Гематопоэтические стволовые клетки (HSCs) поддерживают пул клеток крови путем самообновления, а также производства дочерних клеток, которые дифференцируются в лимфоидные, миелоидные и эритроидные линии. Ниша стволовых клеток в костном мозге взрослого организма обеспечивает эти клетки специфическими внешними сигналами для поддержания их судьбы. С другой стороны, внутриклеточные сигналы для поддержания состояния «стволовости», базируются, по-видимому, на системе PcG.
Мутанты мышей с мутациями генов PRC 1 (например, bmi1/mel-18, mph1/rae28 и тЗЗ: см. табл. 11.1) страдают различными дефектами в гематопоэтической системе, такими как гиперплазия (т.е. увеличенная клеточная пролиферация) в селезенке и тимусе, уменьшение числа В- и Т-клеток и нарушенный пролиферативный ответ лимфоидных предшественников на цитокины. Потребность в Bmi1 и Mel-18 в процессе самообновления стволовых клеток на различных стадиях развития позволяет предполагать меняющийся пул генов-мишеней для эмбриональных и взрослых стволовых клеток.
Для нейральных стволовых клеток (NSCs) также необходима система PcG, как показывают дефекты нейронов, наблюдаемые у мутантов bmi1 мышей (Bruggeman et al., 2005; Zencak et al., 2005). В частности, в постнатальном периоде мыши лишены церебральных NSCs, показывая тем самым потребность в Bmi1 in vivo в процессе обновления NSCs. Как было обнаружено для гематопоэтической системы, поддержание эмбриональных NSCs находится, как оказывается, под контролем другой сети PcG, чем самообновление взрослых NSCs.
Внешние сигналы, подобные сигнальному каскаду sonic Hedgehog, модулируют ответ Bmi1 в NSCs и обеспечивают способность к пролиферации/самообновлению (Leung et al., 2004). Идентификация этих внешних сигналов, контролирующих репрессию PcG была достигнута посредством анализа развития прогениторов гранулярных нейронов мозжечка (CGNPs — cerebellar ganule neuron progenitors). Постнатальная волна пролиферации индуцируется сигнальным фактором Sonic hedgehog (Shh), секретируемым клетками Пуркинье. Сигнал Shh разветвляется и контролирует уровни N-Myc и Bmi1 (рис. 11.9). Таким образом, CGNPs с нехваткой Bmi1, демонстрируют дефектный пролиферативный ответ на стимуляцию Shh. Сигнал Shh способен в конечном счете контролировать пролиферацию этих стволовых клеток, модулируя и путь Rb «вниз по течению» (через N-myc и Bmi1/pl6INK4a), и путь р53 (через Bmi1/pl9ARF). Этот механизм объясняет, почему гиперактивация Shh-сигналинга ведет к развитию медуллобластом (Leung et al., 2004). HSCs регулируются сходным путем, контролируемым Indian hedgehog. У NSCs экспрессия локусов Hoxd8, Hoxd9 и Нохс9 находится под контролем Bmi1. Соответствующий профиль экспрессии НОХ сообщает стволовым клеткам необходимую судьбу.
Действительно, поскольку стволовые клетки представляют определенную и коммитированную клеточную судьбу, неудивительно, что система PcG поддерживает эту конкретную судьбу наследуемым в митозе образом. В будущем будет интересно идентифицировать пул мишеней системы PcG в различных популяциях стволовых клеток и выяснить, каким образом можно влиять на систему поддержания, чтобы сделать возможным контролируемое репрограммирование судьбы стволовых клеток. В данный момент неясно, играет ли PcG какую-либо роль в поддержании стволовых клеток у растений. Возможно, однако, что репрограммирование растительных клеток, которые являются тотипотентными и обладают потенциальной способностью образовывать, в соответствующих условиях, полный новый организм, могло бы включать регуляцию PcG. Действительно, растения, лишенные гомологов E(z), CLF и SWN, продуцируют, после прорастания, массу недифференцированных клеток; это позволяет предположить, что для поддержания дифференцированного состояния необходимы гены PcG (Chanvivattana et al., 2004).
Рис. 11.9. Сигналит Sonic Hedgehog поддерживает пролиферацию/ самообновление прогениторных клеток мозжечка
Сигнальный каскад Shh регулирует и путь Rb, и путь р53 через Bmi1-контроль контрольную точку пролиферации Р16/р19. Подавление Smoothened (Smoh) Shh-рецептором Patched (Ptch) приводит к сигналингу «вниз по течению» в ядре Одна часть этого сигнала индуцирует N-Myc, Cyclin D1 и D2, тогда как другая часть активирует Bmi1 через эффекторы Gli (адаптировано из Valk-Lmgbeek et al., 2004)
5. Заключение и перспективы
Было замечательно проследить развитие наших представлений об эпигенетической регуляции PcG, начиная с первоначальной генетической идентификации мутанта Drosophila, обладающего дополнительными половыми гребешками на второй и третьей паре ног. Это в конечном счете привело к открытию нового класса регуляторов, которые, как оказалось, необходимы для таких фундаментальных эпигенетических процессов, как яровизация у растений и сайленсинг Х-хромосомы млекопитающих. Контроль генетической информации находится под сильным влиянием структуры хроматина и состава гистонов в их разнообразных модифицированных формах. Белки PcG непосредственно участвуют в генерации эпигенетических меток, например H3K27me3, вследствие «решений», принимаемых в ходе развития. Та же самая группа «считывает» эти эпигенетические метки (т.е. обнаруживает высокое сродство к ним) посредством действия белков PRC1 и транслирует их в стабильное, транскрипционно репрессированное состояние. У модельного организма Drosophila мы имеем относительно ясную картину того, как комплексы PcG заякорены в PREs для определенной группы генов-мишеней, подверженных долговременной репрессии. Однако до сегодняшнего дня не было идентифицировано никаких PREs у других организмов. Хотя основная функция белков PcG остается той же, неясно, какая часть геномов растений и позвоночных подвержена их репрессирующему действию и каким образом они «нацеливаются» на место их действия. Кроме того, нам нужно лучше понять, каким образом явно динамичная группа белков может навязывать стабильное состояние транскрипционной репрессии через химическое равновесие.