Маркеры плюрипотентности и дифференцировки

Плюрипотентные клетки — те, которые способны давать начало всем соматическим линиям, — несут отличительную эпигенетическую сигнатуру, которая поддерживает их как самообновление, так и готовность к дифференцировке. Центральной особенностью является бивалентный хроматин: гены развития остаются молчащими, но при этом находятся в состоянии готовности благодаря одновременному присутствию активирующих и репрессивных гистоновых меток, так что сигналы линии могут быстро склонить каждый ген к активации или стабильной репрессии. По мере дифференцировки клеток это состояние готовности разрешается, и накапливаются линейно-специфические метки.

Definition

Маркеры плюрипотентности и дифференцировки — это модификации хроматина и паттерны метилирования ДНК, которые отличают плюрипотентные клетки — в частности, бивалентные домены, несущие как H3K4me3, так и H3K27me3 в генах развития — от дифференцированных клеток, и которые регулируемым образом изменяются по мере коммитирования клеток к определенным линиям.

Scope

Эта тема охватывает особенности хроматина и метилирования ДНК, которые определяют и стабилизируют плюрипотентность, бивалентные (готовые) домены, которые маркируют ключевые регуляторы развития в стволовых клетках, метки, которые накапливаются по мере коммитирования клеток, и сброс этих меток во время индуцированной плюрипотентности. Также отмечается, что сама плюрипотентность не является единым состоянием, а представляет собой континуум. Данная статья является справочным материалом по эпигенетике клеточной потенции, а не клиническим руководством.

Core questions

• Какие особенности хроматина отличают плюрипотентные клетки от дифференцированных?
• Как бивалентные домены поддерживают гены развития в готовом, но молчащем состоянии?
• Как эти метки разрешаются по мере коммитирования клеток к линии?
• Как восстанавливаются маркеры плюрипотентности во время репрограммирования?

Key concepts

• Бивалентные домены (H3K4me3 + H3K27me3)
• Готовые гены развития
• Гипометилирование локусов, связанных с плюрипотентностью
• Разрешение бивалентности при коммитировании
• Наивная, формирующаяся и праймированная плюрипотентность
• Эпигенетический сброс при репрограммировании

Key theories

Бивалентный хроматин (готовое состояние)

Ключевые гены развития в эмбриональных стволовых клетках несут сосуществующие активирующие (H3K4me3) и репрессивные (H3K27me3) гистоновые метки; эта бивалентная конфигурация удерживает их транскрипционно молчащими, но готовыми, что позволяет быстрое и селективное разрешение в сторону активации или стабильной репрессии по мере принятия решений о линии.

Континуум плюрипотентности

Плюрипотентность — это не единое фиксированное состояние, а прогрессия — например, наивная, формирующаяся и праймированная фазы — каждая с характерными эпигенетическими и транскрипционными особенностями, поэтому метки, связанные с потенцией, изменяются по мере продвижения клеток к дифференцировке.

Mechanisms

В плюрипотентных клетках промоторы регуляторов развития поддерживаются в бивалентных доменах, где сосуществуют H3K4me3, депонированный Trithorax, и H3K27me3, депонированный Polycomb, что удерживает гены в молчащем состоянии, но готовыми к быстрому ответу. Метилирование ДНК глобально перераспределяется между состояниями плюрипотентности, при этом регуляторные области генов потенции обычно остаются неметилированными и доступными. По мере получения клетками сигналов дифференцировки бивалентные домены разрешаются: гены линии сохраняют H3K4me3 и теряют репрессивную метку, становясь активными, в то время как гены альтернативной судьбы теряют H3K4me3 и приобретают стабильную репрессию Polycomb, часто усиленную метилированием ДНК. Индуцированная плюрипотентность обращает эту логику вспять, восстанавливая бивалентную, гипометилированную сигнатуру, характерную для стволовых клеток.

Clinical relevance

Эпигенетическая сигнатура плюрипотентности лежит в основе биологии стволовых клеток и подходов регенеративной медицины, которые зависят от получения, поддержания или дифференцировки плюрипотентных клеток. Эта тема объясняет, как кодируется и разрешается потенция; она описывает биологию и не является основой для индивидуальных диагностических или лечебных решений.

History

Признание того, что плюрипотентные клетки обладают отличительным состоянием хроматина, кристаллизовалось, когда полногеномное профилирование выявило бивалентные домены в генах развития эмбриональных стволовых клеток (Bernstein et al., 2006), переосмыслив плюрипотентность как готовое, а не просто пермиссивное состояние. В тот же период Takahashi и Yamanaka в 2006 году продемонстрировали, что определенные факторы могут восстанавливать плюрипотентность, а синтезы, связывающие метилирование ДНК с гистоновыми метками (Cedar & Bergman, 2009), прояснили, как эти метки усиливают друг друга. Более поздние работы переосмыслили плюрипотентность как континуум состояний (Smith, 2017).

Debates

Насколько универсальна и функционально необходима бивалентность?

Хотя бивалентные домены являются отличительной чертой плюрипотентных клеток, продолжаются дебаты о том, насколько широко распространена эта конфигурация среди типов клеток и насколько строго она необходима для поддержания генов развития в готовом состоянии, по сравнению с тем, что это один из нескольких способов поддержания генов в готовности.

Key figures

• Bradley Bernstein
• Eric Lander
• Shinya Yamanaka
• Austin Smith
• Howard Cedar

Seminal works

• bernstein-2006
• takahashi-yamanaka-2006
• smith-2017

Frequently asked questions

Что такое бивалентный хроматиновый домен?

Это область, несущая одновременно как активирующую метку (H3K4me3), так и репрессивную метку (H3K27me3); в плюрипотентных клетках это поддерживает ключевые гены развития в молчащем, но готовом состоянии, чтобы они могли быть быстро активированы или стабильно заглушены по мере принятия решений о линии.

Является ли плюрипотентность единым состоянием?

Нет; современное понимание описывает плюрипотентность как континуум состояний — таких как наивная, формирующаяся и праймированная — каждое со своими эпигенетическими и транскрипционными особенностями, а не как одно фиксированное состояние.