Перепрограммирование
Стирание и ремоделирование эпигенетических меток в ходе развития млекопитающих или в культуре клеток

В биологии перепрограммирование относится к стиранию и ремоделированию эпигенетических меток, таких как метилирование ДНК , во время развития млекопитающих или в клеточной культуре. [1] Такой контроль также часто связан с альтернативными ковалентными модификациями гистонов .

Перепрограммирование, которое является как масштабным (от 10% до 100% эпигенетических меток), так и быстрым (от нескольких часов до нескольких дней), происходит на трех стадиях жизни млекопитающих. Почти 100% эпигенетических меток перепрограммируются в два коротких периода на ранних стадиях развития после оплодотворения яйцеклетки спермой . Кроме того , почти 10% метилирования ДНК в нейронах гиппокампа могут быстро изменяться во время формирования сильной памяти о страхе .

После оплодотворения у млекопитающих паттерны метилирования ДНК в значительной степени стираются, а затем восстанавливаются во время раннего эмбрионального развития. Почти все метилирования от родителей стираются, сначала во время раннего эмбриогенеза , а затем снова во время гаметогенеза , при этом деметилирование и реметилирование происходят каждый раз. Деметилирование во время раннего эмбриогенеза происходит в предимплантационный период. После того, как сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку , образуя зиготу , происходит быстрое деметилирование отцовской ДНК и более медленное деметилирование материнской ДНК до образования морулы , которая почти не имеет метилирования. После формирования бластоцисты может начаться метилирование, а с образованием эпибласта затем происходит волна метилирования до стадии имплантации эмбриона. Другой период быстрого и почти полного деметилирования происходит во время гаметогенеза в первичных половых клетках (ПЗК). За исключением ПЗК, на стадии после имплантации паттерны метилирования в соматических клетках являются стадиально- и тканеспецифичными , с изменениями, которые предположительно определяют каждый отдельный тип клеток и сохраняются стабильно в течение длительного времени. [2]

Эмбриональное развитие

Временная шкала метилирования ДНК в геноме мыши . Красный: женская зародышевая линия ; синий: мужская зародышевая линия; серый: соматическая клеточная линия; PGCs: первичные зародышевые клетки ; ICM: внутренняя клеточная масса .

Геном спермы мыши на 80–90% метилирован в своих CpG-сайтах в ДНК, что составляет около 20 миллионов метилированных сайтов. [ требуется ссылка ] После оплодотворения отцовская хромосома почти полностью деметилируется в течение шести часов в результате активного процесса перед репликацией ДНК (синяя линия на рисунке). В зрелом ооците около 40% ее CpG-сайтов метилированы. Деметилирование материнской хромосомы в значительной степени происходит за счет блокирования действия метилирующих ферментов на ДНК материнского происхождения и разбавления метилированной материнской ДНК во время репликации (красная линия на рисунке). Морула (на стадии 16 клеток) имеет лишь небольшое количество метилированной ДНК (черная линия на рисунке). Метилирование начинает увеличиваться на 3,5 день после оплодотворения в бластоцисте , а затем большая волна метилирования происходит на 4,5–5,5 день в эпибласте , увеличиваясь от 12% до 62% метилирования и достигая максимального уровня после имплантации в матку. [3] К седьмому дню после оплодотворения вновь образованные примордиальные половые клетки (ПЗК) в имплантированном эмбрионе отделяются от оставшихся соматических клеток . В этот момент ПЗК имеют примерно такой же уровень метилирования, как и соматические клетки.

Вновь образованные первичные половые клетки (ПЗК) в имплантированном эмбрионе происходят от соматических клеток. На этом этапе ПЗК имеют высокий уровень метилирования. Эти клетки мигрируют из эпибласта в сторону гонадного гребня . Теперь клетки быстро пролиферируют и начинают деметилирование в две волны. В первой волне деметилирование происходит путем репликативного разбавления, но во второй волне деметилирование происходит путем активного процесса. Вторая волна приводит к деметилированию определенных локусов . На этом этапе геномы ПЗК демонстрируют самые низкие уровни метилирования ДНК среди всех клеток за весь жизненный цикл [на 13,5-й день эмбрионального развития (E13.5), см. второй рисунок в этом разделе]. [4]

Динамика метилирования ДНК во время эмбрионального развития мыши

После оплодотворения некоторые клетки новообразованного эмбриона мигрируют в зародышевый гребень и в конечном итоге станут зародышевыми клетками (сперматозоидами и ооцитами) следующего поколения. Из-за явления геномного импринтинга материнские и отцовские геномы маркируются по-разному и должны быть правильно перепрограммированы каждый раз, когда они проходят через зародышевую линию. Поэтому в процессе гаметогенеза первичные зародышевые клетки должны иметь свои исходные двуродительские паттерны метилирования ДНК , стертые и восстановленные на основе пола передающего родителя.

После оплодотворения отцовский и материнский геномы деметилируются, чтобы стереть их эпигенетические подписи и приобрести тотипотентность . В этот момент наблюдается асимметрия: мужской пронуклеус подвергается быстрому и активному деметилированию. Между тем, женский пронуклеус пассивно деметилируется во время последовательных клеточных делений. Процесс деметилирования ДНК включает в себя репарацию эксцизии оснований и, вероятно, другие механизмы, основанные на репарации ДНК. [5] Несмотря на глобальный характер этого процесса, существуют определенные последовательности, которые его избегают, такие как дифференциально метилированные области (DMRS), связанные с импринтированными генами, ретротранспозонами и центромерным гетерохроматином . Реметилирование необходимо снова, чтобы дифференцировать эмбрион в полноценный организм. [6]

Было показано, что манипуляции in vitro с эмбрионами до имплантации нарушают паттерны метилирования в импринтированных локусах [7] и играют решающую роль в клонированных животных. [8]

Обучение и память

Области мозга, участвующие в формировании памяти

Обучение и память имеют уровни постоянства, отличающиеся от других психических процессов, таких как мышление, язык и сознание, которые по своей природе временны. Обучение и память могут накапливаться либо медленно (таблицы умножения), либо быстро (прикосновение к горячей плите), но однажды достигнутые, могут быть вызваны для сознательного использования в течение длительного времени. Крысы, подвергнутые одному случаю контекстного обусловливания страха, создают особенно сильную долговременную память. Через 24 часа после обучения было обнаружено, что 9,17% генов в геномах крыс нейронов гиппокампа были дифференциально метилированы . Это включало более 2000 дифференциально метилированных генов через 24 часа после обучения, причем более 500 генов были деметилированы. [9] Область гиппокампа мозга - это место, где сначала хранятся контекстные воспоминания страха (см. рисунок мозга, этот раздел), но это хранение является временным и не остается в гиппокампе. У крыс контекстуальное условно-рефлекторное страха отменяется, когда гиппокамп подвергается гиппокампэктомии всего через 1 день после обусловливания, но крысы сохраняют значительное количество контекстуального страха, когда между временем обусловливания и временем гиппокампэктомии проходит длительная задержка (28 дней). [10]

Молекулярные стадии

Для перепрограммирования метилома ДНК требуются три молекулярные стадии . Стадия 1: Набор. Ферменты, необходимые для перепрограммирования, набираются в участки генома, требующие деметилирования или метилирования. Стадия 2: Реализация. Происходят начальные ферментативные реакции. В случае метилирования это короткий шаг, который приводит к метилированию цитозина в 5 -метилцитозин . Стадия 3: Репарация ДНК с вырезанием оснований . Промежуточные продукты деметилирования катализируются специфическими ферментами пути репарации ДНК с вырезанием оснований, которые в конечном итоге восстанавливают цистозин в последовательности ДНК.

Деметилирование 5-метилцитозина. Деметилирование 5-метилцитозина (5mC) в ДНК нейронов. Как было рассмотрено в 2018 году, [11] в нейронах мозга 5mC окисляется диоксигеназой TET с образованием 5-гидроксиметилцитозина (5hmC). На последовательных этапах фермент TET дополнительно гидроксилирует 5hmC с образованием 5-формилцитозина (5fC) и 5-карбоксилцитозина (5caC). Тимин-ДНК-гликозилаза (TDG) распознает промежуточные основания 5fC и 5caC и расщепляет гликозидную связь, в результате чего образуется апиримидиновый сайт (сайт AP). В альтернативном пути окислительного дезаминирования 5hmC может быть окислительно дезаминирован комплексом редактирования мРНК цитидиндезаминазы/аполипопротеина B (AID/APOBEC), индуцирующим активность (AID/APOBEC), с образованием 5-гидроксиметилурацила (5hmU). 5mC также может быть преобразован в тимин (Thy). 5hmU может быть расщеплен TDG, одноцепочечной селективной монофункциональной урацил-ДНК-гликозилазой 1 (SMUG1), Nei-подобной ДНК-гликозилазой 1 (NEIL1) или метил-CpG-связывающим белком 4 (MBD4). Затем сайты AP и несоответствия T:G исправляются ферментами репарации эксцизионных оснований (BER) с получением цитозина (Cyt).

Рисунок в этом разделе показывает центральные роли десяти-одиннадцати транслокационных метилцитозиндиоксигеназ (TET) в деметилировании 5-метилцитозина с образованием цитозина. [12] Как было рассмотрено в 2018 году, [12] 5mC очень часто изначально окисляется TETдиоксигеназами с образованием 5-гидроксиметилцитозина (5hmC). На последовательных этапах (см. Рисунок) ферменты TET дополнительно гидроксилируют 5hmC с образованием 5-формилцитозина (5fC) и 5-карбоксилцитозина (5caC). Тимин-ДНК-гликозилаза (TDG) распознает промежуточные основания 5fC и 5caC и вырезает гликозидную связь , в результате чего образуется апиримидиновый сайт (сайт AP). В альтернативном пути окислительного дезаминирования 5hmC может быть окислительно дезаминирован дезаминазами APOBEC (AID/APOBEC) с образованием 5-гидроксиметилурацила (5hmU) или 5mC может быть преобразован в тимин (Thy). 5hmU может быть расщеплен TDG, SMUG1 , NEIL1 или MBD4 . Затем сайты AP и несоответствия T:G восстанавливаются ферментами репарации оснований эксцизионной репарации (BER) с образованием цитозина (Cyt).

Семья ТЕТ

Изоформы ферментов TET включают по крайней мере две изоформы TET1, одну TET2 и три изоформы TET3 . [13] [14] Полноразмерная каноническая изоформа TET1, по-видимому, фактически ограничена ранними эмбрионами, эмбриональными стволовыми клетками и первичными половыми клетками (PGC). Доминирующая изоформа TET1 в большинстве соматических тканей, по крайней мере у мыши, возникает из-за использования альтернативного промотора , который приводит к короткому транскрипту и укороченному белку, обозначенному TET1s. Изоформы TET3 — это полноразмерная форма TET3FL, короткая форма сплайс-варианта TET3s и форма, которая встречается в ооцитах и ​​нейронах, обозначенная TET3o. TET3o создается путем использования альтернативного промотора и содержит дополнительный первый N-концевой экзон, кодирующий 11 аминокислот . TET3o встречается только в ооцитах и ​​нейронах и не был выражен в эмбриональных стволовых клетках или в любом другом типе клеток или взрослой мышиной ткани, которая была протестирована. В то время как экспрессия TET1 едва обнаруживается в ооцитах и ​​зиготах, а TET2 выражена лишь умеренно, вариант TET3 TET3o показывает чрезвычайно высокие уровни экспрессии в ооцитах и ​​зиготах, но почти отсутствует на стадии 2 клеток. Возможно, что TET3o, высокий в нейронах, ооцитах и ​​зиготах на стадии одной клетки, является основным ферментом TET, используемым, когда в этих клетках происходят очень масштабные быстрые деметилирования.

Набор ТЕТ в ДНК

Ферменты TET не связываются специфически с 5-метилцитозином , за исключением случаев рекрутирования. Без рекрутирования или нацеливания TET1 преимущественно связывается с промоторами CG с высоким содержанием CG и островками CpG (CGI) по всему геному с помощью своего домена CXXC, который может распознавать неметилированные CGI. [15] TET2 не имеет сродства к 5-метилцитозину в ДНК. [16] Домен CXXC полноразмерного TET3, который является преобладающей формой, экспрессируемой в нейронах, наиболее прочно связывается с CpG, где C был преобразован в 5-карбоксицитозин (5caC). Однако он также связывается с неметилированными CpG . [14]

Инициирование деметилирования ДНК на сайте CpG . Во взрослых соматических клетках метилирование ДНК обычно происходит в контексте динуклеотидов CpG ( сайтов CpG ), образуя 5-метилцитозин -pG, (5mCpG). Активные формы кислорода (ROS) могут атаковать гуанин на сайте динуклеотида, образуя 8-гидрокси-2'-дезоксигуанозин (8-OHdG), и в результате получается сайт динуклеотида 5mCp-8-OHdG. Фермент репарации эксцизионной репарации оснований OGG1 нацелен на 8-OHdG и связывается с повреждением без немедленного удаления. OGG1, присутствующий на сайте 5mCp-8-OHdG, рекрутирует TET1 , а TET1 окисляет 5mC, прилегающий к 8-OHdG. Это инициирует деметилирование 5mC [17] , как показано на предыдущем рисунке.

Для того, чтобы фермент TET инициировал деметилирование, он должен сначала быть привлечен к метилированному сайту CpG в ДНК. Два из белков, которые, как показано, привлекают фермент TET к метилированному цитозину в ДНК, — это OGG1 (см. рисунок Инициирование деметилирования ДНК) [17] и EGR1 . [18]

ОГГ1

Оксогуанингликозилаза (OGG1) катализирует первый шаг в восстановлении эксцизионной репарации основания окислительно поврежденного основания 8-OHdG . OGG1 находит 8-OHdG, скользя вдоль линейной ДНК на 1000 пар оснований ДНК за 0,1 секунды. [19] OGG1 очень быстро находит 8-OHdG. Белки OGG1 связываются с окислительно поврежденной ДНК со временем полумаксимума около 6 секунд. [20] Когда OGG1 находит 8-OHdG, он меняет конформацию и образует комплексы с 8-OHdG в связывающем кармане OGG1. [21] OGG1 не сразу действует, чтобы удалить 8-OHdG. Половина максимального удаления 8-OHdG занимает около 30 минут в клетках HeLa in vitro , [22] или около 11 минут в печени облученных мышей. [23] Окисление ДНК активными формами кислорода преимущественно происходит в гуанине в метилированном сайте CpG из-за пониженного потенциала ионизации оснований гуанина, смежных с 5-метилцитозином. [24] TET1 связывается (привлекается) к OGG1, связанному с 8-OHdG (см. рисунок). [17] Это, вероятно, позволяет TET1 деметилировать смежный метилированный цитозин. Когда эпителиальные клетки молочной железы человека (MCF-10A) обрабатывали H 2 O 2 , 8-OHdG увеличивался в ДНК в 3,5 раза, и это вызывало крупномасштабное деметилирование 5-метилцитозина примерно до 20% от его исходного уровня в ДНК. [17]

ЕГР1

Ген белка раннего роста 1 ( EGR1 ) является немедленным ранним геном (IEG). Определяющей характеристикой IEG является быстрое и временное повышение — в течение нескольких минут — их уровней мРНК независимо от синтеза белка. [25] EGR1 может быстро индуцироваться нейронной активностью. [26] Во взрослом возрасте EGR1 широко экспрессируется по всему мозгу, поддерживая базовые уровни экспрессии в нескольких ключевых областях мозга, включая медиальную префронтальную кору , полосатое тело , гиппокамп и миндалевидное тело . [25] Эта экспрессия связана с контролем познания, эмоциональной реакции, социального поведения и чувствительности к вознаграждению. [25] EGR1 связывается с ДНК на участках с мотивами 5′-GCGTGGGCG-3′ и 5'-GCGGGGGCGG-3′, и эти мотивы встречаются в основном в промоторных областях генов. [26] Короткая изоформа TET1s экспрессируется в мозге. EGR1 и TET1s образуют комплекс, опосредованный C-концевыми областями обоих белков, независимо от ассоциации с ДНК. [26] EGR1 привлекает TET1s в геномные области, фланкирующие сайты связывания EGR1. [26] В присутствии EGR1 TET1s способен к локус-специфическому деметилированию и активации экспрессии нижестоящих генов, регулируемых EGR1. [26]

История

Первым человеком, успешно продемонстрировавшим перепрограммирование, был Джон Гердон , который в 1962 году продемонстрировал, что дифференцированные соматические клетки могут быть перепрограммированы обратно в эмбриональное состояние, когда ему удалось получить плавающих головастиков после переноса дифференцированных эпителиальных клеток кишечника в энуклеированные яйца лягушки. [27] За это достижение он получил Нобелевскую премию по медицине 2012 года вместе с Шинья Яманакой . [28] Яманака был первым, кто продемонстрировал (в 2006 году), что этот процесс переноса ядра соматической клетки или перепрограммирования на основе ооцитов (см. ниже), который открыл Гердон, может быть воспроизведен (у мышей) определенными факторами ( Oct4 , Sox2 , Klf4 и c-Myc ) для генерации индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC). [29] Также использовались другие комбинации генов, включая LIN25 [30] и гомеобоксный белок NANOG . [30] [31]

Фазы перепрограммирования

С открытием того, что судьба клетки может быть изменена, вопрос о том, какая последовательность событий происходит, означает, что клетка подвергается перепрограммированию. Поскольку конечный продукт перепрограммирования iPSC был схож по морфологии , пролиферации, экспрессии генов , плюрипотентности и активности теломеразы , генетические и морфологические маркеры использовались как способ определения того, какая фаза перепрограммирования происходила. [32] Перепрограммирование определяется тремя фазами: инициация, созревание и стабилизация. [33]

Инициация

Фаза инициации связана с подавлением генов, специфичных для типа клеток, и повышением регуляции генов плюрипотентности. [33] По мере того, как клетки движутся к плюрипотентности, активность теломеразы реактивируется для удлинения теломер . Морфология клетки может напрямую влиять на процесс перепрограммирования, поскольку клетка модифицирует себя, чтобы подготовиться к экспрессии генов плюрипотентности. [34] Основным показателем того, что фаза инициации завершена, является то, что экспрессируются первые гены, связанные с плюрипотентностью. Это включает экспрессию Oct-4 или гомеобоксного белка NANOG , при этом происходит мезенхимально-эпителиальный переход (MET), а также потеря апоптоза и старения . [35]

Если клетка напрямую перепрограммируется из одной соматической клетки в другую, гены, связанные с каждым типом клеток, начинают соответственно активироваться и подавляться. [33] Это может произойти либо посредством прямого перепрограммирования клеток, либо посредством создания промежуточного звена, такого как iPSC, и дифференциации в желаемый тип клеток. [35]

Фаза инициации завершается одним из трех путей: переносом ядра , слиянием клеток или определенными факторами ( микроРНК , факторами транскрипции , эпигенетическими маркерами и другими малыми молекулами). [30] [35]

Перенос ядра соматической клетки

Перенос ядра соматической клетки . Ядро соматической клетки переносится в ооцит, у которого удалено исходное ядро. [36] Этот ооцит возьмет генетический материал из соматической клетки и разделится на тотипотентную клетку. [35] Создано с помощью BioRender.com

Ооцит может перепрограммировать взрослое ядро ​​в эмбриональное состояние после переноса ядра соматической клетки , так что из такой клетки может развиться новый организм. [36]

Перепрограммирование отличается от развития соматического эпитипа [37], поскольку соматические эпитипы потенциально могут быть изменены после того, как организм покинул стадию развития жизни. [38] Во время переноса ядра соматической клетки ооцит выключает тканеспецифические гены в ядре соматической клетки и снова включает эмбриональные специфические гены. Этот процесс был продемонстрирован с помощью клонирования, как это было показано на примере Джона Гердона с головастиками [27] и овечки Долли [39] . Примечательно, что эти события показали, что судьба клетки является обратимым процессом.

Слияние клеток

Слияние клеток . Две клетки могут быть слиты вместе и иметь общую ядерную ДНК, создавая гетерокарион , который затем может иметь слияние нуклеазы, создавая гибрид. [35] Создано с помощью BioRender.com

[35] Слияние клеток используется для создания многоядерной клетки, называемой гетерокарионом . [35] Слитые клетки позволяют генам, которые в противном случае были бы подавлены, реактивироваться и стать экспрессивными. По мере реактивации генов клетки могут повторно дифференцироваться. Существуют случаи, когда транскрипционные факторы, такие как факторы Яманаки, все еще необходимы для помощи в перепрограммировании гетерокарионных клеток. [40]

Определенные факторы

Определенные факторы. Добавление микроРНК , фактора транскрипции , эпигенетических маркеров и других малых молекул или их комбинации может вызвать клеточное перепрограммирование, вызывая экспрессию других генов. [30] [35] Создано с помощью BioRender.com

В отличие от переноса ядра и слияния клеток, определенные факторы не требуют полного генома, только факторы перепрограммирования. Эти факторы перепрограммирования включают микроРНК , фактор транскрипции , эпигенетические маркеры и другие малые молекулы. [35] Первоначальные факторы транскрипции, которые приводят к развитию iPSC, открытые Яманакой, включают Oct4 , Sox2 , Klf4 и c-Myc (факторы OSKM). [29] [32] Хотя было показано, что факторы OSKM индуцируют и способствуют плюрипотентности, другие факторы транскрипции, такие как гомеобоксный белок NANOG , [41] LIN25, [30] TRA-1-60, [41] и C/EBPα [42], способствуют эффективности перепрограммирования. Использование микроРНК и других процессов, управляемых малыми молекулами, использовалось как средство повышения эффективности дифференциации соматических клеток в плюрипотентные. [35]

Созревание

Фаза созревания начинается в конце фазы инициации, когда экспрессируются первые плюрипотентные гены. [33] Клетка готовится стать независимой от определенных факторов, которые начали процесс перепрограммирования. Первыми генами, которые будут обнаружены в iPSC, являются Oct4 , гомеобоксный белок NANOG и Esrrb, а затем Sox2 . [35] На более поздних стадиях созревания подавление трансгена знаменует начало того, что клетка становится независимой от индуцированного фактора транскрипции . Как только клетка становится независимой, фаза созревания заканчивается и начинается фаза стабилизации.

Поскольку эффективность перепрограммирования оказалась изменчивым и малоэффективным процессом, не все клетки завершают фазу созревания и достигают плюрипотентности . [42] Некоторые клетки, которые подвергаются перепрограммированию, все еще остаются в состоянии апоптоза в начале стадии созревания из-за окислительного стресса, вызванного стрессами изменения экспрессии генов. Использование микроРНК , белков и различных комбинаций факторов OSKM начало приводить к более высокой скорости эффективности перепрограммирования.

Стабилизация

Фаза стабилизации относится к процессам в клетке, которые происходят после того, как клетка достигает плюрипотентности . Одним из генетических маркеров является экспрессия Sox2 и реактивация X-хромосомы , в то время как эпигенетические изменения включают теломеразу, удлиняющую теломеры [30] и потерю эпигенетической памяти клетки. [33] Эпигенетическая память клетки сбрасывается изменениями в метилировании ДНК, [43] с использованием индуцируемых активацией цитидиндезаминазы (AID), ферментов TET (TET) и ДНК-метилтрансферазы (DMNTs), начиная с фазы созревания и до стадии стабилизации. [33] После того, как эпигенетическая память клетки теряется, достигается возможность дифференциации в три зародышевых слоя. [32] Это считается полностью перепрограммированной клеткой, поскольку ее можно пассировать без возврата к исходному типу соматических клеток. [35]

В системах культивирования клеток

Стволовые клетки определяются как недифференцированные клетки, которые могут дифференцироваться в три зародышевых слоя . Способность к самообновлению посредством теломеразы , удлиняющей теломеры хромосом , позволяет поддерживать популяцию стволовых клеток на постоянном уровне. По мере пассирования индуцированных плюрипотентных стволовых клеток эпигенетическая память клеток уменьшается, и клетки постепенно хотят дифференцироваться в любой тип клеток, а не в исходный соматический тип клеток. [33]

Перепрограммирование также может быть вызвано искусственно путем введения экзогенных факторов, обычно факторов транскрипции . В этом контексте это часто относится к созданию индуцированных плюрипотентных стволовых клеток из зрелых клеток, таких как взрослые фибробласты . Это позволяет производить стволовые клетки для биомедицинских исследований , таких как исследования терапии стволовыми клетками , без использования эмбрионов. Это осуществляется путем трансфекции генов, связанных со стволовыми клетками, в зрелые клетки с использованием вирусных векторов, таких как ретровирусы .

Факторы транскрипции

Один из первых трансактивных факторов, обнаруженных для изменения клетки, был обнаружен в миобласте, когда комплементарная ДНК (кДНК), кодирующая MyoD, была экспрессирована и превратила фибробласт в миобласт. Другим трансактивным фактором, который напрямую трансформировал лимфоидную клетку в миелоидную, был C/EBPα. MyoD и C/EBPα являются примерами небольшого числа отдельных факторов, которые могут трансформировать клетки. Чаще всего комбинация факторов транскрипции работает совместно для перепрограммирования клетки.

ОСКМ

Факторы OSKM ( Oct4 , Sox2 , Klf4 и c-Myc ) были первоначально обнаружены Яманакой в ​​2006 году путем индукции мышиного фибробласта в индуцированную плюрипотентную стволовую клетку (iPSC). [29] В течение следующего года эти факторы были использованы для индукции человеческих фибробластов в iPSC. [32]

Oct4 является частью основных регуляторных генов, необходимых для плюрипотентности, поскольку он наблюдается как в эмбриональных стволовых клетках, так и в опухолях. [44] Использование Oct4 даже в небольших количествах позволяет начать дифференциацию в плюрипотентность. Oct4 предположительно работает с Sox2 для экспрессии FGF4 , что может помочь в дифференциации.

Sox2 — это ген, используемый для поддержания плюрипотентности в стволовых клетках. Oct4 и Sox2 работают вместе, регулируя сотни генов, используемых в плюрипотентности. [44] Однако Sox2 — не единственный возможный член семейства Sox, который может участвовать в регуляции генов с Oct4 —  в этом также участвуют Sox4 , Sox11 и Sox15 , поскольку белок Sox избыточно присутствует во всем геноме стволовых клеток .

Klf4 — это фактор транскрипции, используемый в пролиферации , дифференциации , апоптозе и перепрограммировании соматических клеток . При использовании в клеточном перепрограммировании Klf4 предотвращает деление поврежденных клеток, используя свою апоптотическую способность, и способствует активности ацетилтрансферазы гистонов . [32]

c-Myc также известен как онкоген и при определенных условиях может стать причиной рака. [45] В клеточном перепрограммировании c-Myc используется для прогрессирования клеточного цикла , апоптоза и клеточной трансформации для дальнейшей дифференциации.

НАНОГ

Гомеобоксный белок NANOG (NANOG) — это фактор транскрипции, используемый для повышения эффективности генерации iPSC путем поддержания плюрипотентности [46] и подавления факторов детерминации клеток . [47] NANOG работает, способствуя доступности хроматина посредством репрессии гистоновых маркеров, таких как H3K27me3 . NANOG способствует привлечению Oct4 , Sox2 и Esrrb, используемых в транскрипции , а также привлекает ген-1, связанный с Brahma (BRG1), для доступности хроматина .

C/EBPα

CEBPA является широко используемым фактором при перепрограммировании клеток не только в iPSC, но и в другие клетки. C/EBPα показал себя как единственный трансактный фактор во время прямого перепрограммирования лимфоидной клетки в миелоидную клетку. [42] C/EBPα считается «разрушителем пути», помогающим подготовить клетку к приему факторов OSKM и определенным событиям транскрипции. [41] Также было показано, что C/EBPα повышает эффективность событий перепрограммирования. [33]

Изменчивость

Свойства клеток, полученных после перепрограммирования, могут значительно различаться, в частности, среди iPSC. [48] Факторы, приводящие к изменению эффективности перепрограммирования и функциональных характеристик конечных продуктов, включают генетический фон, источник ткани, стехиометрию фактора перепрограммирования и стрессоры, связанные с культурой клеток. [48]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Reik W, Dean W, Walter J (август 2001 г.). «Эпигенетическое перепрограммирование в развитии млекопитающих». Science (обзор). 293 (5532): 1089–1093. doi :10.1126/science.1063443. PMID  11498579. S2CID  17089710.
  2. ^ Cedar H, Bergman Y (июль 2012 г.). «Программирование паттернов метилирования ДНК». Annual Review of Biochemistry . 81 : 97–117. doi :10.1146/annurev-biochem-052610-091920. PMID  22404632.
  3. ^ Auclair G, Guibert S, Bender A, Weber M (2014). «Онтогенез метилирования CpG-островков и специфичность метилтрансфераз DNMT3 во время эмбрионального развития мыши». Genome Biology . 15 (12): 545. doi : 10.1186/s13059-014-0545-5 . PMC 4295324. PMID  25476147 . 
  4. ^ Zeng Y, Chen T (март 2019). «Репрограммирование метилирования ДНК во время развития млекопитающих». Genes . 10 (4): 257. doi : 10.3390/genes10040257 . PMC 6523607 . PMID  30934924. 
  5. ^ Ladstätter S, Tachibana-Konwalski K (декабрь 2016 г.). «Механизм наблюдения обеспечивает восстановление повреждений ДНК во время зиготического перепрограммирования». Cell . 167 (7): 1774–1787.e13. doi :10.1016/j.cell.2016.11.009. PMC 5161750 . PMID  27916276. 
  6. ^ Seisenberger S, Peat JR, Hore TA, Santos F, Dean W, Reik W (январь 2013 г.). «Перепрограммирование метилирования ДНК в жизненном цикле млекопитающих: создание и преодоление эпигенетических барьеров». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences . 368 (1609): 20110330. doi :10.1098/rstb.2011.0330. PMC 3539359. PMID  23166394 . 
  7. ^ Mann MR, Chung YG, Nolen LD, Verona RI, Latham KE, Bartolomei MS (сентябрь 2003 г.). «Нарушение метилирования и экспрессии импринтированных генов в клонированных эмбрионах мышей на преимплантационной стадии». Biology of Reproduction . 69 (3): 902–914. doi : 10.1095/biolreprod.103.017293 . PMID  12748125.
  8. ^ Wrenzycki C, Niemann H (декабрь 2003 г.). «Эпигенетическое перепрограммирование в раннем эмбриональном развитии: эффекты производства in vitro и соматического переноса ядра». Обзор. Reproductive Biomedicine Online . 7 (6): 649–656. doi : 10.1016/s1472-6483(10)62087-1 . PMID  14748963.
  9. ^ Duke CG, Kennedy AJ, Gavin CF, Day JJ, Sweatt JD (июль 2017 г.). «Эпигеномная реорганизация гиппокампа, зависящая от опыта». Learning & Memory . 24 (7): 278–288. doi :10.1101/lm.045112.117. PMC 5473107. PMID  28620075 . 
  10. ^ Ким Дж. Дж., Юнг М. В. (2006). «Нейронные цепи и механизмы, участвующие в павловском условном рефлексе страха: критический обзор». Neuroscience and Biobehavioral Reviews . 30 (2): 188–202. doi :10.1016/j.neubiorev.2005.06.005. PMC 4342048. PMID  16120461 . 
  11. ^ Bayraktar G, Kreutz MR (2018). «Роль зависимого от активности деметилирования ДНК во взрослом мозге и при неврологических расстройствах». Frontiers in Molecular Neuroscience . 11 : 169. doi : 10.3389/fnmol.2018.00169 . PMC 5975432. PMID  29875631. 
  12. ^ ab Bayraktar G, Kreutz MR (2018). «Роль зависимого от активности деметилирования ДНК во взрослом мозге и при неврологических расстройствах». Frontiers in Molecular Neuroscience . 11 : 169. doi : 10.3389/fnmol.2018.00169 . PMC 5975432. PMID  29875631 . 
  13. ^ Jin SG, Zhang ZM, Dunwell TL, Harter MR, Wu X, Johnson J, et al. (Январь 2016). «Tet3 считывает 5-карбоксилцитозин через свой домен CXXC и является потенциальным защитником от нейродегенерации». Cell Reports . 14 (3): 493–505. doi :10.1016/j.celrep.2015.12.044. PMC 4731272 . PMID  26774490. 
  14. ^ ab Melamed P, Yosefzon Y, David C, Tsukerman A, Pnueli L (2018). "Tet-ферменты, варианты и дифференциальные эффекты на функцию". Frontiers in Cell and Developmental Biology . 6 : 22. doi : 10.3389/fcell.2018.00022 . PMC 5844914. PMID  29556496 . 
  15. ^ Zhang W, Xia W, Wang Q, Towers AJ, Chen J, Gao R и др. (декабрь 2016 г.). «Изоформный переключатель TET1 регулирует деметилирование ДНК и развитие мышей». Molecular Cell . 64 (6): 1062–1073. doi : 10.1016/j.molcel.2016.10.030 . PMID  27916660.
  16. ^ Deplus R, Delatte B, Schwinn MK, Defrance M, Méndez J, Murphy N и др. (март 2013 г.). «TET2 и TET3 регулируют GlcNAcylation и метилирование H3K4 через OGT и SET1/COMPASS». Журнал EMBO . 32 (5): 645–655. doi :10.1038/emboj.2012.357. PMC 3590984. PMID  23353889 . 
  17. ^ abcd Zhou X, Zhuang Z, Wang W, He L, Wu H, Cao Y и др. (сентябрь 2016 г.). «OGG1 необходим при деметилировании ДНК, вызванном окислительным стрессом». Cellular Signalling . 28 (9): 1163–1171. doi :10.1016/j.cellsig.2016.05.021. PMID  27251462.
  18. ^ Sun Z, Xu X, He J, Murray A, Sun MA, Wei X и др. (август 2019 г.). «EGR1 рекрутирует TET1 для формирования метилома мозга во время развития и при нейронной активности». Nature Communications . 10 (1): 3892. Bibcode :2019NatCo..10.3892S. doi : 10.1038/s41467-019-11905-3 . PMC 6715719 . PMID  31467272. 
  19. ^ Blainey PC, van Oijen AM, Banerjee A, Verdine GL, Xie XS (апрель 2006 г.). «Белок репарации ДНК с вырезанием оснований находит внутриспиральные основания повреждений, быстро скользя в контакте с ДНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (15): 5752–5757. Bibcode : 2006PNAS..103.5752B. doi : 10.1073/pnas.0509723103 . PMC 1458645. PMID  16585517 . 
  20. ^ Abdou I, Poirier GG, Hendzel MJ, Weinfeld M (январь 2015 г.). «ДНК-лигаза III действует как датчик разрыва цепи ДНК в клеточном управлении восстановлением разрыва цепи ДНК». Nucleic Acids Research . 43 (2): 875–892. doi :10.1093/nar/gku1307. PMC 4333375. PMID  25539916 . 
  21. ^ van der Kemp PA, Charbonnier JB, Audebert M, Boiteux S (2004). «Каталитические и ДНК-связывающие свойства человеческой ДНК N-гликозилазы/AP-лиазы Ogg1: биохимическое исследование H270, Q315 и F319, трех аминокислот 8-оксогуанин-связывающего кармана». Nucleic Acids Research . 32 (2): 570–578. doi :10.1093/nar/gkh224. PMC 373348. PMID  14752045 . 
  22. ^ Lan L, Nakajima S, Oohata Y, Takao M, Okano S, Masutani M и др. (сентябрь 2004 г.). «In situ анализ процессов восстановления окислительных повреждений ДНК в клетках млекопитающих». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (38): 13738–13743. Bibcode : 2004PNAS..10113738L. doi : 10.1073/pnas.0406048101 . PMC 518826. PMID  15365186 . 
  23. ^ Hamilton ML, Guo Z, Fuller CD, Van Remmen H, Ward WF, Austad SN и др. (май 2001 г.). «Надежная оценка уровней 8-оксо-2-дезоксигуанозина в ядерной и митохондриальной ДНК с использованием метода иодида натрия для выделения ДНК». Nucleic Acids Research . 29 (10): 2117–2126. doi :10.1093/nar/29.10.2117. PMC 55450. PMID  11353081 . 
  24. ^ Ming X, Matter B, Song M, Veliath E, Shanley R, Jones R, Tretyakova N (март 2014). «Картирование структурно определенных продуктов окисления гуанина вдоль дуплексов ДНК: влияние локального контекста последовательности и эндогенного метилирования цитозина». Журнал Американского химического общества . 136 (11): 4223–4235. doi :10.1021/ja411636j. PMC 3985951. PMID 24571128  . 
  25. ^ abc Duclot F, Kabbaj M (2017). "Роль раннего ответа роста 1 (EGR1) в пластичности мозга и нейропсихиатрических расстройствах". Frontiers in Behavioral Neuroscience . 11 : 35. doi : 10.3389/fnbeh.2017.00035 . PMC 5337695. PMID  28321184 . 
  26. ^ abcde Sun Z, Xu X, He J, Murray A, Sun MA, Wei X и др. (август 2019 г.). «EGR1 рекрутирует TET1 для формирования метилома мозга во время развития и при нейронной активности». Nature Communications . 10 (1): 3892. Bibcode :2019NatCo..10.3892S. doi :10.1038/s41467-019-11905-3. PMC 6715719 . PMID  31467272. 
  27. ^ ab Gurdon JB (декабрь 1962 г.). «Способность к развитию ядер, взятых из клеток эпителия кишечника кормящихся головастиков». Журнал эмбриологии и экспериментальной морфологии . 10 : 622–640. PMID  13951335.
  28. ^ "Нобелевская премия по физиологии и медицине – Пресс-релиз 2012 года". Nobel Media AB. 8 октября 2012 г.
  29. ^ abc Takahashi K, Yamanaka S (август 2006 г.). «Индукция плюрипотентных стволовых клеток из культур эмбриональных и взрослых фибробластов мыши с помощью определенных факторов» (PDF) . Cell . 126 (4): 663–676. doi :10.1016/j.cell.2006.07.024. PMID  16904174. S2CID  1565219.
  30. ^ abcdef de Magalhães JP, Ocampo A (июнь 2022 г.). «Клеточное перепрограммирование и рост биотехнологий омоложения» (PDF) . Тенденции в биотехнологии . 40 (6): 639–642. doi :10.1016/j.tibtech.2022.01.011. PMID  35190201. S2CID  246990346.
  31. ^ Saygin D, Tabib T, Bittar HE, Valenzi E, Sembrat J, Chan SY и др. (2007-12-06). "Транскрипционное профилирование популяций клеток легких при идиопатической легочной артериальной гипертензии". Легочное кровообращение . 10 (1). doi :10.1038/stemcells.2007.124. PMC 7052475. PMID  32166015 . 
  32. ^ abcde Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, Narita M, Ichisaka T, Tomoda K, Yamanaka S (ноябрь 2007 г.). «Индукция плюрипотентных стволовых клеток из взрослых человеческих фибробластов определенными факторами». Cell . 131 (5): 861–872. doi :10.1016/j.cell.2007.11.019. hdl : 2433/49782 . PMID  18035408. S2CID  8531539.
  33. ^ abcdefgh Дэвид Л., Поло Дж. М. (май 2014 г.). «Фазы перепрограммирования». Stem Cell Research . 12 (3): 754–761. doi : 10.1016/j.scr.2014.03.007 . PMID  24735951. S2CID  31759309.
  34. ^ Downing TL, Soto J, Morez C, Houssin T, Fritz A, Yuan F и др. (декабрь 2013 г.). «Биофизическая регуляция эпигенетического состояния и перепрограммирование клеток». Nature Materials . 12 (12): 1154–1162. Bibcode :2013NatMa..12.1154D. doi :10.1038/nmat3777. PMC 9675045 . PMID  24141451. 
  35. ^ abcdefghijkl Пирес CF, Роза FF, Курочкин I, Перейра CF (2019-12-11). «Понимание и модуляция иммунитета с помощью перепрограммирования клеток». Frontiers in Immunology . 10 : 2809. doi : 10.3389/fimmu.2019.02809 . PMC 917620. PMID  31921109 . 
  36. ^ ab Hochedlinger K, Jaenisch R (июнь 2006 г.). «Ядерное перепрограммирование и плюрипотентность». Nature . 441 (7097): 1061–1067. Bibcode :2006Natur.441.1061H. doi :10.1038/nature04955. PMID  16810240. S2CID  4304218.
  37. ^ Saygin D, Tabib T, Bittar HE, Valenzi E, Sembrat J, Chan SY и др. (2006). «Транскрипционное профилирование популяций клеток легких при идиопатической легочной артериальной гипертензии». Легочное кровообращение . 10 (1): 976. doi : 10.1038/nrn2022-c1 . PMC 7052475. PMID  32166015 . 
  38. ^ Mathers JC (июнь 2006 г.). «Пищевая модуляция старения: геномные и эпигенетические подходы». Механизмы старения и развития . 127 (6): 584–589. doi :10.1016/j.mad.2006.01.018. PMID  16513160. S2CID  9187848.
  39. ^ Wilmut I, Schnieke AE, McWhir J, Kind AJ, Campbell KH (февраль 1997 г.). «Жизнеспособное потомство, полученное из клеток плода и взрослого млекопитающего». Nature . 385 (6619): 810–813. Bibcode :1997Natur.385..810W. doi :10.1038/385810a0. PMID  9039911.
  40. ^ Pereira CF, Terranova R, Ryan NK, Santos J, Morris KJ, Cui W и др. (сентябрь 2008 г.). Roopenian DC (ред.). «Для перепрограммирования В-лимфоцитов человека на основе гетерокарионов для достижения плюрипотентности требуется Oct4, но не Sox2». PLOS Genetics . 4 (9): e1000170. doi : 10.1371/journal.pgen.1000170 . PMC 2527997 . PMID  18773085. 
  41. ^ abc Буэно С, Сардина Дж.Л., Ди Стефано Б., Ромеро-Мойя Д., Муньос-Лопес А., Ариса Л. и др. (март 2016 г.). «Перепрограммирование В-клеток человека в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки и его усиление с помощью C/EBPα». Лейкемия . 30 (3): 674–682. дои : 10.1038/leu.2015.294. hdl : 10651/43469 . PMID  26500142. S2CID  508334.
  42. ^ abc Шривастава Д., ДеВитт Н. (сентябрь 2016 г.). «In Vivo Cellular Reprogramming: The Next Generation». Cell . 166 (6): 1386–1396. doi :10.1016/j.cell.2016.08.055. PMC 6234007 . PMID  27610565. 
  43. ^ Polo JM, Anderssen E, Walsh RM, Schwarz BA, Nefzger CM, Lim SM и др. (декабрь 2012 г.). «Молекулярная дорожная карта перепрограммирования соматических клеток в iPS-клетки». Cell . 151 (7): 1617–1632. doi :10.1016/j.cell.2012.11.039. PMC 3608203 . PMID  23260147. 
  44. ^ ab Rizzino A (декабрь 2009 г.). «Sox2 и Oct-3/4: универсальная пара главных регуляторов, которые организуют самообновление и плюрипотентность эмбриональных стволовых клеток». Wiley Interdisciplinary Reviews. Systems Biology and Medicine . 1 (2): 228–236. doi :10.1002/wsbm.12. PMC 2794141. PMID 20016762  . 
  45. ^ Домингес-Сола Д., Ин CY, Грандори К., Руджеро Л., Чен Б., Ли М. и др. (июль 2007 г.). «Нетранскрипционный контроль репликации ДНК с помощью c-Myc». Nature . 448 (7152): 445–451. Bibcode :2007Natur.448..445D. doi :10.1038/nature05953. PMID  17597761. S2CID  4422771.
  46. ^ Zaehres H, Lensch MW, Daheron L, Stewart SA, Itskovitz-Eldor J, Daley GQ (март 2005 г.). «Высокоэффективная интерференция РНК в эмбриональных стволовых клетках человека». Stem Cells . 23 (3): 299–305. doi : 10.1634/stemcells.2004-0252 . PMID  15749924. S2CID  1395518.
  47. ^ Heurtier V, Owens N, Gonzalez I, Mueller F, Proux C, Mornico D и др. (март 2019 г.). «Молекулярная логика самообновления эмбриональных стволовых клеток мыши, индуцированного Nanog». Nature Communications . 10 (1): 1109. Bibcode :2019NatCo..10.1109H. doi :10.1038/s41467-019-09041-z. PMC 6406003 . PMID  30846691. 
  48. ^ ab Paull D, Sevilla A, Zhou H, Hahn AK, Kim H, Napolitano C, et al. (сентябрь 2015 г.). «Автоматизированное, высокопроизводительное выведение, характеристика и дифференциация индуцированных плюрипотентных стволовых клеток». Nature Methods . 12 (9): 885–892. doi :10.1038/nmeth.3507. PMID  26237226. S2CID  9889991.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Перепрограммирование&oldid=1217575063"