Генетическое репрограммирование соматических клеток до плюрипотентного состояния

В 1981 г. двумя группами исследователей было показано, что клетки внутренней клеточной массы (ВКМ) можно изъять из бластоцисты мыши, и в специально подобранных условиях культивирования они способны длительное время пролиферировать in vitro, оставаясь при этом плюрипотентными, то есть способными к дифференцировке во все ткани организма, исключая трофобласт (Evans, Kaufman, 1981; Martin, 1981).

Важным свойством ЭСК мыши является то, что несмотря на длительное существование в культуре in vitro они могут полностью выполнить программу эмбрионального и онтогенетического развития при помещении их обратно в бластоцисту. В химерной мыши производные ЭСК могут присутствовать во всех тканях, включая клетки зародышевого пути. Таким образом, с ЭСК мыши можно проводить генетические манипуляции in vitro, а затем получать гетерозиготных или гомозиготных мутантных мышей (Eggan et al., 2001; Misra et al., 2001). За открытие принципов введения специфических генных модификаций в организм мышей посредством эмбриональных стволовых клеток, то есть за изобретение метода нокаута генов, в 2007 г. М. Эвансу, О. Смитису и М. Капеччи (M. Evans, O. Smittis, M. Capetchi) была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине. Развитие технологий полногеномного анализа позволило достаточно точно охарактеризовать транскрипционный профиль генов, экспрессирующихся в различных специализированных клетках, в том числе и в ЭСК.

Целый ряд транскрипционных факторов оказался уникальным для плюрипотентного состояния и, скорее всего, определяли его. Экспериментально это было доказано К. Такахаши и С. Яманака, которые клонировали выбранные гены в ретровирусные векторы и инфицировали ими в различных комбинациях мышиные фибробласты.

Клетки, полученные таким образом, назвали индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК). Результаты этой работы были опубликованы в 2006 г. (Takahashi, Yamanaka, 2006), экспериментальный подход поразил многих ученых, работающих в данной области, как совершенно неожиданный, хотя предпосылки к успеху были - еще в 1987 г. Действительно, Р.Л. Дэвис и соавторы (Davis et al., 1987) показали, что трансгенная экспрессия единственного транскрипционного фактора MyoD может превратить фибробласты в клетки мышц. Получение ИПСК не требует разрушения эмбрионов, что снимает этические проблемы, связанные с применением плюрипотентных стволовых клеток в научных исследованиях и в будущем - в регенеративной медицине.

Уже через год после оригинальной публикации, в 2007 г., С. Яманака успешно получил ИПСК из фибробластов человека с использованием того же набора транскрипционных факторов Oct4, Sox2, c-Myc и Klf4 (Takahashi et al., 2007). Независимой группой Дж.А. Томсона в этом же году были получены ИПСК человека с использованием иного набора транскрипционных факторов: Oct4, Sox2, Nanog и Lin28 (Yu et al., 2007). Дальнейшие исследования продемонстрировали возможность получения ИПСК как от различных млекопитающих: крыс (Li et al., 2009a), макак-резусов (Liu et al., 2008), свиней (Kwon et al., 2013), так и из различных типов соматических клеток: кератиноцитов (Aasen et al., 2008), эндотелиальных клеток (Lagarkova et al., 2010), нейрональных клеток (Eminli et al., 2008), клеток печени и клеток желудка (Aoi et al., 2008), терминально дифференцированных лимфоцитов (Hanna et al., 2008). Эти исследования продемонстрировали универсальность процесса репрограммирования соматических клеток до плюрипотентного состояния с помощью введения в клетки генов транскрипционных факторов.

Целый ряд подходов был разработан для того, чтобы доставлять репрограммирующие факторы в соматические клетки.

клетки и/или способны выполнять функцию некоторых репрограммирющих факторов. Дальнейшее развитие этого подхода позволило в 2013 г. репрограммировать мышиные фибробласты до плюрипотентного состояния с использованием одних только малых химических молекул (Hou et al., 2013). В опубликованной несколько месяцев назад работе Дж. Ханна и коллег было показано, что при ингибировании белка MBD3, который принимает участие в моделировании хроматина, клетки мыши могут быть репрограммированы почти со 100-процентной эффективностью (Rais et al., 2013).

Эквивалентность ИПСК и ЭСК - это сложный и не разрешенный на сегодняшний день вопрос (Hanna et al., 2010).

3.