Эпигенетическая регуляция плюрипотентности

Генетический контроль плюрипотентности

Ключевыми регуляторами плюрипотентности, по мнению многих исследователей, считаются Oct4, Nanog и Sox2.

Белок Oct4 относится к V классу POU (PIT, OCT, UNC), семейства транскрипционных факторов. POU-домен состоит из двух структурно независимых субдоменов: POU- специфического (N- концевой, состоящий из 75 а.о.) и POU- гомеодомена (C-концевой, 60 а.о.). Оба субдомена соединены между собой вариабельным по длине подвижным линкером (Okamoto et al., 1990). Экспрессия белка Oct4 характерна для ранних стадий эмбриогенеза человека, мыши и других млекопитающих. Ген Oct4 человека локализован в пределах главного комплекса гистосовместимости, и имеет три альтернативных варианта сплайсинга: Oct4A, Oct4B и Oct4B1, которые кодируют четыре изоформы белка - Oct4A, Oct4B-190, Oct4B-265 и Oct4B-164. Белок, кодируемый изоформой Oct4A, локализуется в ядре клетки и принимает участие в регуляции транскрипции генов, в то же время белок Oct4B локализуется в цитоплазме клеток и не способен поддерживать плюрипотентность. Интересно, что белок Oct4B-190, кодируемый Oct4B, локализуется диффузно в ядре и цитоплазме и его уровень существенно повышается в ЭСК человека в ответ на стрессовые условия, что может оказывать репрессирующее действие на процесс апоптоза. Подавление экспрессии Oct4 приводит к ранней дифференцировке ВКМ бластоцисты in vivo и ЭСК in vitro в трофэктодерму. Гиперэкспрессия этого фактора выражается в дифференцировке ЭСК в примитивные энтодерму и мезодерму. Таким образом, для поддержания плюрипотентности экспрессия Oct4 в клетках должна строго контролироваться и поддерживаться на определенном уровне. Oct4 регулирует экспрессию тканеспецифических генов, взаимодействуя с другими факторами, а именно - c FGF-4 (fibroblast growth factor-4), специфичным для ЭСК, Sox2 (high mobility group box protein Sox2). Недавно было показано, что Oct4 не только поддерживает плюрипотентность чЭСК, но и играет ключевую роль в регуляции клеточного цикла. Oct4 является негативным регулятором р21, ингибитора циклин-зависимых киназ, и снижение экспрессии Oct4 ингибирует пролиферацию чЭСК, блокируя прохождение клеточного цикла в фазе G0/G1 (Lee et al., 2010).

Белок Nanog относится к транскрипционным факторам, содержащим гомеодомен, и наиболее близок по аминокислотной последовательности и структуре к белкам семейства NK2. Экспрессия гена Nanog характерна для плюрипотентных клеток предымплантационных эмбрионов (ВКМ и эпибласта) и ЭСК мыши и человека. Подавление экспрессии Nanog в ЭСК человека вызывает дифференцировку, сопровождающуюся повышением экспрессии маркеров энтодермы (GATA4, GATA6, LAMININ B1, AFP) и трофэктодермы (CDX2, GATA2, hCG -α и hCG -β).

Транскрипционный фактор Sox2 (SRY-related HMG box) содержит ДНК-связывающий HMG (high mobility group)-домен. Экспрессия SOX2, как и Oct4, характерна для клеток ВКМ, эпибласта и герминальных клеток эмбриона. Кроме того, нормальная экспрессия гена Sox2 необходима для поддержания самообновления ЭСК мыши и человека. Подавление и сверхэкспрессия SOX2 вызывают трофэктодермальную дифференцировку ЭСК человека.

В ЭСК человека транскрипционные факторы Oct4, Nanog и Sox2 совместно регулируют 353 гена, при этом они могут выступать и как активаторы, и как репрессоры транскрипции. Было показано, что сайты посадки транскрипционных факторов Oct4, Nanog и Sox2 ассоциированы с генами, кодирующими микроРНК. В ЭСК человека сайты связывания транскрипционных факторов Oct4, Nanog и Sox2 обнаружены в промоторах 14 генов микроРНК, причем в промоторах двух генов mir-137 и mir-301 они присутствуют совместно

Эпигенетическая регуляция плюрипотентности

ЭСК обладают практически неограниченным потенциалом к самообновлению и дифференцировке в широкий спектр клеточных типов. При дифференцировке клеток происходит глобальное изменение морфологии, физиологии, скорости деления клеток и других параметров. В настоящий момент известно, что экспрессия генов жестко регулируется на эпигенетическом уровне.

Эпигенетическая регуляция включает в себя ковалентные модификации гистонов (белков, образующих нуклеосомы) и метилирование ДНК промоторных областей генов. Модификации гистонов меняют физические свойства нуклеосом, делая хроматин больше или меньше доступным для факторов, обеспечивающих транскрипцию генов. Выделяют модификации, ассоциированные с активным хроматином и активно транскрибирующимися генами, и модификации, ассоциированные с неактивным хроматином и чаще всего связанные с подавлением транскрипции. Реорганизация хроматина является неотъемлемой частью активации генетических программ, реализация которых определяет направление дифференцировки стволовых клеток как in vivo, так и in vitro.

Например, хроматин в ЭСК представлен в основном транскрипционно активным эухроматином, что подтверждается наличием большого количества ацетилированных гистонов и повышенной чувствительностью хроматина к нуклеазам. В то же время, коммитирование клеток сопровождается понижением степени ацетилирования гистонов и сопутствующим увеличением неактивного гетерохроматина. Анализ изменений организации хроматина в ЭСК демонстрирует высокую степень динамической ассоциации структурных протеинов (основных и вариабельных гистонов, линкерного гистона H1, гистона H3, а также белка, ассоциированного с гетерохроматином - HP1a) с хроматином плюрипотентных ЭСК в отличие от хроматина дифференцированных клеток. Замена гистона H1 его модификацией, имеющей более высокое сродство к ДНК, приводит к ингибированию дифференцировки ЭСК; в то время как замена гистона H3 его модификацией H3.3, являющейся маркером активной транскрипции, ускоряет дифференцировку ЭСК.

Из этого можно сделать вывод, что структурные белки хроматина в ЭСК слабо связаны с ДНК, что обеспечивает быструю реорганизацию хроматина в процессе дифференцировки. С этим согласуется тот факт, что тканеспецифичные гены в геноме ЭСК находятся в неактивном состоянии. Их активация при коммитировании ЭСК происходит очень быстро, так как в ЭСК постоянно присутствуют активные эпигенетические регуляторы. Участки ДНК в ядрах ЭСК, содержащие многие тканеспецифичные гены, образуют комплексы, с так называемыми, бивалентными структурными протеинами, состоящими из супрессорного гистона H3K27me3 и активирующего гистона H3K4me3. Это приводит к быстрому переключению транскрипционных каскадов в процессе эмбрионального развития.

Основными компонентами системы эпигенетической регуляции ЭСК являются белки группы Polycomb (PcG) . PcG образуют два независимых комплекса: PRC1 (Polycomb repressive complex) и PRC2. Мишенями для PRC являются множество генов, участвующих в дифференцировке и эмбриональном развитии.

Поиск по сайту: