Őssejt-típusok, fenntartásuk és homeosztázisuk

1. Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen Azonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

2. Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen Azonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011 Dr. Balogh Péter és Dr. Engelmann Péter Transzdifferenciáció és regeneratív medicina – 2. előadás Őssejt-típusok, fenntartásuk és homeosztázisuk

3. Őssejtek forrásai és típusai: különböző eredet és differenciálódási spektrumok • ES: • Embrionális őssejtek a ICM régióból (inner cell mass) • Primordiáliscsírasejtek (PGCs) → embrionális csírasejtek (EG) • iPS: Nem-embrionális testi sejtek, melyeket specifikus kulcs-transzkriciós faktorral történő transzfektálással állítottak elő Oct4, Sox2, c-myc, Klf4 • MSC: Csontvelő, zsírszövet, köldökvér, amnionfolyadék, placenta,fog-pulpa, inak, szinoviális hártya, vázizom környezetben előforduló mezenhimális őssejtek, melyek képesek az ön-megújításra és különböző irányú in vitro differenciálódásra mezenhimális sejtekké: oszteoblasztok, kondrociták, adipociták és mioblasztok.

4. Embrionális őssejt-források (ES) Morula Korai blasztociszta Késői blasztociszta Korai cilinder stádium Oct3/4 Nanog Innercellmass (ICM) Primitív ektoderma Epiblaszt Csírasejt-vonal Testi sejt irányok Ektoderma Mezoderma Endoderma Blasztociszta üreg Zsigeri endoderma Proamnion üreg Primitív endoderma Fali endoderma Gata6 Trofektoderma Extraembrionális ektoderma Cdx2

5. Az egér embrió őssejt-forrásai • Preimplantációs embrió: inner cell mass (ICM) a blasztocisztában (korai blasztociszta állapot). • Késői blasztociszta: epiblasztképződése • Posztimplantációs embrió: korlátozott pluripotenciájúprimitív ektodermaképződése→az embrió csírasejt- és szomatikus sejtvonalai.

6. Az ES sejtek jellemzői • Pre/periimplantációs embrionális eredet • Tartós proliferációs képesség differenciálódás nélkül, • Mindhárom csíralemez és csírasejtek képzése tartós in vitro fenntartás után • EC sejtek: teratocarcinoma-eredetűpluripotensembrionális carcinoma sejtek, melyek mindkét csíralemez sejtjeit képezhetik Porc (mezoderma) Epidermisz (ektoderma) Bél-mirigyek (endoderma)

7. Az ES sejtek membrán-markerei PSA-NCAM Glc Gal Lewis X Man CD34 Tra 1-60 (KSPG) GlcNAc NG2 és 473HD (CSPG) GalNAc SSEA-4 GlcA SSEA-3 IdoA Xyl Fuc Sia

8. Az ES sejtekre jellemző glikoantigének szerkezete • SSEA-3 és SSEA-4: 5–6 monoszacharid, melyek ceramidlipid farokhoz kapcsolódnak; GL-5 és GL-7 glikoszfingolipideket alkotnak, expressziójuk csökken a differenciálódás során. • A TRA (tumor rejectionantigens) TRA-1–60 és TRA-1–81keratánszulfatáltproteoglikán (KSPG) epitópok, melyek valószínűleg a CD34-hez hasonló szerkezetű, sziálsavban gazdag podokalixinhez kapcsolódnak.

9. Az ES-sejtekre jellemző CD antigének • CD34: Hemopoetikus/endoteliális közös antigén, mely hemopoetikus őssejteken is kifejeződik. • CD133:Elsősorban neurális őssejten kifejeződő, 5 transzmembrán régióval rendelkező glikoprotein

10. Az őssejtek fő szabályzó folyamatai – külső és belső hatások • Külső: • Mátrix fehérjékkel, szolubilis faktorokkal és az őssejt-fészkekben lévő más sejtekkel való kölcsönhatás során fellépő szignálok révén. • Belső: • A pluripotenciát vagy differenciálódást szabályzó transzkripciós faktorok hálózata.

11. Különböző szervek őssejt-fészkei Germarium of theovary The apex of thetestis The subventricularzone(SVZ) of thebrain Innersheath cell BL SSC Neuroblast Spermatogonia BV BL Capcell Astrocyte SSC GSC BL Terminal filament Hubcells Egg chamber Transit- amplifying Meiosis Gonialblast GSC Cystoblast Cystcell Spermatocytes Ependymal cells Follicle cells 16-cell cyst Lateralventricle The bonemarrow The crypt of an intestinalvillus The bulge of thehairfollicle Hairshaft Enteroendocrinecells Stromalcell Villus Muscle BL Gobletcells Multipotent SC Bonemarrow Sebaceous gland HSC BL Bulge SC Myeloid Lymphoid Crypt Transitamplifying Stemcells Osteoblast Matrix Hair bulb Dermal papilla Panethcells

12. Őssejt-mikrokörnyezet – az őssejt-fészkek egyes példái • A petefészek germariumrégiója, vagy a here apikális része (csíravonal-őssejt és testi őssejt) • Az agy szubvenrikuláris zónája (idegi őssejt) • Szőrtüsző-hagyma (hám-őssejt) • Bélfodrok kripta-része (endodermálisőssejt) • Csontvelő (vérképző őssejt)

13. Az őssejt-homeosztázisban résztvevő transzkripcionális kölcsönhatások Nanog Oct4 Tcf3 Oct4 Nanog Tbx3 Tcf3 Tle1 Fzd5 Jarid2 Phc1 N-myc Dppa5 Rif1 Trp53bp1 RNA-kötő protein Telomér- asszociált Tumor szuppresszor ESC regulátorok Wnt jelátvitel Epigenetikai regulátorok Sox2 Nanog Sall4 LRH1 Oct4 GCNF Tcf3 Oct4 Oct4 Pluripotencia Differenciáció

14. A differenciálódást és a pluripotenciát fenntartó antagonista szabályzó körök • ESC/iPSszabályozás – transzkripciós faktor-hierarchia • Wntszignálok • Epigenetikaiszabályozás • RNSkötés • Telomérhez kapcsolódó effektor hatások • Tumor szuppresszió • Sejt-ciklus szabályozás

15. Az őssejt génexpressziómRNS szabályozása Sox2 Oct4 Nanog Egyéb faktorok mRNS miRNS AAAAA AAAAA AAAAA AAAAA mRNS alternatív hasítás Antiszensz transzkriptum AAAAA AAAAA Más RNS-ek? siRNS-ek? Intergenikustranszkriptum IntergenikusmRNS hasítás

16. Az ön-megújítás és differenciálódás transzkripcionális szabályozása • Oct3/4, Nanog, Sox2, Stat3:proliferáció fenntartása • Cdx2: Oct3/4 gátlása

17. Újraprogramozás: pluripotencia-indukcióiPS sejtekben Oct3/4 Klf4 Sox2 Transzkripciósfaktorok Célgének c-Myc Epigenetikai módosítók

18. Újraprogramozás: Differenciált sejtek sejtvonal-váltása • B-sejtekmakrofággá való átalakulása –C/EBPaszerepe • Fibroblasztokneuronális elköteleződése– Ascl1, Brn2 és Mytl1

19. A pluripotencia kialakítása és érési sorrend Ektoderma progenitor Pluripotens sejt Neuronális progenitor Pluripotens sejt Érett neuron Endoderma Mezoderma Ektoderma Pluripotens sejt

20. A differenciálódáshoz való elköteleződés és a visszafordíthatóság kapcsolata • A differenciálódás során • Az elköteleződés erősödik, miközben a sejtvonalak KÖZÖTTI transzdifferenciálódás és a pluripotenciacsökken; • A sejtvonalon BELÜLI specifikáció elősegítéséhez folyamatos stimulusokra van szükség. • Visszafordítás:Az IPS-hez kapcsolódó többirányú differenciálódás során a pleiotropia-indukció küszöb CSÖKKEN, míg a differenciációs szignálküszöb NŐ.

21. Összefoglalás • Eredetüktől és fejlődési spektrumuktól függőenaz őssejtek nagymértékben heterogének, és homeosztázisukat(a) különböző szinten és módon történő szabályozás alatt álló gén-expressziós programozásuk és (b) az őssejt-fészekben megjelenő külső faktorok határozzák meg, melyekben citokinek, ECM proteinek, adhéziós molekulák nyújtanak szignálokat. • Az őssejt-elköteleződés és differenciációnem irreverzibilisek, így differenciálódott sejt megfelelő módosítások révén visszanyerheti pluripotenciáját.