Transkrypt

1 POSTÊPY BIOLOGII PIERWOTNE KOMÓRKI LINIE KOMÓRKOWE W ZARODKU MYSZY TOM NR 1 (3 21) 3 Rola komórek dendrytycznych w odpowiedzi transplantacyjnej* The role of dendritic cells in transplantation Maja Budziszewska1, Anna Korecka-Polak1, Gra yna Korczak-Kowalska1,2 1Zak³ad Immunologii, Wydzia³ Biologii, Uniwersytet Warszawski 2 Instytut Transplantologii, Warszawski Uniwersytet Medyczny *Dofinansowanie z grantu MNiSzW nr N N Streszczenie: Komórki dendrytyczne (DC) s¹ najwa niejszymi komórkami prezentuj¹cymi antygen (APC) limfocytom T. Stopieñ dojrza³oœci komórki DC ma PIERWOTNE LINIE KOMÓRKOWE W ZARODKU MYSZY kluczowe znaczenie dla rodzaju odpowiedzi limfocytów T. Niedojrza³a komórka DC indukuje RÓD O stan tolerancji, ZARODKOWYCH podczas gdy dojrza³a KOMÓREK komórka MACIERZYSTYCH DC - pe³n¹ odpowiedÿ immunologiczn¹. Ma to ogromne znaczenie w transplantologii, a zw³aszcza w reakcjach THE odrzucania PRIMITIVE przeszczepu CELL LINEAGES po transplantacjach OF THE narz¹du. MOUSE Komórka EMBRYO DC dawcy prezentuje antygen SOURCE w sposób OF bezpoœredni, EMBRYONAL natomiast STEM komórka CELLS DC biorcy drog¹ poœredni¹. Komórki DC niedojrza³e lub o w³aœciwoœciach tolerogennych mog¹ wyd³u yæ prze ycie Aneta przeszczepu SUWIÑSKA, allogenicznego. Anna LENKIEWICZ Takie oddzia³ywanie na funkcjê komórek DC, aby by³y one niewra liwe na sygna³y dojrzewania in vivo lub aktywowanie Zak³ad Embriologii, komórek Instytut DC Zoologii, charakteryzuj¹cych Wydzia³ Biologii, siê trwa³ymi Uniwersytet w³aœciwoœciami Warszawski tolerogennymi mo e poprawiæ tolerancjê przeszczepu. W tym celu wykorzystuje siê hodowle Streszczenie: prowadzone W momencie w implantacji specyficznych zarodek warunkach, myszy zwany leczenie blastocyst¹ farmakologiczne zbudowany jest z trzech oraz in ynieriê typów komórek genetyczn¹. o odmiennym potencjale rozwojowym i funkcji. Powstaj¹ one w wyniku dwóch rund ró nicowania. S³owa kluczowe: W ich trakcie Komórka dochodzi dendrytyczna, do oddzielenia pierwotnej transplantacja, ektodermy tolerancja grupy komórek przeszczepu. pluripotentnych, bêd¹cych prekursorami cia³a zarodka, a in vitro zdolnych do wykszta³cenia zarodkowych Summary: The most important antigen-presenting cells (APCs) are dendritic cells komórek macierzystych, od linii komórek pozazarodkowych (trofektodermy i pierwotnej endodermy) bior¹cych (DCs), which udzia³ w present tworzeniu antigen ³o yska to i b³on T cells. p³odowych, The state a w hodowli of maturation in vitro tworz¹cych of DCs specyficzne is crucial for dla tych induction linii komórki of a macierzyste. T-cell lymphocyte W niniejszej response. pracy opisano The klasyczne immature i wspó³czesne DCs induce modele tolerance, powstawania mature pierwotnych DCs linii - immunity. komórkowych This w zarodku is important myszy oraz in transplantology, przedstawiono molekularn¹ especially i komórkow¹ in graft the regulacjê tych procesów. Omówiono rolê czynników transkrypcyjnych zaanga owanych w wyodrêbnianie tych struktur w blastocyœcie oraz utrzymywanie trzech ró nych typów komórek macierzystych, rejection after organ transplantation. Donor DCs act via the direct, while recipient DCs które mo na via the z nich indirect uzyskaæ pathways w hodowli in of vitro. allorecognition. Immature DCs or DCs with tolerogenic properties may prolong allograft survival. Manipulating DCs function S³owa kluczowe: blastocysta, linie komórkowe, wêze³ zarodkowy, trofektoderma, epiblast, hipoblast, to komórki be insensitive macierzyste, to Oct4, maturation Cdx2, Nanog, signals Gata4/6. or activate DCs with tolerogenic properties are the promising means of improving allograft tolerance. There are three approaches Summary: During implantation the mouse embryo called blastocyst is comprised of three cell types with to differing achieve developmental these aims: potential specific and function. cell culture These cell conditions, lineages are pharmacological specified during two treatment successive and rounds genetic of differentiation. engineering. They lead to setting apart a group of pluripotent cells, progenitors for the future body Keywords: capable to give Dendritic rise to embryonic cell, transplantation, stem cells in vitro, graft from the tolerance, extraembryonic graft lineages rejection. (trophectoderm Wstêp and primitive endoderm) that take part in formation of the placenta and foetal membranes and give rise to lineage-specific stem cells during in vitro culture. Here, we review classic and contemporary models Wraz z przeszczepianym narz¹dem do organizmu biorcy dostaj¹ siê of primary cell lineages arising during development and perform molecular and cellular regulation of these processes. ró norodne We describe komórki the mi¹ szowe role of transcription wyposa one factors involved w antygeny in blastocyst zgodnoœci structures formation tkankowej and maintenance (MHC) oraz of three grupa distinct komórek stem cell types, okreœlanych that can be isolated jako from "leukocyty them in vitro. pasa erskie", Key odpowiedzialna words: blastocyst, za cell reakcjê lineages, odrzucania inner cell mass, przeszczepu. trophectoderm, S¹ to epiblast, m.in. hypoblast, komórki stem dendrytyczne cells, Oct4, Cdx2, (DC), Nanog, które Gata4/6. w pewnych warunkach zamiast prowadziæ do odrzucenia przeszczepu mog¹ sprzyjaæ jego akceptacji [5,16]. Precyzyjne okreœlenie roli komórek dendrytycznych w odpowiedzi transplantacyjnej i opracowanie metod modyfikowania ich funkcji mo e przyczyniæ siê do poprawienia rezultatów osi¹ganych w transplantologii. 1. Charakterystyka komórek dendrytycznych Komórki dendrytyczne s¹ profesjonalnymi komórkami prezentuj¹cymi antygen (APC), obecnymi w centralnych (grasica i szpik) i we wtórnych (wêz³y limfatyczne, kêpki Peyer'a i œledziona) narz¹dach limfatycznych [2]. Posiadaj¹ zdolnoœæ do

2 4 A. SUWIÑSKA, A. LENKIEWICZ 1. WSTÊP Od momentu, kiedy w latach 80. XX w. po raz pierwszy wyizolowano zarodkowe komórki macierzyste, sta³y siê one przedmiotem ogromnego zainteresowania i wielkich nadziei. Chc¹c odpowiedzieæ na pytanie, sk¹d wywodz¹ siê te komórki i czy istnieje zale noœæ miêdzy ich pochodzeniem a unikalnymi w³aœciwoœciami, jakimi dysponuj¹, nale a³oby siêgn¹æ do Ÿród³a komórek macierzystych, czyli do przedimplantacyjnego zarodka myszy zwanego blastocyst¹. Z zarodka w tym stadium mo na in vitro wyprowadziæ trzy typy komórek macierzystych: w³aœciwe macierzyste komórki zarodkowe ES (ang. embryonic stem cells), macierzyste komórki trofoblastyczne TS (ang. trophoblast stem cells) oraz macierzyste komórki pierwotnej endodermy XEN (ang. extraembryonic endoderm stem cells). Wszystkie trzy rodzaje komórek macierzystych mo na uzyskaæ z odmiennych linii komórkowych buduj¹cych blastocystê myszy. W trakcie normalnego rozwoju tylko jedna z tych linii epiblast (pierwotna ektoderma) utworzy struktury zarodkowe. W hodowli in vitro mo e byæ ona równie Ÿród³em komórek ES. Pozosta³e dwie linie komórkowe ró nicuj¹ w struktury pozazarodkowe, niezbêdne dla rozwoju zarodka w macicy. Hoduj¹c komórki trofoblastu (trofektodermy) w œciœle okreœlonych warunkach mo na uzyskaæ linie komórek TS, natomiast hipoblast (pierwotna endoderma) mo e byæ Ÿród³em komórek XEN. Zrozumienie, w jaki sposób w trakcie rozwoju dochodzi do wyodrêbnienia pierwotnych linii komórkowych mog¹cych stanowiæ Ÿród³o komórek macierzystych, mo e pomóc w poznaniu mechanizmów molekularnych umo liwiaj¹cych tym komórkom zdolnoœæ do samoodnawiania siê oraz ró nicowania w ró ne typy komórek. Niniejszy artyku³ ma na celu przybli enie obecnego stanu wiedzy na temat molekularnej regulacji procesu ró nicowania siê pierwotnych linii komórkowych blastocysty. 2. FORMOWANIE DWÓCH NAJWCZEŒNIEJSZYCH LINII KOMÓRKOWYCH W BLASTOCYŒCIE: TROFEKTODERMY I WÊZ A ZARODKOWEGO Po zap³odnieniu zarodek myszy przechodzi etap zwany bruzdkowaniem. Ulega wówczas podzia³om mitotycznym, w wyniku których powstaj¹ komórki zwane blastomerami. Do stadium 8-komórkowego blastomery nie ró ni¹ siê od siebie morfologicznie, nie s¹ spolaryzowane i nie podlegaj¹ adnej istotnej specyfikacji odnoœnie ich przysz³ych losów. W tym stadium zarodek przechodzi proces kompakcji. W jej trakcie blastomery zaczynaj¹ tak œciœle do siebie przylegaæ, e przy yciowo trudno jest zauwa yæ granice miêdzy nimi. Dochodzi wtedy tak e do polaryzacji blastomerów, której towarzyszy zmiana lokalizacji kilku charakterystycznych bia³ek. W czêœci szczytowej komórki (kontaktuj¹cej siê ze œrodowiskiem zewnêtrznym) pojawiaj¹ siê kompleksy bia³ek Par3, Par6 (ang. partitioning defective) oraz

3 PIERWOTNE LINIE KOMÓRKOWE W ZARODKU MYSZY 5 atypowej kinazy bia³kowej C apkc (ang. atypical protein kinase C). W czêœci spodnio-bocznej (kontaktuj¹cej siê tylko z innymi komórkami) lokalizuj¹ siê bia³ka, takie jak E-kadheryna oraz Par1 [19]. W efekcie tej polaryzacji, po czwartym podziale bruzdkowania zarodek 16-komórkowy buduj¹ dwa typy komórek: spolaryzowane komórki zewnêtrzne i niespolaryzowane komórki wewnêtrzne, stykaj¹ce siê jedynie z innymi komórkami. To zró nicowanie stanowi punkt wyjœcia do wytworzenia w zarodku dwóch pierwszych linii komórkowych wykazuj¹cych odmienne w³aœciwoœci, funkcje i przeznaczenie. Czwartego dnia po zap³odnieniu zarodek zwany morul¹ przekszta³ca siê w stadium rozwojowe zwane blastocyst¹. Blastocysta jest pêcherzykiem wype³nionym p³ynem, zbudowanym z dwóch typów komórek. Z grupy komórek le ¹cych wewn¹trz pêcherzyka, zwanej wêz³em zarodkowym blastocysty ICM (ang. inner cell mass), powstan¹ wszystkie tkanki buduj¹ce cia³o zarodka oraz wiêkszoœæ b³on p³odowych. Warstwa komórek tworz¹cych œcianê pêcherzyka nosi nazwê trofoblastu lub trofektodermy TE (ang. trophectoderm). WeŸmie ona udzia³ w tworzeniu zarodkowej czêœci ³o yska i bêdzie odpowiedzialna za nawi¹zanie kontaktu z tkankami macicy podczas implantacji blastocysty. Komórki trofektodermy pokrywaj¹ce wêze³ zarodkowy tworz¹ tzw. trofoblast biegunowy, natomiast komórki otaczaj¹ce jamê blastocysty nosz¹ nazwê trofoblastu œciennego. Po implantacji komórki trofoblastu biegunowego kontynuuj¹ proliferacjê i przekszta³caj¹ siê w pozazarodkow¹ ektodermê, z której w dalszym rozwoju powstanie zarodkowa czêœæ ³o yska [39]. Utrzymywanie proliferacji komórek trofoblastu biegunowego jest zale ne od sygna³u p³yn¹cego z przylegaj¹cego do niego wêz³a zarodkowego, w który zaanga owany jest czynnik wzrostu fibroblastów 4 FGF4 (ang. fibroblast growth factor 4) [12, 39]. W odró nieniu od trofoblastu biegunowego, komórki trofoblastu œciennego po implantacji przestaj¹ siê dzieliæ, ulegaj¹ politenizacji i przekszta³caj¹ siê w pierwotne komórki olbrzymie, otaczaj¹ce rozwijaj¹cy siê zarodek. Mechanizmy le ¹ce u podstaw wyodrêbniania siê we wczesnym rozwoju myszy dwóch odmiennych grup komórek: wêz³a zarodkowego i trofektodermy stanowi¹ przedmiot zainteresowania ju od wielu lat. Wyniki tych badañ doprowadzi³y do powstania dwóch g³ównych modeli sugeruj¹cych, w jaki sposób i w którym momencie rozwoju mo e dojœæ do ukierunkowania losu komórek i ustanowienia w embriogenezie ssaków wspomnianych linii komórkowych Model inside outside ( wewn¹trz zewn¹trz ) oraz model polarnoœci komórki Zarodki myszy we wczesnym stadium rozwoju charakteryzuj¹ siê ogromnymi zdolnoœciami regulacyjnymi. Ju na prze³omie lat 50. i 60. ubieg³ego wieku Profesor Tarkowski wykaza³, e gdy zniszczeniu ulegnie jeden z blastomerów w 2-komórkowym zarodku myszy, drugi bêdzie kontynuowa³ rozwój i utworzy prawid³ow¹ blastocystê, która po przeszczepieniu do dróg rodnych samicy mo e rozwin¹æ siê w normaln¹ mysz [44]. Mo liwe jest tak e uzyskanie osobników chimerowych, w sk³ad których wchodz¹ komórki pochodz¹ce z wiêcej ni jednego organizmu.

4 6 A. SUWIÑSKA, A. LENKIEWICZ Agreguj¹c ze sob¹ bruzdkuj¹ce zarodki (np. w stadium 8-komórkowym) mo na uzyskaæ pojedyncz¹, prawid³owo wykszta³con¹ blastocystê, a z niej osobnika chimerowego, zbudowanego z komórek wywodz¹cych siê z obu zlepionych zarodków [45, 46]. Z badañ tych wynika, e co najmniej do czwartego podzia³u bruzdkowania, czyli do stadium 8-komórkowego, los blastomerów nie jest jeszcze ukierunkowany i wszystkie blastomery maj¹ zdolnoœæ ró nicowania siê zarówno w komórki trofoblastu, jak i wêz³a zarodkowego. Odpowiednie decyzje dotycz¹ce losu komórek podejmowane s¹ prawdopodobnie w póÿniejszym okresie rozwoju. Jedna z teorii sformu³owana w latach 60. ubieg³ego wieku zwana hipotez¹ inside outside, czyli wewn¹trz zewn¹trz mówi, e powstawanie struktur zarodkowych i pozazarodkowych zale y od pozycji wewnêtrznej lub zewnêtrznej zajmowanej w moruli [47]. Komórki, które w stadium 16-komórkowym znajduj¹ siê na powierzchni utworz¹ trofektodermê, a nastêpnie ³o ysko. Natomiast te komórki, które usytuuj¹ siê we wnêtrzu moruli dadz¹ pocz¹tek wêz³owi zarodkowemu, z którego nastêpnie powstan¹ tkanki zarodka (ryc. 1). W póÿniejszym czasie powsta³a RYCINA 1. Powstawanie komórek prekursorowych trofektodermy i wêz³a zarodkowego. Hipoteza inside-outside ( wewn¹trz-zewn¹trz ). Po³o enie blastomerów w 16-komórkowym zarodku myszy determinuje ich los w blastocyœcie. Blastomery powierzchniowe daj¹ pocz¹tek trofektodermie (TE), natomiast komórki wewnêtrzne wejd¹ w sk³ad wêz³a zarodkowego (ICM) FIGURE 1. Formation of trophectoderm and inner cell mass progenitor cells. The inside-outside hypothesis. Position of the blastomeres in the 16-cell stage mouse embryo determines their fate in the blastocyst. Surface blastomeres give rise to the trophectoderm (TE) and internal cells become the inner cell mass (ICM)

5 PIERWOTNE LINIE KOMÓRKOWE W ZARODKU MYSZY 7 RYCINA 2. Hipoteza polarnoœci komórki. Po podziale konserwatywnym (symetrycznym) blastomerów 8-komórkowego zarodka powstan¹ dwie identyczne spolaryzowane komórki zewnêtrzne, które nastêpnie utworz¹ trofektodermê (TE) (A). W wyniku podzia³u ró nicuj¹cego (asymetrycznego) dojdzie do utworzenia jednej spolaryzowanej komórki zewnêtrznej, która wejdzie w sk³ad trofektodermy (TE) oraz jednej apolarnej komórki wewnêtrznej, która da pocz¹tek wêz³owi zarodkowemu (ICM) (B) FIGURE 2. The cell polarity hypothesis. Symmetric (conservative) cleavage division of blastomeres at the 8-cell stage generates two identical polar outside cells that subsequently will form trophectoderm (TE) (A). Asymmetric cleavage division leads to the establishment of one outside polar cell that will form trophectoderm (TE) and one inside apolar cell that will give rise to the inner cell mass (ICM) (B)

6 8 A. SUWIÑSKA, A. LENKIEWICZ jeszcze jedna teoria nazwana hipotez¹ polarnoœci komórki. Pocz¹tkowo uznawana by³a za alternatywn¹ dla hipotezy inside outside, ale najnowsze badania wskazuj¹ na to, e mo e ona stanowiæ jej uzupe³nienie. Zak³ada ona, e los komórek ustala siê wczeœniej, ju w stadium 8-komórkowym. Zachodz¹ca wówczas polaryzacja blastomerów oraz ich u³o enie pod wp³ywem kompakcji wyznaczaj¹ kierunek dalszych podzia³ów i prowadz¹ do powstania komórek zewnêtrznych i wewnêtrznych w zarodku 16-komórkowym [54]. Podzia³ prostopad³y do powierzchni zarodka, zwany konserwatywnym lub symetrycznym, generuje dwie identyczne, spolaryzowane komórki, które dziedzicz¹ ca³¹ informacjê o polarnoœci i wchodz¹ w sk³ad trofektodermy (ryc. 2A). Gdy p³aszczyzna podzia³u jest równoleg³a do powierzchni zarodka, zachodzi podzia³ zwany ró nicuj¹cym, prowadz¹cy do asymetrycznego rozdzia³u informacji o polarnoœci i powstania jednej komórki zewnêtrznej i jednej komórki wewnêtrznej (ryc. 2B). Potwierdzeniem tezy o póÿnym ukierunkowaniu losów blastomerów s¹ ostatnie badania wskazuj¹ce, e jeszcze w stadium 16-komórkowym blastomery maj¹ pe³ne potencje rozwojowe, czyli s¹ totipotentne. Zarodki rekonstruowane wy³¹cznie z blastomerów wewnêtrznych lub zewnêtrznych pochodz¹cych z 16-komórkowych morul mog¹ utworzyæ prawid³owo zbudowane blastocysty, które po przeszczepieniu do dróg rodnych samicy biorczyni rozwijaj¹ siê w zdrowe, p³odne osobniki [43] MODEL PREDETERMINACJI W ROZWOJU Istnieje równie alternatywna teoria sugeruj¹ca znacznie wczeœniejsz¹ determinacjê losów blastomerów. Wed³ug niej ju w strukturze zap³odnionego jaja zapisana jest informacja przestrzenna, narzucaj¹ca powstaj¹cym z niej blastomerom odmienn¹ rolê i przeznaczenie oraz decyduj¹ca o okreœlonym programie rozwojowym zarodka [57]. Zwolennicy hipotezy, któr¹ nazwano hipotez¹ predeterminacji w rozwoju uwa aj¹, e p³aszczyzna I podzia³u bruzdkowania determinowana jest przez dwa punkty. Pierwszym z nich jest biegun animalny zygoty, na którym w wyniku drugiego podzia³u mejotycznego formowane jest II cia³ko kierunkowe. Drugim, nie mniej wa nym wyznacznikiem, jest miejsce wnikniêcia plemnika do oocytu. P³aszczyzna podzia³u zygoty wyznaczona przez te dwa punkty dzieli zygotê na dwa blastomery. Blastomer dziedzicz¹cy rejon b³ony cytoplazmatycznej, do którego wnikn¹³ plemnik, dzieli siê nastêpnie jako pierwszy daj¹c pocz¹tek komórkom, które wchodz¹ w sk³ad przede wszystkim zarodkowej czêœci blastocysty (wêz³a zarodkowego i okrywaj¹cej go trofektodermy biegunowej). Potomne komórki drugiego z blastomerów tworz¹ natomiast czêœæ pozazarodkow¹, czyli warstwê trofoblastu œciennego. Istnieje jednak szereg prac podwa aj¹cych powy sze obserwacje. Zakwestionowano rolê zarówno II cia³ka kierunkowego, jak i miejsca wnikniêcia plemnika jako punktów odniesienia w ustalaniu p³aszczyzny pierwszego podzia³u bruzdkowania [10, 14, 27]. Badania, w których znakowano blastomery i obserwowano ich rozmieszczenie w rozwijaj¹cej siê blastocyœcie, wykaza³y natomiast, e komórki wywodz¹ce siê

7 PIERWOTNE LINIE KOMÓRKOWE W ZARODKU MYSZY 9 z dwóch blastomerów stadium 2-komórkowego nie tworz¹ odrêbnych klonów, lecz ulegaj¹ przemieszaniu i wspó³wystêpuj¹ zarówno w czêœci zarodkowej, jak i pozazarodkowej [1, 5, 15, 52]. Sprzeczne wyniki badañ sprawiaj¹, e zwi¹zek miêdzy organizacj¹ przestrzenn¹ zygoty a budow¹ blastocysty nadal pozostaje kwesti¹ wymagaj¹c¹ wyjaœnienia Mechanizmy molekularne le ¹ce u podstaw wyodrêbniania siê wêz³a zarodkowego i trofektodermy Kluczowymi bia³kami, które decyduj¹ o ró nicowaniu dwóch pierwszych linii komórkowych w blastocyœcie, s¹ Oct4 i Cdx2. Produkt genu Oct4 (ang. octamer binding protein) jest czynnikiem transkrypcyjnym nale ¹cym do rodziny POU. Ulega on ekspresji w j¹drach wszystkich blastomerów bruzdkuj¹cego zarodka, a nastêpnie jego ekspresja jest stopniowo ograniczana: najpierw do komórek wêz³a zarodkowego w blastocyœcie, a nastêpnie do warstwy pierwotnej ektodermy (epiblastu) i pierwotnych komórek p³ciowych [22]. Zarodki pozbawione funkcjonalnej kopii genu Oct4 rozwijaj¹ siê do stadium blastocysty, ale obumieraj¹ w okresie oko³oimplantacyjnym. Hodowane in vitro, wyizolowane wêz³y zarodkowe blastocyst, których komórki pozbawione by³y funkcjonalnego genu koduj¹cego Oct4, syntetyzuj¹ natomiast markery linii trofektodermalnej. Sugeruje to, e gen Oct4 jest niezbêdny do zapobiegania ró nicowaniu wêz³a zarodkowego w kierunku trofektodermy. Istniej¹ doniesienia wskazuj¹ce na rolê Sall4 bia³ka z rodziny SPALT jako aktywatora transkrypcji genu koduj¹cego Oct4 [7, 56]. Wprowadzenie sirna (ang. small interfering RNA) skierowanego przeciwko Sall4 do mysich zygot powoduje bowiem redukcjê mrna Sall4 oraz Oct4 oraz wzrost ekspresji markerów specyficznych dla trofektodermy w komórkach wêz³a zarodkowego blastocysty. Rozwój linii trofoblastycznej w zarodku wymaga obecnoœci czynnika transkrypcyjnego Cdx2 (ang. Caudal type homeodomain protein). Wed³ug niektórych Ÿróde³, mrna tego bia³ka pojawia siê w stadium 8-komórkowym, a samo bia³ko po raz pierwszy mo na wykryæ w niektórych, po³o onych zewnêtrznie blastomerach zarodka 16-komórkowego [42]. Inne Ÿród³a podaj¹, e niski poziom bia³ka Cdx2 wykrywany jest we wszystkich blastomerach 8-komórkowego zarodka. Nastêpnie jego ekspresja ograniczana jest w komórkach wewnêtrznych, a utrzymywana w komórkach powierzchniowych [6, 18, 37]. W stadium blastocysty bia³ko Cdx2 wykrywa siê wy³¹cznie w komórkach trofektodermy. Od momentu, gdy bia³ko Cdx2 pojawia siê w komórkach prekursorowych trofoblastu dochodzi w nich do stopniowego wygaszania aktywnoœci genu Oct4, którego ekspresja zostaje ograniczona tylko do komórek wêz³a zarodkowego [31, 42]. Takie przestrzenne zró nicowanie ekspresji jest prawdopodobnie wynikiem antagonizmu miêdzy bia³kami Oct4 i Cdx2, a wzajemne oddzia³ywania pomiêdzy nimi wp³ywaj¹ na wyodrêbnienie siê w blastocyœcie trofektodermy i wêz³a zarodkowego. Brak obu alleli genu koduj¹cego czynnik transkrypcyjny Cdx2 powoduje œmieræ zarodków przed implantacj¹ z powodu nieprawid³owego rozwoju trofektodermy [42].

8 10A. SUWIÑSKA, A. LENKIEWICZ Aktywnoœæ genu koduj¹cego bia³ko Cdx2 nie jest zatem konieczna do powstania warstwy trofoblastu, ale do jego prawid³owego funkcjonowania. Niedawno wykazano, i do zainicjowania ekspresji genu Cdx2 podczas przedimplantacyjnego rozwoju myszy niezbêdna jest aktywnoœæ innego czynnika transkrypcyjnego Tead4 (ang. TEA domain/transcription enhancer factor family) [29, 30, 53]. Ci¹gle otwarta pozostaje kwestia, jakie czynniki decyduj¹ o tym, e ekspresja Cdx2 jest ograniczona jedynie do komórek prekursorowych trofektodermy. Czy decyduje o tym pozycja komórek, ich polarnoœæ, czy te oba te czynniki? Sugeruje siê, e na aktywacjê genu Cdx2 mo e wp³ywaæ obecnoœæ kompleksu bia³ek Par3/ Par6/aPKC w szczytowej czêœci blastomerów zarodka 8-komórkowego, co w konsekwencji prowadzi³oby do zró nicowania podzia³ów i wyró nicowania linii komórkowych TE i ICM [34, 51, 54]. Wykazano, e istnieje dodatnie sprzê enie zwrotne miêdzy polarnoœci¹ komórki, a ekspresj¹ genu Cdx2. Poziom bia³ka Cdx2 wp³ywa na aktywnoœæ apkc zlokalizowanej w szczytowej czêœci komórki i tym samym decyduje o polarnoœci komórki. Polarnoœæ komórki z kolei ma wp³yw na ekspresjê Cdx2 poprzez asymetryczne rozmieszczenie mrna Cdx2 w spolaryzowanych blastomerach [18]. Wyniki innej pracy przemawiaj¹ z kolei za rol¹ informacji pozycyjnej w regulacji ekspresji Cdx2. W pracy tej wykazano, e po podziale ró nicuj¹cym komórki niejako rozpoznaj¹ swoj¹ wewnêtrzn¹ lub zewnêtrzn¹ pozycjê w zarodku za poœrednictwem œcie ki sygna³owej Hippo. Jednym z komponentów tej œcie ki jest bia³ko Yap, bêd¹ce koaktywatorem czynnika transkrypcyjnego Tead4. Zró nicowanie poziomu fosforylacji bia³ka Yap decyduje o indukcji genu Cdx2. Niski poziom fosforylacji bia³ka Yap w komórkach zewnêtrznych pozwala na jego j¹drow¹ akumulacjê, która prowadzi do aktywacji Tead i indukuje ekspresjê genu Cdx2 [30]. Nie jest równie wykluczone, e powstawanie komórek prekursorowych trofektodermy i wêz³a zarodkowego zale y zarówno od polarnoœci komórek, jak i ich pozycji w zarodku. Teoria ta wymaga jednak potwierdzenia [58]. Proces wyodrêbniania wêz³a zarodkowego i trofektodermy w blastocyœcie jest regulowany nie tylko genetycznie, ale równie epigenetycznie. Mechanizmy epigenetyczne prowadz¹ do zmian ekspresji genów, co nie jest zwi¹zane w sposób bezpoœredni ze zmianami w sekwencji nukleotydowej DNA. Nale ¹ do nich m.in. metylacja DNA oraz posttranslacyjne modyfikacje ogonów histonów, takie jak na przyk³ad metylacja i acetylacja histonu H3, prowadz¹ce do miejscowej reorganizacji struktury chromatyny. Wiadomo, e komórki wêz³a zarodkowego i trofektodermy ró ni¹ siê profilem modyfikacji epigenetycznych. O losie komórek w blastocyœcie decyduje np. zró nicowana metylacja DNA czynnika transkrypcyjnego Elf5. W wêÿle zarodkowym dochodzi do represji transkrypcji Elf5 w wyniku metylacji jego promotora. Brak modyfikacji promotora tego genu w trofektodermie powoduje natomiast, e Elf5 jest transkrypcyjnie aktywny i mo e indukowaæ ekspresjê genu Cdx2. Czynnik transkrypcyjny Cdx2 mo e z kolei, na zasadzie dodatniego sprzê enia zwrotnego, aktywowaæ gen Elf5 [28]. W trofektodermie gen Cdx2 jest aktywowany równie poprzez modyfikacje posttranslacyjne bia³ek histonowych: trimetylacjê lizyny 4 histonu H3 (H3K4me3) oraz acetylacjê lizyny 16 histonu H4 (H4K16). Z kolei

9 PIERWOTNE LINIE KOMÓRKOWE W ZARODKU MYSZY 11 w wêÿle zarodkowym ekspresja genu Cdx2 jest wyciszana w wyniku dimetylacji lizyny 9 histonu H3 [33]. Z powy szych badañ wynika, e dziêki specyficznym modyfikacjom epigenetycznym precyzyjnie regulowana jest ekspresja genów, które s¹ odpowiedzialne za ró nicowanie komórek w blastocyœcie. Badania zespo³u ernickiej-goetz wykaza³y, e ró nice epigenetyczne mog¹ce decydowaæ o losie komórek wystêpuj¹ ju w blastomerach 4-komórkowego zarodka [50]. Komórki trofektodermy, wykazuj¹ce wysoki poziom bia³ka Cdx2, s¹ potomnymi tych komórek 4-komórkowego zarodka, które wykazywa³y najni szy poziom specyficznych modyfikacji chromatyny: dimetylacji argininy 17 i 26 histonu H3 (H3R26me2a i H3R17me2a). 3. WYODRÊBNIANIE SIÊ PIERWOTNEJ ENDODERMY I PIERWOTNEJ EKTODERMY W OBRÊBIE WÊZ A ZARODKOWEGO Pi¹tego dnia rozwoju, tu przed zagnie d eniem siê zarodka myszy w macicy, nastêpuje drugi etap ró nicowania, który prowadzi do utworzenia w obrêbie wêz³a zarodkowego dwóch odmiennych populacji komórek pierwotnej ektodermy, zwanej inaczej epiblastem EPI (ang. epiblast) oraz drugiej po trofektodermie linii pozazarodkowej pierwotnej endodermy PE (ang. primitive endoderm) zwanej inaczej hipoblastem. Pierwotna ektoderma lokalizuje siê wewn¹trz wêz³a zarodko-wego, miêdzy komórkami trofoblastu biegunowego, a pierwotn¹ endoderm¹. Powsta-n¹ z niej wszystkie tkanki somatyczne zarodka oraz komórki linii p³ciowej. Bêdzie ona równie uczestniczyæ w powstawaniu b³on p³odowych. Pierwotna endoderma ma postaæ warstwy komórek le ¹cej na powierzchni wêz³a zarodkowego zwróconej do jamy blastocysty. Warstwa ta ulega dalszemu zró nicowaniu przekszta³caj¹c siê w pokrywaj¹c¹ wêze³ zarodkowy endodermê proksymaln¹ oraz endodermê dystaln¹, która wyœcie³a pozosta³¹ czêœæ jamy blastocysty. W dalszym rozwoju endoderma proksymalna wejdzie w sk³ad pêcherzyka ó³tkowego Molekularne podstawy wykszta³cania siê epiblastu i hipoblastu Te dwie nowopowsta³e linie komórkowe ró ni¹ siê profilem ekspresji genów. Markerem specyficznym dla komórek zarodkowych, a wiêc dla wêz³a zarodkowego, a póÿniej epiblastu, jest produkt genu Nanog [3, 26]. W komórkach ICM, które ró nicuj¹ siê w pierwotn¹ endodermê dochodzi do represji genu Nanog, czemu towarzyszy aktywacja kilku charakterystycznych dla tej tkanki genów koduj¹cych czynniki transkrypcyjne, m.in. Gata4 i Gata6 (ang. GATA-binding protein). Zarodki pozbawione obu alleli genu Nanog tworz¹ prawid³owe morfologicznie blastocysty, ale formowanie pierwotnej ektodermy jest w nich zaburzone, co skutkuje przyjêciem przez wszystkie komórki wêz³a fenotypu pierwotnej endodermy i w konsekwencji œmierci¹ zarodka tu po implantacji [41]. Efekt letalny wywiera równie brak

10 12 A. SUWIÑSKA, A. LENKIEWICZ funkcjonalnej kopii genów z rodziny Gata. Powoduje on defekt w procesie formowania siê pierwotnej endodermy oraz jej pochodnych: endodermy proksymalnej i dystalnej, a w konsekwencji prowadzi do œmierci zarodka w kilka dni po utworzeniu blastocysty. W ostatnich latach przeprowadzono szereg badañ zmierzaj¹cych do wyjaœnienia, w jaki sposób dochodzi do ustanowienia i segregacji epiblastu i hipoblastu w obrêbie wêz³a zarodkowego. Wyniki tych badañ doprowadzi³y do powstania dwóch alternatywnych teorii dotycz¹cych mechanizmów odpowiedzialnych za ten proces Model klasyczny Model ten zak³ada, e wêze³ zarodkowy we wczesnej blastocyœcie jest homogenn¹ populacj¹ równocennych komórek, które maj¹ zdolnoœæ do przekszta³cenia siê zarówno w komórki hipoblastu, jak i epiblastu. Czynnikiem determinuj¹cym los komórek by³aby w tym wypadku, podobnie jak w hipotezie inside-outside, ich pozycja w wêÿle zarodkowym (ryc. 3A). Wed³ug tego modelu komórki znajduj¹ce siê na powierzchni wêz³a zarodkowego i s¹siaduj¹ce z jam¹ blastocysty utworz¹ pierwotn¹ endodermê, a komórki zlokalizowane w œrodku przekszta³c¹ siê w pierwotn¹ ektodermê [54]. T¹ teoriê zdaj¹ siê potwierdzaæ badania in vitro przeprowadzone z u yciem zarodkowych komórek macierzystych ES (ang. embryonic stem cells). Komórki ES s¹ uwa ane za odpowiednik komórek epiblastu w hodowli in vitro. Hodowla tych komórek bez obecnoœci czynników hamuj¹cych ró nicowanie indukuje ich agregacjê i formowanie struktur zwanych kulami zarodkowymi EB (ang. embryoid bodies). Wydarzenia towarzysz¹ce ró nicowaniu siê komórek buduj¹cych kule zarodkowe odzwierciedlaj¹ kolejnoœæ ró nicowania zachodz¹c¹ podczas rozwoju in vivo. Wykazano, e na powierzchni zewnêtrznej kul zarodkowych tworzy siê warstwa pierwotnej endodermy, a wnêtrze tych struktur zajmuje pierwotna ektoderma. Dodatkowym potwierdzeniem wspomnianej teorii s¹ badania dowodz¹ce, e w wyizolowanych z wczesnych blastocyst wêz³ach zarodkowych na ich ca³ej zewnêtrznej powierzchni odtwarza siê warstwa pierwotnej endodermy [4]. Œwiadczy to o wp³ywie po³o enia komórek w zarodku na determinacjê ich losu Model alternatywny Druga, alternatywna hipoteza powstawania epiblastu i hipoblastu zak³ada, e wêze³ zarodkowy stanowi heterogenn¹ populacjê komórek, które ju na etapie wczesnej blastocysty s¹ zdeterminowane do utworzenia pierwotnej ektodermy b¹dÿ pierwotnej endodermy (ryc. 3B). O kierunku ich ró nicowania decydowa³aby ekspresja specyficznych dla obu linii czynników transkrypcyjnych, zaœ u³o enie poszczególnych komórek w wêÿle zarodkowym i powstawanie odrêbnych warstw epiblastu i hipoblastu w póÿnej blastocyœcie zale a³oby od czynników wp³ywaj¹cych na ich segregacjê i przemieszczanie. Szereg przeprowadzonych badañ zdaje siê potwierdzaæ ten model. Po pierwsze wykazano, e czêœæ komórek wêz³a zarodkowego wczesnej blastocysty zawiera cytokeratynê filamentów poœrednich EndoA, bêd¹c¹ bia³kiem specyficznym dla linii

11 PIERWOTNE LINIE KOMÓRKOWE W ZARODKU MYSZY 13 pozazarodkowej [4]. Po drugie, we wczesnym 4-dniowym zarodku, w którym nie zasz³a jeszcze segregacja komórek do warstwy epiblastu i hipoblastu, czynniki transkrypcyjne Nanog (specyficzny dla linii epiblastu) oraz charakterystyczne dla pierwotnej endodermy Gata4 lub Lrp2 (ang. low-density lipoprotein receptor related protein 2) ulegaj¹ ekspresji w komórkach rozmieszczonych w sposób przypadkowy w ró nych, niezachodz¹cych na siebie rejonach wêz³a zarodkowego, RYCINA 3. Wyodrêbnianie i segregacja pierwotnej endodermy i pierwotnej ektodermy w obrêbie wêz³a zarodkowego. Model klasyczny zak³ada, e wêze³ zarodkowy jest homogenn¹ populacj¹ komórek, których los zale y od pozycji w wêÿle zarodkowym (A). Model alternatywny sugeruje, i wêze³ zarodkowy jest heterogenn¹ populacj¹ komórek, które ju na etapie wczesnej blastocysty ró ni¹ siê ekspresj¹ czynników transkrypcyjnych. Prawid³owe u³o enie komórek w wêÿle zarodkowym i powstanie warstw pierwotnej endodermy oraz pierwotnej ektodermy zale ne jest od czynników wp³ywaj¹cych na proces sortowania (B): TB trofektoderma biegunowa, EPI epiblast, PE pierwotna endoderma, TŒ trofektoderma œcienna FIGURE 3. Specification and segregation of primitive ectoderm and primitive endoderm within the inner cell mass. The classical model assumes that the inner cell mass is a homogeneous population of cells whose fate depends on position in the inner cell mass (A). The alternative model suggests that the inner cell mass is a heterogeneous population of cells differing in the expression of transcription factors at the blastocyst stage. The cell position within the inner cell mass and formation of primitive ectoderm and primitive endoderm layers depends on factors affecting the cell sorting process (B). TB polar trophectoderm; EPI epiblast; PE primitive endoderm; TŒ mural trophectoderm

12 14 A. SUWIÑSKA, A. LENKIEWICZ tworz¹c mozaikowy wzór ekspresji [4, 11]. Na tym wczesnym etapie nie obserwowano preferencyjnego lokowania siê komórek eksprymuj¹cych te czynniki do okreœlonych regionów wêz³a zarodkowego. Po trzecie, analiza pojedynczych komórek wêz³a zarodkowego wczesnej blastocysty metod¹ mikromacierzy wykaza³a istnienie dwóch grup komórek: jednej wykazuj¹cej ekspresjê genu Nanog i drugiej eksprymuj¹cej czynnik Gata [21]. Kolejny dowód na potwierdzenie powy szej teorii pochodzi z badañ, w których znakowano pojedyncze komórki wêz³a zarodkowego wczesnej blastocysty i œledzono ich los. Wstrzykiwano do nich mrna bia³ka zielonej fluorescencji GFP (ang. green fluorescent protein), a nastêpnie przeszczepiano takie zarodki do dróg rodnych biorczyñ i badano los znakowanych komórek po implantacji. Doœwiadczenie to wykaza³o, e komórki potomne znakowanych komórek wêz³a wchodzi³y w sk³ad albo epiblastu albo hipoblastu, ale nigdy obu tych warstw. RYCINA 4. Model segregacji komórek do dwóch odrêbnych warstw wêz³a zarodkowego: epiblastu i hipoblastu w póÿnej blastocyœcie (schemat adaptowany za zgod¹ wydawnictwa Elsevier: Dev cell [4] copyright 2006).Czynnik wzrostu fibroblastów (FGF) poprzez receptor na powierzchni docelowej komórki oddzia³uje z bia³kiem Grb2. Kompleks ten aktywuje w komórce prekursorowej pierwotnej endodermy kaskadê bia³ek Ras-MAPK, co prowadzi do ekspresji czynników transkrypcyjnych z rodziny Gata. Poprzez obecnoœæ bia³ek docelowych dla Gata6 (Lamininy i Dab2) zmieniaj¹ siê w³aœciwoœci adhezyjne komórek, co umo liwia ich sortowanie do odpowiednich rejonów wêz³a zarodkowego. Nie jest jasne, jak dochodzi do aktywacji czynnika transkrypcyjnego Nanog i represji Gata w komórkach prekursorowych epiblastu FIGURE 4. Model of cell segregation into two separate layers of inner cell mass of the blastocyst: epiblast and hypoblast (reprinted from Dev Cell [4], copyright 2006, with permission from Elsevier). Fibroblast growth factor (FGF) interacts with the Grb2 protein through the receptor on the surface of the target cell. This complex activates the Ras-MAPK signaling pathway in the primitive endoderm progenitor cell that leads to the expression of Gata family transcription factors. Gata induces target genes (Laminin and Dab2), which change the adhesive properties of cells to enable their sorting into appropriate regions of the inner cell mass. It is not clear how Nanog is activated and Gata is repressed in the epiblast progenitor cells

13 PIERWOTNE LINIE KOMÓRKOWE W ZARODKU MYSZY 15 Wynik ten sugeruje, e los komórek wêz³a zarodkowego wczesnej blastocysty jest ju zdeterminowany [4]. Rezultaty tych badañ przemawiaj¹ wiêc za tym, e wêze³ zarodkowy jest raczej heterogenn¹ populacj¹ komórek o ró nym potencjale rozwojowym, mieszanin¹ prekursorów hipoblastu oraz epiblastu, które nastêpnie rozlokuj¹ siê w odpowiednich rejonach wêz³a zarodkowego. Mechanizmy molekularne odpowiedzialne za powstanie dwóch populacji komórek (epiblastu i hipoblastu) nie zosta³y do koñca poznane. Wydaje siê, e proces ten zale y od wielu czynników. Jednym z nich mo e byæ czynnik wzrostu fibroblastów 4 FGF4 (ang. fibroblast growth factor 4). Chazaud i wspó³pracownicy [4] sugeruj¹, e czynnik FGF4 mo e warunkowaæ aktywnoœæ genu Grb2 (ang. growth factor receptor-bound protein 2) koduj¹cego bia³ko zaanga owane w aktywacjê kaskady Ras-MAPK (ang. mitogen-activated protein kinase), indukcjê ekspresji czynnika transkrypcyjnego Gata6 oraz represjê Nanog w pierwotnej endodermie (ryc. 4). Zablokowanie funkcji bia³ka Grb2 skutkuje bowiem œmierci¹ zarodka w wyniku braku ekspresji Gata6, a co za tym idzie, formowania pierwotnej endodermy [4]. Za segregacjê komórek do dwóch odrêbnych warstw (hipoblastu oraz epiblastu) w póÿnej blastocyœcie mog¹ byæ odpowiedzialne odmienne w³aœciwoœci adhezyjne tych komórek. Wykazano, e obecnoœæ Lamininy B1 oraz Dab2 (ang. Disabled 2) bia³ek, których ekspresja jest aktywowana przez czynnik transkrypcyjny Gata6 powoduje zmianê w³aœciwoœci adhezyjnych komórek, umo liwiaj¹c ich sortowanie do odpowiednich rejonów wêz³a zarodkowego (ryc. 4). W zarodkach pozbawionych funkcjonalnej kopii genu Dab2 komórki prekursorowe pierwotnej endodermy trac¹ zdolnoœæ do lokowania siê na powierzchni wêz³a zarodkowego, co w konsekwencji prowadzi do zaburzeñ morfogenezy [55]. Oprócz odmiennych w³aœciwoœci adhezyjnych, w proces segregacji zaanga owana jest prawdopodobnie tak e migracja komórek oraz wybiórcza apoptoza. Wspó³dzia³anie wszystkich tych czynników prowadzi ostatecznie do stworzenia odrêbnych linii komórkowych w zarodku [35, 40]. Najnowsze badania, w których œledzono dynamikê komórek wêz³a zarodkowego od stadium wczesnej do póÿnej blastocysty, wykaza³y, e wyodrêbnianie warstw komórek epiblastu i hipoblastu jest procesem z³o onym i ³¹czy w sobie cechy obu wspomnianych hipotez [25]. Z analizy zdjêæ poklatkowych wynika, e wiêkszoœæ komórek jest prekursorem tylko jednej linii epiblastu lub hipoblastu i podlega aktywnemu procesowi sortowania do odpowiednich warstw, zale nemu od aktyny. Pewna czêœæ komórek we wczesnej blastocyœcie wykazuje siê jednak plastycznoœci¹ i jest zdolna do przekszta³cenia siê zarówno w komórki epiblastu, jak i hipoblastu, co wskazuje na rolê zarówno sortowania komórek, jak i indukcji zale nej od ich po³o enia w wyodrêbnianiu PE i EPI. 4. KOMÓRKI MACIERZYSTE PIERWOTNYCH LINII KOMÓRKOWYCH Z blastocyst hodowanych in vitro, w œciœle okreœlonych warunkach, mog¹ powstaæ linie komórek macierzystych (ryc. 5), które maj¹ szczególne w³aœciwoœci. Z jednej strony s¹ zdolne do samoodnawiania siê, czyli wielokrotnych podzia³ów

14 16 A. SUWIÑSKA, A. LENKIEWICZ RYCINA 5. Linie komórek macierzystych, które mo na uzyskaæ hoduj¹c blastocysty myszy in vitro (rycina adaptowana za zgod¹ wydawnictwa Wiley-Blackwell: Clin Genet [34] copyright 2005). Trofoblastyczne komórki macierzyste (TS) wywodz¹ siê z trofektodermy (TE); zarodkowe komórki macierzyste (ES) mo na uzyskaæ hoduj¹c in vitro komórki wêz³a zarodkowego lub epiblastu (EPI); XEN komórki macierzyste otrzymywane in vitro z pierwotnej endodermy (PE) FIGURE 5. Stem cell lines that can be derived by in vitro culture of blastocyst (reprinted from Clin Genet [34], copyright 2005, with permission from Wiley-Blackwell). Trophoblast stem cells (TS) are derived from trophectoderm (TE); embryonic stem cells (ES) may be obtained by in vitro culture of inner cell mass or epiblast (EPI); XEN stem cells from the primitive endoderm (PE) lineage

15 PIERWOTNE LINIE KOMÓRKOWE W ZARODKU MYSZY 17 komórkowych bez utraty stanu niezró nicowanego, z drugiej zaœ s¹ zdolne do ró nicowania w specyficzne dla danej linii typy komórek. Wszystkie typy komórek macierzystych wykazuj¹ podobn¹ morfologiê oraz ekspresjê genów jak komórki, z których siê wywodz¹. Maj¹ równie zbli one do nich wymagania dotycz¹ce czynników wzrostu. Wprowadzone do blastocyst bior¹ udzia³ w formowaniu podobnych struktur w rozwijaj¹cych siê organizmach chimerowych. Z tego wzglêdu uznawane s¹ za modele linii komórkowych w hodowli in vitro. Najwiêkszy potencja³ rozwojowy maj¹ komórki macierzyste pochodz¹ce z wêz³a zarodkowego blastocysty. Z komórek wêz³a zarodkowego, jak równie z pochodz¹cej z niego pierwotnej ektodermy mo na wyprowadziæ linie zarodkowych komórek macierzystych ES. Komórki ES myszy s¹ pluripotentne, czyli zdolne do ró nicowania we wszystkie trzy listki zarodkowe: ektodermê, endodermê i mezodermê. Nie s¹ natomiast w stanie spontanicznie ró nicowaæ siê w komórki trofektodermy. Pozosta³e dwie linie komórkowe mog¹ równie daæ pocz¹tek komórkom macierzystym, ale o bardziej ograniczonych zdolnoœciach rozwojowych. Warstwa trofektodermy biegunowej oraz pochodz¹cej z niej ektodermy pozazarodkowej mo e byæ Ÿród³em trofoblastycznych komórek macierzystych TS, natomiast z pierwotnej endodermy mo na in vitro uzyskaæ komórki macierzyste pierwotnej endodermy XEN (ryc. 5) Komórki ES zarodkowe komórki macierzyste Po raz pierwszy zarodkowe komórki macierzyste zosta³y wyprowadzone w latach 80. ub. wieku z wêz³ów zarodkowych blastocyst myszy przez dwie grupy badaczy Evansa i Kaufmana [9] oraz Martin [23]. Podobne komórki wyprowadzono równie z póÿniejszych stadiów rozwojowych: pierwotnej ektodermy [2, 48] oraz pierwotnych komórek p³ciowych [24]. Linie zarodkowych komórek macierzystych uzyskuje siê hoduj¹c komórki wêz³a zarodkowego lub epiblastu w warunkach zapobiegaj¹cych ich ró nicowaniu. Standardowa procedura ich otrzymywania wymaga obecnoœci warstwy od ywczej inaktywowanych pierwotnych fibroblastów zarodkowych myszy oraz po ywki wzbogaconej w czynnik przeciwbia³aczkowy, zapobiegaj¹cy ró nicowaniu LIF (ang. leukaemia inhibitory factor). W takich warunkach mog¹ byæ one utrzymywane w stanie niezró nicowanym przez wiele pasa y, zachowuj¹c przy tym prawid³owy kariotyp. Po wprowadzeniu do blastocysty komórki ES s¹ zdolne do ró nicowania siê we wszystkie typy komórek linii somatycznej oraz komórki linii p³ciowej. Nie bior¹ natomiast udzia³u w tworzeniu struktur pozazarodkowych: trofektodermy oraz pierwotnej endodermy, co œwiadczy o tym, e s¹ one pluripotentne, a nie totipotentne. Wykazuj¹ one równie, podobnie jak komórki wêz³a zarodkowego i epiblastu, z których siê wywodz¹, ekspresjê markerów niezró nicowanego, pluripotentnego stanu Oct4 oraz Nanog [3, 26]. Inaktywacja genu Oct4 w komórkach ES powoduje utratê pluripotencji, ró nicowanie w trofoblast i nabywanie w³aœciwoœci komórek TS [16, 31]. Podobny efekt mo e wywo³aæ nadekspresja genu Cdx2 w komórkach ES [31, 49]. Utrata funkcji genu Nanog lub ekspresja genów z rodziny Gata skutkuje natomiast zmian¹ kierunku ró nicowania komórek ES w komórki o cechach XEN [3, 16, 26].

16 18 A. SUWIÑSKA, A. LENKIEWICZ 4.2. Komórki TS trofoblastyczne komórki macierzyste Trofoblastyczne komórki macierzyste, hodowane w po ywce wzbogaconej czynnikiem wzrostu fibroblastów FGF4 oraz heparyn¹, na warstwie od ywczej fibroblastów zarodkowych lub w obecnoœci aktywinya i TGFb1 (ang. transforming growth factor b1) [8], tworz¹ kolonie komórek wygl¹dem przypominaj¹ce komórki nab³onkowe (ryc. 5) [32, 38]. Wielokrotnie pasa owane komórki TS zachowuj¹ cechy charakterystyczne dla komórek macierzystych. Po usuniêciu czynnika FGF4 z po ywki, komórki TS trac¹ swój fenotyp i przekszta³caj¹ siê w ró ne typy komórek trofoblastycznych [17], a szczególnie w komórki o morfologii typowej dla trofoblastycznych komórek olbrzymich, wykazuj¹ce ekspresjê markerów specyficznych dla zró nicowanego trofoblastu, takich jak: Pl-1 (ang. placental lactogen 1) czy Hand1 [13]. Trofoblastyczne komórki macierzyste wprowadzone do jamy blastocysty s¹ w stanie uczestniczyæ w normalnym rozwoju chimerowego zarodka, jednak wchodz¹ w sk³ad jedynie struktur pochodzenia trofoblastycznego, np. trzonu ³o yskowego i komórek olbrzymich. Nie bior¹ natomiast udzia³u w formowaniu tkanek zarodkowych. Z tego wzglêdu macierzyste komórki trofoblastu s¹ doskona³ym materia³em do badania w³aœciwoœci komórek linii trofoblastycznej Komórki XEN macierzyste komórki pierwotnej endodermy Kolejny typ komórek macierzystych wywodzi siê z warstwy pierwotnej endodermy. Maj¹ one postaæ okr¹g³ych lub gwiaÿdzistych komórek (ryc. 5), a do ich wzrostu i samoodnawiania siê wymagana jest hodowla na pod³o u w postaci elatyny oraz w po ywce, w której uprzednio hodowano zarodkowe fibroblasty myszy MEF CM (ang. mouse embryonic fibroblast conditioned medium). Komórki XEN wykazuj¹ ekspresjê markerów charakterystycznych dla pochodnych pierwotnej endodermy, m.in. a-fetoproteiny, Gata4 i Gata6. Po przeszczepieniu tych komórek do jamy blastocysty w tworz¹cych siê chimerach uczestnicz¹ one w budowie pêcherzyka ó³tkowego [20]. 5. PODSUMOWANIE Pomimo wielu lat badañ mechanizmy kontroluj¹ce ró nicowanie komórek w trakcie rozwoju zarodka oraz w hodowli in vitro nie zosta³y do koñca poznane. Wiadomo na pewno, e o losie komórek decyduje wzajemna zale noœæ miêdzy specyficznymi czynnikami transkrypcyjnymi, modyfikacjami epigenetycznymi oraz pozycj¹ i polarnoœci¹ komórek. Zg³êbienie tych zale noœci jest konieczne dla lepszego zrozumienia natury komórek macierzystych, które mo na uzyskaæ hoduj¹c zarodki przedimplantacyjne in vitro. Jest to o tyle wa ne, e komórki macierzyste ze wzglêdu na swoje unikalne w³aœciwoœci (zdolnoœæ do samoodnowy i ró nicowania) otwieraj¹ nowe mo liwoœci nie tylko dla badañ podstawowych dotycz¹cych wczesnego rozwoju zarodkowego, ale przede wszystkim dla medycyny regeneracyjnej w opracowywaniu terapii nieprawid³owo funkcjonuj¹cych lub uszkodzonych tkanek i narz¹dów.

17 PIERWOTNE LINIE KOMÓRKOWE W ZARODKU MYSZY 19 PODZIÊKOWANIA Autorki pragn¹ serdecznie podziêkowaæ Panu Profesorowi Andrzejowi K. Tarkowskiemu oraz Panu Profesorowi Markowi Maleszewskiemu za cenne uwagi dotycz¹ce niniejszej pracy. LITERATURA [1] ALARCÓN VB, MARIKAWA Y. Unbiased contribution of the first two blastomeres to mouse blastocyst development. Mol Reprod Dev 2005; 72: [2] BRONS IG, SMITHERS LE, TROTTER MW, RUGG-GUNN P, SUN B, CHUVA DE SOUSA LOPES SM, HOWLETT SK, CLARKSON A, AHRLUND-RICHTER L, PEDERSEN RA. Derivation of pluripotent epiblast stem cells from mammalian embryos. Nature 2007; 448: [3] CHAMBERS I, COLBY D, ROBERTSON M, NICHOLS J, LEE S, TWEEDIE S, SMITH A. Functional expression cloning of Nanog, a pluripotency sustaining factor in embryonic stem cells. Cell 2003; 113: [4] CHAZAUD C, HOULISTON Y, PAWSON T, ROSSANT J. Early lineage segregation between epiblast and primitive endoderm in mouse blastocysts through the Grb2-MAPK pathway. Dev Cell 2006; 10: [5] CHRÓŒCICKA A, KOMOROWSKI S, MALESZEWSKI M. Both blastomeres of the mouse 2-cell embryo contribute to the embryonic portion of the blastocyst. Mol Reprod Dev 2004; 68: [6] DIETRICH JE, HIIRAGI T. Stochastic patterning in the mouse pre-implantation embryo. Development 2007; 134: [7] ELLING U, KLASEN C, EISENBERGER T, ANLAG K, TREIER M. Murine inner cell mass-derived lineages depend on Sall4 function. Proc Natl Acad Sci 2006; 103: [8] ERLEBACHER A, PRICE KA, GLIMCHER LH. Maintenance of mouse trophoblast stem cells proliferation by TGF-beta/activin. Dev Biol 2004; 275: [9] EVANS MJ, KAUFMAN MH. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature 1981; 292: [10] GARDNER RL, DAVIES TJ. Is the plane of first cleavage related to the point of sperm entry in the mouse? Reprod Biomed Online 2003; 6: [11] GERBE F, COX B, ROSSANT J, CHAZAUD C. Dynamic expression of Lrp2 pathway members reveals progressive epithelial differentiation of primitive endoderm in mouse blastocyst. Dev Biol 2008; 313: [12] GOLDIN SN, PAPAIOANNOU V.E. Paracrine action of FGF4 during pre-implantation development maintains trophectoderm and primitive endoderm. Genesis 2003; 36: [13] HEMBERGER M, HUGHES M, CROSS JC. Trophoblast stem cells differentiate in vitro into invasive trophoblast giant cells. Dev Biol 2004; 271: [14] HIIRAGI T, SOLTER D. First cleavage plane of the mouse egg is not predetermined but defined by topology of the two apposing pronuclei. Nature 2004; 430: [15] HIIRAGI T, ALARCÓN VB, FUJIMORI T, LOUVET-VALLEE S, MALESZEWSKI M, MARIKAWA Y, MARO B, SOLTER D. Where do we stand now? Mouse early embryo patterning meeting in Freiburg, Germany. Int J Dev Biol 2006; 50: ; discussion [16] HOUGH SR, CLEMENTS I, WELCH PJ, WIEDERHOLT KA. Differentiation of mouse embryonic stem cells after RNA interference-mediated silencing of Oct4 and Nanog. Stem Cells 2006; 24: [17] HUGHES M, DOBRIC N, SCOTT IC, SU L, STAROVIC M, ST-PIERRE B, EGAN SE, KINGDOM JC, CROSS JC. The Hand1, Stra13 and Gcm1 transcription factor override FGF signaling to promote terminal differentiation of trophoblast stem cells. Dev Biol 2004; 271: [18] JEDRUSIK A, PARFITT DE, GUO G, SKAMAGKI M, GRABAREK JB, JOHNSON MH, ROBSON P, ZERNICKA-GOETZ M. Role of Cdx2 and cell polarity in cell allocation and specification of trophectoderm and inner cell mass in the mouse embryo. Genes Dev 2008; 22: [19] JOHNSON MH, MCCONNEL JM. Lineage allocation and cell polarity during mouse embryogenesis. Semin Cell Dev Biol 2004; 15:

18 20A. SUWIÑSKA, A. LENKIEWICZ [20] KUNATH T, ARNAUD D, UY GD, OKAMOTO I, CHUREAU C, YAMANAKA Y, HEARD E, GARD- NER RL, AVNER P, ROSSANT J. Imprinted X-inactivation in extra-embryonic endoderm cell lines from mouse blastocysts. Development 2005; 132: [21] KURIMOTO K, KABUTA Y, OHINATA Y, ONO Y, UNO KD, HAMADA RG, UEDA HR, SAITOU M. An improved single-cell cdna amplification method for efficient high-density oligonucleotide microarray analysis. Nucleic Acids Res 2006; 34(5): e42. [22] LIU L, CZERWIEC E, KEEFE DL. Effect of ploidy and parental genome composition on expression of Oct-4 protein in mouse embryos. Gene Expr Patterns 2004; 4: [23] MARTIN GR. Isolation of a pluripotent cell line from early mouse embryos cultured in medium conditioned by teratocarcinoma stem cells. Proc Natl Acad Sci USA 1981; 78: [24] MATSUI Y, ZSEBO K, HOGAN BL. Derivation of pluripotential embryonic stem cells from murine primordial germ cells in culture. Cell 1992; 70: [25] MEILHAC SM, ADAMS RJ, MORRIS SA, DANCKAERT A, LE GARREC JF, ZERNICKA-GOETZ M. Active cell movements coupled to positional induction are involved in lineage segregation in the mouse blastocyst. Dev Biol 2009; 331: [26] MITSUI K, TOKUZAWA Y, ITOH H, SEGAWA K, MURAKAMI M, TAKAHASHI K, MARUYAMA M, MAEDA M, YAMANAKA S. The homeoprotein Nanog is required for maintenance of pluripotency in mouse epiblast and ES cells. Cell 2003; 113(5): [27] MOTOSUGI N, BAUER T, POLANSKI Z, SOLTER D, HIIRAGI T. Polarity of the mouse embryo is established at blastocyst and is not prepatterned. Genes Dev 2005; 19: [28] NG RK, DEAN W, DAWSON C, LUCIFERO D, MADEJA Z, REIK W, HEMBERGER M. Epigenetic restriction of embryonic cell lineage fate by methylation of Elf5. Nature Cell Biol 2008; 10: [29] NISHIOKA N, YAMAMOTO S, KIYONARI H, SATO H, SAWADA A, OTA M, NAKAO K, SASAKI H. Tead4 is required for specification of trophectoderm in pre-implantation mouse embryos. Mech Dev 2008; 125: [30] NISHIOKA N, INOUE K, ADACHI K, KIYONARI H, OTA M, RALSTON A, YABUTA N, HIRAHARA S, STEPHENSON RO, OGONUKI N, MAKITA R, KURIHARA H, MORIN-KENSICKI EM, NOJIMA H, ROSSANT J, NAKAO K, NIWA H, SASAKI H. The Hippo signaling pathway components Lats and Yap pattern Tead4 activity to distinguish mouse trophectoderm from inner cell mass. Dev Cell 2009; 16: [31] NIWA H, TOYOOKA Y, SHIMOSATO D, STRUMPF D, TAKAHASHI K, YAGI R, ROSSANT J. Interaction between Oct3/4 and Cdx2 determines trophectoderm differentiation. Cell 2005; 123: [32] ODA M, SHIOTA K, TANAKA S. Trophoblast stem cells. Methods in Enzymology 2006; 49: [33] O'NEILL LP, VERMILYEA MD, TURNER BM. Epigenetic characterization of the early embryo with a chromatin immunoprecipitation protocol applicable to small cell populations. Nature Genet 2006; 38: [34] PLUSA B, FRANKENBERG S, CHALMERS A, HADJANTONAKIS AK, MOORE CA, PAPALOPULU N, PAPAIOANNOU VE, GLOVER DM, ZERNICKA-GOETZ M. Downregulation of Par3 and apkc function directs cells towards the ICM in the pre-implantation mouse embryo. J Cell Sci 2005; 118: [35] PLUSA B, PILISZEK A, FRANKENBERG S, ARTUS J, HADJANTONAKIS A. Distinct sequential cell behaviours direct primitive endoderm formation in the mouse blastocyst. Development 2008; 135: [36] RALSTON A, ROSSANT J. Genetic regulation of stem cell origins in the mouse embryo. Clin Genet 2005; 68: [37] RALSTON A, ROSSANT J. Cdx2 acts downstream of cell polarization to cell-autonomously promote trophectoderm fate in the early mouse embryo. Dev Biol 2007; 313: [38] RIELLAND M, HUE I, RENARD JP, ALICE J. Trophoblast stem cell derivation, cross-species comparison and use of nuclear transfer: new tools to study trophoblast growth and differentiation. Dev Biol 2008; 322: [39] ROSSANT J, CROSS JC. Placental development: lessons from mouse mutants. Nat Rev Genet 2001; 2: [40] RULA ME, CAI KQ, MOORE R, YANG DH, STAUB CM, CAPO-CHICHI CD, JABLONSKI SA, HOWE PH, SMITH ER, XU XX. Cell autonomous sorting and surface positioning in the formation of primitive endoderm in embryoid bodies. Genesis 2007; 45: [41] SINGH AM, HAMAZAKI T, HANKOWSKI KE, TERADA N. A heterogeneous expression pattern for Nanog in embryonic stem cells. Stem Cells 2007; 25:

19 PIERWOTNE LINIE KOMÓRKOWE W ZARODKU MYSZY 21 [42] STRUMPF D, MAO CA, YAMANAKA Y, RALSTON A, CHAWENGSAKSOPHAK K, BECK F, ROS- SANT J. Cdx2 is required for correct cell fate specification and differentiation of trophectoderm in the mouse blastocyst. Development 2005; 132: [43] SUWINSKA A, CZOLOWSKA R, OZDZENSKI W, TARKOWSKI AK. Blastomeres of the mouse embryo lose totipotency after the fifth cleavage division: expression of Cdx2 and Oct4 and developmental potential of inner and outer blastomeres of 16- and 32-cell embryos. Dev Biol 2008; 322: [44] TARKOWSKI AK. Experiments on the development of isolated blastomers of mouse eggs. Nature 1959; 184: [45] TARKOWSKI AK. Mouse chimaeras developed from fused eggs. Nature 1961; 190: [46] TARKOWSKI AK. Mouse chimaeras revisited: recollections and reflections. Int J Dev Biol 1998; 42: [47] TARKOWSKI AK, WRÓBLEWSKA J. Development of blastomeres of mouse eggs isolated at the 4- and 8-cell stage. J Embryol Exp Morphol 1967; 18: [48] TESAR PJ, CHENOWETH JG, BROOK FA, DAVIES TJ, EVANS EP, MACK DL, GARDNER RL, McKAY RD. New cell lines from mouse epiblast share defining features with human embryonic stem cells. Nature 2007; 448: [49] TOLKUNOVA E, CAVALERI F, ECKARDT S, REINBOLD R, CHRISTENSON LK, SCHOLER HR, TOMILIN A. The Caudal-related protein Cdx2 promotes trophoblast differentiation of mouse embryonic stem cells. Stem Cells 2006; 24: [50] TORRES-PADILLA ME, PARFITT DE, KOUZARIDES T, ZERNICKA-GOETZ. Histone arginine methylation regulates pluripotency in the early mouse embryo. Nature 2007; 445: [51] VINOT S, LE T, OHNO S, PAWSON T, MARO B, LOUVET-VALLEE S. Asymmetric distribution of PAR proteins in the mouse embryo begins at the 8-cell stage during compaction. Dev Biol 2005; 282: [52] WAKSMUNDZKA M, WIŒNIEWSKA A, MALESZEWSKI M. Allocation of cells in mouse blastocyst is not determined by the order of cleavage of the first two blastomeres. Biol Reprod 2006; 75: [53] YAGI R, KOHN MJ, KARAVANOVA I, KANEKO KJ, VULLHORST D, DEPAMPHILIS ML, BUONAN- NO A. Transcription factor TEAD4 specifies the trophectoderm lineage at the beginning of mammalian development. Development 2007; 34(21): [54] YAMANAKA Y, RALSTON A, STEPHENSON RO, ROSSANT J. Cell and molecular regulation of the mouse blastocyst. Dev Dyn 2006; 235: [55] YANG DH, CAI KQ, ROLAND IH, SMITH ER, XU XX. Disabled-2 is an epithelial surface positioning gene. J Biol Chem 2007; 282: [56] ZHANG J, Sall 4 modulates embryonic stem cell pluripotency and early embryonic development by the transcriptional regulation of Pou5f1. Nat Cell Biol 2006; 8: [57] ZERNICKA-GOETZ M. Developmental cell biology: cleavage pattern and emerging asymmetry of the mouse embryo. Nat Rev Mol Cell Biol 2005; 6: [58] ZERNICKA-GOETZ M, MORRIS SA, BRUCE AW. Making a firm decision : multifaceted regulation of cell fate in the early mouse embryo. Nat Genet 2009; 10: Dr Aneta Suwiñska ul. W¹ska 41, Legionowo, asuwinska@biol.uw.edu.pl