Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Vincent S.D., Dunn N.R., Sciammas R., Shapiro-Shalef M., Davis M.M., Calame K., Bikoff E.K., and Robertson E.J., 2005. The zinc finger transcriptional repressor Blimp 1/Prdm1 is dispensable for early axis formation but is required for specification of primordial germ cells in the mouse. Development 132: 1315–1325.

Waddington C., 1956. Principles of embryology Allen & Unwin, London, United Kingdom.

Weber R.J., Pedersen R.A., Wianny E., Evans M.J., and Zemicka-Goetz M., 1999. Polarity of the mouse embryo is anticipated before implantation. Development 126: 5591–5598.

Yamaguchi S., Kimura H., Tada M., Nakatsuji N., and TadaT., 2005. Nanog expression in mouse germ cell development. Gene Expr. Patterns 5: 639–646.

Zhang E., Barboric M., Blackwell T.K., and Peterlin B.M., 2003. A model of repression: CTD analogs and PIE-1 inhibit transcriptional elongation by P-TEFb. Genes Dev. 17: 748–758.

Глава 21. Эпигенетическое регулирование лимфоцитопоэза

Meinrad Busslinger¹ и Alexander Tarakhovsky²

1Research Institute of Molecular Pathology, Vienna Biocenter, A-1030 Vienna, Austria

2Laboratory of Lymphocyte Signaling, The Rockefeller University, New York, New York 10021

Общее резюме

Каждый иммунолог знает простую истину — для изучения любого загадочного биологического процесса нет лучшего объекта, чем лимфоциты. Этому правилу следуют эпигенетические механизмы, задействованные в регуляции клетки. Обычный предшественник лимфоцита на раннем этапе развития выбирает, стать («boring») В-клеткой или («terrific») Т-клеткой. Для тех, кто интересуется физиологией эпигенетики, развивающиеся лимфоциты предоставляют широкие возможности для наиболее четкого выделения дискретных стадий развития Благодаря высокой эффективности методов сортировки клеток, даже минимальная субпопуляция развивающихся и зрелых клеток может быть выделена в количестве, достаточном для наиболее требовательных технологий. Таким образом, лимфоциты дают возможность идентифицировать те гены и их регуляторы, которые принимают участие в перепрограммировании стволовых клеток в зрелые. Решающую роль в этом выборе играют транскрипционные факторы, но к ним быстро присоединяются «писатели» и «читатели» «кода модификации гистонов».

В ходе развития В- и Т- клеток, каждый развивающийся лимфоцит должен продекларировать свою «социальную» идентичность, т. е. антигенную специфичность. Экспрессия рецептора какого-то уникального антигена развивающимися В- или Т-клетками крайне важна для их последующего отбора против опасных аутореактивных клеток, и она облегчает развитие клеток с четкими рецепторами, которые распознают неограниченное количество внешних антигенов. Для того чтобы достичь такой удивительной специфичности, каждая В-или Т-клетка проходит процесс рекомбинации гена иммуноглобулина или рецептора Т-клетки. Для того чтобы этот процесс стал возможным, локусы иммуноглобулина или рецепторов Т-клетки, охраняемые хроматином, становятся доступны механизму генной рекомбинации. Генные сегменты, разделенные количеством ДНК до 3 млн о., сближаются и лигируются, образуя уникальный ген рецептора антигенов. Процесс рекомбинации генов иммуноглобулина характеризуется всеми возможными особенностями, взывающими к ветеранам (истокам?) эпигенетики. Тот факт, что локусы иммуноглобулинов должны быть транскрибированы перед рекомбинацией, очевидным образом напоминает транскрипцию гена Xist, который индуцирует эпигенетические изменения, ведущие к инактивации Х-хромосомы. В поддержку этой точки зрения можно сказать, что метилтрансфераза гистонов Ezh2, участвующая в инактивации Х-хромосомы, также играет важную роль и в рекомбинации генов иммуноглобулинов. Для тех, кто увлечен малыми РНК, отметим, что развивающиеся В клетки обнаруживают двунаправленную транскрипцию в пределах локуса иммуноглобулина; таким образом появляется возможность вырабатывать дуплексы малых РНК, которые могут работать как направляющие РНК, маркируя хроматин метками, пермиссивными для рекомбинации.

Однажды появившись, В- и Т-клетки должны оставаться живыми достаточно долго, чтобы получить уорхоловские 15 минут славы. В мире иммунных клеток это означает встречу с антигеном и ответ на него. Для достижения этой благородной цели В- и Т-клетки используют все возможные средства, от транскрипционных факторов до ферментов, модифицирующих гистоны. После активации антигеном В- и Т-клетки следуют очень различными путями. Активированные Т-клетки дифференцируются в эффекторные клетки, которые продуцируют набор цитокинов, в свою очередь либо помогающих другим иммунным клеткам выполнять свои функции, либо содействующих прямому поражению мишеней. В отличие от Т-клеток, которые сохраняют свою линейную идентичность до смерти, конечная цель В-клеток — потерять свою идентичность и стать источником высокоспецифичных растворимых антител, нейтрализующих патогены. Для достижения этой цели, активированные В-клетки вступают на путь оптимизации антител и гены иммуноглобулинов в них претерпевают мутации, повышающие сродство рецепторов к антигенам. Этот процесс выполняет индуцированная активацией дезаминаза (AID), но механизм, который нацеливает такой мощный «мутатор» на крошечный сегмент двухметровой геномной ДНК, неизвестен и, вероятнее всего, контролируется эпигенетически. В-клетки, которые экспрессируют высокоаффинные рецепторы антигенов, вступают в следующий раунд AID-зависимого удара по ДНК, результатом чего является переключение класса иммуноглобулинов и выработка антител других изотипов, обладающих другими возможностями защиты организма. Любопытные эпигенетики несомненно найдут, что в этой, так называемой, рекомбинации-переключателе класса иммуноглобулинов много такого, что напоминает явления, которые имеют место при элиминации ДНК у Tetrahymena, теломерном сайленсинге у дрожжей и инактивации Х-хромосомы у млекопитающих. Рано или поздно В-клетки, которые исчерпали возможность улучшение антител, встретят антиген. Это событие ведет к значительному перепрограммированию генома, что лишает В-клетки их идентичности и приводит к генерации плазматических клеток, продуцирующих антитела. Хотя транскрипционный контроль этого жизненно важного процесса хорошо известен, механизм массовой дедифференцировки В-клеток представляет большой интерес для тех, кто ищет способы по желанию изменять идентичность клетки. Трудно переоценить практическое значение изучения эпигенетических механизмов, лежащих в основе дифференцировки и функционирования лимфоцитов. При многих лимфоидных раках происходит избыточная экспрессия различных метилтрансфераз гистонов, и их таргетинг специфическими ингибиторами может помочь остановить рост и распространение раковых клеток. Имея обширные знания о факторах, контролирующих дифференцировку лимфоцитов из стволовых клеток, можно ожидать, что лимфоциты будут в числе первых клеток, которые будут перепрограммированы из стволовых клеток для терапевтических целей. Итак, волнения, связанные с наукой полезно для иммунитета, и эта важная истина делает эпигенетику лучшим иммуностимулятором.

1. Введение

Тканеспецифичные стволовые клетки ответственны за развитие и регенерацию целых органов, таких как кожа, кишечник и кровеносная система, в течение всей жизни. Для этого стволовые клетки снабжены двумя уникальными свойствами. Во-первых, они обладают мощным потенциалом самообновления и поэтому могут воспроизводиться в своем некоммитированном состоянии. Во-вторых, они плюрипотентны и поэтому служат источником клеток всех типов данного органа путем дифференцировки в мультипотентные прогениторные клетки с постепенно сокращающимся потенциалом развития (рис. 21.1). Эти прогениторные клетки последовательно проходят коммитирование по одной из нескольких линий, а затем дифференцируются по выбранному пути в функционально специализированные типы клеток этого органа (рис. 21.1).

То, каким образом линейное коммитирование мультипотентных прогениторов регулируется на молекулярном уровне, является важным вопросом биологии развития. Важную роль в этом процессе играют транскрипционные факторы, так как они способны к репрограммированию экспрессии больших групп генов. С этой целью они используют множественные механизмы активации или репрессии транскрипции генов в ответ на внеклеточные сигналы (рис. 21.2) (Fisher, 2002). Они могут косвенно влиять на программы экспрессии генов, противодействуя другим транскрипционным факторам через белок-белковые взаимодействия. Чаще транскрипционные факторы регулируют транскрипцию генов непосредственно, рекрутируя к регуляторным элементам ДНК коактиваторы или корепрессоры, обладающие активностью модификации гистонов или ремоделинга хроматина (рис. 21.2). Экспрессия генов определяется не только наличием совокупности транскрипционных факторов, но и хроматиновым контекстом, который отражает онтогенетическую предысторию клетки. В частности, на активность гена влияют локальный рисунок метилирования ДНК, ситуация с модификацией гистонов хроматина, позиция гена по отношению к репрессивным гетерохроматиновым доменам в ядре и архитектура локуса данного гена (рис. 21.2) (Fisher, 2002).

Рис. 21.1. Схема развития органов из одной стволовой клетки

^{Развитие органа инициируется тканеспецифичными стволовыми клетками, которые обладают мощным потенциалом самообновления и являются плюрипотентными и дают начало всем типам клеток этого органа. Стволовые клетки сначала дифференцируются в мультипотентные прогениторы (известные также как переходные делящиеся клетки) с нарастающим ограничением потенциала развития. Эти прогениторы впоследствии претерпевают коммитирование в один из нескольких клонов и затем дифференцируются по выбранному пути в функционально специализированный тип клеток данного органа}

Система гематопоэза, а особенно развитие лимфоцитов, хорошо подходит для изучения эпигенетических механизмов, контролирующих линейное коммитирование и дифференцировку, по следующим причинам. Линейная диаграмма гемопоэтической системы в значительной степени была прояснена по мере того, как были охарактеризованы различные стадии развития между гемопоэтической стволовой клеткой (ГСК) и различными зрелыми клетками крови разных типов (рис. 21.3) (Akashi et al, 2000; Busslinger, 2004). Как следствие, клетки на разных стадиях развития можно изолировать из гемопоэтических органов путем сортировки с помощью клеточного сортера с возбуждением флуоресценции (FACS), культивировать in vitro, исследовать на молекулярном уровне, модифицировать вирусными системами экспрессии и снова инъецировать мышам-реципиентам для выяснения функциональных последствий генетических манипуляций in vivo. Несмотря на то, что эпигенетические механизмы, лежащие в основе гемопоэтического развития, еще только начали изучать, большая часть наших знаний об эпигенетическом регулировании в настоящее время относится к В-лимфопоэзу.

Рис. 21.2. Центральная роль транскрипционных факторов в эпигенетическом контроле генов

^{Транскрипционные факторы (TF), которые часто регулируются в ответ на внеклеточные сигналы, отвечают за активацию генов, транскрипционную репрессию, перемещение генов в пределах компартментов ядра и за архитектонику хроматина генного локуса. Транскрипционные факторы выполняют эти разнообразные функции посредством взаимодействия с коактиваторами (включая ацетилтрансферазы гистонов [HATs]), с корепрессорами (включая деацетилазы гистонов [HDACs]), с аппаратом ремоделинга хроматина и с белковыми комплексами Polycomb}

Развитие В-клеток может быть грубо разделено на три фазы, характеризуемые (1) входом прогениторов в линию при коммитировании В-клеток, (2) выработкой разнообразных рецепторов антигенов путем соматической рекомбинации (V(D)J) и (3) терминальной дифференцировкой зрелых В-клеток в секретирующие иммуноглобулин плазматические клетки (рис. 3). В этой главе мы обсуждаем эпигенетические механизмы, контролирующие эти три аспекта развития, которые выявили основные принципы с возможностью применения их и для других систем развития.

2. Коммитирование линий в раннем лимфопоэзе

2.1. Внеклеточные сигналы

Гемопоэтическое развитие инициируется в костном мозге взрослой мыши путем решения гемопоэтических стволовых клеток (HSCs) дифференцироваться в общие миелоидные прогениторы (CMP) (Akashi et al., 2000) или в лимфоид-праймированные мультипотентные прогениторы (LMPP) (Adolfsson et al., 2005). Клетки эритроидных типов возникают только из СМР, в то время как миелоидные клетки могут происходить как из СМР, так и из LMPP. Активация лимфоидных генов RAG1 или RAG2 в клетках LMPP характеризует появление самых ранних прогениторов лимфоцитов (ELP), которые дифференцируются в обычные лимфоидные прогениторы (CLP) с характерным для них В-, Т-, и NK-клеточным потенциалом развития (рис. 21.3) (Busslinger, 2004).

Как внеклеточные сигналы, так и транскрипционные факторы существенны для дифференцировки HSCs в CLPs и в ранние прогениторы В-клеток (про-В-клетки) в костном мозге. Выработка лимфоидных прогениторов и В-лимфоцитов зависит от сигнала с рецепторов c-Kit, Flt3, и IL-7 (Waskow et al., 2002; Vosshenrich et al., 2003). В частности, мышь с двойным дефицитом по Flt3 и IL совершенно не может вырабатывать про-В клетки (Vosshenrich et al., 2003). Сигналы от Flt3 и IL-7R активируют близко родственные транскрипционные факторы Stat5a и Stat5b, которые, в свою очередь, облегчают дифференцировку лимфоидных прогениторов до стадии про-В-клеток (рис. 21.4) (Zhang et al, 2000; Kovanen и Leonard, 2004).

Развитие В-клеток чем дальше, тем больше зависит от факторов транскрипции с доменами типа «цинковые пальцы», Ikaros, и Ets-домена белка PU.1, так как CLP с характерной для них экспрессией IL-7R отсутствуют в костном мозге мутантных мышей Ikaros и PU.I (рис. 21.4) (Ariman et al., 2003; Dakic et al., 2005).