Региональные клетки. Стволовые ниши

Стволовые клетки не существуют в организме сами по себе, они находятся в определенном микроокружении, которое обычно обозначают термином ниша. В настоящее время этот термин используется для обозначения совокупности факторов, обеспечивающих жизнеспособность и самовоспроизведение стволовых клеток и дифференциацию дочерних транзиторных клеток. Среди этих факторов следует упомянуть наличие базальной мембраны, молекул внеклеточного матрикса и присутствие соседних клеток, продуцирующих факторы роста и другие регуляторные молекулы (рис. 1). Ниша активно участвует в регуляции пролиферации и дифференциации стволовых клеток, она обеспечивает самоподдержание стволовых клеток и длительное их пребывание в состоянии покоя. Стволовые клетки прочно закреплены в нише молекулами адгезии, в частности интегринами. В то же время свободные стволовые клетки могутнаходить путь в соответствующую нишу благодаря хемотаксису. Ниши являются частью структурно-функциональных единиц, из которых состоят ткани.

Ниша стволовых клеток может оставаться свободной и в дальнейшем ее могут занять новые клетки. Пустые ниши могут существовать независимо от стволовых клеток и при трансплантации в них стволовых клеток обеспечивать их нормальное функционирование.

Одно из назначений ниши в тканях взрослого организма заключается в ограничении пролиферации стволовых клеток только необходимостью поддерживать тканевой гомеостаз.

Другое назначение ниши - создание условий для максимальной защищенности стволовых клеток от внешних воздействий. Например, стволовые клетки эпителия кишечника находятся в нижней части крипт (рис. 2), в волосяном фолликуле стволовые клетки локализуются под сальной железой (рис. 3), стволовые клетки роговицы - в области лимба. Переход стволовых клеток в состояние покоя также повышает их устойчивость к внешним воздействиям.

Рис. 2. Ниши стволовых клеток, крипта тонкого кишечника: 1 - стволовые клетки; 2 - базальная мембрана; 3 - крипта; 4 - ворсинка

Рис. 3. Ниши стволовых клеток, волосяной фолликул: 1 - стволовые клетки наружного волосяного влагалища ниже сальной железы; 2 - базальная мембрана; 3 - эпидермис; 4 - волосяная луковица; 5 - сальная железа

Для самоподдержания стволовые клетки должны получать от своего микроокружения (ниши) определенные сигналы. Например, для поддержания эмбриональных стволовых клеток мыши в недифференцированном состоянии in vitro необходим фактор ингибирования лейкемии (LIF). Внутриклеточные сигналы также необходимы для поддержания неограниченной пролиферации стволовых клеток. Для поддержания плюрипотентности и предотвращения дифференциации эмбриональных стволовых клеток необходима экспрессия транскрипционного фактора Nanog.

В результате деления стволовые клетки дают начало дочерним клеткам с коротким клеточным циклом. Дочерние клетки благодаря нескольким последовательным делениям создают большой компартмент (популяцию) транзиторных клеток, которые затем превращаются в дифференцированные клетки, выполняющие специфические функции в организме. Образование большого количества дифференцированных клеток обеспечивается именно за счет размножения транзиторных клеток при малом числе делений стволовых клеток. Это позволяет уменьшить риск генетических нарушений, которые могут произойти в процессе репликации и пролиферации стволовых клеток, поскольку именно с генетическими нарушениями стволовых клеток связан неопластический рост. Генетические нарушения в транзиторных клетках представляют меньшую опасность, поскольку эти клетки, как правило, прекращают пролиферацию и дифференцируются.

Длительное время существовало убеждение, что транзиторные клетки необратимо выходят из компартмента стволовых клеток, однако постепенно стали появляться данные, свидетельствующие о том, что между стволовыми и транзиторными клетками нет резкой границы, а скорее имеется постепенный переход. После того как стволовые клетки в результате деления дают начало транзиторным клеткам, последние еще некоторое время могут сохранять свойства стволовых клеток. Поттен называет их потенциальными стволовыми клетками и считает, что в норме они относятся к транзиторной популяции, но при определенных условиях, например, гибели пред существующих стволовых клеток, могут заместить последние. Представляют интерес экспериментальные данные относительно большой пластичности транзиторных клеток. Транзиторные клетки эпителия роговицы находятся в ее центральной части и легко могут быть отделены от стволовых клеток, которые локализованы в области лимба.

Было установлено, что транзиторные клетки эпителия роговицы кролика могут быть перепрограммированы при взаимодействии с дермой эмбрионов мыши (дорсальной, верхней губы и подошвы). Полученные результаты показывают, что клетки роговицы взрослого животного отвечают на специфические стимулы эмбриональной дермы. Сначала появляется новый базальный слой клеток, в котором не экспрессируются кератины роговицы, а затем появляются пилосебацейные единицы, или потовые железы, в зависимости от типа дермы, и наконец в верхних слоях клеток появляется экспрессия кератинов эпидермального типа. Таким образом, происходит перепрограммирование клеток роговицы.

"НИШИ" СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК

Понятие "ниши" относится к важнейшим понятиям в биологии СК. Под этим термином понимают сочетание клеточного микрокружения и внеклеточного матрикса, специфичное для определенного типа СК, которое может в течение неопределенно долгого периода служить своего рода пристанищем для СК. Важно подчеркнуть, что понятие ниши подразумевает тесное, длительное и активное взаимодействие с СК. Последнее предполагает, что ниша продуцирует различные факторы, которые способствуют выживанию СК и сохранению ими недифференцированного состояния, а также контролируют их пролиферацию и дифференцировку. Выход из ниши, таким образом, связан с переходом к необратимой дифференцировке СК. Однако при этом остается неясной причинная связь между этими процессами, т.е. является ли выход СК из ниши (в том числе, и в результате деления СК, и вытеснения одной из дочерних клеток из ниши) первоначальным событием, приводящим к дифференцировке, или же, наоборот, спонтанная дифференцировка СК приводит к потере ее связи с нишей. В этой связи весьма интересна работа, в которой показано, что деление СК зародышевого пути дрозофилы происходит пространственно ориентированным образом, причем веретено деления ориентировано по направлению к клеткам ниши. Это приводит к тому, что после деления только одна из дочерних клеток остается связанной с нишей и сохраняет свойства СК, в то время как другая переходит к дифференцировке.

В этом процессе участвуют локализованные на границе СК - ниша белок клеточной адгезии DE- кадгерин и компоненты сигнального пути Wnt-АРС и Armadillo (его гомологом у позвоночных является 3-катенин).

Несмотря на вышесказанное, не следует абсолютизировать влияние ниши на СК. Хорошо известно, что под воздействием некоторых факторов связь между кроветворными СК и их нишами может временно нарушаться, что приводит к высвобождению СК в кровоток, однако впоследствии СК возвращаются на свои места, сохраняя свое состояние и функцию. Кроме того, СК продуцируют значительное число внеклеточных регуляторных молекул и, скорее всего, могут оказывать влияние на формирование и свойства своего микро окружения.