Полипотентные стволовые клетки и их микроокружение

Большая часть тканей позвоночных животных состоит из дифференцированных клеток, которые не делятся. Миобласты, например, образуют быстро делящуюся популяцию клеток до тех пор. пока не объединятся в мышечные трубочки. Однако некоторые ткани, такие, как эпидермис, кишечный эпителий и клетки крови, обладают особой «эмбриональной» клеточной популяцией. В соответствии с этим их клеточный состав постоянно меняется даже у взрослых животных. Это явление наиболее наглядно можно продемонстрировать на примере эритроцитов млекопитающих: эритроцит у них лишен ядра, и продолжительность его жизни в кровяном русле у человека равна всего лишь 120 сут. В норме у человека ежедневно погибает 3·10¹¹ эритроцитов, но они замещаются таким же количеством новых (Hay, 1966). Источником непрерывного формирования новых эритроцитов (так же как и клеток крови других типов) служат кроветворные («формирующие кровь») стволовые клетки.

Стволовые клетки представляют собой загадочный и еще мало понятный феномен. От них в буквальном смысле слова зависит вся наша жизнь. Стволовая клетка — это клетка, способная к интенсивной пролиферации: она дает начало таким же стволовым клеткам (самоподдержание) и более дифференцированному потомству (Siminovitch et al., 1963). Так, одна стволовая клетка может дать начало клону, содержащему миллионы дифференцированных клеток, а также небольшому числу стволовых клеток. Тем самым стволовые клетки обеспечивают непрерывную пролиферацию клеток-предшественников тканей на протяжении длительного времени. Кроветворные стволовые клетки млекопитающих мигрируют в костный мозг, где сохраняются в течение всей жизни животного. Стволовые клетки имеются и для таких непрерывно возобновляющихся тканей, как эпидермис, а также для возобновления числа спермиев в семенниках. Некоторые стволовые клетки, например стволовые клетки скелетной мускулатуры, существуют, вероятно, в течение развития плода (Quinn et al., 1985). Представление о судьбе стволовой клетки дает рис. 6.33.

У млекопитающих и птиц имеется, по-видимому, общая полипотентная кроветворная клетка, которая может дать начало эритроцитам, гранулоцитам, макрофагам, тромбоцитам и иммунокомпетентным клеткам — лимфоцитам. Существование таких стволовых клеток было показано исследователями (Till, McCulloch, 1961), инъецировавшими клетки костного мозга облученным летальной дозой мышам той же генетической линии, что и доноры костного мозга. Некоторые из этих клеток образовали обособленные узелки (колонии) в селезенке хозяина (рис. 6.34). Результаты микроскопического исследования показали, что эти узелки содержат клетки-предшественники эритроцитов, гранулоцитов и тромбоцитов. Следовательно, единичная клетка из костного мозга способна формировать клетки крови многих различных типов. Ответственная за это клетка была названа КОЕ-с—колоние о бразующей е диницей в селезенке. В дальнейших исследованиях с использованием хромосомных маркеров было подтверждено, что различные типы клеток в пределах колонии формируются единичной КОЕ-с. В этих исследованиях клетки костного мозга облучали так, что выживали лишь немногие клетки: значительная часть их имела хромосомные аномалии, четко выявляемые при изучении с помощью светового микроскопа. Когда такие облученные клетки костного мозга инъецировали мыши, у которой собственные кроветворные клетки были разрушены, каждая клетка селезеночной колонии, будь то клетка-предшественник гранулоцита или эритроцита, имела ту же самую хромосомную аномалию (Becker et al., 1963). Важную часть концепции стволовой клетки составляет требование, в соответствии с которым стволовая клетка помимо

Рис. 6.33. Схема, иллюстрирующая динамику пролиферации и дифференцировки стволовой клетки.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

________________ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА_______________________ 213

Рис. 6.34. Изолированные колонии кроветворных клеток. Если облученной мыши инъецируют костный мол. содержащий кроветворные стволовые клетки, то на поверхности селезенки этой мыши видны отдельные колонии кроветворных клеток. В селезенке справа таких колоний больше, чем в селезенке слева. (Из Till. I98I: фотография с любезного разрешения J F. Till.)

образования дифференцированных клеточных типов должна воспроизводить также себе подобные стволовые клетки. Это обнаружено и в данном случае. Когда колонии клеток в селезенке, образовавшиеся из единственной клетки КОЕ-с, были ресуспендированы и инъецированы в другую мышь, у нее в селезенке возникли множественные колонии (Juriskovä, Tkadlecek, 1965; Humphries et al., 1979). Следовательно, мы убеждаемся в том, что единичная клетка костного мозга может формировать многочисленные разные типы клеток, а также и воспроизводить такие же, как она сама, клетки; другими словами, КОЕ-с является полипотентной стволовой кроветворной клеткой.

Из приведенных выше данных следует, что, хотя КОЕ-с может давать начало многим типам форменных элементов крови, она неспособна к образованию лимфоцитов. Этот вывод опирается на опыты, в которых было показано (Abramson et al., 1977), что КОЕ-с и лимфоциты происходят из стволовых клеток разных типов. Когда мышам, имеющим наследственный дефицит кроветворных клеток, вводили облученные клетки костного мозга, одинаковые хромосомные аномалии обнаруживались как в клетках из селезеночных колоний, так и в лимфоцитах, циркулирующих в крови. Результаты, полученные Абрамсон и ее коллегами, были подтверждены в опытах, когда мышам вместе с клетками костного мозга инъецировали определенные вирусы, которые случайным образом включались в различные участки ДНК клетки. Одни и те же гены вирусного происхождения были обнаружены в одинаковых областях генома и в лимфоцитах, и в клетках крови (Keller et al., 1985; Lemischka et al., 1986). На рис. 6.35 суммированы результаты нескольких исследований. Первой полипотентной кроветворной стволовой клеткой является КОЕ-м.л (колониеобразующая единица для миелоидного и лимфоидного ряда). Эта клетка дает начало КОЕ-с (клетки крови) и КОЕ-л (лимфоциты). КОЕ-с и КОЕ-л также представляют собой полипотентные стволовые клетки, потому что их потомство может дифференцироваться в многочисленные клеточные типы. Однако непосредственное потомство КОЕ-с представляет собой коммитированные стволовые клетки. Каждая из них помимо воспроизведения себе подобных дает начало только одному типу клеток. Например БОЕ-э (бурстообразующие клетки эритроидного ряда) формируются из КОЕ-с и могут дать только один тип клеток в дополнение к себе подобным. Эта новая клетка называется КОЕ-э (колониеобразующая единица эритроидного ряда): она способна в ответ на действие гормона эритропоэтина образовывать первую четко определяемую дифференцированную клетку этого ряда проэритробласт. Эритропоэтин является гликопротеином, который быстро индуцирует синтез глобиновой мРНК (Krantz, Goldwasser, 1965). Он синтезируется главным образом в почках, и на его синтез влияют окружающие условия. Если уровень насыщения крови кислородом снижается, увеличивается количество эритропоэтина, и это приводит к увеличению образования эритроцитов. Проэритробласт превращается в эритробласт, синтезирующий огромные количества гемоглобина. В конце концов эритробласт у млекопитающих выталкивает ядро и превращается в ретикулоцит. Ретикулоциты уже не могут синтезировать глобиновую мРНК, но способны еще транслировать имеющиеся в клетке мРНК. Конечная стадия дифференцировки проэритробласта — эритроцит. Он не делится и не синтезирует ни РНК, ни белок. Такая клетка покидает костный мозг, чтобы выполнить свою роль поставщика кислорода к тканям тела. Клетки КОЕ-л, по-видимому, развиваются сходным образом, а именно полипотентная стволовая клетка продуцирует другие стволовые клетки, каждая из которых коммитирована к дифференцировке определенного типа лимфоцитов. Так, имеются коммитированные стволовые клетки для тромбоцитов и коммитированные стволовые клетки для гранулоцитов и макрофагов.

Молекулы, влияющие на дифференцировку клеток крови, относятся к классу растворимых белков, называемых гемопоэтическими факторами роста, одним из которых является эритропоэтин. Некоторые

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

214_______________ ГЛАВА 6______________________________________________________________________________

Рис. 6.35. Схема, иллюстрирующая происхождение форменных элементов крови и лимфы у млекопитающих. Факторы роста перечислены в табл. 6. 1. за исключением ФР-В-клеток и ФД-В-клеток (соответственно факторов роста и дифференцировки B-клеток), которые обсуждаются в гл. 16. (По Quesenberry, Levin, 1979: Whetton, Dexter, 1986; Muller-Sieburg et al., 1986; Clark, Kamen, 1987.) (В четвертой и пятой строках по вертикали вместо КОФ-г, м следует читать КСФ-г.м.)

из этих факторов стимулируют деление и созревание более примитивных стволовых клеток, тем самым увеличивая число форменных элементов крови всех типов. Другие факторы являются специфичными только для определенных клеточных линий. Способность клетки реагировать на эти факторы зависит от присутствия рецепторов для них на ее поверхности. Число таких рецепторов очень мало. На поверхности КОЕ-э имеется всего лишь около 700 рецепторов для эритропоэтина; большинство других кроветворных клеток характеризуется столь же низким числом рецепторов для факторов роста. (Исключение составляют рецепторы для колониестимулирующего фактора (КСФ-1), которых может быть в некоторых клетках-предшественниках до 73 000 на клетку.) Некоторые из известных гемопоэтических факторов роста и их клеточные мишени перечислены в табл. 6.1.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

______ РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ПОЗВОНОЧНЫХ. МЕЗОДЕРМА И ЭНТОДЕРМА 215

По меньшей мере часть таких факторов синтезируется клетками стромы (фибробластами или другими элементами соединительной ткани) самого костного мозга. В строме селезенки находятся клетки. коммитированные преимущественно к развитию клеток эритроидного ряда. В костном мозге преобладают клетки, развивающиеся в гранулоциты. Было показано (Wolf, Trentin, 1968), что эти результаты обусловлены короткодистантными взаимодействиями. Исследователи помещали фрагменты костного мозга в селезенку мыши, а затем инъецировали ей стволовые клетки. Колонии клеток в селезенке были преимущественно эритроиднымн, тогда как в костном мозге — преимущественно гранулоцитарными. Клетки же в колонии, развившейся из стволовой клетки, которая оказалась у края фрагмента костного мозга, в части колонии, находившейся в селезенке, были главным образом эритроидными, а в части, находившейся в костном мозге, — преимущественно гранулоцитарными. Области детерминации КОЕ называют гемопоэтическим индуцирующим микроокружением.

Бесклеточная культуральная среда, в которой росли клетки стромы. может поддерживать рост лимфоцитов и клеток-предшественников лейкоцитов, пролиферация которых зависит от определенных факторов роста (Hunt et al., 1987; Whitlock et al., 1987). Кроме того, эти факторы могут действовать, связываясь с внеклеточным матриксом в специфических участках костного мозга. Было показано (Gordon et al., 1987), что колониестимулирующий фактор (КСФ-г, м) связывается с гликозаминогликанами стромы костного мозга. Таким способом факторы роста могут компартментализоваться, стимулируя стволовые клетки в одной области к дифференцировке в один клеточный тип, а стволовые клетки того же самого типа в другой области —кдифференцировке в клетки другого типа.