Magyar Tudomány, 2004/3 276. o.

Őssejtek

Kemény Annamária

PhD-hallgató

Duda Ernő

tudományos tanácsadó

SZTE Orvosi Mikrobiológiai és Immunbiológiai Intézet és MTA SZBK, Szeged

Az őssejtek különleges tulajdonságai: pluripotencia és sajátos sejtciklus-szabályozás


Az utóbbi egy-másfél évtizedben az élő természettudományok egyik legnagyobb érdeklődésre számot tartó területévé vált az őssejtek biológiája. Szociális, politikai, etikai és gazdasági vonatkozások mellett számunkra a téma biológiai és orvostudományi jelentősége döntő. Az őssejtkutatás hozzájárulhat olyan alapvető folyamatok mélyebb megértéséhez, mint a sejtosztódás és differenciálódás; az őssejtek felhasználása pedig azzal kecsegtet, hogy sokféle, ma még gyógyíthatatlan betegség kezelésében nyílik új alternatíva. Világszerte hematológiai és neurológiai betegek, veleszületett és daganatos betegségben szenvedők, autoimmun betegek, de egészséges emberek milliói is figyelemmel követik a kutatás eredményeit.

A korai ébrényekből származó totipotens őssejtekre és az egyedfejlődés későbbi szakaszaiban is fellelhető, ún. szomatikus, testi őssejtekre vonatkozó ismereteink többsége egérmodellekből származik. Egyre bővül azonban tudásunk más állatok és az ember őssejtjeiről is, főleg a vérképző őssejteken (haematopoietic stem cells - HSC) végzett kísérleteknek köszönhetően. Közben egyre többféle őssejtről beszélünk, és elképesztő, hogy milyen anatómiai képletekről bizonyosodik be, hogy őssejtek forrásául szolgálhatnak (tejfogak, hajhagymák, háj stb.). Valamennyi őssejttípusra jellemző azonban, hogy sajátos osztódási tulajdonságokkal rendelkezik, és differenciálódás tekintetében elkötelezetlen.

A "normális" diploid sejtek, amelyekben sem celluláris, sem virális onkogének immortalizáló hatása nem mutatható ki, nem képesek hosszabb ideig szuszpenzióban fennmaradni, különösen nem osztódni (anchorage dependence). Ha a sejtek "benövik" a rendelkezésükre álló felszínt, befejezik a szaporodást, azaz a kontakt gátlás jelenségét mutatják. Sejtosztódáshoz igénylik a szérumban található növekedési faktorok jelenlétét, és a telomeráz működésének hiánya miatt öregedést, szeneszcenciát mutatnak. Leonard Hayflick nevéhez fűződik az a megfigyelés, hogy az egészséges diploid sejtek bizonyos számú osztódás után képtelenné válnak további proliferációra. A lehetséges osztódások számát mutató Hayflick-szám annak a szervezetnek a biológiai életkorától függ, amelyből az illető sejteket izolálták. A szérum megvonása, egyes tápanyagok hiánya a sejtciklus leállását, G0 állapotban való stagnálást (quiescence) vált ki.

A fentiekkel szemben az embrionális őssejtek számos olyan tulajdonságot mutatnak, amelyek a daganatsejtekre jellemzőek. Az őssejtekben nem figyelhető meg szeneszcencia, szérummentes tápfolyadékban korlátlanul szaporodnak, nem állnak kontaktgátlás alatt, képesek szuszpenzióban is osztódni, és telomeráz pozitívak. (Ritkán esik róla szó, de az őssejtek bizonyos körülmények között - például felnőtt állat bőre alá oltva - tumorrá alakulnak.) Nem ismerünk olyan körülményeket, amelyek között az őssejteket a sejtciklus leállítására, nyugalmi állapotra lehetne kényszeríteni. Az őssejtek vagy osztódnak, vagy apoptózist követnek el. Ugyanakkor - a tumorsejtekkel éles ellentétben - szigorúan megőrzik diploid kariotípusukat és kromoszómaszámukat. Amíg a rosszindulatú, malignus sejtekben a mutációs ráta hihetetlenül magas értékeket érhet el, az őssejtekben az a fajra jellemző alapértékkel egyezik meg. Tehát a sejtosztódás szabályozását illetően az őssejtek egészen különleges sajátságokkal rendelkeznek.

Az őssejtek másik fontos sajátsága az önmegújító képesség: osztódásuk eredménye két, teljesen azonos, differenciálatlan őssejt, amelyek közül, statisztikusan, majd az egyik differenciálódik valamelyik fejlődési irányba. A következőkben megpróbáljuk összefoglalni azoknak a kísérleteknek a tanulságait, amelyek az őssejtek sajátos osztódási tulajdonságait és a differenciáció gátlását eredményező jelátviteli utakat és génaktivitást szabályozó mechanizmusokat vizsgálták. Megpróbálunk magyarázatot találni a sejtciklus különleges kontrolljának és az elkötelezetlenség megőrzésének összefüggéseire.

Az őssejtek önmegújulása illetve differenciálódása

A korai egérembrió epiblaszt sejtjeiből indított őssejtkultúrák embrionális őssejtjeinek (embryonic stem cells - ES) fennmaradása és szaporodása a leukémiagátló faktor (leukemia inhibitory factor - LIF) jelenlététől függ. A korai kísérletekben ezt a citokint az őssejtekkel együtt tenyésztett fibroblasztok (a feeder layer sejtjei) termelték, ma már a rekombináns citokint használják. A LIF az interleukin-6 (IL-6) citokinnel rokon fehérje, amely - a citokinek túlnyomó többségéhez hasonlóan - pleiotróp, azaz a célsejt differenciációjának fokától és típusától, illetve a jelen lévő többi citokin minőségétől függően számos hatással rendelkezik.

Az ES sejtek felszínén megtaláljuk a LIF receptorát, amely több alegységből áll. Egyik lánca felelős a LIF felismeréséért, a másik a proliferációs jelfolyamat beindításáért. Az utóbbi alegység, a gp130 néven ismert fehérje számos más citokin receptorának (például IL-6, CNTF, onkostatin M, IL-11) is alkotórésze, azokban is a jelképzésért felelős. A LIF a két alegységből álló receptorkomplexhez nagy affinitással és nagy szelektivitással kötődik.

A receptorkomplex és a ligand kölcsönhatása (1. ábra) specifikus fehérje-módosító enzim aktiválódását váltja ki a citoplazmában: a JAK (Janus-associated tyrosine kinase) a gp130 fehérje egyes tirozinjainak hidroxilcsoportjait foszforilálja. A foszfotirozin csoportok iránt nagy affinitást mutatnak olyan szabályozó fehérjék, amelyekben ún. SH2 domének találhatók. A gp130 foszfotirozinjaihoz a STAT-családba tartozó SH2 domént tartalmazó fehérjék kötődnek (a STAT a signal transducer and activator of transcription rövidítése, ES sejtekben a LIF hatására elsősorban a STAT3 molekulák kötődnek a gp130-hoz), amelyeket a gp130-on tevékenykedő JAK szintén foszforilál.

Ezután a módosítás után a STAT molekulák egyaránt rendelkeznek foszforilált tirozinokkal és foszfotirozint kötő SH2 doménekkel, így kölcsönösen megköthetik egymást, dimerizálódhatnak. A STAT dimerek azután képesek bejutni a sejtmagba, ahol DNS-kötő fehérjeként gének aktivitásának szabályozására válnak képessé (transzkripciós faktorok). Kétféle kísérlet is bizonyítja, hogy a STAT3 foszforilációja, magba jutása és szabályozó aktivitása elengedhetetlen az egér ES sejtek szimmetrikus önmegújító képességéhez. A STAT3-nak előállították olyan mutánsait, amelyek gátolni képesek a fehérje génaktivitást szabályozó képességét. Az ilyen mutánsokkal transzformált ES sejtek azonnal differenciálódni kezdtek. A másik megközelítésben a foszforilálatlan STAT3 dimerizációját úgy váltották ki, hogy a fehérjét fúzionáltatták egy, a citoplazmában található szteroid receptorral. Ez a fehérje ösztradiol jelenlétében dimereket képez, fizikai kontaktust alakítva ki a STAT3 molekulák között. Az ilyen fúziós fehérjét termelő ES sejtek LIF távollétében is megőrzik differenciálatlan jellegüket, ha ösztradiolt kapnak.

Különös - és sajnálatos - módon, az emberi ES sejtekre nem hat a LIF. A vizsgálatok szerint ugyan valamennyi kulcsfontosságú molekula (LIF receptor, JAK, STAT3) megtalálható az emberi ES sejtekben is, a LIF jelenléte azonban nem vezet a STAT3 aktiválódásához. Valószínűleg ezért hatástalan a LIF, mert a SOCS-1 (suppressor of cytokine signaling) fehérje magas szintje gátolja a gp130-on induló jelátviteli folyamatot, legalábbis a vizsgált emberi sejtekben. Ez még nem jelenti azt, hogy az emberi őssejtek nem tarthatók differenciálatlan állapotban. Egér eredetű táplálósejt-réteg (feeder layer) mellett használni lehet embrionális emberi fibroblasztokat, felnőttek petevezető-eredetű sejtjeit, újabban újszülöttek fitymájából tenyésztett fibroblasztokat is azoknak az egyelőre ismeretlen faktoroknak az előállítására, amelyek megakadályozzák az emberi őssejtek differenciálódását.

A LIF nem csak egy jelutat aktivál. A sejtosztódást kiváltó (mitogén) faktorokhoz hasonlóan kiváltja a Ras-MAPK jelátviteli út aktiválódását is (2. ábra). A MAPK (mitogénaktivált protein kináz) család számos tagja közül különösen az ERK p42 és p44 játszik jól bizonyított szerepet a sejtosztódás és differenciáció szabályozásában részt vevő folyamatok aktiválásában. Nagyon leegyszerűsítve egy kétségbeejtően bonyolult szabályozási rendszert, azt mondhatjuk, hogy a receptorok foszforilálódott fehérjéin alakul ki az a fehérjekomplex is, amely ezt a jelútat elindítja. A STAT fehérjék mellett más fehérjék, így például a Grb2 adaptor és a Sos (guanine nucleotide-exchange factor) is kötődnek a membránba ágyazott receptor citoplazmába nyúló végén kialakuló fehérjekomplexhez. A Sos membránközeli elhelyezkedése aktiválja a Ras-t, ami egy foszforilációs kaszkádot indít el: Ras a Raf-ot, az a MEK-et, a MEK az ERK-et aktiválja. Ezek a protein kinázok számos fehérjét foszforilálnak a citoplazmában, ami hozzájárul a sejt állapotának megváltoztatásához, de a döntő lépés az aktivált ERK magba kerülése. Itt ugyanis a fehérje olyan transzaktiváló fehérjéket foszforilál, mint a Myc, az SRF vagy az Elk, amelyek aztán gének tucatjainak aktivitását változtatják meg.

A nyájas olvasó itt már reménykedhetne, hogy nem kerül sor további jelátviteli utak ismertetésére, de sajnos, hiába. Az aktivált gp130-hoz ugyanis kapcsolódik egy foszfatáz is, az SHP-2 (ami a foszfát csoportokat eltávolítva visszaalakíthatja a receptort eredeti állapotába). Persze az SHP-2 is átesik eközben a foszforiláción (tulajdonképpen ide kötődik a Grb2, nem közvetlenül a gp130-hoz), ezáltal kölcsönhatásba tud lépni a Gab-1-en keresztül a PI3K lipid-kinázzal (3. ábra).

A receptor-aktiválódást követően így a PI3K is membrán-kötötté válik, és a membránalkotó foszfolipidek egyikét, a foszfatidil-inozitolt (PI) foszforilálja. A keletkező PIP3 mitogén hatású: számos protein kinázt (PDK, Akt/PKB, szerin-treonin kinázok) membrán-kötötté alakít és/vagy aktivál. Ezek az aktivált kinázok fontos szabályozó szerepet játszanak olyan életfontosságú folyamatokban, mint a sejtciklus szabályozása, az apoptózisra való hajlam meghatározása, de hatással vannak az egész anyagcserére. (A PI3K nagyon hatásos termékét több enzim is próbálja "eltakarítani". A PTEN és a SHIP nevű foszfatázok (eltérő helyekről) lehasítanak egy-egy foszfátcsoportot a PIP3-ról. Mivel a PI3K féktelen aktivitása gyakran megfigyelhető tumoros sejtekben, a PTEN enzimet joggal tekinthetjük tumorszuppresszornak.) A PI3K működése során keletkező foszforilált lipidekhez kötődnek a fentebb említett SHP-2-Gab1-Grb2-Ras komplex pleckstrin-homológia (PH) doménnel rendelkező tagjai, ami a jelgeneráló "szignaloszóma" stabilizálódásához, a jel felerősödéséhez vezet.

A LIF tehát két, ellentétes hatású folyamatot indít el, a differenciálódást gátló STAT3 aktiválódást és a differenciálódást kiváltó Ras-ERK utat. Ez általánosnak tekinthető a citokinek által kiváltott jelátviteli folyamatokban, ahol az egyes jelutak egymással ellentétes és egymást erősítő hatásokkal is rendelkeznek. A Ras-ERK jelút gátlása ES sejtekben fokozza a LIF totipotenciát őrző hatását, bár nem pótolja a STAT3 út hatását. A Ras út egyes tagjainak deléciója, az ERK-kel ellentétes hatású foszfatázok túltermeltetése azonban képes megakadályozni vagy legalábbis gátolni az ES-sejtek későbbi differenciálódását. Az ES-sejtek sorsa tehát attól függ, milyen eredményre vezet a LIF-receptor gp130 alegységének aktiválódásából eredő JAK/STAT3 út vetélkedése a sejtfelszíni receptorok (köztük a LIF-receptor) által kiváltott Ras-ERK út eredményességével.

Az őssejtek azonban "manipulálják" a két út eredményességét. Kizárólag az őssejtekben figyelték meg a Gab-1 egyik sajátos variánsának a termelődését. Ez a molekula nem tartalmazza a PH domént, ami a membránhoz való kapcsolódását biztosítaná. Ez a Ras komplex stabilitásának csökkenéséhez és az ERK út versenyképességének gyengüléséhez vezet az ES sejtekben. Szintén az őssejtekre jellemző a SHIP foszfatáz egyik splice-variánsa, amelyből hiányzik az SH2 domén, így nem tudja gátolni a PDK, majd a következő kináz, a PKB/Akt működését. Ezek, a kizárólag őssejtekre jellemző fehérjevariánsok eltolják az egyensúlyt a STAT3 út, az elkötelezetlenség irányába.

A mikrokörnyezet hatása nagyon fontos. A sztrómasejtek által termelt citokinek, növekedési faktorok mindkét irányban befolyásolhatják az őssejteket - a szervezet igényeinek megfelelően. Az egyes, STAT3 aktiválást kiváltó citokinek, például a trombopoetin (Tpo) képesek fokozni a LIF hatását vagy helyettesíteni azt. Ha azonban a jelen levő mitogén faktorok receptorainak aktiválódása következtében a Ras út "kerekedik felül" az ES sejtek megfordíthatatlanul megindulnak a differenciálódás útján.

Elég megdöbbentő, de ismereteink jelenlegi állása szerint az őssejtek toti-, illetve pluripotenciája szinte teljes egészében egyetlen transzkripciós faktor jelenlétére vezethető vissza. A fejlődő embrióban az Oct4 faktor kifejeződése és aktivitása meggyőző párhuzamot mutat a sejtek fejlődési potenciáljával, egy idő után az Oct4 jelenléte csak a totipotens sejtekben (inner cell mass, epiblast) mutatható ki, a gasztruláció után pedig aktivitása a germinális sejtekre korlátozódik, elnémul a szomatikus sejtekben. A POU transzkripciós faktor családba tartozó (POU domain, class 5, transcription factor 1) és az octamer transzkripciós motívumokhoz kötődő Oct4 termelését az anyai szervezet kezdi meg, hogy ellássa vele a megtermékenyítetlen petesejteket, majd az embrió sejtjei veszik át a szintézist. A fehérjét kódoló POU5F1 gén null mutánsaiban ("knock out" egér) az Oct4 hiányában az embrió nem tud a blasztociszta állapotnál tovább fejlődni, és az embrionális őssejtek elvesztik totipotenciájukat. Az őssejtek differenciálódása az extraembrionális trofoblasztok irányára korlátozódik, ugyanakkor, az Oct4 termelő őssejtek hiányában a trofoblasztok szaporodása is korlátozódik. Ez utóbbi folyamat megfordítható, ha az Oct4 által bekapcsolt egyik gén termékét, az FGF-4-et (fibroblast growth factor-4) a sejtek rendelkezésére bocsátjuk.

A differenciálódást kiváltó szabályozó elemek és faktorok hatását általában bináris rendszernek tekintik (kikapcsol/bekapcsol), az Oct4 esetében azonban a fehérje szintjének pontos kontrollja szükséges. Az Oct4 hiánya, mint tárgyaltuk, az őssejt-jelleg elvesztését okozza, viszont a normális, pluripotenciát fenntartó koncentrációjánál két-háromszor magasabb szintek a sejtek differenciálódását váltják ki primitív endodermális és mezodermális irányba! Szükség van tehát a fehérje szintjének precíz szabályozására, ami egyúttal azt is sugallja, hogy a transzkripciós szabályozás felettébb komplex mechanizmusokat alkalmaz, ahol kritikus egyensúlyok fenntartása elengedhetetlen. Az Oct4 mellett mostanában derült fény egy másik, őssejtekre jellemző transzkripciós faktor szerepére. A kelta mítoszok örökifjainak országáról (Tir nan Og) Nanognak elnevezett fehérje túltermeltetése esetén a sejtek nem igénylik az LIF kiváltotta Stat-3 aktivációt, szinte képtelenek differenciálódni. A Nanog más jelúton keresztül hat, mint a LIF, hiánya (null mutáció) endodermális differenciálódást okoz.

A sejtciklus szabályozása

Mint korábban láttuk, vannak olyan fehérjék, mint például a STAT3 dimer, a Myc, az SRF vagy az Elk transzkripciós faktorok, amelyek a gének szabályozó régióihoz kötődve képesek azok aktivitását meghatározni. Különféle sejttípusok jellemző transzkripciós faktor-mintázatokat mutatnak - ez határozza meg az illető sejtekben kifejeződő fehérjék halmazát, azt, hogy a sejt milyen tulajdonságokkal rendelkezik, milyen feladatokra képes. A differenciálódási lépések során természetesen folyton változik a szabályozó faktorok mintázata is. Roppant érdekes kérdés, hogy az ES sejtek mely faktoroknak köszönhetik különleges sajátságaikat.

A sejtciklus szabályozása minden testi sejtben azonos mechanizmusokkal történik. Két meghatározó lépés áll rendkívül szoros szabályozás alatt: a DNS-szintézis megindulásának, az S fázisnak a kezdete (G0/G1 fázisból), majd a mitózisra való felkészülés. Az első kontroll az indokolatlan sejtosztódást előzi meg: csak akkor szabad a sejtnek szaporodnia, ha a szervezetnek szüksége van arra. A második ellenőrzési pont a szervezet genetikai egységére ügyel: a mitózisra csak akkor kerülhet sor, ha a genom hibátlanságát őrző molekuláris mechanizmusok nem mutatják ki mutációk, kromoszómaaberrációk jelenlétét.

Az S fázis megkezdésének szabályozásában a retinoblasztóma fehérjének (RB) és rokonságának (p107, p130) van meghatározó szerepe. A nyugvó fázisra jellemző, kevéssé foszforilált RB erősen köti az E2F családba tartozó faktorokat, amelyek jelenléte szükséges lenne az S fázis beindításához elengedhetetlenül fontos fehérjék szintéziséhez. A növekedési faktorok és egyéb mitogének receptoraikkal kölcsönhatva aktiválják a korábban tárgyalt MAP kináz jelutat (Ras-ERK) és kiváltják a PI3K membrán-asszociációját. E folyamatok eredményeképpen aktiválódnak a ciklinekből és ciklin-szabályozott kinázokból (cyclin dependent kinases - CDKs) álló komplexek, amelyek lépésenként foszforilálják az RB-t. A ciklin D/CDK4 vagy CDK6 aktivitása nyomán az RB "fogságából" kezdenek kiszabadulni az E2F fehérjék, amelyek elindítják a cyclin E és a cdc25A gének működését. A cdc25A foszfatáz megszabadítja gátló foszfát-bilincseitől a CDK2-t, ami a ciklin E-vel összefogva befejezi az RB foszforilációját. Az E2F fehérjék teljes szabadulása az S fázisba való belépéshez szükséges valamennyi fehérje génjének kifejeződéséhez vezet.

A lépés fontosságának megfelelően, van egy sor további szabályozómechanizmus is. A korábban említett Myc, amit a mitogén-aktivált protein kinázok ERK útja aktivál, közvetlen hatást fejt ki a cyclin E és a cdc25A gének működésére. Ez az út az előbbivel párhuzamosan fut, és szinergizál azzal. Két cerberus, két tumor szuppresszor fehérje tartja szemmel a fenti pozitív szabályozómechanizmusokat: a p16ink4a és a p27kip1. Az előbbi gátolja a ciklin D/CDK4/6 aktivitását, az utóbbi (egy 27 kDa fehérje, amelyet korábbi kollégánk, Polyák Kornélia fedezett fel huszonhét éves korában) a ciklin E/CDK2 aktivitását képes blokkolni. A p16 és p27 aktiválódását kiváltja a kontaktgátlás, a szeneszcencia, de számos növekedésgátló faktor vagy a növekedési faktorok hirtelen megvonása is. (Ezeknek a szabályozómechanizmusoknak a mutációja vagy hiánya szinte valamennyi daganatsejtben megfigyelhető.)

Az ES sejtekben a G1 fázis igen rövid, kb. 80-100 perc. Különös módon ez alatt a foszforilálatlan vagy alulfoszforilált RB jelenléte gyakorlatilag kimutathatatlan. Valószínűnek látszik, hogy az RB szinte a mitózis után azonnal visszafoszforilálódik, ami felveti annak a kérdését, hogy vajon az őssejtek sejtciklusában betölt-e egyáltalán szabályozó szerepet az RB (vagy a p107). Az RB kontroll kiiktatása az őssejtekben két szempontból is logikusnak tűnhet. Egyrészt az embrionális fejlődés kezdeti szakaszaiban értelmetlen lenne a proliferáció negatív szabályozása, hiszen a sejtszámnak minél előbb el kell érnie azt a kritikus értéket, ami a gasztrulációhoz szükséges. A másik érv az RB más jellegű szabályozó aktivitása miatt merül fel: a kevéssé foszforilált RB komplexet képes alkotni olyan transzkripciós faktorokkal, mint a MEF2, az NF-IL6, a MyoD vagy a C/EBPk, amelyek jellegzetes, differenciálódási lépéseket kiváltó "főkapcsolók". Ha az RB nem szabályozza a sejtciklust, akkor foszforilált maradhat, és ekkor nem fenyegeti a sejtet a differenciálódás veszélye.

Az embrionális fibroblasztokban (és más nem-tumor sejtekben) ha konfluens állapotba kerülnek, vagy öregedő tenyészeteket vizsgálunk, a p27 és a foszforilálatlan RB felhalmozódását figyelhetjük meg, lecsökkent ciklin D szintek mellett. Mindezek a sejtek G fázisban való megrekedését okozzák. Az ES sejtekben nincs kontakt gátlás, a sejtek immortalizált sejtek módján viselkednek, és nem mutatják a fent leírt változásokat. Az a tény, hogy az ES sejtekben a p16 éppúgy nem gátolja a sejtosztódást, mint azokban a tumorsejtekben, amelyekben az RB működésképtelen, az RB család ES ciklust szabályozó szerepe ellen szól. A legnyomósabb érvnek azonban az látszik, hogy amint megindul az ES sejtek differenciációja, a p16 gátló aktivitása azonnal kimutathatóvá válik. Mindezek alapján feltételezhető, hogy az ES sejtekben a pluripotens állapot időtartama alatt az RB szabályozó szerepére nincs igény.

A vérképző őssejtek esetében a napokban találták meg azt a "főkapcsolót", amely az önmegújításért felelős. Egy korábban már leírt proto-onkogén, a (polycomb fehérjék családjába tartozó) Bmi-1 szabályozó fehérjéről derült ki, hogy működése elengedhetetlen a HSC-k megújulásához. A null mutáns egerek - teljesen normális kezdeti vérkép mellett - két hónap alatt elpusztulnak, ugyanis addigra valamennyi HSC-jük differenciálódik. A Bmi-1 gátolja a p16 és a p19Arf (egy anti-proliferatív, apoptózist elősegítő faktor) termelődését, és fokozza a telomeráz működését. Abnormális működése kimutatható leukémiában és az emlőkarcinómák jelentős részében.

A sejtosztódás második ellenőrzési pontja a mitózis előtti kontroll. A sejt nem osztódhat sérült genommal, a mutációkat, kromoszómarendellenességeket ki kell javítani (ha ez nem lehetséges, beindul egy önpusztító program). Logikusnak látszik, hogy ennek az ellenőrzési pontnak őssejtekben is működnie kell, hiszen itt nem a szaporodás szabályzásáról, hanem a genom potenciális károsodásáról van szó. Valóban, a DNS meghibásodása minden további nélkül képes leállítani az ES sejteket a G2/M határon, a p53 fehérje működésével jellemzett genom-minőségellenőrzési pont az ES sejtekben is kifogástalanul funkcionál.

"Plaszticitás", transzdifferenciáció, "lopakodó őssejtek"

A szomatikus őssejtekkel kapcsolatos egyik legizgalmasabb jelenség az, hogy egy adott őssejttípus nemcsak egyetlen szövetféleség sejtjeit képes pótolni, hanem számos irányban differenciálódhat. Ezt nevezik az őssejtek plaszticitásának (pejoratívabban lineage infidelity-nek). Még meghökkentőbb az a feltételezés, mely szerint az őssejtek képesek transzdifferenciálódni, átlépni a "csíralemez-barriert", azaz megdőlni látszik a fejlődésbiológiának az adott szövetek kizárólagos csíralemez-eredetére vonatkozó dogmája. Így például a mezodermális HSC-kkel történő transzplantáció után graft eredetű endodermális májsejteket, valamint ektodermális laphám-, és egyes központi idegrendszeri sejttípusokat tudtak kimutatni, illetve leírtak központi idegrendszeri és harántcsíkolt izom eredetű őssejtekből kiinduló vérképzést is.

Bár a fenti megfigyelések többsége állatkísérletekből származik, úgy tűnik, a jelenség emberben is létezik. Allogén HSC-átültetést követően kimutattak donor eredetű, nem vérképzőszervrendszeri elemeket, például Y kromoszómát egy csontvelő-recipiens hölgy szívizmából infarktus után, máj és vese-epitél sejtekké differenciálódott donor HSC-ket. A jelenség természetes körülmények között is folyhat: működő májsejtekké differenciálódtak leukémiasejtek, a leukémiára jellemző kromoszómaátrendeződés árulkodó jeleivel (egyes leukémiasejtek őssejtekként viselkednek).

Ismerve azokat a szekvenciális változásokat, amelyek a differenciálódás során bekövetkeznek a DNS és hisztonok módosításaiban, illetve a transzkripciós faktorok mintázatában, nehéz elképzelni a differenciálódás megfordulását vagy irányváltoztatását. Ezért más magyarázatok is születtek: a nem HSC-eredetű vérképzés esetében lehetséges, hogy a vérképzésért a beültetett izom-, illetve központi idegrendszeri őssejtekkel együtt bevitt HSC-k a felelősek, tekintve, hogy a vérképző szervrendszeri őssejtek elvileg minden szövetben előfordulhatnak. Hasonló átszennyezés más esetben is előfordulhat, hisz nem ismerjük a szöveti őssejtek mobilitását, és igen keveset tudunk titkos "búvóhelyeikről" is.

Más hipotézis szerint a szomatikus őssejteknél megfigyelhető plaszticitás az adott szomatikus progenitor sejt és egy, a pluripotenciát kölcsönző embrionális őssejt fúziójával magyarázható. Sejtek fúziója valóban kimutatható, számos tumorsejttípus kimondottan hajlamos a fúzióra, azonban számos kísérleti tény ellene mond ennek a teóriának.

Még egy hipotézist tárgyalunk, a chiaroscuro modellt, ami az őssejtek és progenitor sejtek hierarchiáján alapul. Az éretlen őssejttől az érett, differenciált sejtig számos közbeiktatott alakon, progenitor és prekurzor sejteken át vezet az út. A szomatikus őssejtek meglepően ritkán osztódnak (így őrzik meg genomjuk épségét); a differenciálódás előrehaladtával a sejtszám növekedése az intermedier alakok nagyszámú osztódása révén valósul meg (augmentáció). A hipotézis szerint az őssejt és az egyes progenitor sejtek átalakulása, egyre fokozódó elköteleződése nem szigorúan egyirányú, irreverzibilis lépés, hanem ezen sejtek egy egységes populációnak tekintendők, ahol a sejtek fenotípusa a sejtciklustól és a környezeti hatásoktól függően, a szervezet igényeinek megfelelően a "valódi" őssejt és az "egyre elkötelezettebb" progenitor állapotok között fluktuálhat, fenotípusa a mikrokörnyezettől függően, fény-árnyék módjára változhat. Az elméletből következik, hogy a nem-szinkronizált sejtpopulációban a potenciális őssejtek egy része "lopakodó", azaz nem kimutatható őssejt (masked vagy stealth stem cell concept).

Bármi is álljon is a jelenség hátterében, annyi bizonyos, hogy ha valóban létezik az őssejt-plaszticitás, akkor az az őssejt genetikai programjának hihetetlenül rugalmas, pontos és gyors áthangolását feltételezi, gének garmadáinak szigorúan koreografált ki- és bekapcsolásával. A plaszticitás elképesztő távlatokat nyitna meg az őssejtek terápiás felhasználása terén, ezért kicsit félő, hogy a reménykedés, a wishful thinking néha árnyalni tudja a kutatók objektivitását. Szerencsére az őssejtkutatás óriási iramban fejlődik, napjaink ellentmondó megfigyelései rövidesen letisztulnak, és bele fognak illeni egy izgalmas új tudományterület egészébe.


Kulcsszavak: őssejtek, sejtciklus, differenciáció, plaszticitás, STAT-3, jelátvitel, Oct-4, Nanog, Bmi-1, Rb (retinoblasztoma fehérje)


1. ábra * A leukémiagátló faktor (LIF) és receptorának kölcsönhatása kiváltja a JAK aktivitását, ez az enzim foszforilálja a receptort és a foszforilált receptorhoz kapcsolódó STAT3 alegységeket. A módosított STAT3 alegységek dimerizálódva bejutnak a magba, ahol gének aktivitását képesek szabályozni.


2. ábra * A LIF kiváltja a mitogén-aktivált kináz (MAPK) jelút aktiválódását is. A foszforilálódott receptorhoz kötődő adaptor fehérjék (Grb2, Sos) a membrán belső felszínén kialakuló "szignaloszómába" vonzzák a mitogén-aktivált jelút protein kinázait, a Ras-t és a Raf-ot, lehetővé téve egy foszforilációs kaszkád megindulását. A lánc végén álló ERK aktiválódás után a magba kerül, ahol génaktivitást szabályozó fehérjék működését módosítja: új génaktivitási mintázatot alakít ki.


3. ábra * Az aktivált LIF receptorhoz még egy foszfatáz is kapcsolódik (SHP-2, ez képes a receptort visszaalakítani eredeti, inaktív formájába). A Gab-1 fehérjén keresztül ez teszi membránkötötté és aktiválja a foszfolipid-kinázt (PI3K). Az utóbbi működése nyomán a membrán foszfatidil-inozitoljaiból PIP3 keletkezik, ami "kapaszkodót" biztosít a jelút enzimei számára, stabilizálja a szignaloszómát, és sejtosztódást kiváltó, anti-apoptotikus jelek kialakulását segíti elő.


IRODALOM

Marshak, Daniel R. et al. (2001): Stem Cell Biology. Cold Spring Harbor Laboratory Press

Liu, Ying - Rao, Mahendra S. (2003): Transdifferentiation - Fact or Artifact? Journal of Cellular Biochemistry. 88, 29-40

Mayani, Hector (2003): A Glance into Somatic Stem Cell Biology: Basic Principles, New Concepts and Clinical Relevance. Archives of Medical Research. 34, 3-15

Tsai, Robert Y. - Kittappa, Raja - McKay, Ronald D. (2002): Plasticity, Niches, and the Use of Stem Cells. Developmental Cell. 2, 707-712

Zhu, Jiang - Emerson, Stephen G. (2002): Hematopoietic Cytokines, Transcription Factors and Lineage Commitment. Oncogene. 21, 3295-3313

Burdon, Tom - Smith, Austin - Savatier, Pierre (2002): Signalling, Cell Cycle and Pluripotency in ES Cells. Trends in Cell Biology. 12, 432-438

Nichols, Jennifer (2001): Introducing Embryonic Stem Cells. Current Biology. 11, R503-R505

Burdon, Tom - Chambers, I. - Stracey, C. - Niwa, H. - Smith, A. (1999): Signaling Mechanisms Regulating Self-Renewal and Differentiation of Pluripotent Embryonic Stem Cells. Cells Tissues Organs. 165, 131-43

Metcalf, Donald (1999): Stem Cells, Pre-Progenitor Cells and Lineage-Committed Cells: Are Our Dogmas Correct? Annals of the New York Academy of Sciences. 872, 289-303


<-- Vissza a 2004/3 szám tartalomjegyzékére
<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra
[Információk] [Tartalom] [Akaprint Kft.]