Лекция 01 МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ В ПРОЦЕССАХ РАЗВИТИЯ ВЫСШИХ ЖИВОТНЫХ Курс лекций каф. эмбриологии СПбГУ (А. П. Перевозчиков)

Биология развития многоклеточных животных «Фундаментальная проблема биологии развития – понять (изучить) механизмы, поддерживающие стабильность сообщества дифференцированных клеток, составляющих ту или иную ткань и весь организм в целом»

Проблемы организации многоклеточных Механизмы дифференцировки клеток в онтогенезе базируются на таких понятиях как клеточная пластичность (эмбриональные полипотентные стволовые клетки) в ходе развития и трансдифференцировка (в ходе регенерации).

Проблемы организации многоклеточных Каков баланс процессов дедиференцировки и трансдифференцировки в ходе нормального развития? Как понимать процесс образования злокачественных опухолей (неоплазию)? Что такое дисдифференцировка?

Клеточная пластичность (метаплазия) не исключает механизмов трансдифференцировки

Бесполое размножение гидры (миграция маркированных клеток родительского организма) (Gilbert,2003)

Стволовые клетки и трансдифференцировка у гидры

Регенерация у гидры. Включает ли она дедифференцировку или трансдифференцировку? (T.Bosch et al.)

Клеточные линии зародыша C. elegans (Gilbert, 2003)

Клетки-основательницы клеточных линий в развитии нематоды C. elegans

Развитие из клеточных линий у нематоды

Мозаичное развитие и карта зачатков молллюсков (Ilyanassa)(Gilbert, 2003)

Регулятивное развитие млекопитающих

Спецификация клеток зародышевых листков у млекопитающих

Регулятивное развитие (плюрипотентные эмбриональные стволовые клетки)

Neuron Muscle cell Pancreatic Islet Petri Dish Stem Cells Different chemicals / molecules are added to the stem cells to make them become specific types of cells. Growth factors Chemical cues

Использование ES-клеток в целях терапии

Полученные из ES-клеток человека нейроэпителиальные клетки растут на чашках Петри и дифференцируются в нейроны (красные) и глиальные клетки (зелёные) ( эксперимент Su-Chun Zhang, lab of UW-Madison stem cell researcher and neurodevelopmental biologist)

Существование стволовых нейрональных клеток у взрослого человека (Gilbert,2003)

Мультипотентные стволовые клетки нейральной судьбы

Нервные заболевания возникают при утрате определённых клеточных типов нервной системы Повреждения головного и спинного мозга, инсульт (утрата нервных клеток и формирующих миелин олигодендроцитов). Нейродегенеративные заболевания –Болезнь Паркинсона (утрата дофамин-продуцирующих нервных клеток в головном мозге). –Болезнь Гантингтона (утрата нервных клеток в стриатуме). –Болезнь Алцгеймера (утрата нервных клеток в коре). –Рассеянный склероз (демиелинизация)). –Болезнь Лу Герига, амиотрофический боковой склероз (утрата двигательных нейронов в спинном мозге). Решение проблемы: Использование эмбриональных стволовых клеток для восстановления утраченных нейральных производных.

Лечение стволовыми клетками нарушений в нервных структурах Травмы головного и спинного мозга Инсульт Нейродегенеративые болезни –Болезнь Паркинсона –Болезнь Гентингтона –Болезнь Алцгеймера –Рассеянный склероз –Болезнь Лу Герига (АБС)

Проблемы терапевтического использования стволовых клеток взрослого организма : нет полного замещения поврежденных нервных клеток (гораздо меньше нейритов у новых нейронов и неизвестные физиологические функции) Проблемы терапевтического использования эмбриональных стволовых клеток : могут стать опухолевыми или иметь нежелательные иммунологические свойства

Образование плюрипотентных стволовых клеток под действием специфических факторов из фибробластов взрослого человека Перепрограммирование дифференцированных соматических клеток взрослого человека в плюрипотентные стволовые клетки позволит создавать клоны для замещения пораженных клеток при определенном заболевании и у определенного пациента. Ранее (Takahashi, Yamanaka, 2006) ) сообщалось о создании индуцированных плюрипотентных стволовых (iPS) клеток, воспроизводящих свойства ES-клеток мыши, из соматических клеток взрослого животного (фибробластов кончика хвоста), при переносе им активных генов четырёх определенных факторов транскрипции (Oct3/4,Sox2, Klf4 и c- Myc). В нескольких работах были получены колонии клеток со свойствами плюрипотентных стволовых клеток при переносе в культивируемые соматические клетки взрослого человека активных генов ряда факторов транскрипции (OCT4, SOX2, NANOG, LIN28 - Junying Yu et al., 2007) или другого набора таких генов (Oct3/4,Sox2, Klf4, c-Myc - Takahashi et al., 2007). Полученные стволовые клетки (iPS-клетки) проявляли все свойства ES-клеток по морфологическим характеристикам, способности к пролиферации, наличию определенных поверхностных антигенов, теломеразной активности и эпигенетическому статусу (активности генов, специфичных для плюрипотентных эмбриональных стволовых клеток. Они могли дифференцироваться в клеточные типы всех трех зародышевых листков, хотя исходно являлись фибробластами взрослого человека.

Линии плюрипотентных стволовых клеток, полученные их соматических клеток человека (iPS-клетки) Somatic cell nuclear transfer allows trans-acting factors present in the mammalian oocyte to reprogram somatic cell nuclei to an undifferentiated state. Here we show that four factors (OCT4, SOX2, NANOG, and LIN28) are sufficient to reprogram human somatic cells to pluripotent stem cells that exhibit the essential characteristics of embryonic stem cells. These human induced pluripotent stem cells have normal karyotypes,They express telomerase activity, express cell surface markers and genes that characterize human ES cells, and maintain the developmental potential to differentiate into advancedderivatives of all three primary germ layers. Such human induced pluripotent cell lines should be useful in the production of new disease models and in drug development as well as application in transplantation medicine once technical limitations (for example, mutation through viral integration) are eliminated.

Очевидная осторожность при работе с iPS-клетками. iPS-клетки in vitro формировали массу производных, но будучи трансплантированными под кожу мышам, в одном случае продуцировали тератому