Инфа из статей:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3941237
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5487694
Ядерная технология перепрограммирования была впервые создана более 50 лет назад. Он может омолодить соматические клетки путем стирать эпигенетические памяти и реконструировать новый плюрипотентный заказ. Недавнее открытие, рассмотренное здесь, что индуцированная плюрипотентность может быть достигнута небольшим набором факторов транскрипции, открыло беспрецедентные возможности в фармацевтической промышленности, клинике и лабораториях. Эта технология позволяет нам получить доступ к патологическим исследованиям, используя специфические для пациента индуцированные плюрипотентные стволовые (iPS) клетки. Кроме того, клетки iPS также, как ожидается, будут восходящей звездой для регенеративной медицины, как источники трансплантационной терапии.
Дифференциация уже давно думал как односторонним движением, в которое клетка может быть изображен как мяч прокатки вниз через “развивающие” пейзаж из недифференцированных стволовых или прогениторных клеток состояния в физиологически зрелом состоянии, как описал Конрад Уоддингтон (рис. 1А) (Уоддингтон, 1957). На самом деле, все клетки скатываются с этого эпигенетического ландшафта в более глубокие, неизбежные долины, представляющие собой определение судьбы клеток во время развития. Они продолжают катиться до тех пор, пока не достигнут своего окончательного стабильного состояния в самой низкой точке, функционально приравниваясь к своему конечному дифференцированному состоянию. Согласно этой метафоре, изменения в клеточной судьбе будут строго избегаться хребтами, которые не позволяют перемещаться из одной долины в другую. Открытие метода in vitro, который мы нашли для создания плюрипотентных клеток млекопитающих из дифференцированных соматических клеток, добавило в тело доказательств того, что эта догма может быть обращена вспять. Что еще более важно, он предоставил доступную технику для изучения перепрограммирования и эпигенетики (Такахаши и Яманака 2006).
Рисунок 1.
Клеточное перепрограммирование изображено как траектория в эпигенетическом ландшафте Уоддингтона. (А) клетки нормальной траектории развития можно проследить, начиная с полипотентной клетки (зеленый шар) на вершине холма, к своей конечной дифференцированной государственной (синий шар), иллюстрирующий, как эпигенетика способствует клеточной судьбы определение в ходе развития. (Б) терминально дифференцированная клетка (синий шар) могут быть перепрограммированы обратно в плюрипотентности под воздействием коктейля из транскрипционных факторов.
В прошлом неспособность передавать генетическую информацию из соматических клеток следующему поколению была общепризнана как барьер Вайсмана. Последние открытия, однако, показывают, что судьба клеток теперь кажется гораздо более гибкой, чем предполагалось ранее. На основе Уоддингтона пейзаж, омоложение означает процесс, посредством которого клетки вернуться до их созревания путь, посредством эпигенетического ландшафта, чтобы стать более незрелых клеток, и в конечном итоге превращаются в плюрипотентное состояние (фиг. 1Б).
Концепция омоложения и клеточного перепрограммирования был впервые предложен Джоном Гердоном с его знаковых экспериментов выпускают клоны из соматических клеток шпорцевой лягушки примерно в то же время, как Уоддингтона учение отстаивается (Гердон и соавт. 1958). Позже, Ян Wilmut и его коллеги сообщили об успешном клонировании овцы Долли, показывая, что удаление эпигенетических воспоминания, которые выделяют соматические клетки судьбу можно даже в млекопитающих (Wilmut и соавт. 1997). Омоложение клетки в плюрипотентное состояние также было показано путем слияния соматических клеток в плюрипотентные стволовые клетки, такие как эмбриональные стволовые (Эс) клетки (Тада и соавт. 2001). Эти два подхода показали, что оплодотворенные яйцеклетки и плюрипотентные стволовые клетки содержат скрытые "перепрограммирующие факторы", которые способны стереть соматические воспоминания.
Другие исследования противодействия Уоддингтона однонаправленный эпигенетического ландшафта модель была работа по переводу клеточной судьбы определенными факторами, о которых говорилось 25 лет назад (Дэвис и соавт. 1987). В своих новаторских исследованиях, Davis et al. выполнено вычитание эксперименты с использованием комплементарной ДНК (кднк), и обнаружил дифференцировки 1 (генов myod1) ген. Эктопическая экспрессия только MYOD1 достаточно, чтобы вызвать преобразование фибробластов в миозин экспрессию миобластов. Эта новаторская работа ясно показала, что факторы транскрипции имеют решающее значение не только для поддержания клеточной идентичности, но и для определения судьбы клеток.
Чертеж поощрение от этих исследований, мы решили и показали, что латентный плюрипотентности может быть вызвано в дифференцированных соматических клеток с помощью определенного коктейль транскрипционных факторов без необходимости переноса в яйцеклетку (Такахаши и Яманака 2006). Коктейль состоял из OCT3 / 4, SOX2, KLF4 и c-MYC, и был достаточно, чтобы вернуть дифференцированные соматические клетки, в том числе окончательно дифференцированные клетки, такие как т-лимфоциты, к плюрипотентной судьбе. Полученные dedifferentiated ячейки были обозначены ячейками iPS, и они теоретически могут быть использованы для создания всех типов ячеек в теле, а также клеток ES. Это открытие подтвердило важность сетей факторов транскрипции в определении судьбы клеток и окончательно повлияло на наше понимание клеточного перепрограммирования.
Эффективность перепрограммировать от соматических клеток к клеткам ИПС вообще <1%. Это говорит о том, что при инициировании изменений важны не только факторы перепрограммирования, но и последующие стохастические события, необходимые для продолжения процесса перепрограммирования. Поскольку не было отмечено никаких существенных различий в геномных последовательностях между исходными клетками и перепрограммированными клетками iPS, изменения в эпигенетическом состоянии, такие как метилирование ДНК и модификация гистона, по-видимому, являются критическими событиями для перепрограммирования. В действительности, польза смесей мал-молекулы которые блокируют deacetylase гистона, таким образом увеличивая общие уровни ацетилирования хроматина, может улучшить перепрограммировать эффективность. При перепрограммировании наблюдалось глушение генов соматических клеток и реактивация экспрессированных генов плюрипотентных стволовых клеток. Хотя эти изменения явно связаны с эпигенетическими статусами, их механизмы и движущая сила все еще неясны. Генерация ячеек iPS обеспечивает хорошую модель и инструмент для понимания эпигенетических изменений, инициированных факторами транскрипции. Кроме того, IPS cell technology в настоящее время используется для исследований как в качестве источника стволовых клеток для терапевтического использования, так и в качестве инструмента для изучения патологических процессов.
После знаковых экспериментов, которые показали, что MYOD1 является основным определяющим фактором для продвижения тесно связанных фибробластов к судьбе мышечных клеток, продолжилась Охота на другие факторы, направляющие конкретные клеточные судьбы. Наблюдались и другие относительно близкие превращения, например, от лимфоидных к миелоидным клеткам, и от глиальных клеток к нейронам, используя определенные факторы транскрипции. Недавние сообщения также показали, что можно непосредственно конвертировать соматические клетки в более дистально связанные дифференцированные типы клеток и даже переступить происхождение слоя зародышей (т. е. эндодерму, мезодерму или эктодерму), как показано на примере преобразования фибробластов в нейроны, кроветворные клетки, хрящи, кардиомиоциты и гепатоциты. Все эти результаты снизили препятствия на пути конверсии клеток. Клеточные тождества являются более гибкими, чем предполагалось ранее, и в значительной степени определяются эпигенетическим статусом клетки.
Есть четыре основные области, где перепрограммирование линии и плюрипотентные стволовые клетки применяются или могут быть применены для улучшения биомедицинских исследований (Рис. 3):
- Моделирование болезни: теперь можно получить клетки кожи или крови у пациентов и преобразовать их в практически любой другой желаемый Тип клеток, соответствующий конкретному основному заболеванию. Этот новый вид моделирования заболеваний имеет большое преимущество в том, что фактические клетки пациента человека используются, а не клеточная линия или модели животных, которые не всегда могут отражать сложность особенностей человека, включая механизмы заболеваний человека. Это приложение, возможно, один с самым высоким воздействием lineage перепрограммирования на биомедицинских исследований. При всем волнении по поводу этого нового способа изучения болезней, также ясно, что в настоящее время есть очевидные ограничения. Культивированные клетки не сопоставимы с трехмерными органами тела и лишь минимально отражают комплексное взаимодействие нескольких различных типов клеток. Потребуются более сложные модели, сочетающие тканевую инженерию с перепрограммированием и подходами к стволовым клеткам. Усилия находятся на пути к производству "органов на чипе", чтобы имитировать, по крайней мере, некоторые аспекты физиологических взаимодействий органов [92]. Интригующим альтернативным подходом является трехмерная дифференциация как так называемые “органоиды.” Плюрипотентные стволовые клетки обладают удивительным свойством самоорганизации, тем самым имитируя ранних эмбриональных структур, которые могут быть использованы для создания не менее эмбриональных или фетальных тканей embryoid структуры [93].
- Открытие препарата: перепрограммирование может быть использовано для создания конкретных типов клеток из большой когорты пациентов, представляющих различные этнические и генетические предпосылки. Недавно разработанные препараты могут быть оценены в таких клетках, как "клиническое испытание в блюде", прежде чем лекарства будут испытаны у людей. Этот подход может быть использован как для оценки общей эффективности, так и для оценки побочных эффектов. Учитывая часто обширное финансовое бремя клинических испытаний, такие промежуточные анализы in vitro будут представлять большой интерес для фармацевтической промышленности.
- Медицина точности: много уже одобренных лекарств имеют вредные побочные эффекты как аритмичности сердца в небольшом и непрогнозируемом субпопулировании пациентов. Методы перепрограммирования смогли облегчить медицину точности путем испытывать лекарства с известными серьезными побочными эффектами сперва на перепрограммированных терпеливых клетках перед администрацией. Например, потенциальные аритмическ-наводя лекарства смогли сперва быть испытаны на перепрограммированных кардиомиоцитах выведенных от индивидуальных пациентов. Предполагая, что такие перепрограммированные кардиомиоциты выражают полную панель ионных каналов и насосов, присутствующих в сердце, казалось бы, в принципе просто идентифицировать лекарства, которые связывают и изменяют функцию этих каналов у отдельных пациентов, которые могут нести неизвестные генетические варианты, предрасполагающие их к развитию побочных эффектов. Учитывая сложность генома, такие варианты очень трудно предсказать и идентифицировать. Преимущество подхода к перепрограммированию, изложенного здесь, заключается в том, что не требуется никаких предварительных знаний о факторах риска, так как тестируемые кардиомиоциты будут получены из перепрограммированных клеток пациента, которые несут идентичный генетический фон в персонализированном виде.
- Регенеративная медицина: наконец, но не в последнюю очередь, перепрограммирование может быть использовано в новых подходах регенеративной медицины. Главным образом, любой тип клетки смог быть изготовлен от легко доступной ткани как кожа или кровь. Таким образом, текущие клеточные заместительные терапии, такие как предполагаемые для нейродегенеративных заболеваний могут быть выполнены с использованием аутологичных клеток, которые устранят осложнение иммунного отторжения трансплантата. В тех случаях, когда иммунный отказ вызывает серьезную озабоченность, аутологичный источник может оправдать более высокие затраты на разработку и производство, которые связаны с более вовлеченной производственной процедурой с использованием клеточного перепрограммирования. Важно отметить, что перепрограммирование может быть объединено с генным редактированием, тем самым позволяя новые терапевтические подходы для редких моногенетических заболеваний, но также и генетическая инженерия аутологичных клеток для доставки терапевтических факторов в недоступные структуры. Интригующим ярлыком для замены клеток может быть перепрограммирование in vivo, о котором говорилось выше. Вместо того, чтобы перепрограммировать клетки ex vivo с последующей трансплантацией клеток, терапевтическое перепрограммирование может быть выполнено in vivo путем прямой доставки переносчиков перепрограммирования в органы-мишени.