В отличие от плюрипотентных и высоко пролиферативных эмбриональных стволовых клеток соматические (или взрослые) стволовые клетки характеризуются ткане-специфическим расположением, он обычно медленно само-обновляются или молчат и ограничены в своем потенциале дифференцировки, часто дают специфические клоны обычно происходящие из одного из зародышевых листков. Они обычно поддерживаются в виде небольшого резервуара и представляют собой источник для пополнения и поддержания ткани особенно во время повреждения. Они присутствуют в большом разнообразии тканей, включая кишечник, мышцы, кожу, головной мозг, волосы, кровь, костный мозг и т.д. и они, по-видимому, сильно зависят от своих ниш, из которых они воспринимают сигналы, влияющие на их судьбу (Jones and Wagers, 2008). Интересно, что пути передачи сигналов, которые оперируют в разных нишах стволовых клеток сходятся на четырех основных путях (Notch, Wnt, TGFβ , b Sonic hedgehog; Lowry and Richter. 2007), указывая на общие механизмы регуляции и поддержания взрослых стволовых клеток. Наиболее замечательными из этих путей являются сигнальные пути Notch и Wnt, которые, как было показано, участвуют в преждевременном старении (Espada et al.. 2008: Scaffidi and Misteli. 2008).
Favreau et al. (2004) предоставили первые доказательства, что мутации в lamin A могут мешать дифференцировке мышечных предшественников. Мышиные C2G12 клетки способны к дифференцировке из миобластов в мышечные трубки, а экспрессия мутантного lamin A, содержащего мутацию, вызывающую Emery-Dreifuss muscular dystrophy, R453W сильно задерживает способность этих клеток дифференцироваться. Интересно, что избыточная экспрессия дикого типа lamin A также вызывает частичную задержку возникновения способности C2C12 клеток подвергаться дифференцировке в мышечные трубочки. Эффекты ламина lamin A на дифференцировку мышечных предшественников были установлены в линиях мышей, когорые гетерозиготны или гомозиготны по делеции в гене
Lmna. Эти мыши обнаруживают задержку кинетики дифференцировки мышечных стволовых клеток (Frock et al.. 2006). Эктопическая экспрессия или desmin или MyoD в мутантных линиях частично устраняет дефекты дифференцировки. Эффекты мутаций в lamin A были также тестированы на мышиных 3T3-L1 клетках, которые способны к дифференцировке из фибробластов в адипоциты (Boguslavsky et al.. 2006). Накопление липидов ингибируется экспрессией семейных мутаций очаговой липодистрофии R482Q или R482W, также как и избыточной экспрессией дикого типа lamin A. Роль lamin A в дифференцировке адипоцитов наблюдалась также на фибробластах, происходящих от мышей с делецией lamin A , т.к. эти клетки дифференцировались с большей готовностью в жир-содержащие клетки. Следовательно, lamin A, по-видимому, является эффективным
Figure 2. A model for mesenchymal stem cell dysfunction in HGPS. In wild-type mesenchymal stem cells (MSC; left), Notch signaling, which operates through the cleavable and nuclear-penetrating Notch intracellular domain (NICD), is active at basal levels, resulting in basal expression of Notch downstream targets, including Hesl, Hes3, Hes5, Heyl, Hey2, and TLE1. In Hutchison-Gilford progeria syndrome (HGPS), Notch signaling is increased in mesenchymal stem cells (right), leading to an increase in the expression of Notch pathway genes and to perturbed differentiation, including increased osteogenesis and decreased adipogenesis. INM, inner nuclear membrane.
ингибитором дифференцировки адипоцитов. Итак, эти результаты подчеркивают связь между ламинами, особенно lamin A и соматическими стволовыми клетками и демонстрируют, что мутации в lamin A вызывают дисфункцию соматических стволовых клеток.
The progeria-stem cell connection
Первый намек, что прогерия может быть связана с функционированием стволовых клеток был высказан Hofer et al. (2005), когда была предположена связь между аберрантным функционированием теломер и ускоренным старением при прогероидных симптомах: ими было высказано предположение, что fingernail атрофия и седые волосы, наблюдаемые у пациентов с прогерией, также как и при нормальном старении являются результатом истощения стволовых клеток, вызываемым укорочением теломер, которое усиливается при некоторых прогероидных синдромах. Эта идея далее была развита Gotzmann and Foisner (2006), которые предложили регенерационную модель, согласно которой дегенерация тканей при прогерии вызывается дефектами само-обновления мезенхимных стволовых клеток. Эта модель объясняет специфичность тканевой дегенерации, т.к большинство затрагиваемых тканей при прогероидных синдромах являются мезенхимного происхождения (Hennekam, 2006). Halaschek-Wiener and Brooks-Wilson (2007) поддержали это мнение, предположив, что дефицит lamin A, который делает ядра ломкими, ведет к повышению клеточной гибели. Ткане-специфичные стволовые клетки, которые необходимы для восполнения поврежденной ткани, не могут обеспечить потребностей и это приводит к ускорению процесса дегенерации ткани. Сходным образом, Gotzmann and Foisner (2006) подтвердили, что дифференциальный эффект, наблюдаемый в разных тканях является результатом регенеративного потенциала и/или скорости клеточной гибели, а, следовательно, HGPS пациенты не д. страдать, напр., от повреждений головного мозга. Однако привлекательность этой идеи не была проверена экспериментально.
Дальнейшая информация о связи между стволовыми клетками и прогерией получена в двух исследованиях Seaffidi and Misteli (2008) и Espada et al. (2008). Хотя эти две группы изучали разные системы (т.e.клеточные линии или мыши), индуцированные разные мутации (т.e.. укороченный lamin A в противовес Zmpste24-/-), и разные ниши (мезенхима vs. волосяные фолликулы), и концентрировались на разных сигнальных путях (т.e., Notch vs. Wnt) оба исследования продемонстрировали впервые. что прогерия и связанные с возрастом ядерные дефекты напрямую связаны с дисфункцией стволовых клеток. в
Для изучения молекулярных механизмов, с помощью которых укороченная форма lamin A (progerin/LAΔ 50) вызывает прогероидные фенотипы, Seaffidi and Misteli (2008) готовили стабильные клеточные линии, несущие индуцируемые формы или GFP-progerin/LAΔ50 или GFP-дикого типа lamin A и сравнивали профили генной экспрессии после индукции трансгена. Они обнаружили бросающуюся в глаза активацию передачи сигналов Notch в клетках, экспрессирующих progerin/LAΔ50. Курьезно, но этот эффект оказался ограниченным нижестоящими мишенями пути Notch и, по-видимому, индуцировался с помощью Notch ко-активаторного, взаимодействующего со Ski, белка, который теряет свою власть в progerinated ядерной ламине, освобождая её от осуществления позитивной регуляции своих генов мишеней Hes1/3 и 5. Hey1 и 2, и TLE1 внутри ядра (Fig. 2). Т.к. путь Notch является главным регулятором поддержания и предопределения стволовых клеток и т.к. основной тканью, затрагиваемой при прогерии являются ткани мезенхимного происхождения, то Seaffidi and Misteli (2008) обратились к мезенхимным стволовым клеткам людей, которым они вводили их ранее приготовленные GFP-progerin/ LAΔ50 или GFP-дикого типа lamin A трансгены. Помимо индукции пути Notch мезенхимные стволовые клетки отвечали на progerin/LAΔ50 спорадической, ненаправленной дифференцировкой во всех трех зародышевых листках. Направленная дифференцировка мезенхимных стволовых клеток, экспрессирующих progerin/ LAΔ50 демонстрировала усиление остеогенеза, ингибирование адипогенеза и не затронутый хондрогенез подобно тому, что авт. наблюдали, когда они активировали путь Notch, используя конституитивно активный Notch внутриклеточный домен. Итак. эти результаты демонстрируют участие регуляции мезенхимных стволовых клеток в патологии HGPS посредством нарушенной передачи сигналов Notch (Fig. 2). в
Espada et al. (2008) исследовали вопрос участия регуляции стволовых клеток в прогерии. используя Zmpste24-/- мышей. которые обладали связанными с возрастом дефектами ядерной ламины и прогероид-подобными симптомами (Pendas et al., 2002). Они сфокусировались на хорошо охарактеризованной нише стволовых клеток, bulge клетках волосяного фолликула, где они обнаружили повышенные количества резидентных стволовых клеток со сниженным пролиферативным потенциалом, сопровождаемым накоплением не подвергшегося процессингу pre-lamin A, и измененной ядерной архитектурой. в
Espada et al. (2008) затем исследовали эффекты истощения Zmpste24 на способность к дифференцировке стволовых клеток волосяного фолликула. Они использовали или tetradecanoylphorbol 13-acetate, агент, способствующий опухолям, который, как известно, индуцирует как пролиферацию. так и дифференцировку стволовых клеток волосяного фолликула, или кальциевый шок. В отличие от дефектов дифференцировки, наблюдаемых в мезенхимных стволовых клетках, экспрессирующих progerin/LAΔ50, дифференцировка bulge стволовых клеток в отсутствие Zmpste24, выоглядела нормальной после воздействия Ca2+ или tetradecanoylphorbol 13-acetate. Наконец, авт. исследовали возможные дефекты в сигнальных путях, которые, как известно, регулируют пролиферацию стволовых клеток. Они установили почти полное отсутствие как транскрипционно активной формы β -catenine, хорошо известного регулятора пути Wnt и Mitf, который как известно, связывает β-catenin и регулирует стволовые клетки меланоцитов. Wnt путь, как было установлено, является мастером регулятором само-обновления- стволовых клеток и раковых (Reya and Clevers, 2005) и исследовался интенсивно в хорошо охарактеризованных нишах для стволовых клеток, включая кишечник, кровь, головной мозг и эпидермис, где он обычно обеспечивает пролиферацию стволовых клеток (Lowry and Richter. 2007). Следовательно, уменьшение эпидермальных стволовых клеток у Zmpste24-/- мышей скорее всего результат отсутствия передачи сигналов Wnt в этих клетках. У Zmpste24-/- Lmna-/- мышей не происходит накопления pre-lamin A и все из аберрантных фенотипов на клеточном и организменном уровне нормализуются, подтверждая тем самым, что аномалии сигнальных путей и дисфункция стволовых клеток обеспечиваются дефектами pre-lamin A и/или дефектами ядерной ламины, это прямо связывает генетику и фенотип болезни с функцией стволовых клеток.
Эти два комплементарных исследования (Espada et al., 2008; Scaffidi and Misteli. 2008) показали. что как врожденные пути, оперирующие в мезенхимных стволовых клетках, так и передача сигналов от ниш в волосяном фолликуле могут затрагивать функцию стволовых клеток и вносить вклад в фенотип старения. Даже более, чем обеспечение прямой связи между прогерией и стволовыми клетками эти исследования кроме того предполагают, что одна и та же порча регуляции стволовых клеток происходит и при обычном старении, хотя и в меньшей степени. Подтверждение этой идеи получено, исходя из факта, что progerin/LAΔ50 присутствует у здоровых индивидов на низких уровнях и накапливается в старости (Scaffidi and Misteli. 2006; Cao et aL 2007) и что lamin A существенно уменьшается в старых гематопоэтических стволовых клетках (Chambers et al., 2007), которые также обнаруживают зависимое от возраста накопление повреждений ДНК (Rossi et al.. 2007). Кроме того, недавние исследования продемонстрировали нарушение передачи сигналов Wnt во время старения, затрагивая регуляцию и судьбы стволовых клеток в мышцах (Brack et al.. 2007), коже и кишечнике (Liu et al., 2007).
Остается посмотреть, почему различные мутации lamin A вызывают такие разнообразные эффекты на мезенхимные стволовые клетки и стволовые клетки волосяных фолликулов, тогда как способность к дифференцировке др. не мезенхимных стволовых клеток изменяется при прогерии, роль, которую Notch, Wnt и др. сигнальные пути играют в до нишах стволовых клеток и могут ли наблюдаемые фенотипы при HGPS на самом деле вызываться отсутствием восполнения ткани в результате дисфункции стволовых клеток. Базируясь на установленной связи между прогерией и регуляцией стволовых клеток, такие вопросы могут быть разрешены.
Espada. J.. I. Varela. I. Flores. A.P. Ugalde, J. Cadiflanos. A.M. Pcndis. C.L. Stewart. K. Vryggvason, M.A. Blasco. J MP. Freije. and C. Lope/.-Otin. 2()0*S. Nuclear envelope defects cause stem cell dysfunction in premature-aging mice. 1.81:27-35.
Scaffidi P., Meiteli T. 2008. Lamin A-dependet misregulation of adult stem cells associated with accelerated agening. Nat. Cell Biol., doi:10.1038/ncb1708
Сайт создан в системе
uCoz
Figure 1. Processing of lamin A in normal and HGPS cells. (A) A photograph of a 3.5-yr-old HGPS patient with a classic HGPS mutation (photo courtesy of The Progeria Research Foundation). (B, left) The process of maturation of pre-lamin A. The first three steps are common to all CAAX proteins, including all B-type lamins. Inhibition of the second or third steps results in toxic lamin A accumulation, causing HGPS, restricted dermopathy (RD), or mandibuloacral dysplasia (MAD). The fourth step involves cleavage of 15 amino acids away from the terminal cysteine by Zmpste24. (right) The processing of pre-lamin A in the most common HGPS mutation, which deletes amino acids 607-656 (progefro/LAA.50), including the second cleavage site of lamin A by Zmpsfe24. The scheme in B was modified from Mattout et al. (2006).