Рост гемопоэтических стволовых клеток и гемопоэтические ростовые факторы - кратко с точки зрения терапии
Количество стволовых клеток, а также процесс дифференцировки регулируются большим числом факторов транскрипции. Выявлен ряд молекулярных «переключателей», определяющих судьбу гемопоэтических клеток.
В равной мере важны для кроветворения несколько гемопоэтических факторов роста, которые имеют структурное сходство (гомологию) и связываются со специфическими трансмембранными белками I типа из семейства рецепторов цитокинов. Многие из этих белков являются физиологическими регуляторами конкретного ростка кроветворения (например, эритропоэтин, гранулоцитарный колониестимулирующий фактор, тромбопоэтин); другие, по-видимому, осуществляют дополнительные гемопоэтические эффекты, необходимые для иных биологических функций (например, IL-3, IL-11, гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор).
Эритропоэтин вырабатывается преимущественно в почках и в меньшей степени в печени, действуя на эритроидные клетки-предшественники в костном мозге, усиливая их выживаемость, пролиферацию и дифференцировку. Уровни эритропоэтина находятся в обратной зависимости от концентрации Hb в крови, что отражается на рО2 в почках.
При наличии тканевой (почечной) гипоксии специфический фактор транскрипции (индуцированный гипоксией фактор 1-α, HIF-1α) становится устойчивым к разрушению в протеасомах и стимулирует транскрипцию эритропоэтина путем связывания с чувствительным к гипоксии элементом гена, расположенным в его 3’-нетранслируемой области. Генетическая элиминация эритропоэтина или его рецептора приводит к гибели организма на эмбриональной стадии.
Это свидетельствует о том, что, несмотря на возможность влияния других цитокинов на эритропоэз, продукция эритроцитов зависит исключительно от этого гормона.
Гранулоцитарный колониестимулирующий фактор (Г-КСФ) стимулирует продукцию нейтрофилов из их клеток-предшественников в костном мозге (рис. ниже). Уровни этого гормона также обратно пропорциональны числу нейтрофилов, но регулируются в основном факторами воспаления, в том числе ФНО-α, а также IL-1α, действующими на эндотелиальные клетки, фибробласты и макрофаги. Подобно действию эритропоэтина на клетки-предшественники эритропоэза, действие Г-КСФ направлено на увеличение выживаемости, пролиферации и дифференцировки предшественников нейтрофилов.
Схема образования нейтрофилов
Кроме того, данный цитокин способствует активации функций зрелых клеток, в продукции которых он участвует. Генетическая инактивация Г-КСФ или его рецепторов у мышей ведет к снижению уровня нейтрофилов на 25% нормы: это — единственный известный гормон, который оказывает выраженное влияние на гранулопоэз.
Тромбопоэтин, основной регулятор выработки тромбоцитов, образуется в печени и стромальных клетках костного мозга. Уровни гормона в плазме крови, как правило, обратно пропорциональны массе тромбоцитов и регулируются уровнем захвата стареющих тромбоцитов при участии рецептора Эшвелла-Моррелла гепатоцитов; IL-6-опосредованным воспалением; удалением тромбопоэтина тромбоцитами в кровотоке, а также путем ингибирования транскрипции гена тромбопоэтина в стромальных клетках костного мозга белками тромбоцитарных гранул по типу обратной связи.
Аналогично Г-КСФ и эритропоэтину тромбопоэтин стимулирует выживание, пролиферацию и дифференцировку соответствующего ростка гемопоэза, мегакариоцитов и их предшественников, а также подготавливает зрелые тромбоциты к реакции на агонисты активации тромбоцитов. Однако в отличие от двух других цитокинов, тромбопоэтин также важен и незаменим для развития гемопоэтических стволовых клеток. Генетическая инактивация тромбопоэтина или его рецептора у мышей или же наличие врожденных нонсенс- или миссенс-мутаций в гене рецептора тромбопоэтина у человека ведет к снижению уровня тромбоцитов до 10% нормы, а также к уменьшению числа стволовых клеток, что приводит к апластической анемии у детей к 1-2-му году жизни.
Хемокины также регулируют кроветворение. Хемокиновые лиганды CXCR2 и CXCL4 влияют на выживание и самообновление гемопоэтических стволовых клеток так же, как работают сигналы интерферона-α, который содействует созреванию эмбриональных гемопоэтических стволовых клеток. Другие цитокин-рецепторные системы существенны для >1 аспектов гемопоэза и функций зрелых клеток крови, в том числе: IL-7 (крайне необходим для образования лимфоцитов любого типа), IL-5 (основной регулятор выработки эозинофилов), IL-4 (отвечает за переключение классов Ig в В-лимфоцитах), IL-15 (необходим для нормальной дифференцировки естественных киллеров) и IL-2 (цитокин, активирующий лимфоциты).
В качестве примера из другого класса цитокинов и рецепторов, которые влияют на гемопоэз, можно привести рецептор c-kit (CD117), входящий в семейство белковых тирозинкиназных рецепторов на поверхности клетки, а также родственный ему лиганд — фактор стволовых клеток (также именуемый steel factor или kit ligand). Хотя рецептор c-kit отличается по структуре от семейства рецепторов гемопоэтических цитокинов (как обсуждалось ранее), фактор стволовых клеток структурно близок к цитокинам, которые связываются с членами семейства гемопоэтических факторов роста.
Делеция гена фактора стволовых клеток или рецептора c-kit приводит к почти полной элиминации гемопоэтических стволовых клеток, предшественников эритропоэза и базофилов, а также тучных клеток. В гемопоэзе участвуют и два других члена этого семейства цитокинов и рецепторов: лиганд Flt3 (fms-подобной тирозинкиназы 3) и его рецептор Flt-3, влияющие на образование дендритных клеток, а также макрофагальный колониестимулирующий фактор и его рецептор c-Fms, крайне важные для выработки моноцитов.
В большой степени изучены молекулярные механизмы, по которым гемопоэтические факторы роста влияют на выживание, пролиферацию и дифференцировку клеток крови. Связывание родственного лиганда с каждым из рецепторов гемопоэтических цитокинов приводит к активации одной или нескольких тирозинкиназ: либо связанных с цитоплазматическими киназами семейства Янус (JAK) для группы рецепторов гемопоэтических цитокинов, либо собственных киназ цитокинов, использующих рецепторы класса рецепторных тирозинкиназ (фактор стволовых клеток, лиганд Flt3 и макрофагальный колониестимулирующий фактор).
После активации эти киназы фосфорилируют остатки тирозина в цитоплазматических доменах каждого рецептора, обеспечивая стыковочные сайты для цитоплазматических сигнальных интермедиатов, содержащих src-гомологичные домены 2 (SH2; src-homologous domain type 2). К числу наиболее изученных белков, содержащих SH2-домены, которые связываются с гемопоэтическими рецепторами, относятся факторы начального этапа транскрипции, которые преобразуют сигнал и активируют транскрипцию белков (STAT); адапторные белки, включая Grb2, Gab1, тензин 2 и SHC; фосфатазы, например SHP1 и SHP2; и регуляторная субъединица (p85) фосфоинозитол-3-киназы (PI3, phosphoinositol-3-kinase).
При связывании с одним или несколькими новыми остатками фосфотирозина в молекуле рецептора цитокина или тирозинкиназы эти вторичные молекулы фосфорилируются с помощью JAK или других киназ, что делает их способными связывать дополнительные молекулы (например, адаптеров, которые в конечном итоге активируют Ras; а также р85 PI3K, связывающего свою субъединицу киназы р110), или активироваться в качестве факторов транскрипции (например, STAT). Затем идет активация следующих эффекторных молекул на этом пути, включая ряд киназ, транспортных молекул и факторов транскрипции, что в конечном итоге приводит к выживанию, пролиферации и дифференцировке гемопоэтических стволовых клеток.
Видео лекция кровь как ткань, кроветворение, лимфа
