2000). Сходным образом, α4, α6 и α9 интегрины также являются критическими для взаимодействия HSC с нишей (Grassinger et al., 2009; Qian et al., 2006; Schreiber et al., 2009). В коже стволовые клетки прикреплены к базальной мембране посредством интегринов α6, β1 и β4 (Watt, 2002), тогда как в скелетных мышцах α7β1 интегрин располагается на стороне сателлитных клеток, обращенной к компоненту базальной мембраны нишы стволовых клеток (Kuang et al., 2008).

Итак, это доказывает, что многие разные типы стволовых клеток используют интегрины для взаимодействия с белками ECM или с др. адгезивными молекулами на поверхности клеток ниш (Fig. 2B). Более того, некоторые стволовые клетки, включая FSCs, HSCs и NSCs, по-видимому, использую и кадгериновые и интегриновые адгезивные молекулы для взаимодействия со своими нишами (Fig. 2C).

Other classes of adhesion molecules

Помимо кадгеринов и интегринов многие др. семейства адгезивных молекул способны обеспечивать межклеточные взаимодействия и стволовые клетки в самом деле используют др. адгезивные молекулы для закрепления и коммуникаций со своим локальны окружением. Взаимодействие между Notch рецепторами и их трансмембранными лигандами уже давно считалось важным для межклеточных физических взаимодействий, а также дя передачи клеточных сигналов (Watt et al., 2008), хотя трудно различать между адгезией обеспечиваемой и передачей сигналов обеспечиваемой ролью Notch. Хорошим примером адгезии стволовых клеток, обеспечиваемой передачей сигналов Notch, является образование кластеров эпидермальных стволовых клеток в коже с помощью delta-like 1-опосредованных взаимодействий Notch (Estrach et al., 2007). Более того, в гонадах C. elegans, GSCs, экспрессирующие Notch рецептор GLP-1, всегда физически закреплены в клетках дистальных кончиков, которые экспрессируют Notch лиганд LAG-2 (Kimble and Crittenden, 2007). Однако остается продемонстрировать, играет ли в этом случае Notch какую-либо непосредственную роль в удержании стволовых клеток в нише (Fig. 2D).

Щелевые соединения, которые являются специализированными межклеточными белковыми каналами, формируемые семейством белков connexin (White and Paul, 1999). Поскольку две клетки, физически соединенные посредством белковых комплексов, щелевых соединений, как полагают, выполняют адгезивную роль в дополнение к облегчению переноса прямых электрических и химических коммуникаций и малых молекул между клетками. Connexin 43 (также известный как gap junction protein alpha 1) , как было впервые установлено, необходим стромальным клеткам для поддержания HSCs в культуре (Cancelas et al., 2000), и как позднее было установлено, важен для секреции CXCL12 стромальными клетками, чтобы контролировать самообновление HSC (Schajnovitz et al., 2011). Сравнительно недавно, connexin 43, как было установлено, предупреждает старение HSC путем переноса реактивных видов кислорода в поддерживающие стромальные клетки, уменьшая тем самым повреждения HSCs (Taniguchi Ishikawa et al., 2012). В субвентрикулярной нише NSC у мышей, щелевыми соединениями обеспечиваемый перенос кальция между поддерживающими астроцитами и NSCs является важным для пролиферации NSC (Lacar et al., 2011). В яичниках и семенниках Drosophila, Zero population growth (Zpg), белок щелевых соединений, необходим для поддержания и дифференцировки GSC (Gilboa et al., 2003; Tazuke et al., 2002). Во всех этих случаях ещё предстоит продемонстрировать, участвуют ли щелевые соединения в регуляции поддержания стволовых клеток за счет их адгезивной роли, межклеточного переноса молекул или того и др. (Fig. 2D).

HSCs и клетки их ниш также, как известно, экспрессируют многие др. рецепторы клеточных мембран, включая c-Kit, CD44 и Vcam1 (Imai et al., 1999; Osawa et al., 1996; Uchida et al., 1998). c-Kit является трансмембранной рецепторной тирозин киназой, а её лиганд, stem cell factor (SCF, также известный как Kitl), имеет две формы, секретируемую и связанную с мембраной, которые продуцируются за счет альтернативного сплайсинга мРНК (Toksoz et al., 1992). генетические исследования показали, что связанная с мембраной форма SCF особенно важна для поддержания HSC и устойчивого гематопоэза (Barker, 1997). Интересно, что когда SCF специфически инактивируется как в эндотелиальных, так и периваскулярных клетках ниш, то HSCs быстро истощаются, указывая тем самым, что взаимодействия клеток в нишах стволовых клеток, обеспечиваемое с помощью SCF-c-Kit, может помочь в удержании HSCs в периваскулярных нишах (Ding et al., 2012). CD44 является клеточной адгезивной молекулой, которая принадлежит к семейству белков, связывающих hyaluronic acid (HA), а anti-CD44 моноклональные антитела или свободная HA могут блокировать пребывание трансплантированных HSCs в нише (Avigdor et al., 2004). Поскольку синусоидальные кровеносные сосуды, которые, как полагают, служат как один из сайтов ниш для HSC, обильно экспрессируют HA, CD44 может помогать в закреплении HSCs в периваскулярной нише. Интересно, что Vcam1 также экспрессируется в NSCs, а нарушение его функции ведет к потере архитектуры шутихи (pinwheel) в нише и в конечном итоге NSC теряются (Kokovay et al., 2012). Итак, эти результаты подтверждают. что др. классы адгезивных молекул помимо кадгеринов и интегринов, также участвуют в регуляции взаимодействий стволовых клеток с нишами (Fig. 2D).

Biological functions of adhesion molecules in stem cell regulation

Кадгерины, интегрины и др. адгезивные молекулы участвуют в регуляции не только межклеточных физических взаимодействий, но также в др. клеточных событиях, таких как передача сигналов и полярность клеток. Следовательно, поэтому трудно, особенно в отношении Notch и интегринов, определить в точности степень, с которой их роль в адгезии скорее, чем в передаче сигналов играет роль в поддержании стволовых клеток. Несмотря на это ряд экспериментальных подходов (see Box 1) был использован в попытке охарактеризовать точные роли, выполняемые адгезивными молекулами в регуляции биологии стволовых клеток. Эти исследования показали, что адгезивные молекулы могут действовать разными способами, чтобы повлиять на удержание стволовых клеток.

Box 1. Experimental approaches for studying adhesion molecule function in stem cells

The molecules involved in stem cell-niche adhesion have been identified and characterized using a variety of approaches. In many cases, the importance of adhesion molecules in stem cell-niche physical interaction has simply been inferred based on their expression patterns and their requirement for stem cell maintenance. The expression of adhesion molecules in either stem cells or niche cells can be determined, for example, by antibody staining and by gene expression profiling of purified cells. The function of adhesion molecules in stem cells or niche cells is normally investigated by standard gene knockout approaches, by cell type-specific knockout, or via the application of neutralizing antibodies against their extracellular domains; if the stem cell-niche interaction mediated by a particular adhesion molecule is essential for stem cell anchorage, for example, its inactivation should result in rapid stem cell departure from the niche. Successful homing of stem cells to the niche, by contrast, can be tested experimentally by monitoring transplanted stem cells. This method has been particularly useful for studies of HSCs in the bone marrow and of SSCs in the mouse testis to test the function of a given gene in stem cell homing to the niche. Although the transplantation assay does not directly demonstrate the role of an adhesion molecule in the niche anchorage of stem cells, it does provide important information about its potential involvement in stem cell-niche interaction; its role in stem cell-niche anchorage must be directly confirmed by stem cell-specific or niche-specific conditional inactivation of its function.

Niche anchorage and homing

Для GSCs в яичниках Drosophila, преимущественная роль E-cadherin в регуляции поддержания стволовых клеток связана с закреплением GSCs в нишах. E-cadherin необходим для GSCs, чтобы завершить занятие ниши (Jin et al., 2008). Если одна из GSCs в нише дефектна по E-cadherin, то она быстро теряется из ниши из-за конкуренции (Song et al., 2002). Интересно, что дикого типа GSC, экспрессирующие большие количества E-cadherin, могут выталкивать др. дикого типа GSC, экспрессирующие меньше E-cadherin, из ниши, подтверждая, что дефицитные по E-cadherin GSC удаляются из ниши благодаря конкуренции за пространство ниши (Jin et al., 2008). Cadherin-обеспечиваемое закрепление стволовых клеток в нише может также использоваться в др. системах, но необходимы дальнейшие прямые экспериментальные подтверждения.

В комбинации с генным нокаутом или блокированием антителами, homing assays (see Box 1) помог продемонстрировать, что интегрины и CD44 необходимы для трансплантированных HSCs , чтобы удержаться в нише (Avigdor et al., 2004; Grassinger et al., 2009; Potocnik et al., 2000; Schreiber et al., 2009). В комбинации с Cre-обусловленной делецией, было также продемонстрировано, что ?1 интегрин, но не E-cadherin, необходим для удержания SSCs в нишах семенников (Kanatsu-Shinohara et al., 2008). Трансплантационные подходы также продемонстрировали важную роль E-cadherin, integrins и Vcam1 в обеспечении взаимодействий NSC с клетками ниш в субвентрикулярной зоне (Karpowicz et al., 2009; Kokovay et al., 2012; Shen et al., 2008). Сходным образом, взаимодействия SCF и c-Kit, тромбином расщепленным osteopontin (также известным как secreted phosphoprotein 1) и его интегриновым рецептором, необходимы для обеспечения взаимодействий HSC с нишами в костном мозге (Ding et al., 2012; Grassinger et al., 2009). Адгезивные молекулы, которые были продемонстрированы как важные для удержания стволовых клеток, не обязательно существенны для закрепления стволовых клеток в нишах при физиологических условиях, а вместо этого они могут быть важны для трансплантированных стволовых клеток, для нахождения ими пути к свои нишам.

Controlling stem cell self-renewal via signaling

Как упоминалось выше, Notch может обеспечивать взаимодействия стволовых клеток с нишами в эпидермальных стволовых клетках и у C. elegans для GSCs. Однако помимо его потенциальной роли в адгезии, передача сигналов Notch участвует в поддержании самообновления стволовых клеток и в контроле клеточной дифференцировки путем регуляции экспрессии генов мишеней (Bigas et al., 2012; Gude and Sussman, 2012; Iglesias-Bartolome and Gutkind, 2011). Передача сигналов Notch необходима и достаточна для поддержания у C. elegans самообновления GSC (Kimble and Crittenden, 2007). В системах стволовых клеток млекопитающих передача сигналов Notch контролирует поддержание и дифференцировку множества разных типов стволовых клеток, включая NSCs и эпидермальные стволовые клетки (Ables et al., 2011; Iglesias-Bartolome and Gutkind, 2011). Кроме того, передача сигналов Notch , как было установлено, контролирует удержание клеток предшественников скелетных мышц в нишах сателлитных клеток путем модулирования экспрессии ECM белков и интегринов (Brohl et al., 2012). Во всех этих случаях относительный вклад передачей сигналов Notch обусловленной адгезии и генной экспрессии в регуляцию стволовых клеток, трудно разделить экспериментально.

Интегрины могут регулировать нижестоящие передачи сигналов посредством focal adhesion kinases (FAKs) и phosphoinositide 3-kinase (PI3K), которые важны для самообновления и пролиферации стволовых клеток (Buitenhuis, 2011; Legate et al., 2009; Lu et al., 2012). NSCs, внедренные в богатый laminin ECM, также экспрессируют различные интегриновые молекулы (Kazanis et al., 2010). Блокирование функции специфических интегринов в NSCs, с использование нейтрализующих моноклональных антител, усиливают пролиферацию и миграцию предшественников и способствуют истощению NSCs в нишах (Loulier et al., 2009). Взаимодействие, обеспечиваемое laminin-integrin также вносит вклад в развитие NSC ниш и поддержание их целостности (Loulier et al., 2009). Кроме того, netrin 4, секретируемый glial fibrillary acidic protein (GFAP)-позитивными астроцитами и laminin секретируемый NSCs сами по себе могут активировать α6β1 интегрином-обеспечиваемый сигнальный путь, чтобы контролировать пролиферацию NSC (Staquicini et al., 2009). Интегрины могут также способствовать самообновлению NSC путем облегчения передачи сигналов Notch и EGFR (Campos et al., 2006), а интегрины, как было установлено недавно, регулируют thrombopoietin-обеспечиваемое поддержание HSC (Umemoto et al., 2012). Итак, эти находки демонстрируют, что помимо адгезии, интегрины могут регулировать функцию стволовых клеток путем прямого и косвенного участия в передаче клеточных сигналов (Fig. 3A).

Кадгериновые молекулы также обладают способностью участвовать в передаче внутриклеточных сигналов и в обеспечении генной экспрессии посредством регуляции взаимодействующих с ними белков, таких как p120 (σ1-catenin), δ-catenin и plakoglobin (Cavallaro and Dejana, 2011). Кроме того, N-cadherin, как было установлено, регулирует передачу сигналов FGF путем прямого взаимодействия с FGF рецепторами, возникает интересная возможность, что он может также активировать др. пути передачи сигналов (Williams et al., 2001). N-cadherin-обеспечиваемая клеточная адгезия способствует покою HSC и тем самым долговременному самообновлению, но остается неясным, может ли его роль в HSCs также быть обусловлена его регуляцией передачи клеточных сигналов (Hosokawa et al., 2010a). В вентрикулярном регионе развивающегося головного мозга N-cadherin необходим для поддержания NSCs за счет предупреждения дифференцировки путем регуляции передачи сигналов Akt (Zhang et al., 2010). Наконец, в семенниках Drosophila, BMP рецепторные комплексы располагаются в богатых E-cadherin AJs на стыках стволовых клеток с нишами, это может помогать ограничивать активность передачи сигналов BMP нишами для GSC (Michel et al., 2011). Эти линии доказательств подтверждают роль кадгеринов в регуляции путей передачи сигналов, важных для самообновления и пролиферации стволовых клеток (Fig. 3A).

Regulation of cell polarity and asymmetric cell division

Стволовые клетки в нишах у взрослых, по-видимому, сильно поляризованы, исходя из локализации маркеров клеточной полярности и соединений. Наиболее изученными случаями являются яичники Drosophila и стволовые клетки семенников (de Cuevas and Matunis, 2011; Xie, 2012). В этих GSCs, AJs всегда расположены на интерфейсе GSC-ниша, это может способствовать поляризации GSCs в отношении ниши (Song et al., 2002; Yamashita et al., 2003). В семенниках Drosophila, GSCs и CySCs точно ориентированы своим аппаратом веретена так, что самообновляющиеся стволовые клетки остаются в контакте с нишей, а дифференцирующаяся дочерняя клетка движется прочь от ниши, тем самым достигается баланс между самообновлением и дифференцировкой (Cheng et al., 2011; Yamashita et al., 2003). Было показано. что Adenomatous polyposis coli homolog 2 (APC2), который располагается в AJs в соединениях между стволовыми клетками и нишей, важен для контроля ориентации веретена в GSCs (Yamashita et al., 2003) (Fig. 3B). Более того, E-cadherin необходим для поляризации GSCs относительно ниши и собственно ориентации митотического веретена GSC (Inaba et al., 2010). Рандомизация ориентации веретена в семенниках Drosophila ведет к нарушению самообновления и пролиферации GSC (Cheng et al., 2008; Yamashita et al., 2003). В яичниках Drosophila веретено GSC часто ориентировано перпендикулярно нише (Deng and Lin, 1997). Такая ориентация веретена достигается локализацией spectrosome, специфичной для зародышевых клеток мембраны скелетной органеллы, в соединении GSC-ниша, а отсутствие spectrosome [как это наблюдается в GSCs hu li tai shao (hts) мутантных яичниках] ведет к рандомизации ориентации веретена (Deng and Lin, 1997).

В противоположность Drosophila GSCs семенников, рандомизация ориентации веретена, по-видимому, оказывает незначительный эффект на поддержание и пролиферацию GSC (Deng and Lin, 1997). Удаление E-cadherin часто ведет к отсоединению spectrosome от соединений GSC-ниша, подтверждая тем самым, что AJs необходимы для закрепления spectrosome в соединении GSC-ниша (Song et al., 2002). В согласии с ролью центросом в ориентации митотического веретена, неправильная локализация центросом или полное отсутствие центросом также может рандомизировать ориентацию веретена у Drosophila в GSCs яичников, но не оказывает эффекта ни на поддержание, ни на пролиферацию GSC (Chen et al., 2010; Stevens et al., 2007). Следовательно, регуляция ориентации веретена, скорее всего, является важной для некоторых типов стволовых клеток, но не для др.

Кадгеринами обусловленная и интегринами обусловленная клеточная адгезия также важна для ориентации веретена в стволовых клетках кожи и головного мозга. В коже млекопитающих эпидермальные стволовые клетки могут ориентировать своё веретено или параллельно или перпендикулярно базальному слою и это предопределяет способ (асимметричных или симметричных) делений стволовых клеток. Удаление α-catenin, обязательного партнера E-cadherin, из стволовых клеток ведет к рандомизации ориентации веретена (Lechler and Fuchs, 2005). В развивающемся вентрикулярном регионе NSCs также могут делиться асимметрично или симметрично в отношении отделения апикальной мембраны и это детерминируется ориентацией веретена и значит плоскостью деления (Kosodo et al., 2004). Временная обусловленная антителами нейтрализация функции интегрина увеличивает тенденцию NSCs делиться симметрично (Loulier et al., 2009). Однако ещё предстоит определить, необходимы ли N-cadherin и E-cadherin, или др. адгезивные молекулы в NSCs для асимметричных клеточных делений.

Stem cell competition and quality control

Конкуренция стволовых клеток за нишу служит в качестве механизма контроля качества и является свойством ниш, которое д. использоваться для эффективности трансплантаций для будущей терапии стволовыми клетками. Сегодня ясно, что сила сцепления между стволовыми клетками и их нишами может влиять на их способность оставаться в нишах для долговременного самообновления. В самом деле, в яичниках Drosophila GSC, экспрессирующие высокие уровни E-cadherin получают конкурентные преимущества над GSC, экспрессирующими меньше E-cadherin для занятия ниши (Jin et al., 2008). Более того, как указывалось выше, многие важные факторы самообновления GSC необходимы для поддержания экспрессии E-cadherin, тогда как ключевые факторы дифференцировки GSC негативно регулируют экспрессию E-cadherin на уровне трансляции (Chen et al., 2010; Shen et al., 2009). Если GSC экспериментально понуждаются к дифференцировке, то наблюдается подавление E-cadherin в этих GSC, и как результат подавление клеточной конкуренции, обеспечиваемой E-cadherin, и затем выталкивание из ниш с помощью их не дифференцированных соседних стволовых клеток. Поскольку E-cadherin-обеспечиваемая регуляция адгезии между нишей и стволовыми клетками непосредственно связана с функцией внутренних факторов самообновления и дифференцировки, она может функционировать как механизм контроля качества, чтобы гарантировать, что только недифференцированные и функциональные стволовые клетки останутся в нише и что дифференцирующиеся GSCs теряют способность оставаться в нише и понуждаются к выходу (Xie, 2012) (Fig. 3C). Интересно, что избыточная экспрессия N-cadherin в HSCs повышает их способность оставаться в нишах, тогда как подавление N-cadherin или избыточная экспрессия N-cadherin снижают их способность оставаться в нишах, указывая тем самым, что манипуляции с экспрессией N-cadherin в HSCs могут повлиять на их пребывание в нишах (Hosokawa et al., 2010a). Было бы интересно исследовать, осуществляет ли N-cadherin функцию в нишах HSC, сходную с той, что выполняет E-cadherin у Drosophila в нишах GSC яичников.

В семенниках Drosophila CySCs и GSCs занимают общие ниши, ступицы (hub) и нуждаются в передаче сигналов Janus kinase-Signal transducer and activator of transcription (JAK-STAT) для своего поддержания (de Cuevas and Matunis, 2011). Передача сигналов JAK-STAT необходима в GSCs, чтобы поддерживать экспрессию E-cadherin, закрепление в нише и самообновление, и в CySCs, чтобы контролировать экспрессию BMP (Leatherman and Dinardo, 2010). В семенниках Drosophila существует конкуренция между GSCs и CySCs и среди самих CySCs за занятие места в ступице (Issigonis et al., 2009). Интересно, что CySCs с более высокой сигнальной активностью JAK-STAT, которая может быть достигнута экспериментально путем удаления функции JAK-STAT негативного регулятора SOCS36E, позволяет оттеснять на второй план нормальные CySCs и неожиданно, может также выталкивать GSCs из ниш. Эта регулируемая JAK-STAT конкуренция стволовых клеток зависит от белка клеточной адгезии βPS integrin, но не E-cadherin. Integrin-обеспечиваемая клеточная конкуренция, как полагают, играет критическую роль в балансе двух популяций стволовых клеток в одной и той же нише, но остается неясным, может ли она также функционировать в качестве механизма контроля качества для CySCs, GSCs или обоих (Fig. 3C).

Stem cell aging

Прочность адгезии между стволовыми клетками и их нишей также предопределяет их потенциал долговременного самообновления. Зависимое от возраста снижение экспрессии E-cadherin, наблюдается в GSCs в яичниках и семенниках Drosophila, а повышение экспрессии E-cadherin может ослаблять зависимую от возраста потерю GSC в обеих системах (Boyle et al., 2007; Pan et al., 2007). Сходным образом, сила адгезии между HSCs и их нишами, по-видимому, снижается с возрастом, т.к. способность к мобилизации HSCs резко возрастает у старых мышей (Xing et al., 2006). Хотя адгезивные молекулы, затрагиваемые возрастом в этой системе, ещё не идентифицированы, это зависимое от возраста увеличение мобилизации, которое коррелирует с повышенными уровнями GTP-связывающего Cdc42, является внутренне присущим HSCs. Интересно, что Cdc42 также, как было установлено, необходим в HSCs для поддержания экспрессии β1 integrin и N-cadherin, регулируя тем самым пребывание и удержание HSC в нишах (Yang et al., 2007). Более того, platelet selectin (P-selectin), трансмембранный адгезивный белок, важен для гематопоэза, а его нехватка может усиливать повторное занятие ниш HSC (Sullivan et al., 2011). Интересно, что экспрессия P-selectin в HSCs увеличивается с возрастом, а старые мыши, дефицитные по P-selectin, обнаруживают повышенные уровни длительно пребывающих HSCs по сравнению с контролем того же возраста, подтверждая, что P-selectin может быть необходим для удаления старых HSCs из b] ниш (Sullivan et al., 2011). Эти находки демонстрируют, что динамика взаимодействий стволовых клеток с нишами важна для удаления старых GSCs из ниш (Fig. 3D).

Regulation of adhesion between stem cells and the niche

Адгезия между стволовыми клетками и нишами может регулироваться с помощью происходящих из ниш и системных сигналов

Исследования, рассмотренные выше, показывают, что адгезия между стволовыми клетками и нишами модулируется с помощью E-cadherin, экспрессируемого как стволовыми клетками так и клетками ниш. Т.о., существуют два разных механизма, с помощью которого E-cadherin-обеспечиваемая адгезия стволовых клеток с нишами может быть модулирована: посредством самих стволовых клеток или клеток ниш. В овариях Drosophila, экспрессия E-cadherin в клетках ниш, как было установлено, регулируется с помощью системного сигнала инсулина (Hsu and Drummond-Barbosa, 2011). Кроме того, известно, что передача сигналов BMP непосредственно репрессирует экспрессию bag of marbles (bam) и что Bam работает вместе с Benign gonial cell neoplasm (Bgcn) , чтобы непосредственно репрессировать трансляцию E-cadherin (Shen et al., 2009). Следовательно, вероятно, что передача сигналов BMP от ниш вносит вклад в регуляцию экспрессии E-cadherin в GSCs, хотя эта вероятность ещё предстоит подтвердить. Лучшим примером регуляции адгезии стволовых клеток с сигналами ниш это контроль экспрессии E-cadherin у Drosophila в GSCs семенников с помощью активируемой нишами передачи сигналов JAK-STAT (Leatherman and Dinardo, 2010); инактивация передачи сигналов JAK-STAT в GSCs ведет к снижению накопления E-cadherin в соединениях стволовых клеток GSC с нишами и, следовательно, к изгнанию GSCs из ниш.

Хотя менее известно о том, как сигналы из ниш регулируют адгезию GSC с нишами у млекопитающих, недавнее исследование показало, что в субвентрикулярной зоне у млекопитающих, Vcam1-обеспечиваемая клеточная адгезия между NSCs и их нишами регулируется с помощью системного фактора interleukin β1 (IL1β), который, как известно, участвует в воспалении (Kokovay et al., 2012). Следовательно, очевидно, что как происходящие из ниш, так и системные сигналы регулируют взаимодействия между стволовыми клетками и нишами (Fig. 4A). Fig. 4.

Stem cell-niche adhesion is regulated by stem cell-intrinsic factors

Генетические исследования идентифицировали ряд внутренне присущих стволовым клеткам факторов, которые важны для регуляции адгезии стволовых клеток с нишами. Многие из этих факторов действуют путем модуляции экспрессии E-cadherin или функции в стволовых клетках (Fig. 4A), хотя некоторые действуют путем регуляции активности интегринов (Fig. 4B). В яичниках Drosophila, Lissencephaly-1 (Lis-1), который кодирует у Drosophila гомолог гена, вызывающего у людей лиссэнцефалию (LIS1, также известен как PAFAH1B1), необходим в GSCs для поддержания накопления E-cadherin в соединениях стволовых клеток GSC с нишами посредством неизвестного механизма (Chen et al., 2010). Кроме того, Lis-1 необходим для позиционирования центросом в GSCs яичников и семенников Drosophila, а также для ориентации веретен в нейробластах и клетках нейральных предшественников у мышей (Chen et al., 2010; Siller and Doe, 2008; Sitaram et al., 2012; Yingling et al., 2008). Однако остается неясным, связано ли позиционирование центросом и ориентация веретена с адгезивной ролью Lis-1. Eukaryotic initiation factor 4A (eIF-4A) необходим для поддержания экспрессии E-cadherin в GSCs. Напротив, факторы дифференцировки Bam и Bgcn могут репрессировать трансляцию E-cadherin, возможно через посредство E-cadherin 3'UTR (Jin et al., 2008; Shen et al., 2009), и eIF-4A действует через непосредственное взаимодействие с Bam, противодействуя Bam-обеспечиваемой репрессии трансляции E-cadherin (Shen et al., 2009). Кроме того, Poly(ADP-ribose) glycohydrolase (Parg) и heterogeneous nuclear ribonucleoprotein Hrp38 (также известный как Hrb98DE) необходимы для поддержания GSC и действуют путем поддержки экспрессии E-cadherin через регуляцию трансляции (Ji and Tulin, 2012); Parg деградирует poly(ADP-ribose), которая соединяется с Hrp38, чтобы предупредить ассоциацию Hrp38 с 5'UTR в E-cadherin. В FSCs, Cyclin E необходим для закрепления в нишах и, как полагают, действует путем поддержания экспрессии E-cadherin; Cyclin E мутантных FSCs теряется из ниш, но принудительная экспрессия E-cadherin может восстанавливать удержание в нишах, подтверждая, что клеточный цикл FSC связан с адгезией с нишей (Wang and Kalderon, 2009). Интересно, что FSC потеря фенотипа, вызываемая многими др. мутациями, такими как SCAR, smoothened, Coprox или Actin-related protein 2/3 complex subunit 1 (ArpC1), может быть частично восстановлена путем индукции экспрессии E-cadherin-обеспечиваемой клеточной адгезии между FSCs и их нишами, это может указывать на фокальную точку регуляции FSC (Wang et al., 2012).

Эндоцитоз важен для регуляции переноса через мембраны E-cadherin и адгезии эпителиальных клеток Drosophila (Classen et al., 2005; Leibfried et al., 2008; Shaye et al., 2008). Rab11, ключевой регулятор рециклинга эндоцитоза, как полагают, необходим для целенаправленной доставки E-cadherin на апикальную сторону GSCs, поддерживая тем самым накопление E-cadherin в соединениях стволовых клеток с нишами (Bogard et al., 2007). Однако эти находки нуждаются в дальнейшем подтверждении, т.к. в независимом исследовании не наблюдалось каких-либо изменений в локализации E-cadherinв соединениях стволовых клеток с нишами в Rab11-дефицитных яичниках (Lighthouse et al., 2008). В семенниках Drosophila передача сигналов Rap-GEF/Rap контролирует накопление E-cadherin в соединениях стволовых клеток GSC с нишами, следовательно, закрепление GSCs в нишах (Wang et al., 2006). Недавно, трансмембранная рецепторная тирозин фосфатаза Leukocyte-antigen-related-like (Lar), как было установлено, необходима в GSCs для поддержания накопления E-cadherin между GSCs и их нишами в семенниках Drosophila (Srinivasan et al., 2012).

Известны относительно немногие внутренне присущие факторы, регулирующие взаимодействия стволовых клеток с нишами в системах млекопитающих. В гематопоэтической системе млекопитающих, Cdc42 регулирует взаимодействие HSC-ниша путем контроля экспрессии β1 integrin и N-cadherin (Yang et al., 2007). В развивающемся вентрикулярном регионе головного мозга мышей NSC экспрессируют Numb и numb-like, которые взаимодействуют как с N-cadherin, так и E-cadherin, необходимыми для поддержания AJs и тканевой целостности NSC и ниш (Rasin et al., 2007).

Conclusions

It has been nearly a decade since it was shown that GSCs and FSCs are anchored in the niche via E-cadherin-mediated cell adhesion (Song and Xie, 2002; Song et al., 2002). Rapid progress has since been made toward understanding how different adhesion molecules can mediate stem cell-niche interaction as well as play other important roles in stem cell regulation. Based on findings from various stem cell systems (Fig. 1), the cadherin and integrin families of adhesion molecules have emerged as common mediators of stem cell-niche anchorage, although other classes of adhesion molecules are also involved (Fig. 2). Thus, depending on cell type, stem cells can use cadherins, integrins, or varying combinations of these and other adhesion molecules for their physical interaction with the niche. Such cadherin-mediated cell-cell interactions and integrin-mediated cell-ECM interactions can tether stem cells to their niche, allowing continuous exposure to niche-secreted short-range signals and cell contact-dependent signals, thereby maintaining long-term self-renewal. Stem cell-niche adhesion might also help transplanted stem cells home to suitable niches and establish stable stem cell-niche interactions.

In addition to niche anchorage, adhesion-mediated signaling events can help maintain stem cell self-renewal, proliferation and survival (Fig. 3). The most conceivable way for stem cell-niche adhesion to regulate stem cell function is by directly activating, facilitating or potentiating the intracellular signaling events that are important for stem cell self-renewal, proliferation and survival. One means by which stem cell-niche adhesion can regulate stem cell self-renewal is to control asymmetric versus symmetric cell division, and hence cell fate, through regulation of spindle and cleavage orientation (Fig. 3B). The modulation of stem cell-niche adhesion is thus an effective strategy for terminating or maintaining a stem cell’s ‘right’ to self-renew, and stem cell competition for niche occupancy can represent an efficient quality control mechanism for eliminating differentiating or dysfunctional stem cells (Fig. 3C). Finally, because the adhesion strength between stem cells and the niche is affected by aging, manipulation of adhesion molecule expression might represent an effective way to fight against stem cell aging and, consequently, tissue and organismal aging (Fig. 3D).

Because it plays such an important role, stem cell-niche adhesion is tightly regulated by numerous factors, which can be niche-derived, stem cell-intrinsic or systemic (Fig. 4). In the Drosophila male and female germline systems, both niche signaling and stem cell-intrinsic factors are involved in the regulation of E-cadherin expression, membrane targeting and function. Although some progress has been made in understanding the regulation of stem cell-niche adhesion in mammalian stem cell systems, adhesion in these systems remains poorly characterized relative to Drosophila stem cell systems. In the future, the systematic stem cell- or niche-specific knockout of adhesion molecules will elucidate their requirement in stem cell anchorage, proliferation and survival.

Despite the progress discussed above, many crucial questions concerning the regulation and function of stem cell-niche adhesion remain to be answered. The first and most important step is to define all of the adhesion molecules that are required for a given stem cell type to interact with its niche. Although this is a daunting task, it has become easier with more powerful tools for purifying stem cells and for identifying surface molecules that could potentially mediate interaction with the niche. Identifying such molecules will lay a solid foundation for determining their role in niche anchorage and in the regulation of stem cell behavior. The identified surface receptor molecules can then be studied effectively in different stem cell systems using gene knockout, knockdown and blocking antibodies to assess their roles in stem cell anchorage, self-renewal, proliferation and survival. However, the most challenging task in establishing the role of adhesion molecules in stem cell biology is to distinguish their adhesion-based roles from their other roles in stem cell maintenance in vivo. To directly decipher the roles of adhesion molecules in niche anchorage, live imaging techniques are likely to prove effective in gaining more insight into the dynamic physical interactions between stem cells and their niche. It is thus important to develop suitable in vitro binding assays using stem cells and niche cells for assaying the role of surface receptors in mediating stem cell-niche interaction. Additionally, it will be crucial to investigate whether the adhesion molecules that are important for niche anchorage also regulate stem cell function by directly and/or indirectly participating in intracellular signaling in stem cells. The last important question to address is how adhesion molecules are regulated at both the expression and functional levels by intrinsic self-renewal factors and niche signaling.

Adhesion in the stem cell niche: biological roles and regulation Shuyi Chen, Michelle Lewallen and Ting Xie 2013 Development 140, 255-265.

Adhesion in the stem cell niche: biological roles and regulation
Shuyi Chen, Michelle Lewallen and Ting Xie
2013 Development 140, 255-265.