Ontogeneza i organogeneza organizmów wielokomórkowych

Transkrypt

1 Ontogeneza i organogeneza organizmów wielokomórkowych Interakcje między komórkami a ich mikrośrodowiskiem, czyli niszą, w toku organogenezy NiezróŜnicowane komórki progenitory wysyłają sygnały (ECM, GFs) do środowiska powodując zmianę jego właściwości Zmiany właściwości niszy prowadzą do ukierunkowanego róŝnicowania komórek w jej obrębie To zaś skutkuje modyfikacją właściwości niszy skutkującą utrwaleniem fenotypu specyficznego tkankowo

2 Nisza jako mikrośrodowisko komórek pozostające z nimi w stanie ciągłej wymiany informacji Komunikacja międzykomórkowa Mediatory wymiany informacji między komórką a niszą : - czynniki humoralne (np. czynniki wzrostowe i cytokiny oddziaływania krynne - adhezja komórkowa (ścieŝki sygnałowe zaleŝne od integryn, kadheryn etc. - wymiana bodźców mechanicznych (za pośrednictwem białek adhezji międzykomórkowej i receptorów ECM) -bezpośrednia wymiana metabolitów (złącza szczelinowe) Czyz J., Wobus A.M. Differentiation (2001) 68:

3 Jądro a cytoplazma micro.magnet.fsu.edu/cells/nucleus/nucleus.html

4 "Es liegt also am Eiplasma, nicht an den Kernen, zu welchem Teil des Embryos sich die Teile des Keimes entwickeln." Hans Spemann, 1914 'It depends on the plasma, not on the nuclei, into which part of the embryo the parts of the egg develop.' To cytoplazma, a nie jądro decyduje o tym, w jaką część zarodka rozwinie się dany fragment komórki jajowej

5 Knoblich lab ( Podział asymetryczny neuroblastów

6 Typy symetrii podziałów komórek (1) Podział symetryczny generujący dwie komórki macierzyste namnaŝanie komórek macierzystych (2) Podział asymetryczny generujący jedną komórkę macierzystą i jedną róŝnicującą lub zróŝnicowaną homeostaza/status quo (3) Podział symetryczny generujący dwie identyczne komórki róŝnicujące lub zróŝnicowane namnaŝanie progenitorów kosztem komórek macierzystych (4) Podział asymetryczny generujący nie identyczne komórki róŝnicujące lub zróŝnicowane róŝnicowanie tkanki

7 Populacja komórek macierzystych determinuje samoodnowę tkanki regulując równowagę miedzy podziałami symetrycznymi i asymetrycznymi 1P1 1P2 2 P1

8 Yamashita Y M et al. Cold Spring Harb Perspect Biol 2010;2:a Podział asymetryczny

9 Asymetria podziałów komórek macierzystych a ich interakcje w obrębie niszy 1. Segregacja białek i organelli - neuroblasty Drosophila dziedziczące atypową izoformę PKC zachowują fenotyp komórki macierzystej - spektrosom pozostaje w komórce macierzystej.. hipoteza nieśmiertelnego centrosomu 3. Orientacja wrzeciona kariokinetycznego - zwykle równoległa do warstwy podścieliska, lub błony podstawnej choć zdarzają się fluktuacje o niezidentyfikowanym znaczeniu - powoduje to, Ŝe komórki potomne wystawione są na gradienty morfogenów, np. czynników z rodziny BMP Iwasaki, Suda, Cancer Sci, 2009; 100:1166; Morrison&Spradling, Cell; 2008

10 Nisze stabilne i systemy regulacji podziału asymetrycznego A) Osłabienie sygnału hamującego róŝnicowanie B) Indukcja określonego wzoru róŝnicowania przez komórkę macierzystą Morrison&Spradling, Cell 132 (2008)

11 Szlak sygnałowy zaleŝny od Notch Lateralne hamowanie Indukcja lateralna - Lateral inhibition - Inductive signalling Lasky & Wu, 2005, Pediatric Research, 57:104R

12 AJs determine the positioning of the mitotic spindle by centrosome capture. Marthiens V et al. J Cell Sci 2010;123:

13 E-Cadherin form trans-homophilic interactions to form cadherin clusters. The E-cadherin intracellular domain contains binding sites for the catenins p120 and β-catenin, thereby forming the cadherin catenin complex. p120 catenin links cadherin to microtubules and is also important to prevent cadherin endocytosis and degradation. β-catenin binds α- catenin, which in turn binds actin and several actin-associated proteins, including α-actinin, vinculin, and formin-1. The cadherin catenin complex binds many other proteins, including signaling proteins, and cell surface receptors and forms a hub for protein protein interactions. The cytoskeleton is also polarized within epithelial cells and several Rho GTPases, and polarity proteins influence the localization and activity of these cytoskeletal structures. Other subcellular structures, although not depicted, are also organized along the apicobasal axis, including the centrosome and the Golgi. Baum B, Georgiou M J Cell Biol 2011;192:

14 Predicted default division patterns when centrosome position is instructed by AJs. The capture of the centrosomes by the AJs prior to division locks the spindle plane perpendicular to the support cell or parallel to the plane of the epithelium. Marthiens V et al. J Cell Sci 2010;123:

15 Predicted default division patterns when centrosome position is instructed by AJs. The capture of the centrosomes by the AJs prior to division locks the spindle plane perpendicular to the support cell or parallel to the plane of the epithelium. Marthiens V et al. J Cell Sci 2010;123:

16

17 A speculative model for how integrin signalling in stem cells enables asymmetric divisions by overriding AJ capture. Marthiens V et al. J Cell Sci 2010;123:

18 The essential features of the two basic types of niche, and the effects of adhesion molecule loss. Marthiens V et al. J Cell Sci 2010;123:

19 Zaburzenia funkcji niszy komórek macierzystych mogą wspomagać rozwój choroby nowotworowej Neo P S P2 2 P3 3 Wnts 3 Komórki macierzyste lub wczesne progenitory tkankowe dają początek nowotworowi Zaburzenia komunikacji miedzy komórkami macierzystymi a ich mikrośrodowiskiem prowadzą do zaniku kontroli asymetrii podziałów, a w konsekwencji do rozwoju nowotworu Czyz J., Wobus A.M. Differentiation (2001) 68: Li&Neaves; Cancer Res; (2006); 66:4553

20 Od komórki do organu Od komórki do guza

21 ZaangaŜowanie komórek macierzystych w homeostazę tkanek A. Niejednolita (skóra) lub jednolita (krew) populacja komórek macierzystych determinuje samoodnowę tkanki 1P1 1 P2 2 P1 Stopień zróŝnicowania Populacja komórek macierzystych daje początek wszystkim komórkom tkanki

22 B. Rezydentna populacja komórek macierzystych zdolna jest do róŝnicowania we wszystkie (?) fenotypy charakterystyczne dla tkanki nie podlegającej samoodnowie Tkanka nerwowa Skala zróŝnicowania Przedział komórek macierzystych Progenitory P1 Komórki zróŝnicowane P2

23 Zmutowane somatyczne komórki macierzyste jako źródło nowotworów Inicjacja nowotworu Rozwój guza pierwotnego Czynniki inicjujące Mutacje genów regulatorowych Zaburzenia proporcji między podziałem symetrycznym i asymetrycznym Inwazyjna komórka macierzysta MoŜliwe cechy odpowiedzialne za inwazyjność komórek nowotworowych: - Ruchliwość - Cechy reologiczne - Aktywność enzymów proteolitycznych - Ekspresja białek adhezji - Koneksyny - Reaktywność na chemoatraktanty Guz wtórny

24 OdróŜnicowane komórki efektorowe jako źródło nowotworów Skala zróŝnicowania Przedział komórek macierzystych Progenitory P1 Komórki zróŝnicowane P2 Nowotwór

25 Wniosek: Somatyczne komórki macierzyste lub/i aktywne proliferacyjnie progenitory tkankowe mogą być zdolne do transformacji nowotworowej - Zahamowanie róŝnicowania komórek macierzystych lub/i progenitorowych w dojrzałe fenotypy - Anaplazja-odróŜnicowanie komórek

26 Autostrada komórkowa W dorosłych organizmach rezydować moŝe populacja komórek o fenotypie embrionalnym, która podejrzewana jest o to, Ŝe stanowi pogotowie ratunkowe dla uszkodzonych tkanek Te same komórki mogą dawać początek specyficznym tkankowo nowotworom Blau et al., Cell 2001

27 Ratajczak et al VSEL cells

28 W toku ontogenezy następuje stopniowe przesunięcie równowagi między komórkami wykazującymi fenotyp charakterystyczny dla komórek macierzystych a komórkami terminalnie zróŝnicowanymi, na korzyść tych drugich Komórki o charakterze embrionalnym wciąŝ mogą rezydować w niektórych tkankach współdecydując o ich zdolności do regeneracji

29 Embrionalne pochodzenie nowotworów -Potworniaki (teratocarcinoma) przypominają morfologicznie wczesne zarodki (Virchov, 1863, 1885) - Pluripotencja komórek teratocarcinoma Kucia et al. ES cells VSELs The Internet Pathology Library Nowotwór

30 Wniosek: Komórki stanowiące pozostałość komórek embrionalnych dają początek niektórym nowotworom rozwijającym się we w pełni ukształtowanym organizmie Embryonal rest hypothesis. Teoria a rzeczywistość Jakie fakty przemawiają za tezą zakładającą, Ŝe komórki macierzyste dają początek nowotworom?

31 Rozwój choroby nowotworowej w kontekście niszy 1. Akumulacja zmian genetycznych w komórkach macierzystych 2. Zaburzenia komunikacji między komórkami a ich mikrośrodowiskiem, czyli niszą Mediatory komunikacji międzykomórkowej w obrębie niszy - oddziaływania krynne P1 ECM P2 GFs - oddziaływania baryczne Baneset al,, bezpośrednia międzykomórkowa wymiana metabolitów DiI Calcein Donor cell 22

32 Model karcinogenezy organizmów wielokomórkowych funkcja niszy Interakcje między komórkami macierzystymi a ich a ich niszami Zaburzenia komunikacji między komórkami a ich niszą decydują o toku rozwoju nowotworu

33 Funkcja Niszy czyli mikrośrodowiska komórek w transformacji nowotworowej Mediatory wymiany informacji między komórką a niszą wspomagające transformację nowotworową: Neo - zaburzenia funkcji endo- i egzogennych czynników humoralnych oddziaływania krynne P modyfikacje składu macierzy międzykomórkowej oraz ekspresji receptorów adhezji komórkowej, np. integryn i kadheryn Wnts S P2 P zmiany równowagi mechanochemicznej w obrębie niszy, prowadzące do zaburzeń wymiany bodźców mechanicznych między komórka a jej mikrośrodowiskiem -deregulacja bezpośredniej wymiany metabolitów za pośrednictwem złącz szczelinowych Czyz J., Wobus A.M. Differentiation (2001) 68:

34 Concepts of niche contribution to leukemogenesis A) LICs compete with residual normal HSCs for the survival signalling conferred by the niche. Alternatively, leukemic cells occupy HSC niches to re-install LIC characteristics. (B) Leukemic cells alter the microenvironment in such a way that it cooperates in leukemic progression. (C) Primary dysfunction of the niche is required for oncogenesis. This can occur through promoting malignant transformation by increasing the target cell pool size or inducing genomic instability in normal HSPC (C1) Alternatively, an aberrant niche may be required for clonal expansion and further malignant transformation of genetically aberrant (preleukemic) cells ( interclonal oncogenic cooperation ) (C2). Haematologica (7):

35 Podobieństwa między somatycznymi komórkami macierzystymi a komórkami nowotworowymi Kucia&Ratajczak, J. Physiol. Pharmacol, 2006

36 Somatyczne komórki macierzyste i komórki nowotworowe charakterystyczne dla danej tkanki wykazują podobną ekspresję markerów powierzchniowych Tkanka Typ nowotworu Markery SSCs Markery CSCs Krew Gruczoł sutkowy Mózg Skóra Leukemia CD34 + CD38 - Thy1 - Lin - CD34 + CD38 - Thy1 - Lin - Carcinoma CD24 med CD44 + CD24 -/low ESA + Lin - Neuroblastoma CD133 + Lin - CD133 + Nestin + - Melanoma CD133 + Lin - CD133 + Nestin + - Prostata Carcinoma CD133 + α 2 β 1 hi CD44 + CD133 + α 2 β 1 hi SSCs - normalne komórki macierzyste CSCs rakowe komórki macierzyste (Li et al., 2007, Vaish, 2007)

37 Multiple facets to CSC self-renewal O'Brien C A et al. Clin Cancer Res 2010;16:

38 Modele kancerogenezy

39 Postulowana rola nowotworowych komórek macierzystych w remisji choroby nowotworowej Komórki somatyczne Specyficzne tkankowo Komórki macierzyste Komórki embrionalne Ratajczak et Cechy funkcjonalne embrionalnych i somatycznych komórek macierzystych: - zdolność do samoodnawiania - pluripotencja, multipotencja, unipotencja... - a przede wszystkim wolna proliferacja...pozostają równieŝ charakterystyczne dla komórek nowotworowych...

40 Wolna proliferacja komórek macierzystych stanowi o ich sile! - tkankowo specyficzne komórki macierzyste dzielą się wolno -..,.ale nieprzerwanie - dając początek subpopulacjom o róŝnych fenotypach Barker&Clevers, Genes&Development; 2008

41 Features of human CSCs as assayed in immunodeficient mice. O'Brien C A et al. Clin Cancer Res 2010;16:

42 Bariery zastosowania komórek macierzystych w terapii - Bariery etyczne - Pozyskiwanie i propagacja - Ukierunkowane róŝnicowanie - Bariera immunologiczna - Integracja do tkanki komunikacja międzykomórkowa - Potencjał kancerogenny komórek macierzystych