Поддержание плюрипотентного статуса клеток предимплантационных эмбрионов и ЭСК обеспечивается сложной системой поверхностных белков, их молекулярных сигнальных путей и транскрипционных факторов, инициирующих или модулирующих транскрипцию генов-мишеней.
В поддержании плюрипотентности ЭСК принимают участие несколько сигнальных путей. Исследования, проведенные на ЭСК мыши, Нива с коллегами показывают, что молекулярные каскады, запускаемые LIF, интегрированы в подсистему внутренних регуляторов плюрипотентности, в которую входят гены Oct4, Sox2 и Nanog. Эта интеграция происходит благодаря двум параллельным путям: JAK-STAT3 и сигнальному пути, опосредованному фосфатидилинозитол-3-OH-киназой (PI(3)K). Оказалось, что транскрипционный фактор STAT3 активирует экспрессию фактора KLF4, который, в свою очередь, позитивно регулирует ген Sox2. В то же время сигнальный путь фосфатидилинозитол-3-OH-киназы активирует ген, кодирующий другой транскрипционный фактор – TBX3. Данный фактор, в свою очередь, активирует ген Nanog. Кроме того, LIF может активировать транспорт TBX3 за счет действия через киназу MAPK. Исследования убедительно показывают важную роль LIF-STAT3-сигнального пути в поддержании самообновления ЭСК мыши. Однако многочисленные факты говорят о том, что поддержание плюрипотентности ЭСК человека и других приматов происходит по LIF-STAT3-независимому механизму.
В суперсемейство TGFβ (transforming growth factor-β) входит большое число сигнальных молекул (в геноме человека обнаружено около 40 потенциальных белков-лигандов TGFβ). Это суперсемейство можно разделить на две большие группы активаторов. TGFβ/Activin/Nodal, активирующие транскрипцию генов транскрипционных факторов SMAD2/3 (similar to mothers against decapentaplegic homologue) посредством рецепторов ALK4, ALK5 и ALK7 и BMP (bone morphogenic protein)/GDF (growth differentiation factor) посредством рецепторов ALK1, ALK2, ALK3 и ALK6 активирующие факторы SMAD1/5. Показано, что сигнальный путь TGFβ/Activin/Nodal играет существенную роль в поддержании плюрипотентности ЭСК человека. В культурах ЭСК человека Nodal или Activin могут действовать совместно с другими белковыми факторами, например, bFGF (FGF2) или WNT при поддержании самообновления ЭСК человека. Белок Activin может активировать выработку bFGF, необходимого для поддержания самообновления ЭСК человека при культивировании клеток в отсутствие сыворотки. Оба белка, Activin и Nodal, могут быть заменены TGFβ при культивировании ЭСК человека. В недифференцированных ЭСК человека наблюдается высокая активность TGFβ/Activin/Nodal пути, направленная на активацию транскрипционных факторов SMAD2 и/или SMAD3.
Транскрипционные факторы SMAD2 и SMAD3 участвуют в активации транскрипции гена Nanog. Подавление фосфорилирования SMAD2 и SMAD3 с помощью специфических ингибиторов вызывает уменьшение уровня экспрессии генов Oct4 и Nanog. Во время дифференцировки уровень активности SMAD2 и SMAD3 падает, при этом возрастает уровень SMAD1/5/8, которые активирует BMP. Белки SMAD1/5/8 подавляют транскрипцию гена Nanog. Кроме того, действие SMAD2 и SMAD3, а также сигнальный путь, запускаемый FGF2 (bFGF), подавляет экспрессию BMP4, препятствуя спонтанной дифференцировке ЭСК человека (Greber et al., 2007). ЭСК человека экспрессируют bFGF и его рецептор. Действует bFGF через тирозинкиназные рецепторы (ERK1 и ERK2), ингибирование данного сигнального пути вызывает дифференцировку ЭСК человека. Однако полностью механизм действия bFGF на ЭСК человека пока не расшифрован.
Сигнальный путь, в котором ключевым участником является Wnt, может участвовать в краткосрочном поддержании плюрипотентного состояния ЭСК мыши и человека. Ингибирование гликогенсинтазкиназы-3, которое вызывает активацию сигнального пути Wnt, приводит к накоплению в ядрах клеток β-катенина и активации ряда генов-мишеней, при этом в клетках поддерживается экспрессия специфичных для плюрипотентных клеток генов транскрипционных факторов Oct4, Rex1 и Nanog даже в отсутствие фактора LIF. Однако позже было показано, что для стабильного поддержания самообновления ЭСК человека необходимо присутствие таких факторов, как TGFβ и bFGF, а действие Wnt сводится к усилению пролиферации.