✖


Jump to content

Перепрограммирование

Эта статья об эпигенетическом феномене. Чтобы узнать о написании компьютерного кода, см. компьютерное программирование .

В биологии под перепрограммированием понимают стирание и ремоделирование 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 .

Репрограммирование, которое является как крупномасштабным (от 10% до 100% эпигенетических меток), так и быстрым (от часов до нескольких дней), происходит на трех стадиях жизни млекопитающих. меток перепрограммируются за два коротких периода на ранних этапах развития оплодотворения яйцеклетки Почти 100% эпигенетических сперматозоидом после . Кроме того, почти 10% метилирований ДНК в нейронах гиппокампа могут быстро изменяться при формировании сильной памяти о страхе.

После оплодотворения у млекопитающих закономерности метилирования ДНК в значительной степени стираются, а затем восстанавливаются во время раннего эмбрионального развития. Почти все метилирования родителей стираются сначала во время раннего эмбриогенеза , а затем снова в гаметогенезе , причем каждый раз происходит деметилирование и реметилирование. Деметилирование во время раннего эмбриогенеза происходит в предимплантационном периоде. После того, как сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку с образованием зиготы , происходит быстрое деметилирование ДНК отцовской ДНК и более медленное деметилирование материнской ДНК до тех пор, пока не образуется морула , которая почти не имеет метилирования. После бластоцисты образования может начаться метилирование, а с образованием эпибласта затем происходит волна метилирования вплоть до стадии имплантации эмбриона. Другой период быстрого и почти полного деметилирования происходит во время гаметогенеза в первичных зародышевых клетках (ПГК). За исключением PGC, на постимплантационной стадии паттерны метилирования в соматических клетках являются стадийными и тканеспецифичные с изменениями, предположительно определяющими каждый отдельный тип клеток и сохраняющимися стабильно в течение длительного времени. [2]

Эмбриональное развитие

[ редактировать ]
Хронология метилирования ДНК в геноме мыши . Красный: женская зародышевая линия ; синий: мужская зародышевая линия; серый: соматических клеток линия ; ПГК: первичные половые клетки ; ICM: внутренняя клеточная масса .

мыши спермы Геном на 80–90% метилирован по сайтам CpG в ДНК, что составляет около 20 миллионов метилированных сайтов. [ нужна ссылка ] После оплодотворения отцовская хромосома почти полностью деметилируется за шесть часов в результате активного процесса до репликации ДНК (синяя линия на рисунке). В зрелом ооците около 40% его сайтов CpG метилированы. Деметилирование материнской хромосомы в основном происходит за счет блокирования действия метилирующих ферментов на ДНК материнского происхождения и за счет разбавления метилированной материнской ДНК во время репликации (красная линия на рисунке). Морула ( (на стадии 16 клеток) имеет лишь небольшое количество метилирования ДНК черная линия на рисунке). Метилирование начинает увеличиваться на 3,5 день после оплодотворения в бластоцисте , а затем на 4,5-5,5 дни в эпибласте возникает большая волна метилирования , переходя от 12% до 62% метилирования и достигая максимального уровня после имплантации в матку. [3] К седьмому дню после оплодотворения новообразованные первичные зародышевые клетки (ПГК) в имплантированном эмбрионе отделяются от остальных соматических клеток . На этом этапе PGCs имеют примерно тот же уровень метилирования, что и соматические клетки.

Вновь образованные первичные зародышевые клетки (ПГК) в имплантированном эмбрионе происходят из соматических клеток. На этом этапе PGC имеют высокий уровень метилирования. Эти клетки мигрируют из эпибласта к гонадному гребню . Сейчас клетки быстро размножаются и начинаются две волны деметилирования. В первой волне деметилирование происходит путем репликативного разбавления, а во второй волне деметилирование происходит в результате активного процесса. Вторая волна приводит к деметилированию специфических локусов . На этом этапе геномы PGC демонстрируют самые низкие уровни метилирования ДНК среди всех клеток за весь жизненный цикл [на эмбриональном дне 13,5 (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 со временем становятся половыми клетками (сперматозоидами и ооцитами) следующего поколения. Из-за феномена геномного импринтинга материнский и отцовский геномы по-разному маркируются и должны быть правильно перепрограммированы каждый раз, когда они проходят через зародышевую линию. Следовательно, в процессе гаметогенеза исходные паттерны метилирования двуродительской ДНК в первичных зародышевых клетках должны быть стерты и восстановлены в зависимости от пола передающего родителя.

После оплодотворения отцовский и материнский геномы деметилируются, чтобы стереть их эпигенетические сигнатуры и приобрести тотипотентность . В этот момент наблюдается асимметрия: мужской пронуклеус подвергается быстрому и активному деметилированию. Между тем женский пронуклеус пассивно деметилируется во время последовательных делений клеток. Процесс деметилирования ДНК включает в себя репарацию вырезания 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, ретротранспозоны и центромерный гетерохроматин . Реметилирование снова необходимо, чтобы дифференцировать эмбрион в полноценный организм. [6]

Было показано, что манипуляции in vitro с предимплантационными эмбрионами нарушают паттерны метилирования в импринтированных локусах. [7] и играет решающую роль в клонировании животных. [8]

Обучение и память

[ редактировать ]
Области мозга, участвующие в формировании памяти

Обучение и память имеют уровни постоянства, в отличие от других психических процессов, таких как мышление, язык и сознание, которые носят временный характер. Обучение и память могут накапливаться либо медленно (таблица умножения), либо быстро (прикосновение к горячей плите), но однажды достигнутые, их можно использовать в сознательном использовании в течение длительного времени. Крысы, подвергшиеся одному случаю контекстуального формирования страха, создают особенно сильную долговременную память. , что 9,17% генов в геномах нейронов гиппокампа Через 24 ч после обучения было обнаружено крыс дифференциально метилированы . Это включало более 2000 дифференциально метилированных генов через 24 часа после тренировки, причем более 500 генов были деметилированы. [9] Область мозга гиппокамп — это место, где сначала сохраняются контекстуальные воспоминания о страхе (см. рисунок мозга в этом разделе), но это хранилище является временным и не остается в гиппокампе. У крыс кондиционирование контекстуального страха прекращается, когда гиппокамп подвергается гиппокампэктомии всего через 1 день после кондиционирования, но у крыс сохраняется значительное количество контекстуального страха, когда между временем кондиционирования и временем гиппокампэктомии устанавливается длительная задержка (28 дней). [10]

Молекулярные стадии

[ редактировать ]

необходимы три молекулярные стадии Для перепрограммирования метилома ДНК . Этап 1: Подбор персонала. Ферменты, необходимые для перепрограммирования, рекрутируются в участки генома, требующие деметилирования или метилирования. Этап 2: Реализация. Происходят первоначальные ферментативные реакции. В случае метилирования это короткий этап, который приводит к метилированию цитозина в 5 -метилцитозин . Этап 3: Репарация базовой ДНК . Промежуточные продукты деметилирования катализируются специфическими ферментами пути репарации ДНК, которые в конечном итоге восстанавливают цистозин в последовательности ДНК.

Деметилирование 5-метилцитозина. Деметилирование 5-метилцитозина (5mC) в ДНК нейронов. По данным обзора 2018 года, [11] в нейронах головного мозга 5mC окисляется диоксигеназой ТЕТ с образованием 5-гидроксиметилцитозина (5hmC). На последовательных этапах фермент ТЕТ 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 (AP-сайт). В альтернативном пути окислительного дезаминирования 5hmC может быть окислительно дезаминирован с помощью индуцированного активностью комплекса редактирования мРНК цитидиндезаминазы/аполипопротеина B (AID/APOBEC) с образованием 5-гидроксиметилурацила (5hmU). 5mC также можно преобразовать в тимин (Thy). 5hmU может расщепляться TDG, однонитевой селективной монофункциональной урацил-ДНК-гликозилазой 1 (SMUG1), Nei-подобной ДНК-гликозилазой 1 (NEIL1) или метил-CpG-связывающим белком 4 (MBD4). Сайты AP и несоответствия T:G затем восстанавливаются с помощью ферментов эксцизионной репарации оснований (BER) с образованием цитозина (Cyt).

На рисунке в этом разделе показана центральная роль десяти-одиннадцати транслокационных метилцитозиндиоксигеназ (ТЕТ) в деметилировании 5-метилцитозина с образованием цитозина. [12] По данным обзора 2018 года, [12] 5mC очень часто первоначально окисляется диоксигеназами ТЕТ с образованием 5-гидроксиметилцитозина (5hmC). На последовательных этапах (см. рисунок) ферменты ТЕТ дополнительно гидроксилируют 5hmC с образованием 5-формилцитозина (5fC) и 5-карбоксилцитозина (5caC). Тимин-ДНК-гликозилаза (TDG) распознает промежуточные основания 5fC и 5caC и разрезает гликозидную связь , в результате чего образуется апиримидиновый сайт (AP-сайт). В альтернативном пути окислительного дезаминирования 5hmC может быть окислительно дезаминирован деаминазами APOBEC (AID/APOBEC) с образованием 5-гидроксиметилурацила (5hmU) или 5mC может быть преобразован в тимин (Thy). 5hmU может расщепляться TDG, SMUG1 , NEIL1 или MBD4 . Сайты AP и несоответствия T:G затем восстанавливаются с помощью ферментов эксцизионной репарации оснований (BER) с образованием цитозина (Cyt).

Семья ТЕТ

[ редактировать ]

Изоформы ферментов ТЕТ включают по меньшей мере две изоформы ТЕТ1, одну изоформу ТЕТ2 и три изоформы ТЕТ3 . [13] [14] Полноразмерная каноническая изоформа TET1, по-видимому, практически ограничена ранними эмбрионами, эмбриональными стволовыми клетками и первичными зародышевыми клетками (PGC). Доминирующая изоформа TET1 в большинстве соматических тканей, по крайней мере, у мышей, возникает в результате использования альтернативного промотора , который приводит к образованию короткого транскрипта и усеченного белка, называемого TET1. Изоформами TET3 являются полноразмерная форма TET3FL, короткая форма сплайсинга TET3 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 экспрессируется в эмбриональных стволовых клетках или в каких-либо других типах клеток или протестированных тканях взрослых мышей. В то время как экспрессия TET1 едва может быть обнаружена в ооцитах и ​​зиготах, а TET2 экспрессируется лишь умеренно, вариант TET3 TET3o показывает чрезвычайно высокие уровни экспрессии в ооцитах и ​​зиготах, но почти отсутствует на 2-клеточной стадии. Возможно, что TET3o, которого много в нейронах, ооцитах и ​​зиготах на одноклеточной стадии, является основным ферментом TET, используемым, когда в этих клетках происходит очень крупномасштабное быстрое деметилирование.

Привлечение ТЕТ к ДНК

[ редактировать ]

Ферменты ТЕТ специфически не связываются с 5-метилцитозином, за исключением случаев его рекрутирования. Без рекрутирования или нацеливания TET1 преимущественно связывается с высокими промоторами CG и CpG-островками (CGI) по всему геному с помощью своего домена CXXC, который может распознавать неметилированные CGI. [15] ТЕТ2 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 конвертируется в 5-карбоксицитозин (5caC). Однако он также связывается с неметилированными CpG . [14]

Инициация деметилирования ДНК по сайту CpG . Во взрослых соматических клетках метилирование ДНК обычно происходит в контексте динуклеотидов CpG ( сайты CpG ), образуя 5-метилцитозин -pG (5mCpG). Активные формы кислорода (АФК) могут атаковать гуанин в динуклеотидном сайте, образуя 8-гидрокси-2'-дезоксигуанозин (8-OHdG), что приводит к образованию динуклеотидного сайта 5mCp-8-OHdG. Базовый эксцизионной репарации фермент OGG1 нацелен на 8-OHdG и связывается с поражением без немедленного иссечения. OGG1, присутствующий в сайте 5mCp-8-OHdG, рекрутирует TET1 , а TET1 окисляет 5mC, соседний с 8-OHdG. Это инициирует деметилирование 5mC. [17] как показано на предыдущем рисунке.

Чтобы фермент ТЕТ инициировал деметилирование, его сначала необходимо привлечь к метилированному сайту CpG в ДНК. Двумя белками, которые, как было показано, привлекают фермент ТЕТ к метилированному цитозину в ДНК, являются OGG1 (см. Рисунок «Инициация демтилирования ДНК»). [17] и ЕГР1 . [18]

ОГГ1

[ редактировать ]

Оксогуанингликозилаза (OGG1) катализирует первый этап эксцизионной репарации окислительно поврежденного основания 8-OHdG . OGG1 находит 8-OHdG, скользя по линейной ДНК по 1000 парам оснований ДНК за 0,1 секунды. [19] OGG1 очень быстро находит 8-OHdG. Белки OGG1 связываются с окислительно поврежденной ДНК за половину максимального времени, составляющего около 6 секунд. [20] Когда OGG1 находит 8-OHdG, он меняет конформацию и образует комплекс с 8-OHdG в связывающем кармане OGG1. [21] OGG1 не сразу удаляет 8-OHdG. Удаление половины максимального 8-OHdG в клетках HeLa in vitro занимает около 30 минут . [22] или около 11 минут в печени облученных мышей. [23] Окисление ДНК активными формами кислорода преимущественно происходит по гуанину в метилированном сайте CpG из-за пониженного потенциала ионизации оснований гуанина, соседних с 5-метилцитозином. [24] TET1 связывается (рекрутируется) с OGG1, связанным с 8-OHdG (см. рисунок). [17] Это, вероятно, позволяет TET1 деметилировать соседний метилированный цитозин. Когда молочной железы эпителиальные клетки человека (MCF-10A) обрабатывали H 2 O 2 , содержание 8-OHdG в ДНК увеличивалось в 3,5 раза, что вызывало крупномасштабное деметилирование 5-метилцитозина примерно до 20% от его первоначального уровня в ДНК. [17]

РОГ1

[ редактировать ]

Ген белка 1 реакции раннего роста ( EGR1 ) представляет собой ген немедленного раннего развития (IEG). Определяющей характеристикой IEG является быстрое и временное повышение уровня их мРНК (в течение нескольких минут) независимо от синтеза белка. [25] EGR1 может быстро индуцироваться активностью нейронов. [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] Это выражение связано с контролем когнитивных функций, эмоциональных реакций, социального поведения и чувствительности к вознаграждению. [25] EGR1 связывается с ДНК в сайтах с мотивами 5'-GCGTGGGCG-3' и 5'-GCGGGGGCGG-3', и эти мотивы встречаются преимущественно в промоторных областях генов. [26] Короткая изоформа TET1 экспрессируется в мозге. EGR1 и TET1 образуют комплекс, опосредованный C-концевыми областями обоих белков, независимо от ассоциации с ДНК. [26] EGR1 рекрутирует TET1 в геномные области, фланкирующие сайты связывания EGR1. [26] В присутствии EGR1 TET1 способны к локус-специфическому деметилированию и активации экспрессии нижестоящих генов, регулируемых EGR1. [26]

История

[ редактировать ]

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 Яманака . [28] Яманака был первым, кто продемонстрировал (в 2006 году), что этот перенос ядра соматической клетки или процесс перепрограммирования на основе ооцитов (см. ниже), открытый Гердоном, может быть повторен (у мышей) с помощью определенных факторов ( Oct4 , Sox2 , Klf4 и c -Myc ) для создания индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). [29] Также использовались другие комбинации генов, включая LIN25. [30] и гомеобоксный белок NANOG . [30] [31]

Этапы перепрограммирования

[ редактировать ]

С открытием того, что судьба клеток может быть изменена, вопрос о том, какое развитие событий происходит, означает, что клетка подвергается перепрограммированию. Поскольку конечный продукт перепрограммирования ИПСК был сходным по морфологии , пролиферации, экспрессии генов , плюрипотентности и теломеразной активности, генетические и морфологические маркеры использовались как способ определить, какая фаза перепрограммирования происходит. [32] Перепрограммирование разделено на три фазы: инициация, созревание и стабилизация. [33]

Инициация

[ редактировать ]

Фаза инициации связана с подавлением генов, специфичных для типа клеток, и активацией плюрипотентных генов. [33] По мере того, как клетки приближаются к плюрипотентности, активность теломеразы реактивируется, удлиняя теломеры . Морфология клетки может напрямую влиять на процесс перепрограммирования, поскольку клетка модифицируется, чтобы подготовиться к экспрессии генов плюрипотентности. [34] Основным показателем завершения фазы инициации является экспрессия первых генов, связанных с плюрипотентностью. Это включает в себя экспрессию белка Oct-4 или гомеобокса NANOG во время мезенхимально-эпителиального перехода (MET), а также потерю 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 путем прямого перепрограммирования клеток, либо путем создания промежуточного продукта, такого как ИПСК, и дифференцировки в желаемый тип клеток. [35]

Фаза инициации завершается одним из трех путей: переносом ядра , слиянием клеток или определенными факторами ( микроРНК , фактор транскрипции , эпигенетические маркеры и другие небольшие молекулы). [30] [35]

Перенос ядра соматической клетки

[ редактировать ]
См. также: клонирование
Перенос ядра соматической клетки . Ядро соматической клетки переносится в яйцеклетку, из которой было удалено исходное ядро. [36] Этот ооцит возьмет генетический материал соматической клетки и разделится в тотипотентную клетку. [35] Создано с помощью BioRender.com

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

Репрограммирование 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 тканеспецифичные гены в ядре соматической клетки и снова включает эмбрионально-специфичные гены. Этот процесс был показан посредством клонирования, как это видно на примере Джона Гердона с головастиками. [27] и овца Долли . [39] Примечательно, что эти события показали, что судьба клеток является обратимым процессом.

Слияние клеток

[ редактировать ]
Слияние клеток . Две клетки могут быть слиты вместе и иметь общую ядерную ДНК, создавая гетерокарион , который затем может слиться с нуклеазой, 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 молчали, реактивироваться и проявлять экспрессию. Когда гены реактивируются, клетки могут повторно дифференцироваться. Есть случаи, когда транскрипционные факторы, такие как факторы Яманаки, все еще необходимы для перепрограммирования гетерокарионных клеток. [40]

Определенные факторы

[ редактировать ]
Определенные факторы. Добавление микроРНК , транскрипционного фактора , эпигенетических маркеров и других небольших 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, а только факторов перепрограммирования. Эти факторы перепрограммирования включают микроРНК , фактор транскрипции , эпигенетические маркеры и другие небольшие молекулы. [35] Исходные факторы транскрипции, приводящие к развитию ИПСК, 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] ЛИН25, [30] ТРА-1-60, [41] и C/EBPα [42] помощь в эффективности перепрограммирования. Использование микроРНК и других процессов, управляемых малыми молекулами, использовалось как средство повышения эффективности дифференцировки соматических клеток к плюрипотентности. [35]

Созревание

[ редактировать ]

Фаза созревания начинается в конце фазы инициации, когда экспрессируются первые плюрипотентные гены. [33] Клетка готовится стать независимой от определенных факторов, запустивших процесс перепрограммирования. Первыми генами, обнаруженными в ИПСК, являются Oct4 , гомеобоксный белок NANOG и Esrrb, а затем Sox2 . [35] На более поздних стадиях созревания замалчивание трансгена отмечает 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 непостоянным и низкоэффективным процессом, не все клетки завершают фазу созревания и достигают плюрипотентности . [42] Некоторые клетки, подвергшиеся перепрограммированию, все еще остаются в состоянии апоптоза в начале стадии созревания из-за окислительного стресса, вызванного стрессом изменения экспрессии генов. Использование микроРНК , белков и различных комбинаций факторов OSKM начало приводить к более высокой эффективности перепрограммирования.

Стабилизация

[ редактировать ]

Фаза стабилизации относится к процессам в клетке, которые происходят после того, как клетка достигает плюрипотентности . Одним из генетических маркеров является экспрессия Sox2 и Х-хромосомы реактивации , тогда как эпигенетические изменения включают теломеразу, удлиняющую теломеры. [30] и потеря эпигенетической памяти клетки. [33] Эпигенетическая память клетки сбрасывается за счет изменений метилирования ДНК. [43] с использованием индуцированной активации цитидиндезаминазы (AID), ферментов TET (TET) и ДНК-метилтрансферазы (DMNT), начиная с фазы созревания и заканчивая стадией стабилизации. [33] Как только эпигенетическая память клетки утрачена, достигается возможность дифференцировки на три зародышевых листка. [32] Это считается полностью перепрограммированной клеткой, поскольку ее можно пассировать без возврата к исходному типу соматических клеток. [35]

В системах клеточных культур

[ редактировать ]
Стволовые клетки определяются как недифференцированные клетки, которые могут дифференцироваться в три зародышевых листка . 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 начинают дифференцироваться в любой тип клеток, а не в исходный тип соматических клеток. [33]

Перепрограммирование также можно вызвать 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 в области терапии стволовыми клетками , без использования эмбрионов. Его осуществляют путем трансфекции генов, связанных со стволовыми клетками, в зрелые клетки с использованием вирусных векторов, таких как ретровирусы .

Транскрипционные факторы

[ редактировать ]

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

ОСКМ

[ редактировать ]

Факторы OSKM ( Oct4 , Sox2 , Klf4 и c-Myc ) были первоначально обнаружены Яманакой в ​​2006 году путем индукции фибробластов мыши в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК). [29] В течение следующего года эти факторы были использованы для индукции фибробластов человека в ИПСК. [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 дифференцировку в плюрипотентность. Oct4 предположительно работает с Sox2 для экспрессии FGF4 , который может способствовать дифференцировке.

Sox2 — это ген, используемый для поддержания плюрипотентности стволовых клеток. Oct4 и Sox2 работают вместе, регулируя сотни генов, участвующих в плюрипотентности. [44] Однако Sox2 не единственный возможный член семейства Sox, участвующий в регуляции генов: Oct4 — Sox4 , Sox11 и Sox15 также участвуют, поскольку белок Sox является избыточным во всем геноме стволовых клеток .

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

c-Myc также известен как онкоген и при определенных условиях может вызывать рак. [45] При клеточном перепрограммировании c-Myc используется для клеточного цикла развития , апоптоза и клеточной трансформации для дальнейшей дифференцировки.

НАНОГ

[ редактировать ]

Гомеобоксный белок NANOG (NANOG) представляет собой фактор транскрипции, используемый для повышения эффективности генерации ИПСК за счет поддержания плюрипотентности. [46] и подавление факторов клеточной детерминации . [47] NANOG работает, способствуя доступности хроматина посредством репрессии маркеров гистонов , таких как H3K27me3 . NANOG помогает рекрутировать Oct4 , Sox2 и Esrrb, используемые в транскрипции , а также рекрутировать родственный Brahma ген-1 (BRG1) для доступности хроматина .

C/EBPα

[ редактировать ]

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

Вариативность

[ редактировать ]

Свойства клеток, полученных после репрограммирования, могут существенно различаться, в частности среди ИПСК. [48] Факторы, приводящие к изменению эффективности перепрограммирования и функциональных особенностей конечных продуктов, включают генетический фон, источник ткани, стехиометрию факторов перепрограммирования и стрессоры, связанные с клеточной культурой. [48]

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Рейк В., Дин В., Уолтер Дж. (август 2001 г.). «Эпигенетическое перепрограммирование в развитии млекопитающих». Наука (обзор). 293 (5532): 1089–1093. дои : 10.1126/science.1063443 . ПМИД   11498579 . S2CID   17089710 .
  2. ^ Кедр Х., Бергман Ю. (июль 2012 г.). «Программирование закономерностей метилирования ДНК» . Ежегодный обзор биохимии . 81 : 97–117. doi : 10.1146/annurev-biochem-052610-091920 . ПМИД   22404632 .
  3. ^ Оклер Г., Гиберт С., Бендер А., Вебер М. (2014). «Онтогенез метилирования CpG-островков и специфичность метилтрансфераз DNMT3 во время эмбрионального развития мышей» . Геномная биология . 15 (12): 545. дои : 10.1186/s13059-014-0545-5 . ПМЦ   4295324 . ПМИД   25476147 .
  4. ^ Цзэн Ю, Чен Т (март 2019 г.). «Перепрограммирование метилирования ДНК во время развития млекопитающих» . Гены . 10 (4): 257. doi : 10.3390/genes10040257 . ПМК   6523607 . ПМИД   30934924 .
  5. ^ Ладштеттер С., Тачибана-Конвальски К. (декабрь 2016 г.). «Механизм наблюдения обеспечивает восстановление повреждений ДНК во время зиготического перепрограммирования» . Клетка . 167 (7): 1774–1787.e13. дои : 10.1016/j.cell.2016.11.009 . ПМК   5161750 . ПМИД   27916276 .
  6. ^ Зайзенбергер С., Пит Дж.Р., Хор Т.А., Сантос Ф., Дин В., Рейк В. (январь 2013 г.). «Перепрограммирование метилирования ДНК в жизненном цикле млекопитающих: построение и преодоление эпигенетических барьеров» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 368 (1609): 20110330. doi : 10.1098/rstb.2011.0330 . ПМЦ   3539359 . ПМИД   23166394 .
  7. ^ Манн М.Р., Чунг Ю.Г., Нолен Л.Д., Верона Р.И., Латам К.Е., Бартоломей М.С. (сентябрь 2003 г.). «Нарушение метилирования и экспрессии импринтированных генов в клонированных эмбрионах мыши на преимплантационной стадии» . Биология размножения . 69 (3): 902–914. дои : 10.1095/biolreprod.103.017293 . ПМИД   12748125 .
  8. ^ Вренжицкий С., Ниманн Х. (декабрь 2003 г.). «Эпигенетическое перепрограммирование на раннем этапе эмбрионального развития: эффекты производства in vitro и соматического переноса ядер» . Обзор. Репродуктивная биомедицина онлайн . 7 (6): 649–656. дои : 10.1016/s1472-6483(10)62087-1 . ПМИД   14748963 .
  9. ^ Дюк К.Г., Кеннеди А.Дж., Гэвин К.Ф., Дэй Дж.Дж., Суэтт Дж.Д. (июль 2017 г.). «Эпигеномная реорганизация в гиппокампе, зависящая от опыта» . Обучение и память . 24 (7): 278–288. дои : 10.1101/lm.045112.117 . ПМК   5473107 . ПМИД   28620075 .
  10. ^ Ким Джей-Джей, Юнг М.В. (2006). «Нейральные цепи и механизмы, участвующие в формировании павловского страха: критический обзор» . Неврологические и биоповеденческие обзоры . 30 (2): 188–202. doi : 10.1016/j.neubiorev.2005.06.005 . ПМЦ   4342048 . ПМИД   16120461 .
  11. ^ Байрактар ​​Г., Кройц М.Р. (2018). «Роль деметилирования ДНК, зависящего от активности, в мозге взрослого человека и при неврологических расстройствах» . Границы молекулярной нейронауки . 11 : 169. дои : 10.3389/fnmol.2018.00169 . ПМЦ   5975432 . ПМИД   29875631 .
  12. ^ Jump up to: а б Байрактар ​​Г., Кройц М.Р. (2018). «Роль деметилирования ДНК, зависящего от активности, в мозге взрослого человека и при неврологических расстройствах» . Границы молекулярной нейронауки . 11 : 169. дои : 10.3389/fnmol.2018.00169 . ПМЦ   5975432 . ПМИД   29875631 .
  13. ^ Цзинь С.Г., Чжан З.М., Данвелл Т.Л., Хартер М.Р., Ву X, Джонсон Дж. и др. (январь 2016 г.). «Tet3 считывает 5-карбоксилцитозин через свой домен CXXC и является потенциальным защитником от нейродегенерации» . Отчеты по ячейкам . 14 (3): 493–505. дои : 10.1016/j.celrep.2015.12.044 . ПМЦ   4731272 . ПМИД   26774490 .
  14. ^ Jump up to: а б Меламед П., Йосефзон Ю., Дэвид С., Цукерман А., Пнуэли Л. (2018). «Тет-ферменты, варианты и дифференциальное влияние на функции» . Границы клеточной биологии и биологии развития . 6:22 . дои : 10.3389/fcell.2018.00022 . ПМЦ   5844914 . ПМИД   29556496 .
  15. ^ Чжан В., Ся В., Ван Ц., Тауэрс А.Дж., Чен Дж., Гао Р. и др. (декабрь 2016 г.). «Переключатель изоформы TET1 регулирует деметилирование ДНК и развитие мышей» . Молекулярная клетка . 64 (6): 1062–1073. дои : 10.1016/j.molcel.2016.10.030 . ПМИД   27916660 .
  16. ^ Деплюс Р., Делатте Б., Швинн М.К., Дефранс М., Мендес Дж., Мерфи Н. и др. (март 2013 г.). «TET2 и TET3 регулируют GlcNAcylation и метилирование H3K4 посредством OGT и SET1/COMPASS» . Журнал ЭМБО . 32 (5): 645–655. дои : 10.1038/emboj.2012.357 . ПМК   3590984 . ПМИД   23353889 .
  17. ^ Jump up to: а б с д Чжоу X, Чжуан Z, Ван В, Хэ Л, Ву Х, Цао Ю и др. (сентябрь 2016 г.). «OGG1 необходим для деметилирования ДНК, вызванного окислительным стрессом». Сотовая сигнализация . 28 (9): 1163–1171. doi : 10.1016/j.cellsig.2016.05.021 . ПМИД   27251462 .
  18. ^ Сунь З, Сюй Х, Хэ Дж, Мюррей А, Сунь М.А., Вэй Икс и др. (август 2019 г.). «EGR1 привлекает TET1 для формирования метилома мозга во время развития и при активности нейронов» . Природные коммуникации . 10 (1): 3892. Бибкод : 2019NatCo..10.3892S . дои : 10.1038/s41467-019-11905-3 . ПМЦ   6715719 . ПМИД   31467272 .
  19. ^ Блейни ПК, ван Ойен А.М., Банерджи А., Вердин Г.Л., Се XS (апрель 2006 г.). «Белок репарации ДНК с вырезанием оснований находит внутриспиральные основания повреждения путем быстрого скольжения при контакте с ДНК» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (15): 5752–5757. Бибкод : 2006PNAS..103.5752B . дои : 10.1073/pnas.0509723103 . ПМЦ   1458645 . ПМИД   16585517 .
  20. ^ Абду И., Пуарье Г.Г., Хендзель М.Ю., Вайнфельд М. (январь 2015 г.). «ДНК-лигаза III действует как датчик разрыва цепи ДНК в клеточной оркестровке восстановления разрыва цепи ДНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 43 (2): 875–892. дои : 10.1093/nar/gku1307 . ПМЦ   4333375 . ПМИД   25539916 .
  21. ^ ван дер Кемп П.А., Шарбонье Ж.Б., Одеберт М., Боите С. (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» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (2): 570–578. дои : 10.1093/nar/gkh224 . ПМЦ   373348 . ПМИД   14752045 .
  22. ^ Лан Л., Накадзима С., Оохата Ю., Такао М., Окано С., Масутани М. и др. (сентябрь 2004 г.). «Анализ in situ процессов репарации окислительных повреждений ДНК в клетках млекопитающих» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (38): 13738–13743. Бибкод : 2004PNAS..10113738L . дои : 10.1073/pnas.0406048101 . ПМК   518826 . ПМИД   15365186 .
  23. ^ Гамильтон М.Л., Го З., Фуллер К.Д., Ван Реммен Х., Уорд В.Ф., Остад С.Н. и др. (май 2001 г.). «Надежная оценка уровней 8-оксо-2-дезоксигуанозина в ядерной и митохондриальной ДНК с использованием метода йодида натрия для выделения ДНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 29 (10): 2117–2126. дои : 10.1093/нар/29.10.2117 . ПМК   55450 . ПМИД   11353081 .
  24. ^ Мин Икс, Материя Б, Сонг М, Велиат Э, Шэнли Р, Джонс Р, Третьякова Н (март 2014 г.). «Картирование структурно определенных продуктов окисления гуанина вдоль дуплексов ДНК: влияние контекста локальной последовательности и эндогенного метилирования цитозина» . Журнал Американского химического общества . 136 (11): 4223–4235. дои : 10.1021/ja411636j . ПМЦ   3985951 . ПМИД   24571128 .
  25. ^ Jump up to: а б с Дюкло Ф., Каббадж М. (2017). «Роль реакции раннего роста 1 (EGR1) в пластичности мозга и нервно-психических расстройствах» . Границы поведенческой нейронауки . 11:35 . дои : 10.3389/fnbeh.2017.00035 . ПМЦ   5337695 . ПМИД   28321184 .
  26. ^ Jump up to: а б с д и Сунь З, Сюй Х, Хэ Дж, Мюррей А, Сунь М.А., Вэй Икс и др. (август 2019 г.). «EGR1 привлекает TET1 для формирования метилома мозга во время развития и при активности нейронов» . Природные коммуникации . 10 (1): 3892. Бибкод : 2019NatCo..10.3892S . дои : 10.1038/s41467-019-11905-3 . ПМЦ   6715719 . ПМИД   31467272 .
  27. ^ Jump up to: а б Гердон Дж. Б. (декабрь 1962 г.). «Способность к развитию ядер, взятых из клеток кишечного эпителия питающихся головастиков». Журнал эмбриологии и экспериментальной морфологии . 10 : 622–640. ПМИД   13951335 .
  28. ^ «Нобелевская премия по физиологии и медицине – пресс-релиз 2012 г.» . Нобель Медиа АБ. 8 октября 2012 г.
  29. ^ Jump up to: а б с Такахаши К., Яманака С. (август 2006 г.). «Индукция плюрипотентных стволовых клеток из культур фибробластов эмбрионов и взрослых мышей с помощью определенных факторов» (PDF) . Клетка . 126 (4): 663–676. дои : 10.1016/j.cell.2006.07.024 . ПМИД   16904174 . S2CID   1565219 .
  30. ^ Jump up to: а б с д и ж де Магальяйнс ЖП, Окампо А (июнь 2022 г.). «Клеточное перепрограммирование и развитие биотехнологий омоложения» (PDF) . Тенденции в биотехнологии . 40 (6): 639–642. дои : 10.1016/j.tibtech.2022.01.011 . ПМИД   35190201 . S2CID   246990346 .
  31. ^ Сайгин Д., Табиб Т., Биттар Х.Э., Валензи Э., Сембрат Дж., Чан С.Ю. и др. (06 декабря 2007 г.). «Транскрипционное профилирование популяций клеток легких при идиопатической легочной артериальной гипертензии» . Легочное кровообращение . 10 (1). дои : 10.1038/stemcells.2007.124 . ПМК   7052475 . ПМИД   32166015 .
  32. ^ Jump up to: а б с д и Такахаши К., Танабэ К., Онуки М., Нарита М., Ичисака Т., Томода К., Яманака С. (ноябрь 2007 г.). «Индукция плюрипотентных стволовых клеток из фибробластов взрослого человека определенными факторами». Клетка . 131 (5): 861–872. дои : 10.1016/j.cell.2007.11.019 . hdl : 2433/49782 . ПМИД   18035408 . S2CID   8531539 .
  33. ^ Jump up to: а б с д и ж г час Дэвид Л., Polo JM (май 2014 г.). «Фазы перепрограммирования» . Исследования стволовых клеток . 12 (3): 754–761. дои : 10.1016/j.scr.2014.03.007 . ПМИД   24735951 . S2CID   31759309 .
  34. ^ Даунинг Т.Л., Сото Дж., Морез С., Хуссен Т., Фриц А., Юань Ф. и др. (декабрь 2013 г.). «Биофизическая регуляция эпигенетического состояния и перепрограммирование клеток» . Природные материалы . 12 (12): 1154–1162. Бибкод : 2013NatMa..12.1154D . дои : 10.1038/nmat3777 . ПМЦ   9675045 . ПМИД   24141451 .
  35. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л Пирес, Роза ФФ, Курочкин И, Перейра (11 декабря 2019 г.). «Понимание и модуляция иммунитета с помощью перепрограммирования клеток» . Границы в иммунологии . 10 :2809. дои : 10.3389/fimmu.2019.02809 . ПМК   917620 . ПМИД   31921109 .
  36. ^ Jump up to: а б Хохдлингер К., Йениш Р. (июнь 2006 г.). «Ядерное перепрограммирование и плюрипотентность». Природа . 441 (7097): 1061–1067. Бибкод : 2006Natur.441.1061H . дои : 10.1038/nature04955 . ПМИД   16810240 . S2CID   4304218 .
  37. ^ Сайгин Д., Табиб Т., Биттар Х.Э., Валензи Э., Сембрат Дж., Чан С.Ю. и др. (2006). «Транскрипционное профилирование популяций клеток легких при идиопатической легочной артериальной гипертензии» . Легочное кровообращение . 10 (1): 976. doi : 10.1038/nrn2022-c1 . ПМК   7052475 . ПМИД   32166015 .
  38. ^ Мазерс Дж. К. (июнь 2006 г.). «Пищевая модуляция старения: геномные и эпигенетические подходы». Механизмы старения и развития . 127 (6): 584–589. дои : 10.1016/j.mad.2006.01.018 . ПМИД   16513160 . S2CID   9187848 .
  39. ^ Уилмут И., Шниеке А.Е., МакВир Дж., Кайнд А.Дж., Кэмпбелл К.Х. (февраль 1997 г.). «Жизнеспособное потомство, полученное из клеток плода и взрослых млекопитающих». Природа . 385 (6619): 810–813. Бибкод : 1997Natur.385..810W . дои : 10.1038/385810a0 . ПМИД   9039911 .
  40. ^ Перейра К.Ф., Терранова Р., Райан Н.К., Сантос Дж., Моррис К.Дж., Куи В. и др. (сентябрь 2008 г.). Рупениан, округ Колумбия (ред.). «Перепрограммирование В-лимфоцитов человека на основе гетерокарионов для достижения плюрипотентности требует Oct4, но не Sox2» . ПЛОС Генетика . 4 (9): e1000170. дои : 10.1371/journal.pgen.1000170 . ПМК   2527997 . ПМИД   18773085 .
  41. ^ Jump up to: а б с Буэно С., Сардина Х.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 . ПМИД   26500142 . S2CID   508334 .
  42. ^ Jump up to: а б с Шривастава Д., ДеВитт Н. (сентябрь 2016 г.). «Перепрограммирование клеток in vivo: следующее поколение» . Клетка . 166 (6): 1386–1396. дои : 10.1016/j.cell.2016.08.055 . ПМК   6234007 . ПМИД   27610565 .
  43. ^ Поло Дж.М., Андерсен Э., Уолш Р.М., Шварц Б.А., Нефцгер К.М., Лим С.М. и др. (декабрь 2012 г.). «Молекулярная дорожная карта перепрограммирования соматических клеток в iPS-клетки» . Клетка . 151 (7): 1617–1632. дои : 10.1016/j.cell.2012.11.039 . ПМК   3608203 . ПМИД   23260147 .
  44. ^ Jump up to: а б Риццино А (декабрь 2009 г.). «Sox2 и Oct-3/4: универсальная пара главных регуляторов, которые управляют самообновлением и плюрипотентностью эмбриональных стволовых клеток» . Междисциплинарные обзоры Wiley. Системная биология и медицина . 1 (2): 228–236. дои : 10.1002/wsbm.12 . ПМК   2794141 . ПМИД   20016762 .
  45. ^ Домингес-Сола Д., Ин С.И., Грандори С., Руджеро Л., Чен Б., Ли М. и др. (июль 2007 г.). «Нетранскрипционный контроль репликации ДНК с помощью c-Myc». Природа . 448 (7152): 445–451. Бибкод : 2007Natur.448..445D . дои : 10.1038/nature05953 . ПМИД   17597761 . S2CID   4422771 .
  46. ^ Зарес Х., Ленш М.В., Дахерон Л., Стюарт С.А., Ицковиц-Элдор Дж., Дейли GQ (март 2005 г.). «Высокоэффективная РНК-интерференция в эмбриональных стволовых клетках человека» . Стволовые клетки . 23 (3): 299–305. doi : 10.1634/stemcells.2004-0252 . ПМИД   15749924 . S2CID   1395518 .
  47. ^ Хертье В., Оуэнс Н., Гонсалес И., Мюллер Ф., Пру С., Морнико Д. и др. (март 2019 г.). «Молекулярная логика самообновления, индуцированного Nanog, в эмбриональных стволовых клетках мыши» . Природные коммуникации . 10 (1): 1109. Бибкод : 2019NatCo..10.1109H . дои : 10.1038/s41467-019-09041-z . ПМК   6406003 . ПМИД   30846691 .
  48. ^ Jump up to: а б Полл Д., Севилья А., Чжоу Х., Хан А.К., Ким Х., Наполитано С. и др. (сентябрь 2015 г.). «Автоматизированное высокопроизводительное получение, характеристика и дифференцировка индуцированных плюрипотентных стволовых клеток». Природные методы . 12 (9): 885–892. дои : 10.1038/nmeth.3507 . ПМИД   26237226 . S2CID   9889991 .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Reprogramming&oldid=1217575063"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: e92402ae6d3da354b75810b432ca2d86__1712412420
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/e9/86/e92402ae6d3da354b75810b432ca2d86.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Reprogramming - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)