Генетична регуляція диференціювання стовбурових клітин тонкої кишки

З стовбурових клітин відбуваються чотири популяції клітин тонкої кишки. При використанні різних підходів встановлено, що ключову роль в диференціюванні окремих клітинних популяцій грає сигнальний шлях Notch. Надекспресія Notch супроводжується зникненням келихоподібних, ентероендокрінние клітин і клітин Панета при одночасному збільшенні популяції проліферуючих клітин. Сигнальний шлях Notch активує Hes-1 і пригнічує фактори Math1 і ngn3, що підтверджує його роль в диференціюванні клітин.

зміна сигнального шляху Notch за рахунок виключення проміжних ключових ланок цього шляху супроводжується гіперплазією келихоподібних клітин шляхом проліферації клітин-попередників. Аналогічно застосування розчинних інгібіторів у-секретази, гальмують активацію сигнального шляху Notch, поєднується зі збільшенням кількості келихоподібних клітин в тонкій кишці. Крім того, виявлено, що в розвивається кишці під впливом факторів Notch відбувається оборотна зупинка процесу морфогенезу, що супроводжується істотним зменшенням кількості клітин-попередників.

У той же час в дорослому організмі чинники Notch впливають на клітини, не зачіпаючи процес морфогенезу. Встановлено також роль таких чинників, як Math1, Hes-1 і ngn3, які є мішенями сигнального шляху Notch. Вимкнення Math1, фактора транскрипції, що грає велику роль в диференціюванні нервових клітин, супроводжується зникненням клітин Панета, келихоподібних і ентероендокрінние клітин, при цьому зберігаються тільки каймисті або стовпчасті ентероцита.

Таким чином, Mathl являє собою основний фактор, необхідний для формування популяції секреторних клітин. Припускають, що Mathl пригнічується експресією іншого чинника транскрипції - Hes-1, який зникає в популяції секреторних клітин, але продовжує вироблятися на ранніх стадіях розвитку Каемчатая ентероцитів. У лабораторних мишей при нокауті гена Hes-1 виявлено збільшення кількості ендокринних клітин як в кишці, так і в підшлунковій залозі. Даний факт свідчить про те, що Hes-1 являє собою інгібітор популяції ендокринних клітин. Клітини-попередники секреторною популяції спочатку виробляють як Math1, так і фактор транскрипції Gfi1.

Згодом відбувається формування двох клітинних популяцій - ентероендокрінние клітин, експрессірующіх Gfi1 і ngn3, і клітинної лінії, з якої в подальшому утворюються клітини Панета і келихоподібних клітини, що продукують Math1 при одночасній блокування продукції Gfi1. Таким чином, відповідно до сучасних уявлень сигнальний шлях Notch, діючи між суміжними клітинами, збільшує експресію фактора Hes. У свою чергу, збільшення фактора Hes супроводжується пригніченням експресії Math1, що призводить до трансформації клітин в каймисті ентероцита. У клітинах з низькою експресією Hes посилюється продукція Math1, результатом чого є формування популяції секреторних клітин.

ентероендокрінние клітини характеризуються експресією Gfi1, але продукція Gfi1 припиняється в клітинної популяції, що дає початок клітинам Панета і келихоподібних клітин. Фактор Hes-1 також необхідний для утворення ентероендокрінние клітин шлунка і підшлункової залози, як і для освіти ентероендокрінние клітин тонкої кишки. Фактор KLF4 потрібен для формування келихоподібних клітин товстої кишки, але його присутність не потрібно в процесі розвитку аналогічної клітинної популяції тонкої кишки. На противагу селективної абляції популяції клітин шлунка видалення клітин Панета в тонкій кишці не впливає на інші клітинні лінії тонкої кишки.

В одному з недавно опублікованих, що представляють інтерес спостережень наводиться опис хворого з важким ентероколіт, супроводжується достовірно встановленим відсутністю клітин Панета, келихоподібних і ентероендокрінние клітин. Зазначене спостереження має разючу подібність з моделлю трансгенних мишей з делецией фактора Math1, у яких також були відсутні всі три зазначені клітинні популяції. Молекулярна основа дефекту, виявленого у пацієнта, встановлено не було.

Наслідком унітарної гіпотези походження епітеліальних клітин стало припущення, що крипти містять проміжні клітини, які не до кінця коммітірованних в одну конкретну клітинну популяцію. Нейрогеніна-3 необхідний для процесу диференціювання ендокринних клітин кишки. У мишей з нокаутом ngn3 в статевих клітинах не відбувається формування ендокринних клітин в підшлунковій залозі або кишці, але як і раніше утворюються ендокринні клітини шлунка. У даних мишей експресується Mathl. Це додатково свідчить про те, що Math1 впливає на ngn3. У сформованій кишці ngn3 виробляється в невеликій кількості клітин, розташованих поблизу підстави крипти, що свідчить про продукцію даного чинника на ранніх стадіях диференціювання.

Мабуть, ngn3 виробляється в стовбурових клітинах або в їхніх нащадках - проміжних клітинах-попередниках.

на підставі аналізу клітинних популяцій встановлено, що клітини-попередники диференціюються як в ендокринні, так і в що не володіють подібною функцією клітинні лінії. Зазначений факт свідчить про те, що ngn3 спочатку експресується в клітинах-попередниках, які ще не вступили в незворотний процес диференціювання в ендокринні клітини.

Блок клітинного циклу тісно пов`язаний з остаточною диференціюванням епітеліальних клітин кишки, однак механізм цього процесу залишається поки невивченим. Вироблення з-тус контролюється сигнальною системою WNT і являє собою основний фактор в процесі переходу від проліферації до диференціювання. Крім того, встановлено, що система з-тус активується в клітинах-попередниках кишки. У той же час делеция гена с-тус супроводжується тимчасовим пригніченням формування крипт, але не робить істотного впливу на подальші процеси розвитку. У дослідженнях in vitro встановлено значення двох інгібіторів клітинної проліферації - р21 і р27, проте їх селективна делеция не супроводжувалася змінами фенотипу кишки in vivo. Ймовірно, має місце тісна взаємодія численних факторів різних сімейств, і даний процес залишається предметом подальших досліджень. Пошук механізмів регуляції розвитку кишечника ускладнюється тим фактом, що диференціювання Каемчатая ентероцитів і клітин Панета може індукувати фактором Rac1 без блокування процесів проліферації.

У лабораторії, очолюваної Gordon, вивчена експресія генів в клітинах-попередниках, ізольованих за допомогою лазерних скальпеля і пінцета. В якості моделі були використані лабораторні миші, у яких видаляли клітини Панета з метою компенсаторного збільшення кількості потенційних стовбурових клітин. При спробі встановити гени, які надають найбільш істотний вплив на функцію стовбурових клітин, було виявлено велику кількість генів з підвищеною або зниженою експресією. Аналогічне дослідження було виконано відносно клітин-попередників шлунка. При дослідженні епітеліальних стовбурових клітин як тонкої кишки, так і шлунка виявлено кілька молекулярних механізмів і варіантів патернів експресії генів.

при порівнянні даних патернів з паттернами експресії, встановленими при дослідженні гемопоетичних стовбурових клітин, не вдалося виявити будь-яких загальних генів. Це може відображати об`єктивні складнощі, що виникають при порівнянні результатів різних досліджень, або свідчити про те, що стовбурові клітини в різних тканинах володіють індивідуальними унікальними особливостями. Залишається неясним, чи існує певний набір універсальних «стовбурових» генів або є унікальні варіанти експресії генів, специфічних для стовбурових клітин в кожній конкретній тканини.