Плюрипотентность 101

Плюрипотентность 101

Мария Шутова, к.б.н., н.с. ИОГен РАН

ЭСК

биология развития TF iPSCs

регенеративная медицина

редактирование генома

наследственные заболевания рак

эволюция

GEMMs

Клеточная теория строения организмов

•  Все организмы сделаны из одной или более клеток

•  Клетка является основополагающей функциональной единицей живых организмов

•  Клетки происходят из предсуществующих клеток

эксперименты с пересадкой эмбриональных тканей = начало биологии развития

Нобелевская премия 1935 за открытие «организующих эффектов в эмбриональном развитии»

Возобновление специализированных клеток происходит за счет стволовых

Специализированная клетка

Клетка предшественник

Стволовая клетка

•  Клетки, способные к самообновлению •  Клетки, способные давать начало многим другим типам клеток

Типы стволовых клеток

Тотипотентные (полностью, лат) -‐ зигота

Плюрипотентные(много, греч.) – эмбриональные стволовые клетки

Мультипотентные (много, лат.) дифференцировка в ткани внутри зародышевых слоев

Пуповинная кровь, клетки костного мозга и тд.

Предшественники дифференцировка в определенные клетки в пределах определенной ткани

В процессе развития организма реализуется онтогенетическая программа разнообразия, в результате выполнения которой клетки постепенно утрачивают потенциал дифференцировки.

Технологии изучения биологии развития:

• моделирование процесса во взрослом организме

(клонирование) • моделирование процесса in vitro

(ЭСК)

ЭСК




наследственные заболевания

рак

эволюция

GEMMs

R. Briggs T.King

Технология переноса ядра Briggs& King 1952

Рождались живые головастики при переносе ядра эмбриональной клетки. Gurdon в 1962 г. использовал ядро из клетки кишечника взрослой лягушки

Клонирование приматов «Впервые эмбриональные стволовые клетки приматов клонированы

американскими учеными» , 2007

Producing primate embryonic stem cells by somatic cell nuclear transfer J. Byrne D. A. Pedersen L. Clepper, M. Nelson, W. G. Sanger, S. Gokhale, D. P. Wolf & S. M. Mitalipov Genotyping of Rhesus SCNT pluripotent stem cell lines David S. Cram, Bi Song & Alan O. Trounson

Роберт Эдвардс

ЭКО: 4 миллиона человек

Нобелевская премия по медицине 2010

Типы стволовых клеток

Тотипотентные (полностью, лат) -‐ зигота

Плюрипотентные(много, греч.) – эмбриональные стволовые клетки

Мультипотентные (много, лат.) дифференцировка в ткани внутри зародышевых слоев

Пуповинная кровь, клетки костного мозга и тд.

Предшественники дифференцировка в определенные клетки в пределах определенной ткани

ЭСК (плюрипотентность)

ЭСК (плюрипотентность)

плюрипотентность

самовозобновляемость

(Meregally 2011)

ЭСК (in vitro модель развития всего

организма)

Гомологичная рекомбинация в ЭСК

exon1 exon2 exon3 ген

exon1 exon3

exon1 exon2 exon3

exon1 exon3

/очередная/ Нобелевская премия (2007)

ЭСК





рак

эволюция

GEMMs

Гены-‐ господа, гены-‐рабы (TF)

Ген транскрипционного фактора Pax6 дрозофилы, ответственен за формирование глаз

Если его заставить работать в другом месте, то там вырастет глаз

В 1986-‐89 гг. Harold Weintraub с коллегами показал, что фибробласты кожи могут быть перепрограммированы (конвертированы) в мышцы транскрипционным фактором MyoD

Биология развития TF

ЭСК





рак

эволюция

GEMMs

В процессе развития организма реализуется онтогенетическая программа разнообразия, в результате выполнения которой клетки

постепенно утрачивают потенциал дифференцировки.

2n ДНК, 1 клетка

2n ДНК, 200 типов клеток 100 000 000 000 000 клеток

Клеточные программы реализуется на генетическом и эпигенетическом уровнях.

Waddington, Nature, 1957

Дифференцированные клетки

Плюрипотентная клетка

Epigenetic regulation of gene expression

Examples: Developmental and ~ssue specific gene expression X chromosome inac~va~on in female cells Transforma~on Aging

Histons modifications

CpG DNA methylation 5meC

Non coding RNA

Transcription factors

эпигенетика + TF

W. Reik 2007

Плюрипотентные клетки

iPS cells

разнообразие

потенциал

Онтогенетическая программа развития реализуется на генетическом и эпигенетическом уровне

Плюрипотентные клетки

=?

?

Pluripotent cells from somatic = reprogramming

CHIMERA

Shinya Yamanaka & Helen M. Blau; Nature|Vol 465|10 June

CHIMERA

CHIMERA

cytoplasmic

geneoc or direct

Yamanaka’s “magic cocktail”

In 1986-89 Harold Weintraub with co-workers demonstrated that skin fibroblasts can be converted (reprogrammed) into muscle by MyoD transcription factor overexpression

Клетки взрослого организма

Genetic reprogramming: induced pluripotent stem cells (iPSC)

15-30 дней

Стволовые клетки с индуцированной плюрипотентностью= эмбриональным стволовым клеткам

Belmonte et al., 2011. Nature Review Gene~cs.

Pluripotency a la carte

iPSCs были получены из: Mouse (Yamanaka et al., 2006) Humans (Yamanaka et al., 2007) Rhesus monkey (Liu et al., 2008) Rats (Liao et al., 2009; Li et al., 2009) Canine (Shimada, H. et al, 2010) Porcine ( Esteban, M. A. et al., 2009) Marmoset (Wu, Y. et al., 2010) Rabbit (Honda, A. et al., 2010) Equine (KrisOna Nagy et al., 2011 ) Avian (Lu et al., 2011)

4n

4n 2n

It is possible to reconstruct any organism from a single skin cell


самовозобновляемость

Эмбриональные стволовые клетки

(Meregally 2011)

•  Natural cells? •  Disease mechanism

studies •  Drug screening for

toxicity and effectiveness

•  Cell therapy

Pros and contra human ESC

Limited blastocyst availability

Immunological incompatibility with the recipient

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки


самовозобновляемость пациент-‐специфичность

(Meregally 2011)

Philonenko et al, 2011

•  одинаковые свойства? “нормальность” •  одинаковая эффективность дифференцировки? “удобство”

•  безопасность использования в медицине? •  “адекватность” использования iPS клеток как модели болезней?

идентичность ЭСК и iPS?


(Narsinh 2011)


(Yamanaka 2012) (Bock 2011)

Shown are the predic~on accuracy, sensi~vity, and specificity for iden~fying iPS cell lines (true posi~ves, TP) among ES cell lines (true nega~ves, TN), while minimizing the number of cell lines that are incorrectly predicted as iPS cell lines (false posi~ves, FP) or incorrectly predicted as ES cell lines (false nega~ves, FN).

commitment? (Bock 2011)

ЭСК





рак

эволюция

GEMMs

(Sheng and Hong, 2013)

(Robinton 2012)

Практическое использование индуцированных плюрипотентных клеток

(Cherry and Daley, 2012)

RIKEN is pleased to announce the launch of a pilot study to assess the safety and feasibility of the transplanta~on of autologous induced pluripotent stem cell (iPSC)-‐derived re~nal pigment epithelium (RPE) cell sheets in pa~ents with exuda~ve (wet-‐

type) age-‐related macular degenera~on. (30 July 2013)

Dr Masayo Takahashi

•  reprogrammed cells will trigger an immune reac~on

•  reprogrammed cells might mul~ply uncontrollably and form tumors instead of healthy ~ssue

•  a worry that the treatment, even if it proves harmless, might not be effec~ve

•  the iden~ty of the cells might not be stable

???

ЭСК




наследственные заболевания рак

эволюция

GEMMs

Плюрипотентность 101

Science

Transcript of Плюрипотентность 101