Трансдифференцировка - Transdifferentiation

Трансдифференцировка , также известная как перепрограммирование клонов , представляет собой искусственный процесс, в котором одна зрелая соматическая клетка трансформируется в другую зрелую соматическую клетку, не подвергаясь промежуточному плюрипотентному состоянию или типу клеток-предшественников. Это тип метаплазии , который включает переключение всех клеточных судеб, включая взаимное преобразование стволовых клеток. Текущее использование трансдифференцировки включает моделирование заболеваний и открытие лекарств, а в будущем может включать генную терапию и регенеративную медицину . Термин «трансдифференцировка» был первоначально введен Селманом и Кафатосом в 1974 году для описания изменения свойств клеток, когда клетки, продуцирующие кутикулу, стали секретирующими соль клетками шелковой моли, претерпевающими метаморфоз .

Открытие

Davis et al. 1987 сообщил о первом случае (видении) трансдифференцировки, когда клетка перешла от одного взрослого типа клетки к другому. Было обнаружено, что принуждения эмбриональных фибробластов мыши к экспрессии MyoD достаточно для превращения этих клеток в миобласты .

Натуральные примеры

Единственные известные случаи, когда взрослые клетки изменяются напрямую от одной линии к другой, происходят у видов Turritopsis dohrnii ( также известного как бессмертная медуза) и Turritopsis Nutricula ( простейшего, который делает бессмертную медузу бессмертной). Скорее, клетки дедифференцируются, а затем повторно дифференцируются в интересующий тип клеток. У тритонов при удалении хрусталика пигментированные эпителиальные клетки де-дифференцируются, а затем повторно дифференцируются в клетки хрусталика. Винченцо Колуччи описал это явление в 1891 году, а Густав Вольф описал то же самое в 1894 году; приоритетный вопрос рассматривается в Голландии (2021 г.). В поджелудочной железе было продемонстрировано, что альфа-клетки могут спонтанно переключать судьбу и трансдифференцироваться в бета-клетки как в островках поджелудочной железы человека и мыши, так и у здоровых и больных диабетом . Хотя ранее считалось, что клетки пищевода возникли в результате трансдифференцировки гладкомышечных клеток, это оказалось ложным.

Индуцированные и терапевтические примеры

Первый пример функциональной трансдифференцировки был предоставлен Ferber et al. индуцируя изменение судьбы клеток печени и превращая их в клетки, подобные бета-клеткам поджелудочной железы . Клетки индуцировали широкий, функциональный и длительный процесс трансдифференцировки, который уменьшал эффекты гипергликемии у мышей с диабетом. Более того, было обнаружено, что транс-дифференцированные бета-подобные клетки устойчивы к аутоиммунной атаке, которая характерна для диабета 1 типа .

Второй шаг заключался в трансдифференцировке на человеческих образцах. Путем трансдукции клеток печени одним геном Sapir et al. смогли индуцировать трансдифференцировку клеток печени человека в бета-клетки человека.

Этот подход был продемонстрирован на тканях мышей, крыс, ксенопусов и человека (Al-Hasani et al., 2013).

Схематическая модель процесса трансдифференцировки гепатоцитов в бета-клетки. Гепатоциты получают путем биопсии печени у пациента с диабетом, культивируют и размножают ex vivo , трансдуцируют вирусом PDX1 , трансдифференцируют в функциональные бета-клетки, продуцирующие инсулин , и трансплантируют обратно пациенту.

Клетки гранулезы и теки в яичниках взрослых самок мышей могут трансдифференцироваться в клетки Сертоли и Лейдига посредством индуцированного нокаута гена FOXL2 . Точно так же клетки Сертоли в семенниках взрослых самцов мышей могут трансдифференцироваться в клетки гранулезы посредством индуцированного нокаута гена DMRT1 .

Методы

Поучительный подход к родам

В этом подходе факторы транскрипции из клеток-предшественников типа клетки -мишени трансфицируются в соматическую клетку для индукции трансдифференцировки. Существует два разных способа определения факторов транскрипции: начиная с большого пула и сужая факторы один за другим, или начиная с одного или двух и добавляя больше. Одна теория, объясняющая точную специфику, заключается в том, что эктопические транскрипционные факторы направляют клетку в более раннее состояние-предшественник, а затем перенаправляют ее к новому типу клеток. Перестройка структуры хроматина посредством метилирования ДНК или модификации гистонов также может играть роль. Вот список примеров в пробирке и в естественных условиях примеров . В способах трансфекции конкретных клеток мыши in vivo используются те же типы векторов, что и в экспериментах in vitro , за исключением того, что вектор вводится в конкретный орган. Чжоу и др. (2008) вводили Ngn3, Pdx1 и Mafa в дорсальную долю селезенки (поджелудочную железу) мышей, чтобы перепрограммировать экзокринные клетки поджелудочной железы в β-клетки с целью уменьшения гипергликемии.

Подход к фазе начальной эпигенетической активации

Соматические клетки сначала временно трансфицируют плюрипотентными факторами репрограммирования ( Oct4 , Sox2 , Nanog и т. Д.) Перед трансфекцией желаемыми ингибирующими или активирующими факторами. Вот список примеров in vitro .

Фармакологические агенты

Ингибитор метилирования ДНК, 5-азацитидин, также известен тем, что способствует фенотипической трансдифференцировке сердечных клеток в скелетные миобласты.

При раке предстательной железы лечение с помощью терапии, направленной на рецепторы андрогенов, вызывает нейроэндокринную трансдифференцировку у части пациентов. Для этих пациентов не существует стандарта ухода, и тем, у кого диагностирована вызванная лечением неруоэндокринная карцинома, обычно лечат паллиативно.

Механизм действия

Факторы транскрипции служат кратковременным триггером необратимого процесса. Трансдифференцировка клеток печени наблюдалась через 8 месяцев после однократной инъекции pdx1.

Факторы эктопической транскрипции выключают репертуар экспрессии генов хозяина в каждой из клеток. Однако альтернативный желаемый репертуар включается только в субпопуляции предрасположенных клеток. Несмотря на массивную дедифференцировку - подход отслеживания клонов действительно демонстрирует, что трансдифференцировка происходит во взрослых клетках.

Алгоритм Mogrify

Определение уникального набора клеточных факторов, которым необходимо манипулировать для каждого преобразования клетки, - это долгий и дорогостоящий процесс, который требует большого количества проб и ошибок. В результате этот первый шаг по определению ключевого набора клеточных факторов для преобразования клеток является основным препятствием, с которым сталкиваются исследователи в области перепрограммирования клеток. Международная группа исследователей разработала алгоритм под названием Mogrify (1), который может предсказать оптимальный набор клеточных факторов, необходимых для преобразования одного типа клеток человека в другой. При тестировании Mogrify смог точно предсказать набор клеточных факторов, необходимых для ранее опубликованных преобразований клеток. Чтобы еще больше подтвердить предсказательную способность Могрифи, команда провела в лаборатории два новых преобразования клеток с использованием человеческих клеток, и обе попытки оказались успешными, используя исключительно предсказания Могрифи. Mogrify стал доступен в Интернете для других исследователей и ученых.

Проблемы

Оценка

При исследовании трансдифференцированных клеток важно искать маркеры типа клеток-мишеней и отсутствие маркеров донорских клеток, что может быть выполнено с использованием зеленого флуоресцентного белка или иммунодетекции. Также важно изучить профили функции клеток, эпигенома , транскриптома и протеома . Клетки также можно оценивать на основе их способности интегрироваться в соответствующую ткань in vivo и функционально заменять ее естественный аналог. В одном исследовании трансдифференциация фибробластов кончика хвоста в гепатоцитоподобные клетки с использованием факторов транскрипции Gata4 , Hnf1α и Foxa3 и инактивация p19 (Arf) восстановили гепатоцитоподобные функции печени только у половины мышей с использованием выживаемости в качестве средства оценки.

Переход от мышиных клеток к человеческим

Обычно трансдифференцировка, происходящая в клетках мыши, не влияет на эффективность или скорость в клетках человека. Pang et al. обнаружили, что в то время как факторы транскрипции Ascl1 , Brn2 и Myt1l превращали мышиные клетки в зрелые нейроны, тот же набор факторов превращал только человеческие клетки в незрелые нейроны. Однако добавление NeuroD1 позволило повысить эффективность и помочь клеткам достичь зрелости.

Порядок экспрессии фактора транскрипции

Порядок экспрессии факторов транскрипции может определять судьбу клетки. Ивасаки и др. (2006) показали, что в гемопоэтических клонах время экспрессии Gata-2 и (C / EBPalpha) может изменяться независимо от того, могут ли лимфоид-коммитированные предшественники дифференцироваться в предшественников гранулоцитов / моноцитов , эозинофилов , базофилов или бипотентных предшественников базофилов / тучных клеток. родословные.

Иммуногенность

Было обнаружено , индуцированные плюрипотентные стволовые клетки , которые при введении мышей, иммунная система synergeic мыши отклонила тератомы , образующие. Частично это может быть связано с тем, что иммунная система распознала эпигенетические маркеры конкретных последовательностей инъецированных клеток. Однако при инъекции эмбриональных стволовых клеток иммунный ответ был намного ниже. Будет ли это происходить в трансдифференцированных клетках, еще предстоит исследовать.

Метод трансфекции

Для осуществления трансфекции можно использовать интегрирующие вирусные векторы, такие как лентивирусы или ретровирусы , неинтегрирующие векторы, такие как вирусы Сендай или аденовирусы , микроРНК и множество других методов, включая использование белков и плазмид ; одним из примеров является невирусная доставка плазмид, кодирующих фактор транскрипции, с полимерным носителем, чтобы вызвать нейрональную трансдифференцировку фибробластов. Когда чужеродные молекулы попадают в клетки, необходимо учитывать возможные недостатки и потенциал, чтобы вызвать рост опухоли. Интегрируемые вирусные векторы могут вызывать мутации при вставке в геном. Один из способов обойти это - вырезать вирусный вектор после того, как произошло перепрограммирование, примером является рекомбинация Cre-Lox. Неинтегрирующие векторы имеют другие проблемы, касающиеся эффективности перепрограммирования, а также удаления вектора. Другие методы являются относительно новыми областями, и многое еще предстоит открыть.

Плюрипотентное перепрограммирование

  • Были обнаружены почти все факторы, которые репрограммируют клетки до плюрипотентности и могут превращать самые разные клетки обратно в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) . Однако многие факторы перепрограммирования, которые могут изменить клон клетки, не были обнаружены, и эти факторы применимы только к этому конкретному клону.
  • Конечные продукты трансдифференцированных клеток можно использовать для клинических исследований, но ИПСК необходимо дифференцировать.
  • Возможно, в будущем станет возможным использовать трансдифференцировку in vivo, тогда как плюрипотентное перепрограммирование может вызвать тератомы in vivo.
  • Трансдифференцированные клетки потребуют сброса меньшего количества эпигенетических меток, тогда как плюрипотентное репрограммирование требует удаления почти всех, что может стать проблемой во время повторной дифференцировки.
  • Трансдифференцировка направлена ​​на перемещение между сходными клонами, тогда как плюрипотентное репрограммирование имеет неограниченный потенциал.
  • Плюрипотентные клетки способны к самообновлению и часто проходят через множество клеточных пассажей, что увеличивает вероятность накопления мутаций. Культура клеток также может отдавать предпочтение клеткам, которые адаптированы для выживания в этих условиях, а не внутри организма. Трансдифференцировка требует меньшего количества пассажей клеток и снижает вероятность мутаций.
  • Трансдифференцировка также может быть намного более эффективной, чем репрограммирование плюрипотентности, из-за того, что в последнем процессе задействован дополнительный этап.
  • И плюрипотентные, и трансдифференцированные клетки используют взрослые клетки, поэтому стартовые клетки очень доступны, тогда как человеческие эмбриональные стволовые клетки требуют, чтобы человек преодолевал юридические лазейки и углублялся в мораль дебатов об исследованиях стволовых клеток.

Смотрите также

использованная литература