Автореферат и диссертация по медицине (14.03.08) на тему:Влияние моделирования эффектов микрогравитации на цитоскелет и экспрессию генов у мезенхимальных стромальных клеток-предшественников костного мозга человека in vitro

На правах рукописи

ГЕРШОВИЧ Павел Михайлович

Влияние моделирования эффектов микрогравитации на цитоскелет и экспрессию генов у мезенхнмальных стромальных клеток-предшественников костного мозга человека in vitro

14.03.08 - авиационная, космическая и морская медицина 03.03.04 - клеточная биология, цитология, гистология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 3 СЕН 2010

Москва-2010

004609081

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем РАН

Научный руководитель:

доктор медицинских наук, профессор Буравкова Людмила Борисовна Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор Оганов Виктор Сумбатович доктор биологических наук, профессор Киселев Сергей Львович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт молекулярной генетики РАН

Защита диссертации состоится » вСМГЫ'Ё^лЛ 2010 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.111.01 в Учреждении Российской академии наук Государственном научном центре Российской Федерации -Институте медико-биологических проблем РАН (ГНЦ РФ - ИМБП РАН) по адресу: 123007, г. Москва, Хорошевское шоссе, д. 76 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ - ИМБП РАН

Автореферат разослан « //» августа 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

М.А. Левинских

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Гравитация является фундаментальным механическим фактором, определяющим особенности эволюции и структурно-функциональной организации живых организмов на Земле. Известно, что в условиях микрогравитации происходят атрофические перестройки костной ткани, выраженность которых во многом зависит от расположения кости по отношению к вектору гравитации [Ступаков Г.П., Воложин А.И., 1989; Газенко О.Г., Григорьев А.И., Егоров А.Д., 1997; Оганов B.C., Богомолов В.В., 2009; Vico L. et al., 2001]. Локальная потеря массы костной ткани в условиях дефицита механической нагрузки или микрогравитации позволяет предположить, что рецепция механического сигнала (или его отсутствия) может осуществляться, в том числе и на клеточном уровне. Обусловленное микрогравитацией изменение способности костной ткани к самовозобновлению указывает на то, что в этот процесс могут быть вовлечены стволовые клетки и остеогенные клетки-предшественники. Не исключено, что пусковым механизмом могут служить различные изменения в структурах цитоскелета клеток остеогенной природы. В ряде недавних работ было показано участие определенных структур цитоскелета стволовых клеток в выборе пути их дифференцировки [Sordella R. et al., 2003; McBeath R. et al., 2005].

Цитоскелет живой клетки наряду с мембранными компонентами является одной из ведущих базовых структур клетки, обеспечивающих ее морфологическую целостность и функциональную активность. Ремоделирование актинового цитоскелета происходит под влиянием факторов различной природы: факторов роста, межклеточной адгезии и адгезии клеток к субстрату, осуществляемой, главным образом, интегриновыми рецепторами, а также при действии механических сигналов [Юдинцева Н.М. и др., 2008; Buravkova L.B. et al., 2001; Bershadsky A.D. et al., 2003; Crawford-Young S.J., 2006]. Существуют исследования, свидетельствующие об участии актинового цитоскелета и ассоциированных с ним внеклеточных и внутриклеточных белков в процессах проведения сигнала и регуляции экспрессии генов [Пинаев Г.П., 2009; Aplin А.Е., et al., 1998; Janmey P.A., 1998]. Кроме того, показано, что в ходе остеогенной дифференцировки мезенхимальных клеток-предшественников организация актинового цитоскелета изменяется [Rodríguez J.P. et al., 2004]. Однако, по-прежнему, остается неясной роль цитоскелета, как потенциально гравитационно-чувствительной структуры клеток, в механизмах их адаптации к микрогравитации, а также в том, какое значение могут иметь перестройки цитоскелета или изменения в экспрессии генов компонентов цитоскелета для нормальной функциональной активности клеток-предшественников.

Мультипотентные мезенхимальные стромальные или стволовые клетки (ММСК) являются популяцией клеток-предшественников стромы костного мозга [Pittenger M.F. et al., 1999; Conget P.A., Minguell J.J., 1999; Caplan A.I., Bruder S.P., 2001; Bianco P. et al., 2001]. Дифференцировочный потенциал, а также другие особенности функционирования этих клеток могут быть сравнительно легко изучены в культуре, в том числе и при оценке влияния различных физических факторов [AItman G.H. et al., 2002; Sordella R.et al., 2003; McBeath R. et al., 2005]. Перспективность всестороннего изучения биологии ММСК, а также их клинического использования определяется, прежде всего, их способностью восстанавливать дефекты и повреждения соединительных тканей (костной, хрящевой и мышечной). Точные молекулярные механизмы гравитационной чувствительности ММСК и более коммитированных остеогенных клеток-предшественников остаются не до конца ясными, что обусловлено сложностью объекта исследования, многоуровневой системой регуляции их дифференцировочного потенциала и функциональной активности. В частности, показано, что моделирование эффектов микрогравитации приводит к ингибированию остеогенной дифференцировки ММСК и преостеобластов и к активации программы адипогенной дифференцировки ММСК [Zayzafoon М. et al., 2004; Meyers V.E. et al., 2004; 2005; Pardo S.J. et al., 2005; Dai Z.Q. et al., 2007; Patel M.J. et al., 2007; Pan Z. et

al., 2008; Gershovich J.G. et al., 2008; Capulli M. et al., 2009; Huang Y. et al., 2009], что выражается в подавлении уровня экспрессии определенных генов-маркеров остеогенного коммитирования, и связывается с перестройками актинового цитоскелета клеток и изменением уровня экспрессии ассоциированных с цитоскелетом механочувствительных адгезивных рецепторов клетки (интегринов). В целом, исследования, посвященные изучению гравитационной чувствительности ММСК in vitro, по-прежнему, весьма немногочисленны. Таким образом, изучение состояния цитоскелета и молекулярно-генетических свойств ММСК в условиях моделирования эффектов микрогравитации является актуальным вопросом, решение которого позволит приблизиться к более глубокому пониманию процессов, происходящих с клетками-предшественниками в условиях реальной микрогравитации.

Цель работы: изучение особенностей организации цитоскелета, ассоциированных с ним элементов и молекулярно-генетическая характеристика мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК) костного мозга человека в условиях моделирования эффектов микрогравитации.

Задачи исследования:

1) изучить динамику реорганизации актинового и тубулинового цитоскелета культивируемых ММСК на различных этапах наземного моделирования эффектов микрогравитации с помощью Random Positioning Machine (RPM);

2) исследовать адгезивные свойства ММСК и экспрессию некоторых рецепторов адгезии при моделировании эффектов микрогравитации;

3) оценить уровень экспрессии генов основных белков цитоскелета и ассоциированных с ним элементов на различных этапах наземного моделирования эффектов микрогравитации с помощью RPM;

4) провести профилирование экспрессии 84 генов - «маркеров стволовых клеток человека» с помощью наборов Stem Cell RT2 Profiler™ PCR Array на различных этапах наземного моделирования эффектов микрогравитации с помощью RPM;

5) провести анализ уровня экспрессии ключевых маркеров остеогенной дифференцировки ММСК при длительном моделировании эффектов микрогравитации.

Научная новизна.

• Впервые показано, что моделирование эффектов микрогравитации с помощью RPM приводит к реорганизации актинового цитоскелета ММСК костного мозга человека уже после нескольких минут воздействия, которая является обратимой при более продолжительной экспозиции (120 часов) и при статической ре-адаптации в течение 24 часов, и потере ими периферических винкулиновых сайтов фокальной адгезии, не влияя на организацию тубулинового цитоскелета клеток.

• Впервые выявлена динамика изменения уровня экспрессии генов цитоскелета в ММСК. В частности, показано, что экспозиция на RPM вызывает транзиторное изменение уровня экспрессии структурных и регуляторных генов, связанных с актиновым цитоскелетом, наиболее выраженное на этапе 48 часов, которое частично компенсируется на конечных сроках экспозиции (120 часов) и полностью при ре-адаптации клеток в статических условиях в течение 24 часов, что может отражать процесс адаптации цитоскелета к моделированию эффектов микрогравитации.

• Впервые установлено, что моделирование эффектов микрогравитации (120 ч) приводит к достоверному изменению паттерна экспрессии генов - «маркеров стволовых клеток» (Stem Cell RT2 Profiler™ PCR Array, SABiosciences) в ММСК костного мозга человека. При этом, моделирование эффектов микрогравитации вызывает как активацию,

так и угнетение экспрессии 54 различных генов, кодирующих белки, принимающие участие во внутриклеточной сигнализации, клеточной адгезии, регуляции пролиферации и дифференцировки стволовых клеток.

• Показано, что коммитирование ММСК к остеогенезу в условиях длительного моделирования эффектов микрогравитации (10-20 сут) сопровождается снижением уровня экспрессии генов, кодирующих основные маркеры остеогенной дифференцировки клеток, в том числе и ключевого мастер-транскрипционного фактора, контролирующего программу остеогенной дифференцировки ММСК - RUNX2.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Обнаруженные структурные и молекулярно-генетические изменения в культурах ММСК свидетельствуют о наличии гравитационно-зависимых внутриклеточных механизмов, которые обуславливают как ранние, так и поздние ответные реакции клеток-предшественников на моделирование эффектов микрогравитации.

Полученные приоритетные данные существенно дополняют имеющиеся теоретические представления о механизмах восприимчивости клеток-предшественников взрослого организма к изменению параметров гравитационной среды, по крайней мере, в условиях in vitro и о роли акгинового цитоскелета, как базовой структуры клеток, в том числе и стволовых, в качестве гравитационно-сенсорной клеточной структуры.

Результаты работы подтверждают возможность использования мезенхимальных стромальных клеток костного мозга человека в качестве удобной экспериментальной модели для изучения роли гравитации и микрогравитации в процессах функционирования и дифференцировки клеток-предшественников взрослого организма, а также для исследования механизмов клеточной гравитационной чувствительности.

Полученные в работе результаты являются основой для разработки проекта технического задания для проведения космического эксперимента с целью дальнейшего изучения морфофункциональных и молекулярно-генетических свойств ММСК в условиях микрогравитации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Актиновый цитоскелет и ассоциированные с ним элементы представляют собой гравитационно-чувствительные структуры клетки, которые наиболее быстро реагируют на постоянное изменение положения ММСК в пространстве, что подтверждается наблюдаемой транзиторной реорганизацией акгинового цитоскелета, и изменением в уровне экспрессии связанных ним структурных и регуляторных генов, начиная с самых ранних сроков экспозиции на RPM (30 мин - 48 ч). Восстановление структуры акгинового цитоскелета ММСК на более поздних этапах (120 ч) сопровождается активацией адгезии клеток и частичным восстановлением уровня экспрессии цитоскелетных генов, что может быть важным звеном в механизме адаптации цитоскелета клеток-предшественников к условиям моделирования эффектов микрогравитации.

2. Под влиянием моделирования эффектов микрогравитации в ММСК человека происходит как угнетение, так и активация экспрессии ряда генов, отвечающих за поддержание свойств мультипотентности и дифференцировки стволовых клеток различных типов. В отличие от генов, связанных с актиновым цитоскелетом, паттерн экспрессии генов, кодирующих «маркеры стволовых клеток» в ММСК человека, наиболее значительно изменяется после 120 часов экспозиции в условиях моделирования эффектов микрогравитации с помощью RPM, что отражает временные различия между механизмами изменения экспрессии структурных и регуляторных генов, ответственных за различные типы внутриклеточных процессов в стволовых клетках.

3. Подавление процесса индуцированной остеогенной дифференцировки ММСК в условиях моделирования эффектов микрогравитации с помощью RPM может быть обусловлено как угнетением экспрессии генов, кодирующих ключевые маркеры остеогенной дифференцировки клеток, а именно, RUNX2, ALPL и OMD, так и активацией экспрессии анти-остеогенных и про-адипогенных факторов, таких как PPARy.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации были доложены и обсуждены на: 7-й - 8-й Конференциях молодых учёных и специалистов, аспирантов и студентов, посвященных дню Космонавтики. Москва, 2008, 2009; 11-й, 12-й, 14-й Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология-наука XXI века». Пущино, 2007, 2008, 2010; International symposium «Biological motility»: Achievements and Perspectives. Pushchino. 2008; 29lh Annual International Physiology Meeting. Angers. France. 2008; 17111 Humans in Space Symposium. Moscow. 2009; French-Russian-Belarussian Conference «Neurovascular impairment induced by environmental conditions: molecular, cellular and functional approach». Angers. France. 2010.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Диссертация апробирована на заседании секции Ученого совета ГНЦ РФ - ИМБП РАН "Космическая физиология и биология" 15.06.2010 г.

Связь работы с научными программами. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №08-04-01607-а, контракта с Роснауки № 02.518.11.7059 и программы Фундаментальных исследований ГНЦ РФ - ИМБП РАН.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов исследования и их обсуждения, заключения, выводов и списка литературы. Текст диссертации изложен на 150 страницах, содержит 18 рисунков и 8 таблиц. Список литературы состоит из 307 цитируемых источников, из которых 34 - на русском и 273 - на иностранном языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Культивирование ММСК. Объектом исследования являлись культуры мезенхимапьных сгромальных клеток костного мозга человека, любезно предоставленные д.б.н. Романовым Ю.А. (Научно-практическая лаборатория стволовых клеток человека НИИ РКНПК Росмедтехнологий). В качестве среды для поддержания роста ММСК использовали среду DMEM-LG с концентрацией глюкозы 1 г/л (Gibco, США), содержащую 2 мМ глутамина (МР Biomedicals, США), 1 мМ пирувата натрия, 12,5 мМ HEPES-буфера (Gibco или Sigma, США), 100 ед/мл пенициллина и 100 цг/мл стрептомицина (Биолот, Россия), 10% эмбриональной телячьей сыворотки (Gibco, США). Замену среды проводили каждые 3-4 дня. Культивирование в стандартных условиях проводили при 37°С в СОг-инкубаторе (Sanyo, Япония).

Моделирование эффектов микрогравитации. Для моделирования эффектов микрогравитации использовали Устройство для рандомизации положения - Random Positioning Machine (dRPM, Dutch Space, Leiden, The Netherlands). В процессе работы RPM происходит рандомизация положения объекта относительно вектора гравитации за счет разнонаправленного вращения двух взаимно перпендикулярных рамок, к которым крепится платформа с экспериментальными образцами, за счет чего имитируется эффект снижения влияния силы тяжести на культуру клеток [van Loon J.J.W.A., 2007]. В результате испытаний был выработан оптимальный набор предварительно

устанавливаемых параметров вращения симуляции микрогравитации (100 радиан в мин для внешней рамки и 80 для внутренней, при активной функции смены направления вращения).

Индукция и детекция остеогенной и адипогенной дифференцировки ММСК костного мозга человека. Индукцию остеогенной и адипогенной дифференцировки ММСК проводили по общепринятым методикам [Jaiswal N. et al., 1997; Janderova L. et al., 2003]. Эффективность дифференцировки оценивали в случае остеогенеза - по активации экспрессии щелочной фосфатазы и накоплению минерализованных компонентов матрикса; в случае адипогенеза - по накоплению липидных капель в цитоплазме клеток и образованию кластеров адипоцитов.

Иммунофенотипическая характеристика клеток проводилась методом проточной цитофлуориметрии с помощью моноклональных антител (Beckman Coulter, Франция или Biolegend, США), меченых FITC (CD34, CDllb, CD90, CD44, HLA А,В,С, CD49b, CD54) и РЕ (CD45, CD29, CD73, CD105, CD106), на приборе Epics XL, Beckman Coulter, США.

Флуоресцентные исследования. Изменения в структуре белков цитоскелета ММСК: F-актина, ß-тубулина и винкулина оценивали с помощью метода флуоресцентной микроскопии на микроскопе Axiovert 25 (Carl Zeiss, Германия), оснащенном сопряженной с ним цифровой черно-белой видеокамерой AxioCam HRm. После различных сроков экспозиции на RPM (30 минут, 6 часов, 24 часа, 48 часов, 120 часов и 24+24 часа реадаптации в статических условиях) клетки отмывали от среды, после чего фиксировали ледяным метанолом в течение 5 минут с последующей отмывкой. Для предотвращения неспецифического связывания антител, перед окрашиванием клетки инкубировали при комнатной температуре в течение 1 часа в 1% растворе БСА. Для визуализации структуры фибриллярного актина использовали стандартный краситель TRITC-фаллоидин в концентрации 50 мкг/мл (Sigma, США). Структуру микротрубочек цитоскелета оценивали путем окрашивания клеток в течение 1 часа антителами против ß-тубулина (Sigma, США), коньюгированными с СуЗ в разведении 1:200, соответственно. Клетки инкубировали с антителами к винкулину (Chemicon, США), в разведении 1:100 в течение 2 часов. После инкубации клетки отмывали от избытка первичных антител 3 раза PBS и инкубировали 1 час с вторичными антителами, коньюгированными с FITC (Jackson Immunoresearch, США).

Анализ уровня экспрессии генов.

Выделение тотальной РНК, обратная транскрипция. Выделение тотальной РНК производили с помощью набора RNeasy PLUS mini kit (Qiagen, США). После этапа культивирования клетки снимали с подложки, отмывали, питательная среда удалялась центрифугированием, а полученные образцы консервировались при -35 °С с реактивом RNAlater (Qiagen, США). Согласно инструкции производителя, клетки (250 - 500 тыс) после удаления стабилизирующего реагента RNAlater центрифугированием (5 минут при 1000 об/мин) инкубировали на шейкере в лизирующем буфере RTL (поставляемым в наборе) в течение 10 минут при комнатной температуре. Далее клеточный лизат переносили на колонки Qiashredder (Qiagen, США) и подвергали центрифугированию при 14000 об/мин в течение 2 минут, после чего к гомогенату клеток добавляли равное количество 70% этанола. Полученный раствор переносили на сорбционные колонки (поставляется в комплекте) и центрифугировали 30 сек при 10000 об/мин, супернатант удалялся. Далее производилась последовательная отмывка сорбционных колонок буферами RW1 (700 мкл) и RPE (500 мкл) с последующим центрифугированием 30 сек при 10000 об/мин. РНК смывали с колонок 50 мкл деионизированной воды. Полученные образцы РНК замораживали и хранили при -35 °С.

Реакцию обратной транскрипции и получение кДНК на основе ранее выделенной РНК производили с помощью набора QuantiTect Reverse Transcription Kit (Qiagen, США), согласно инструкции производителя.

ПЦР с детекцией продуктов в режиме реального времени. Для определения уровня экспрессии генов с помощью ПЦР с детекцией продуктов в режиме реального времени с помощью прибора МХ3000Р (Stratagene, США) применялся набор реактивов для проведения ПЦР-РВ в присутствии красителя SYBR Green 1, содержащий рекомбинантную ДНК-полимеразу HotStarTaq, смесь дезоксирибонуклеотидов и флуоресцентный краситель SYBR Green (Синтол, Россия). Количество кДНК на одну реакцию составляло 0,2 - 0,4 мкг. Конечный объем реакции составлял 25 мкл. Для определения уровня экспрессии исследуемых генов применялись оптимизированные для метода Real-Time PCR пары праймеров QuantiTect Primer Assay (Qiagen, США) для каждого исследуемого гена: GAPDH - кат. № QT01192646, ТВР - кат. № QT00000721, RHOA - кат. № QT00044723, ROCK - кат. № QT00034972, CFL - кат. № QT00201348, VCL -кат. № QT00078302, TUBB - кат. № QT00089775, АСТВ - кат. № QT00095431, ACTG - кат. № QT00996415, ACTA - кат. № QT00199815, RUNX2 - кат. № QT00020517, PPARG - кат. № QT00029841, BGLAP - кат. № QT0022771, COL1A1 - кат. № QT00037793, ALPL - кат. № QT00012957, OMD-кат. №QT0015953.

В качестве хаускиппинг-генов для определения относительного значения изменения уровня экспрессии изучаемых генов, были использованы гены глицерапьдегид-3-фосфат дегидрогеназы (GAPDH) и ТАТА-домен связывающий протеин (ТВР), так как их значение остается высококонсервативным для клеток костного мозга при различных условиях [Vandesompele J. et al. 2002]. При анализе данных разница в значении Ст 3.5 единицы соответствовала изменению уровня экспрессии в 10 раз, согласно указаниям производителя прибора. Специфичность проводимой реакции определялась с помощью анализа кривой плавления продуктов амплификации в диапазоне от 55 °С до 95°С с шагом 1 градус. Количество ПЦР-реакций при анализе уровня экспрессии каждого из исследуемых генов составляло не менее 15-20 повторов в рамках одного эксперимента.

Профилирование экспрессии генов - маркеров стволовых клеток человека с помощью наборов Stem Cell RT2 Profiler™ PCR Array. Система анализа экспрессии Stem Cell RT2 Profiler™ PCR Array (SABioscienses, США) позволяет изучать экспрессию 84 генов клеток человека, вовлеченных в идентификацию, рост и дифференцировку стволовых клеток, с помощью метода ПЦР с детекцией продуктов в режиме реального времени. В набор включены: гены, специфичные для стволовых клеток человека, гены, кодирующие белки, участвующие во внутриклеточной сигнализации и регуляции дифференцировки. Специфичные праймеры исследуемых генов и контроли качества реакции иммобилизованы в ячейках 96-ти луночных планшетов, адаптированных для использования с прибором МХ3000Р (Stratagene, США). Для проведения реакции ПЦР использовались наборы реагентов RT2-Real Time SYBR Green / ROX PCR master mix. Конечный объем реакционной смеси, согласно инструкции производителя, составлял 25 мкл. Количество кДНК в пересчете на одну реакцию - 0,2 - 0,4 мкг. Реакционная смесь переносилась в планшеты с иммобилизованными и лиофилизированными праймерами. После чего проводилась ПЦР с детекцией продуктов в режиме реального времени. Для нормализации результатов исследования использовались 5 хаускиппинг-генов: В2М, HPRT1, RPLI3A, GAPDH, АСТВ, входящие в состав набора.

Статистическая обработка данных. Статистическую обработку результатов проводили с использованием методов вариационной статистики программы "Excel" для Windows ХР. Статистическая обработка данных ПЦР с детекцией продуктов в режиме реального времени осуществлялась с помощью программы REST 2009 v. 2.0.12, основные алгоритмы которой изложены в работе [Pfaffl M. et al., 2002]. Обработка данных профилирования экспрессии генов - маркеров стволовых клеток человека с помощью наборов Stem Cell RT2 Profiler™ PCR Array осуществлялась с помощью программного обеспечения, доступного на сайте производителя:

http://www.sabiosciences.com/pcr/arravanalvsis.php. Межгрупповые отличия считали достоверными при р<0,05.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Проведенная морфологическая, иммунофенотипическая и функциональная характеристика клеток костного мозга человека, основанная на общепринятых критериях оценки [Тепляшин А.С. и др., 2005; Паюшина О.В. и др., 2006; Pittenger M.F. et al., 1999; Conget P.A., Minguell J.J., 1999; Zuk P.A. et al., 2001 ; Majumdar M.K. et al., 2003; Wagner W. et al., 2005; Dommici M. et al., 2006], позволяла заключить, что они могут быть отнесены к ММСК, так как имеют типичную морфологию; на протяжении ряда пассажей экспрессируют характерные поверхностные антигены (CD90, CD105, CD73, CD29, CD44); не экспрессируют маркеры гематогенного ряда (CDlib, CD34, CD45); способны к дифференцировке в клетки мезенхимальной природы (остеобласты и адипоциты), сохраняя эту способность при длительном субкультивировании, что давало возможность использовать данные клетки в дальнейших экспериментах (Рис. 1-2.).

Рис. 1. Иммунофенотипическая характеристика ММСК костного мозга человека.

А - иммунофенотип ММСК 2 пассажа, Б - иммунофенотип ММСК 7 пассажа. (М±т).

Рис. 2. Дифференцировка ММСК человека в остеогенном и адиногенном направлении. А - единичные клетки, экспрессирующие щелочную фосфатазу в культуре интактных ММСК, Б -активность ЩФ в ходе 10-суточной остеодифференцировки ММСК, В -отложения солей кальция в ходе 20-суточной остеодифференцировки ММСК, Ув. ЮОх. Г - накопление и слияние в цитоплазме клеток липидных капель в ходе 20-суточной адиподифференцировки ММСК Ув. 400х.

Влияние моделирования эффектов микрогравитации на структуры цитоскелета ММСК и их способность к адгезии.

Среди основных структур цитоскелета клетки наибольший интерес исследователей привлекает его актиновая составляющая, как наиболее лабильная и быстро реагирующая на воздействия различного характера. Окрашивание фибриллярных актиновых волокон с помощью ТЫТС-фаллоидина позволило нам выявить изменения в их организации уже после 30 минут пребывания культуры ММСК в условиях моделирования эффектов микрогравитации с помощью ИРМ. Если в обеих контрольных группах клетки имели характерную пространственную исчерченность актиновых волокон, с хорошо организованными стресс-фибриллами, то в опытной группе, наряду с нормальными, появлялись отдельные клетки с аморфным распределением актина во внутриклеточном пространстве (Рис.3.). Зачастую, подобные изменения структуры Б-актина выражались в его перераспределении от краев к центру клетки. При этом в пространстве клетки отчетливо выявлялись отдельные шарообразные «глобулы» Б-актина, а сами клетки теряли актиновые стресс-фибриллы. После 6-часовой экспозиции клеток на КРМ количество клеток с подобными нарушениями в организации актинового цитоскелета возрастало (Рис.3.). Анализ микрофотографий показал, что после 24 часов моделирования эффектов микрогравитации с помощью ЯРМ изменения в структурной организации Б-актинового цитоскелета были более отчетливыми и выражались уже в его перераспределении от центра к краям клетки, в результате чего в перинуклеарном пространстве клетки возникали характерные «пустоты». Интересно, что в это же время в культуре ММСК наблюдалось появление открепленных клеток (Рис.4.). Аналогичные эффекты отмечались и после 48 часов воздействия (Рис.3.), при этом количество открепившихся клеток во флаконах возрастало (Рис.4.).

После 120 часов пребывания культуры ММСК в условиях моделированной микрогравитации клетки частично или полностью восстанавливали архитектонику актинового цитоскелета (Рис.3.). Кроме того, было выявлено, что на данном этапе культивирования открепление клеток прекращалось (Рис.4.). Такая же картина наблюдалась и после 24-часовой ре-адаптации клеток в статических условиях после того, как они в течение 24 часов подвергались моделированию эффектов микрогравитации на ЯРМ (Рис.3.). Подобное восстановление исходной микроархитектоники актинового цитоскелета при достаточно продолжительном пребывании клеток в условиях моделированной микрогравитации, по-видимому, отражает процесс адаптации клеток-

предшественников к измененным гравитационным параметрам их среды обитания. Подтверждением этому предположению служит наблюдаемый факт аналогичного восстановления структуры актинового цитоскелета при возвращении клеток в стандартные статические условия, а также прекращение процесса открепления клеток в культуре.

Белок фокальных контактов винкулин связан с актином в сайтах фокальной адгезии и участвует в процессах адгезии клеток к субстрату [Miyamoto S. et al., 1995; Aplin A.E. et al., 1998]. Этот белок ко-локализован с кластерами интегринов в тех участках, где последние прикрепляются к внеклеточному матриксу. Выявление фокальных контактов у клеток-предшественников с помощью иммуноспецифичных антител против винкулина показало, что их структура также реагирует на изменение гравитационных условий. Характерным проявлением влияния моделирования эффектов микрогравитации в данном случае было постепенное перераспределение сайтов фокальной адгезии от равномерно покрывающих всю поверхность, до расположенных преимущественно в перинуклеарном пространстве клетки (Рис.5.). Этот процесс начинался уже через 6 часов после начала экспериментального воздействия и достигал максимума на конечных экспозициях (48 и 120 часов). В течение всего периода наблюдения у ММСК происходила прогрессивная потеря фокальных контактов на периферических участках клеток. Таким образом, флуоресцентная микроскопия позволила нам также выявить модификацию структуры винкулиновых сайтов адгезии у ММСК. Динамика этих изменений вполне согласуется с описанным выше процессом ремоделирования и восстановления структуры актиновых волокон у ММСК в течение пребывания клеток в условиях моделированной микрогравитации.

Используя флуоресцентную микроскопию, нам не удалось обнаружить выраженных нарушений в структуре микротрубочек цитоскелета, окрашенных специфичными антителами к р-тубулину, ни на одном из исследуемых сроков экспозиции ММСК на RPM (Рис.6.). Полученные результаты могут, с одной стороны, свидетельствовать о том, что тубулиновый компартмент цитоскелета является наименее чувствительной к гравитации структурой цитоскелета клетки у клеток-предшественников. Однако нельзя исключать и того, что выбранные нами временные рамки исследования недостаточны для детекции потенциально возможных изменений.

Рис.3. Динамика ремоделирования актинового цитоскелета ММСК при экспозиции на ЯРМ. А,Г,Ж,К,Н,Р - статический контроль, Б,Д,3,Л,0,С -шейкер, В,Е,И,М,П,Т, - ЯРМ.

24 ч 48 ч 120 ч

Рис.4. Влияние моделирования эффектов микрогравитации на адгезию ММСК костного мозга человека. Стрелками указаны открепившиеся при моделировании эффектов микрогравитации клетки. Ув. хЮО,

Поскольку после 120 часов экспозиции ММСК на RPM адгезия клеток восстанавливалась, было интересно определить, за счет каких рецепторов адгезии этот процесс может быть реализован. Известно, что ММСК экспрессируют на своей мембране широкий спектр рецепторов адгезии [Pittenger M.F. et al., 1999; Conget P.A., Minguell J.J., 1999; Zuk P.A. et al., 2001; Majumdar M.K. et al., 2003], вовлеченных в различные аспекты жизнедеятельности стволовых клеток, среди которых интегрины привлекают наибольший интерес в качестве гравитационно-сенсорных рецепторов. Проведенные исследования показали, что количество клеток, экспрессирующих CD29, который является основным (3-интегрином ММСК, опосредующим адгезию клеток к значительному количеству белков внеклеточного матрикса, оставалось неизменным после 120 часов экспозиции на RPM. В это же время, происходила значительная активация экспрессии CD49b (а2-интегрин, рецептор коллагена), в результате чего количество клеток, экспрессирующих CD49b, возрастало в 1,5-2 раза (Рис.7.), что согласуется с данными [Meyers V.E. et al., 2004].

Рис.5. Пространственная организация сайтов фокальной адгезии, образованных винкулином, у ММСК после 120 часов культивирования в условиях моделирования эффектов микрогравитации с помощью ИРМ.

30 мин 24 ч 48 ч 120 ч

Рис.6. Пространственная организация Р-тубулинового цитоскелета ММСК на различных этапах экспозиции в условиях моделирования эффектов микрогравитации с помощью ИРМ.

I

51 ЯРМ Д 5Ь |!РМ р

Рис.7. Экспрессия рецепторов адгезии на поверхности ММСК после 120 ч экспозиции на ИРМ. А - влияние моделирования микрогравитации на экспрессию СТ>29 (Р1 -интегрина), Б -влияние моделирования микрогравитации на экспрессию СЭ49Ь (а2-интегрина). (М±т). Различия достоверны по критерию Манна-Уитни (*р<0,05). - статический контроль, эЬ - шейкер.

Влияние моделирования эффектов микрогравитации на экспрессию избранных генов цитоскелета ММСК (с помощью полимеразной цепной реакции с детекцией продуктов в режиме реального времени).

Обнаруженные в нашей работе обратимые перестройки актинового цитоскелета ММСК позволили сделать предположение о том, что экспрессия некоторых генов, кодирующих белки цитоскелета, также может изменяться. Поэтому, следующим этапом данного исследования являлось изучение влияния моделированной микрогравитации на относительный уровень экспрессии ассоциированных с цитоскелетом структурных и регуляторных генов, в основном связанных с актиновым цитоскелетом: а-актина (АСТА1), ß-актина (АСТВ), у-актина (ACTG1), винкулина (VCL), малой ГТФ-азы RhoA (RhoA), Rho-киназы (ROCK1), кофилина (CFL1) и ß-тубулина (TUBB). После 30 минут и 6 часов экспозиции клеток на RPM достоверных изменений в уровне экспрессии исследуемых генов обнаружено не было. Однако после 24, 48 и 120 часов выявились разнонаправленные изменения уровня экспрессии исследуемых генов относительно контроля. Наиболее выраженные изменения в уровне экспрессии ассоциированных с цитоскелетом генов наблюдались после 48 часов воздействия. Необходимо отметить, что клетки, помещенные на 24-часовую pe-адаптацию в статическое состояние, после 24-часовой экспозиции на RPM, характеризовались отсутствием достоверных различий в уровне экспрессии исследуемых генов по отношению к уровню в контрольной группе (Рис.8.).

Анализ динамики изменения уровня экспрессии отдельных генов (Рис.8.) позволяет сделать вывод о том, что уровень экспрессии гена а-актина начинает достоверно возрастать уже после 24 часов на RPM, а его максимальное значение наблюдается после 48 часового периода воздействия. На этом же сроке экспозиции на RPM уровень экспрессии у-актина немного снижается, а малой ГТФ-азы RhoA, кофилина и ß-тубулина, напротив, повышается. После 120 часов моделированной микрогравитации сохраняется повышенным относительный уровень экспрессии ß-тубулина, кроме того, наблюдается снижение относительного уровня экспрессии гена винкулина. Из приведенных данных видно, что достоверное изменение наибольшего числа исследуемых генов происходит после 48 часов воздействия (Рис.8.). Тем не менее, очевидно, что большинство из этих генов возвращаются на уровень экспрессии, сходный со статическим контролем, после 120-часовой экспозиции на RPM, причем, то же самое происходит и при 24-часовой реадаптации в статических условиях, что согласуется с наблюдаемыми структурными перестройками цитоскелета на соответствующих сроках экспозиции.

actb actgl actal tubb vcl cfl rhoa rockl

я actb я actgl я acta 1 я tubb я vcl cfi rhoa rockl

T

30 шт 6 ч 24 ч 48 ч 120 ч 24 ч + 24 ч

Рис.8. Влияние моделирования эффектов микрогравитации на относительный уровень экспрессии структурных и регуляторных генов белков нитоскелета ММСК.

А - изменение относительного уровня экспрессии отдельных генов цитоскелета в условиях моделирования эффектов микрогравитации (на сроках от 30 минут до 120 часов и 24 часовой реадаптации в статических условиях после 24 воздействия). Б - динамика изменения относительного уровня экспрессии генов цитоскелета при изучении влияния различных сроков экспозиции на dRPM (DutchSpace, Нидерланды). (M±SD).* р< 0,05; ** р< 0,01.

Влияние моделирования эффектов микрогравитации на экспрессию генов «стволовых маркеров» в ММСК (с помощью полимеразной цепной реакции с детекцией продуктов в режиме реального времени).

Так как в целом ряде работ было продемонстрировано, что ММСК экспрессируют некоторые маркеры эмбриональных стволовых клеток, наряду с генами, характерными для производных других зародышевых листков [Tremain N. et al., 2001; Silva W.A. Jr. et al., 2003; Pedemonte E. et al., 2007; Ulloa-Montoya F. et al., 2007], мы считали необходимым определить, как может меняться уникальный транскрипционный профиль ММСК на различных этапах экспозиции на RPM. «Stem Cell RT2 Profiler™ PCR Array» клеток человека (SABiosciences) позволяет изучать экспрессию 84 генов, вовлеченных в идентификацию, рост, самоподдержание и дифференцировку различных типов стволовых клеток человека. Производителем предлагается достаточно условная классификация

4

3.5

данных генов, в зависимости от того, в какой клеточный процесс каждый из них вовлечен, и маркером какого клеточного типа он является (Табл.3).

В результате проведенных исследований было установлено, что после 48 часов экспозиции культур ММСК на RPM уровень экспрессии только 9 генов изменяется. При этом, уровень экспрессии 3 генов возрастает (CCNA2, CD44, CDC2) и 6 снижается (АСТС1, ALDH2, CDH2, FZD1, ISL1, MME). Более выраженные изменения уровня экспрессии генов были обнаружены после 120 часов моделирования эффектов микрогравитации с помощью RPM. Среди 84 исследуемых генов, у 30 уровень экспрессии достоверно возрастал не менее чем в 5 раз (Табл.1), и у 24 - достоверно снижался (Табл. 2). Гены, уровень экспрессии которых увеличивался в наибольшей степени (не менее, чем в 10 раз), обычно включали регуляторы клеточного цикла и пролиферации (CCND2, CCND1, CDC2, CDC42, HSPA9, FGF2, NOTCH2, NUMB), адгезии и межклеточного взаимодействия (CD44, CDH2, CTNNA1, CXCL12, GJA1, MME, NCAM1), внутриклеточной сигнализации и регуляции транскрипции (ADAR, APC, FZD1, NOTCH2, NUMB, ВМР1, BTRC) (Табл.1). Гены, уровень экспрессии которых уменьшался в наибольшей степени (более чем в 10 раз), включали такие важные регуляторы, так называемого, самоподдержания стволовых клеток, а также маркеры коммитирования и клеточной дифференцировки как, ALPI, GDF2, GDF3, WNT-1, MYOD1, ВМР-3, DHH, DLL3, FGF4, PDX1, NEUROG2, SOX-2, COL9A1, COL2A1, Г (Табл.2).

Таким образом, в ходе исследования было впервые установлено, что длительное моделирование эффектов микрогравитации с помощью RPM приводит к изменению паттерна экспрессии генов - «маркеров стволовых клеток человека» (Рис. 9.). При этом была выявлена интересная закономерность: при положительной регуляции преимущественно изменялась экспрессия генов, вовлеченных в процессы клеточной адгезии, пролиферации и внутриклеточной сигнализации, тогда как в случае отрицательной регуляции экспрессии - в основном гены, участвующие в клеточной дифференцировке. Кроме того, в отличие от генов цитоскелета, наибольшее изменение экспрессии генов «стволовых маркеров» наблюдалось после 120, а не 48 часов экспозиции. Интересно, что некоторые из исследуемых генов являются представителями антагонистических сигнальных путей (notch и wnt), и в условиях моделирования эффектов микрогравитации наблюдается преимущественная активация экспрессии первых и преимущественное подавление экспрессии вторых, что актуализирует необходимость дальнейшего изучения белковой активности компонентов данных сигнальных путей.

Таблица 1. Влияние моделирования эффектов микрогравитации (120ч) на

экспрессию генов «стволовых маркеров» (положительная регуляция).

Refseq Ген Регуляция (в разах) Название продукта Значение P

NM001111 ADAR 200,96 Adenosine deaminase, RNA-specific 0,05

NM_001135 ACAN 6,38 Aggrecan 0,0002

NM_000690 ALDH2 5,29 Aldehyde dehydrogenase 2 family (mitochondrial) 0,001

NM_000038 APC 24,72 Adenomatous polyposis coli 0,0002

NM_006129 BMP1 10,51 Bone morphogenetic protein 1 0,00001

NM_033637 BTRC 12,59 Beta-transducin repeat containing 0,00005

NM_053056 CCNDl 16,5 Cyclin D1 0,002

NM_001759 CCND2 17,89 Cyclin D2 0,002

NM_000610 CD44 25,47 CD44 molecule (Indian blood group) 0,0003

NM_001786 CDC2 19,71 Cell division cycle 2, Gl to S and G2 to M 0,00003

NM_001791 CDC42 10,44 Cell division cycle 42 (GTP binding protein, 25kDa) 0,00008

NM_004360 CDH1 6,25 Cadherin 1, type 1, E-cadherin (epithelial) 0,00003

NM_001792 CDH2 13,31 Cadherin 2, type 1, N-cadherin (neuronal) 0,0007

NM_000088 COL1AI 5,33 Collagen, type I, alpha 1 0,0001

NM_001903 CTNNA1 23,66 Catenin (cadherin-associated protein), alpha 1, 102 kDa 0,001

NM_000609 CXCL12 18,91 Stromal cell-derived factor 1 0,0007

NM_001429 EP300 7,02 El A binding protein p300 0,0008

NM_002006 FGF2 23,77 Fibroblast growth factor 2 (basic) 0,00001

NM_015850 FGFR1 7,65 Fibroblast growth factor receptor 1 0,00001

NM 003505 FZD1 13,87 Frizzled homolog 1 (Drosophila) 0,00001

NM_001527 HDAC2 13,59 Histone deacetylase 2 0,002

NM_004134 HSPA9 19,8 Heat shock 70kDa protein 9 (mortalin) 0,001

NM_000902 MME 43,64 Membrane metallo-endopeptidase 0,000002

NM_032188 MYST1 5,18 MYST histone acetyltransferase 1 0,0005

NM_000615 NCAM1 13,97 Neural cell adhesion molecule 1 0,000002

NM_017617 NOTCH1 6,99 Notch homolog 1, translocation-associated (Drosophila) 0,0005

NM_024408 NOTCH2 25,53 Notch homolog 2 (Drosophila) 0,0005

NM_003744 NUMB 12,08 Numb homolog (Drosophila) 0,0001

NM_006086 TUBB3 5,49 Tubulin, beta 3 0,002

NM_000165 GJA1 39,97 Gap junction protein, alpha 1,43kDa 0,00009

Таблица 2. Влияние моделирования эффектов микрогравитации (120ч) на экспрессию генов «стволовых маркеров» (отрицательная регуляция).

Refseq Ген Регуляция (в разах) Название продукта Значение P

NM_001631 ALPI -398,70 Alkaline phosphatase, intestinal 0,00001

NM_001201 BMP3 -161,18 Bone morphogenetic protein 3 0,00001

NM_000732 CD3D -9,14 CD3d molecule, delta (CD3-TCR complex) 0,0004

NM_001768 CD8A -145,6 CD8a molecule 0,00001

NM_004931 CD8B -21,64 CD 8b molecule 0,00001

NM_001844 COL2A1 -278,69 Collagen, type II, alpha 1 0,00001

NM_001851 COL9A1 -257,04 Collagen, type IX, alpha 1 0,00001

NM_021044 DHH -176,78 Desert hedgehog homolog (Drosophila) 0,00001

NM_005618 DLL1 -19,19 Delta-like 1 (Drosophila) 0,0003

NM_016941 DLL3 -315,72 Delta-like 3 (Drosophila) 0,0001

NM_002007 FGF4 -372,86 Fibroblast growth factor 4 0,00001

NM_021784 FOXA2 -23,47 Forkhead box A2 0,0001

NM_016204 GDF2 -35,16 Growth differentiation factor 2 0,00001

NM_020634 GDF3 -27,97 Growth differentiation factor 3 0,0001

NM_000166 GJB1 -42,59 Gap junction protein, beta 1, 32kDa 0,0001

NM_004004 GJB2 -5,39 Gap junction protein, beta 2, 26kDa 0,0001

NM_000209 PDX1 -482,99 Pancreatic and duodenal homeobox 1 0,00001

NM_002202 ISL1 -15,77 ISL LIM homeobox 1 0,00001

NM_002275 KRT15 -13,57 Keratin 15 0,0001

NM_002478 MYOD1 -231,66 Myogenic differentiation 1 0,00001

NM_024019 NEUROG2 -157,86 Neurogenin 2 0,00001

NMJ303106 SOX2 -888,87 SRY (sex determining region Y)-box2 0,00001

NMJ303181 T -27,52 T, brachyury homolog (mouse) 0,00001

NM_005430 WNT1 -62,21 Wingless-type MMTV integration site family, member 1 0,00001

Таблица. 3. Гены, входящие в состав Stem Cell RTZ Profiler™ PCR Array клеток человека, и их условная классификация (переведено с английского по данным сайта http://wwvv.sabioscienccs.com/rl per product/I-lTML/PAHS-405A.html).

Регуляторы клеточного цикла APC, AX1N1, CCNA2, CCND1, CCND2, CCNE1, C.DC.2, CDC42, EP300, FGF1, FGF2, FGF3, FGF4, MYC„ NOTCH2, PARD6A, RBI

Хромосомные Модуляторы GCN5L2, HDAC2, MYSTI, MYST2, RBI, TERT

Гены, регулирующие ассиметричное и симметричное деление клеток DHH, NOTCH1, NOTCH2, NUMB, PARD6A

Маркеры елмоподдержання HSPA9, MYSTI, №ST2, NEUROG2, SOX1, SOX2

Циюк'ииы и факторы роста BMP I. BMP2, BMP3, CXCL12, FGF1, FGF2, FGF3, FGF4, GDF2, GDF3, IGF1

Гены, регулирующие межклеточные взаимодействия DHH, DLL1. GJA1, GJB1, GJB2, JAG1

Молекулы клеточной адгезии APC, BGLAP, CD4, CD44, CDH1, CDH2, COL9A1, CTNNA1, CXCL12, NCAMl

Метаболические маркеры ABCG2, ALDH1A1, ALDH2, FGFR

Маркеры клеточной днфферешшровки:

Маркеры X К ACTC1, ASCL2, FOXA2, PDX1 (IPF1), ISL1, KRT15, MSX1, MYOD1, T

Маркеры ГСК CD3D, CD4, CD8A, CD8B, MME

Маркеры клеток мезенхималъной природы ACAN (AGC1), ALPI, BGLAP, СОЫА1, COL2A1, COL9A1, PPARG

Маркеры нервных клеток CD44, NCAMl, OPRSl, S100B, TUBB3

Сигнальные ну ги, необходимые для поддержания «стволовое!и»:

Notch Pathway DLL!, DLL3, DTX1, DTX2, DVU, EP300, GCN5L2, HDAC2, JAG1, NOTCH1, NOTCH2, NUMB

Wnt Pathway ADAR, APC, AXINI, BTRC, CCNDl, FRATl, FZD1, MYC, PPARD, WNT1

Рис.9. Паттерн экспрессии генов - «стволовых маркеров» при моделировании эффектов микрогравитации. Красные точки -положительная регуляция экспрессии,зеленые -отрицательная регуляция, черные - отсутствие изменений в уровне экспрессии.

Влияние моделирования эффектов микрогравитации па экспрессию основных маркеров остеогенной дифференцировки ММСК (с помощью полимеразной цепной реакции с детекцией продуктов в режиме реального времени).

Ранее было показано, что моделирование эффектов микрогравитации приводит к ингибированию остеогенной дифференцировки ММСК и преостеобластов [Zayzafoon М. et al., 2004; Meyers V.E. et al., 2004; 2005; Pardo S.J. et al., 2005; Dai Z.Q. et al., 2007; Patel M.J. et a!., 2007; Qershovich J.G. et al., 2008; Pan Z. et al., 2008; Capulli M. et al., 2009; Huang Y. et al., 2009]. Некоторые авторы связывают данные изменения с нарушениями в актиновом цитоскелете клеток и активностью малых ГТФ-аз семейства Rho [Zayzafoon М. et al., 2004; Meyers V.E. et al., 2004; 2005]. В связи с этим, в данной работе мы исследовали экспрессию ключевых транскрипционных факторов (RUNX2, PPARy), регулирующих, соответственно, остеогенный и адипогенный дифференцировочный потенциал ММСК, а также основных маркеров их остеогенной дифференцировки (ALPL, COLIA, BGLAP, OMD).

Исследования показали, что после 10 суток индукции остеогенной дифференцировки ММСК в условиях моделирования эффектов микрогравитации с помощью RPM экспрессия ключевого мастер-транскрипционного фактора остеогенной дифференцировки ММСК - RUNX2 достоверно снижается по сравнению с клетками контрольной группы. Помимо подавления уровня экспрессии RUNX2 в ММСК наблюдается отрицательная регуляция экспрессии генов щелочной фосфатазы (ALPLJ и белка адгезии остеобластов - остеомодулина (OMD) (Рис.10.). Интересно, что после 20 суток экспозиции ММСК на RPM в остеогенной среде экспрессия RUNX2 была по-прежнему снижена, тогда как экспрессия про-адипогенного транскрипционного фактора -PPARy - достоверно повышалась. На данном этапе в коммитированных к остеогенной дифференцировке клетках наблюдалась пониженная экспрессия OMD, тогда как экспрессия ALPL уже не отличалась от уровня в контрольной группе, кроме того, достоверно активировалась экспрессия гена цепи коллагена 1 типа - COLIA (Рис.10.).

Таким образом, в результате моделирования эффектов микрогравитации с помощью RPM происходит угнетение экспрессии генов, контролирующих процесс остеогенного коммитирования клеток. На начальных этапах моделирования эффектов микрогравитации подавление уровня экспрессии остеогенных генов-маркеров может происходить за счет снижения экспрессии ключевого транскрипционного фактора, регулирующего процесс остеогенной дифференцировки - Runx2, тогда как на поздних этапах ингибирование остеогенной дифференцировки клеток может быть реализовано

посредством активации экспрессии такого про-адипогенного фактора транскрипции, как PPARy, известного тем, что он функционирует как доминантный негативный регулятор остеогенеза [Kang S. et al., 2007; Shockley K.R. et al., 2007]. Показанное нами возрастание уровня экспрессии PPARy согласуется с данными других исследователей [Zayzafoon М. et al., 2004; Meyers V.E. et al., 2005; Pan Z. et al., 2008; Huang Y. et al., 2009], в работах которых было установлено, что наряду с перестройками цитоскелета, это может быть основным фактором активации программы адипогенеза условиях моделированной микрогравитации или гипокинезии. Механизмы снижения экспрессии Runx2 могут быть обусловлены перестройками структуры актинового цитоскелета ММСК на начальных этапах моделирования эффектов микрогравитации, а также могут быть ассоциированы с ингибированием путей сигнальной транедукции, связанных с сигнальными молекулами wnt и (3-катенином, поскольку показано, что под стимулирующим влиянием р-катенина транскрипция Runx2 активируется [Gaur Т. et al., 2005]. Ремоделирование актинового цитоскелета ММСК, наблюдающееся в ходе их остеогенной дифференцирован, свидетельствует о том, что при фенотипической трансформации клеток проявление экспрессии ряда характерных генов может зависеть от возможности нормальных перестроек актинового цитоскелета клеток, так как применение таких ингибиторов полимеризации актина, как цитохолазин D, приводит к уменьшению уровня экспрессии маркеров остеогенеза [Rodríguez J.Р. et al., 2004].

runx2 pparg alpl omd hglap coll runx2 pparg alpl omd bglap coll

Рис.10. Влияние моделирования эффектов микрогравитации на относительный уровень экспрессии генов - маркеров остеогенного коммутирования ММСК.

А - Экспозиция ММСК в остеогенной среде на ЯРМ в течение 10 сут. Б - Экспозиция ММСК в остеогенной среде на 11РМ в течение 20 сут. Уровень экспрессии генов в контрольной группе принят за единицу. (М±50). * р< 0,01; ** р< 0,001.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили установить, что мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки костного мозга человека, принадлежащие к компартменту клеток-предшественников взрослого организма, представляют собой клеточную популяцию, которая восприимчива к изменению гравитации, по крайней мере, в условиях in vitro. При моделировании эффектов микрогравитации с помощью одной из современных наземных моделей - dRPM, в культурах ММСК имеют место обратимые перестройки актинового цитоскелета и происходит изменение адгезивных свойств клеток, которое сопровождается перераспределением фокальных контактов, образованных винкулином, и активацией экспрессии некоторых поверхностных рецепторов адгезии, в частности а2-интегрина. На фоне выявленных морфофункциональных и физиологических ответных реакций в культурах ММСК наблюдается изменение уровня экспрессии генов структурных и регуляторных белков актинового цитоскелета (АСТА1, ACTG, RHOA, CFL) клеток, уже на самых ранних этапах экспозиции HaRPM, начиная с 24 часов, которое достигает максимума после 48 часов. Тем не менее, эти изменения являются временными и частично нивелируются на более поздних этапах воздействия (120 часов), а также быстро возвращаются на исходный уровень при ре-адаптации клеток в статических условиях.

На более поздних этапах моделирования эффектов микрогравитации (120 часов), ответные реакции ММСК уже выражаются в изменении паттерна экспрессии генов -«маркеров стволовых клеток человека». В данном случае меняется экспрессия 54 генов, кодирующих целый спектр белков, вовлеченных в идентификацию, рост, самоподдержание и дифференцировку различных типов стволовых клеток человека. Моделирование эффектов микрогравитации приводит к активации или угнетению экспрессии разных генов, принимающих участие во внутриклеточной сигнализации, клеточной адгезии, регуляции пролиферации и дифференцировки клеток. И, наконец, коммитирование ММСК к остеогенезу в условиях длительного моделирования эффектов микрогравитации сопровождается подавлением экспрессии основных маркеров остеогенной дифференцировки клеток (ALPL, OMD), в том числе и ключевого мастер-транскрипционного фактора, контролирующего программу остеогенной дифференцировки ММСК - RUNX2.

Необходимость дальнейшего изучения влияния реальной микрогравитации на клетки-предшественники очевидна в связи выполняемой ими функцией тканевой репарации, особенно учитывая данные об ингибирующем влиянии моделирования эффектов микрогравитации на остеогенный потенциал культивируемых ММСК, что представляет интерес не только в фундаментальном, но также в практическом плане. Работы в этом направлении позволят расширить фундаментальные представления о механизмах гравитационной и механической чувствительности клеток-предшественников взрослого организма и их возможной вовлеченности в развитие локальных клеточных реакций, развивающихся в костной системе в условиях микрогравитации, что, в свою очередь, будет способствовать разработке новых подходов к лечению и средствам профилактики состояний, вызванных уменьшением гравитационной нагрузки на костную ткань.

выводы

1) Моделирование эффектов микрогравитации с помощью RPM приводит к реорганизации актинового цитоскелета ММСК костного мозга человека (30 мин - 48 часов), которая является обратимой при более продолжительной экспозиции (120 часов) и при статической pe-адаптации в течение 24 часов, не оказывая влияния на организацию тубулинового цитоскелета.

2) На начальных этапах моделирования эффектов микрогравитации (24 - 48 часов) ухудшается способность ММСК к адгезии. При длительной экспозиции ММСК на RPM (120 часов) адгезия клеток восстанавливается, этот процесс сопровождается перинуклеарным перераспределением винкулиновых сайтов фокальной адгезии на фоне увеличения доли клеток, несущих рецептор адгезии - а2-интегрин, и возрастания уровня экспрессии генов, вовлеченных в клеточную адгезию (CD44, NCAM-1, CDH1, CDH2).

3) Моделирование эффектов микрогравитации (24, 48, 120 часов) вызывает в ММСК транзиторное изменение уровня экспрессии генов, кодирующих белки актинового цитоскелета и ассоциированных с ним элементов (ACTA!, ACTG, RHOA, CFL1, VCL), которое частично компенсируется на конечных этапах (120 часов) и полностью при pe-адаптации клеток в статических условиях в течение 24 часов.

4) При моделировании эффектов микрогравитации происходит достоверное изменение паттерна экспрессии «маркеров стволовых клеток» в ММСК человека: после 120 часов экспозиции экспрессия 54 генов из 84 исследуемых достоверно изменяется не менее чем в 5 раз, при этом уровень экспрессии 30 генов, включающих регуляторы клеточной пролиферации, адгезии и внутриклеточной сигнализации повышается, а 24 генов, большинство из которых контролирует клеточную дифференцировку -снижается.

5) В условиях длительного моделирования эффектов микрогравитации в культурах индуцированных к остеогенной дифференцировке ММСК достоверно подавляется экспрессия генов-маркеров остеогенеза - RUNX2, OMD (10, 20 сут), ALPL (10 сут) и активируется экспрессия анти-остеогенного гена - PPARy (20 сут).

6) Обнаруженные структурные и молекулярно-генетические изменения свидетельствуют о наличии гравитационно-зависимых регуляторных механизмов, опосредующих как ранние, так и поздние ответные реакции клеток-предшественников на моделирование эффектов микрогравитации.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи:

1. Gershovich P.M., Gershovich J.G., Buravkova L.B. Simulated microgravity alters actin cytoskeleton and integrin-mediated focal adhesions of cultured human mesenchymal stromal cells. //Journal of Gravitational Physiology. 2008. Vol.15. №.1 P. 203-204.

2. Гершовнч П.М., Гершович Ю.Г., Буравкова Л.Б. Цитоскелет и адгезия культивируемых стромальных клеток-предшественников костного мозга человека при моделировании эффектов микрогравитации. //Цитология. 2009. Том.51. №11. С. 896-904.

3. Гершович Ю.Г., Гсршович П.М., Буравкова Л.Б. Влияние клиностатирования на культивируемые мезенхимальные стромальные клетки костного мозга человека. // Технологии живых систем. 2009. №2. С. 3-9.

4. Буравкова Л.Б., Гершович П.М., Гершович Ю.Г., Григорьев А.И. Механизмы гравитационной чувствительности остеогенных клеток-предшественников. // ACTA NATURAE. 2010. Том. 2. №1 (4). С. 30-39.

5. Гершович П.М., Гершович Ю.Г., Буравкова Л.Б. Роль мультипотентных мезенхимальных стромапьных клеток костного мозга в адаптации клеток остеогенного дифферона к микрогравитации. // Российский физиологический журнал имени Сеченова. 2010. Том. 96. №.4. С. 406-418.

Тезисы докладов:

6. Гершович П.М., Гершович Ю.Г., Буравкова Л.Б. // Влияние клиностатирования на актиновый цитоскелет и адгезию мезенхимальных стромальных клеток-предшественников in vitro. Тезисы докладов. 11я международная Пущинская школа-конференция молодых ученых «Биология-наука XXI века». 2007. С. 7.

7. Гершович П.М., Гершович Ю.Г. // Применение метода ПЦР в реальном времени для оценки влияния ЗО-клиностатирования на экспрессию некоторых генов цитоскелета мезенхимальных стромальных клеток-предшественников человека in vitro. Сборник тезисов. 7я Конференция молодых учёных и специалистов, аспирантов и студентов, посвященная дню Космонавтики. Москва. 2008. С. 16-17.

8. Гершович Ю.Г., Гершович П.М., Буравкова Л.Б. // Гравирецепция в культуре мезенхимальных клеток-предшественников. Тезисы докладов. 12я международная Пущинская школа-конференция молодых ученых «Биология-наука XXI века». 2008.С.172.

9. Гершович П.М. // Реорганизация актинового цитоскелета и уровень экспрессии цитоскелетных генов в условиях моделированной микрогравитации. Сборник тезисов. 8я Конференция молодых учёных и специалистов, аспирантов и студентов, посвященная дню Космонавтики. Москва. 2009. С. 16-17.

10. Гершович П.М., Гершович Ю.Г., Жамбалова А.П., Буравкова Л.Б. // Экспрессия генов стволовых маркеров в культуре костномозговых стромальных клеток человека в условиях моделированной микрогравитации. Тезисы докладов. 14я международная Пущинская школа-конференция молодых ученых «Биология-наука XXI века». 2010. С. 203.

11. Gershovich P.M., Gershovich J.G., Buravkova L.B. // The effects of 3D-clinorotation on cytoskeleton structures of mesenchymal stem cells derived from human bone marrow. Book of abstracts. International symposium «Biological motility»: Achievements and Perspectives. Pushchino. Part 2. 2008. P. 218.

12. Gershovich P.M., Gershovich J.G., Buravkova L.B. // Simulated microgravity alters actin cytoskeleton and integrin-mediated focal adhesions of cultured human mesenchymal stromal cells. Book of abstracts. 29- Annual International Physiology Meeting. Angers. France. 2008. P. 143-144.

13. Gershovich P.M., Gershovich J.G., Buravkova L.B. // Simulated microgravity and the pattern of actin and associated proteins gene expression in cultured human mesenchymal stromal cells. Book of abstracts. 17- Humans in Space Symposium. Moscow. 2009. P. 46.

14. Gershovich P.M., Gershovich J.G., Buravkova L.B. // The role of cytoskeleton in functioning of cultured MSC during simulated microgravity. Book of abstracts. French-Russian-Belarusian Conference «Neurovascular impairment induced by environmental conditions: molecular, cellular and functional approach». Angers. France. 2010.

Подписано в печать:

06.08.2010

Заказ № 3 973 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Гравитация является фундаментальным механическим фактором, определяющим особенности эволюции и структурно-функциональной организации живых организмов на Земле. Известно, что в условиях микрогравитации происходят атрофические перестройки костной ткани, выраженность которых во многом зависит от расположения кости по отношению к вектору гравитации [Ступаков, Воложин, 1989; Газенко, Григорьев, Егоров, 1997; Оганов, 2003; Оганов, Богомолов, 2009; Vico et al., 2001]. Локальная потеря массы костной ткани в условиях дефицита механической нагрузки или микрогравитации позволяет предположить, что рецепция механического сигнала (или его отсутствия) может осуществляться, в том числе и на клеточном уровне. Обусловленное микрогравитацией изменение способности костной ткани к самовозобновлению указывает на то, что в этот процесс могут быть вовлечены стволовые клетки и остеогенные клетки-предшественники. Не исключено, что пусковым механизмом могут быть различные изменения, перестройки или нарушения в структурах цитоскелета клеток остеогенной природы [Lewis М., 2002; Huges-Fulford, 2002]. В ряде недавних работ было показано участие актиновых компонентов структур цитоскелета стволовых клеток в выборе пути их дифференцировки [Sordella, Jiang, Chen et al., 2003; McBeath, Pirone, Nelson et al., 2004].

Цитоскелет живой клетки наряду с мембранными компонентами является одной из ведущих базовых структур клетки, обеспечивающих ее морфологическую целостность и функциональную активность. Цитоскелет можно назвать и «цитомускулатурой» - ведь именно он ответствен за такие виды движения, как клеточная подвижность, сокращение мышечных волокон и многообразные формообразовательные процессы у развивающихся зародышей позвоночных. Кроме того, он обеспечивает активное перемещение клеточных органелл в цитоплазме. Разнообразные функции цитоскелета зависят от трех главных типов белковых нитей - актиновых филаментов, микротрубочек и промежуточных филаментов. Нити этих трех типов построены из разных структур и ассоциированы с различными дополнительными белками [Фултон, 1989; Албертс, Брей, Льюис и др., 1994]. Ремоделирование актинового цитоскелета происходит под влиянием факторов различной природы: факторов роста, межклеточного взаимодействия и адгезии клеток к субстрату, осуществляемой, главным образом, интегриновыми рецепторами, а также при действии механических сигналов [Юдинцева, Блинова, Пинаев, 2008; Clark, King, Brugge et al., 1998; Pavalko, Chen, Turner et al., 1998; Sotiropoulos, Gineitis, Copeland et al., 1999; Buravkova, Romanov et al., 2001; Bershadsky, Balaban, Geiger, 2003; Crawford-Young, 2006; Matthews, Overby, Mannix et al., 2006; Dalous, Burghardt, Muller-Taubenberger et al., 2008]. Существуют исследования, свидетельствующие об участии цитоскелета и ассоциированных с ним внеклеточных и внутриклеточных белков в процессах проведения сигнала и регуляции экспрессии генов [Пинаев 2009; Traub, 1995; Symons, 1996; Renshaw, Toksoz, Schwartz, 1996; Aplin, Howe, Alahari et al., 1998; Janmey, 1998; Chen, Ryder, Pavalko et al., 2000]. Кроме того, показано, что в ходе остеогенной дифференцировки мезенхимальных клеток-предшественников происходит реорганизация актинового цитоскелета [Rodriguez, Gonzalez, Rios, Cambiazo, 2004]. Однако, по-прежнему, остается неясной роль цитоскелета, как потенциально гравитационно-чувствительной структуры любых клеток, в том числе и стволовых, в механизмах их адаптации к микрогравитации. Остается открытым вопрос о том, какое значение могут иметь перестройки цитоскелета и/или изменения в экспрессии генов компонентов цитоскелета, для нормальной функциональной активности клеток-предшественников.

Мультипотентные мезенхимальные стромальные или стволовые клетки (ММСК) являются популяцией клеток-предшественников стромы костного мозга, интерес к которым постоянно возрастает в связи с потенциальными возможностями их применения в регенеративной медицине [Pittenger, Mackay, Beck et al., 1999; Conget, Minguell, 1999; Caplan, Bruder, 2001; Bianco, Riminucci, Grontos, 2001; Dominici, Blanc, Mueller, et al., 2006]. Дифференцировочный потенциал, а также другие особенности функционирования этих клеток могут быть сравнительно легко изучены в культуре, в том числе и при оценке влияния физических факторов [Altman, Horan, Martin et al., 2002; Huang, Hagar, Frost et al., 2004; McBeath, Pirone, Nelson et al., 2004; David, Martin, Lafage-Proust et al., 2007; Pan, Yang, Guo et al. 2008]. ММСК, представляют собой удобный объект для изучения всех этапов и механизмов остеогенной дифференцировки, начиная со стадии самого раннего, наименее коммитированного предшественника. Перспективность всестороннего изучения биологии ММСК in vivo и in vitro, а также клинического использования ММСК и коммутированных клеток-предшественников определяется, прежде всего, их способностью восстанавливать дефекты соединительных тканей (костной, хрящевой и мышечной). Остеогенные потенции ММСК позволяют широко использовать эти клетки в качестве экспериментальной модели, способствующей расширению теоретических представлений о механизмах ремоделирования костной ткани в постнатальном периоде жизни человека и развития способов коррекции различных системных заболеваний костной ткани, в том числе и остеопороза [Кругляков, Соколова, Зинькова и др., 2005; Деев, Цупкина, Сергеев и др., 2006; Manolagas, Jilka, 1995; Bruder, Kurth, Shea et al., 1998; Jaiswal, Haynesworth, Caplan et al., 1997; Caplan, Bruder, 2001; Dennis, Esterly, Awadallah et al., 2007].

Представления о механизмах гравитационной чувствительности ММСК получили свое развитие сравнительно недавно. Ранее было показано, что моделирование эффектов микрогравитации приводит к ингибированию остеогенной дифференцировки ММСК и преостеобластов и активации программы адипогенной дифференцировки ММСК [Zayzafoon, Gathings, McDonald, 2004; Meyers, Zayzafoon, Gonda et al., 2004; Meyers, Zayzafoon, Douglas et al., 2005; Pardo, Patel, Sykes et al., 2005; Dai, Wang, Ling et al., 2007; Patel, Liu, Sykes et al., 2007; Pan, Yang, Guo et al., 2008; Capulli, Rufo, Teti, Rucci et al., 2009; Huang, Dai, Ling et al., 2009], что выражается в подавлении уровня экспрессии определенных генов - маркеров остеогенной дифференцировки, и связывается с перестройками актинового цитоскелета клеток и изменением в уровне экспрессии ассоциированных с цитоскелетом механочувствительных адгезивных рецепторов клетки (интегринов). Несмотря на определенные успехи, достигнутые в последние годы в области гравитационной биологии клетки, молекулярные механизмы гравитационной чувствительности ММСК и более коммитированных остеогенных клеток-предшественников остаются не до конца ясными, что обусловлено сложностью объекта исследования, многоуровневой системой регуляции их дифференцировочного потенциала и функциональной активности. В целом, работы, посвященные изучению функционирования ММСК in vitro в условиях измененной гравитации, по-прежнему единичны, а результаты, полученные при использовании различных наземных моделей, зачастую противоречивы [Buravkova, Merzlikina, Romanov, 2005; Zayzafoon Gathings, McDonald, 2004; Meyers et al., 2004; 2005; Yuge, Kajiume, Tahara et al., 2006; Dai, Wang, Ling et al., 2007; Huang, Dai, Ling et al., 2009]. Таким образом, изучение особенностей организации цитоскелета и молекулярно-генетических свойств ММСК в условиях моделирования эффектов микрогравитации является актуальной вопросом, решение которого позволит приблизиться к более глубокому пониманию процессов, происходящих с клетками-предшественниками в условиях реальной микрогравитации.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение особенностей организации цитоскелета, ассоциированных с ним элементов и молекулярно-генетическая характеристика мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК) костного мозга человека в условиях моделирования эффектов микрогравитации.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1) изучить динамику реорганизации актинового и тубулинового цитоскелета культивируемых ММСК на различных этапах наземного моделирования эффектов микрогравитации с помощью Random Positioning Machine (RPM);

2) исследовать адгезивные свойства ММСК и экспрессию некоторых рецепторов адгезии при моделировании эффектов микрогравитации;

3) оценить уровень экспрессии генов основных белков цитоскелета и ассоциированных с ним элементов на различных этапах наземного моделирования эффектов микрогравитации с помощью RPM;

4) провести профилирование экспрессии 84 генов - «маркеров стволовых клеток человека» с помощью наборов Stem Cell RT2 Profiler™ PCR Array на различных этапах наземного моделирования эффектов микрогравитации с помощью RPM;

5) провести анализ уровня экспрессии ключевых маркеров остеогенной дифференцировки ММСК при длительном моделировании эффектов микрогравитации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

• Впервые показано, что моделирование эффектов микрогравитации с помощью RPM приводит к реорганизации актинового цитоскелета ММСК костного мозга человека уже после нескольких минут воздействия, которая является обратимой при более продолжительной экспозиции (120 часов) и при статической ре-адаптации в течение 24 часов, и потере ими периферических винкулиновых сайтов фокальной адгезии, не влияя на организацию тубулинового цитоскелета клеток.

• Впервые выявлена динамика изменения уровня экспрессии генов цитоскелета в ММСК. В частности, показано, что экспозиция на RPM вызывает транзиторное изменение уровня экспрессии структурных и регуляторных генов, связанных с актиновым цитоскелетом, наиболее выраженное на этапе 48 часов, которое частично компенсируется на конечных сроках экспозиции (120 часов) и полностью при ре-адаптации клеток в статических условиях в течение 24 часов, что может отражать процесс адаптации цитоскелета к моделированию эффектов микрогравитации.

• Впервые установлено, что моделирование эффектов микрогравитации (120 ч) приводит к достоверному изменению паттерна экспрессии генов - «маркеров стволовых клеток» (Stem Cell RT2 Profiler™ PCR Array, SABiosciences) в ММСК костного мозга человека. При этом, моделирование эффектов микрогравитации вызывает как активацию, так и угнетение экспрессии 54 различных генов, кодирующих белки, принимающие участие во внутриклеточной сигнализации, клеточной адгезии, регуляции пролиферации и дифференцировки стволовых клеток.

• Показано, что коммитирование ММСК к остеогенезу в условиях длительного моделирования эффектов микрогравитации (10-20 сут) сопровождается снижением уровня экспрессии генов, кодирующих основные маркеры остеогенной дифференцировки клеток, в том числе и ключевого мастер-транскрипционного фактора, контролирующего программу остеогенной дифференцировки ММСК - RUNX2.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

Обнаруженные структурные и молекулярно-генетические изменения в культурах ММСК свидетельствуют о наличии гравитационно-зависимых внутриклеточных механизмов, которые обуславливают как ранние, так и поздние ответные реакции клеток-предшественников на моделирование эффектов микрогравитации.

Полученные приоритетные данные существенно дополняют имеющиеся теоретические представления о механизмах восприимчивости клеток-предшественников взрослого организма к изменению параметров гравитационной среды, по крайней мере, в условиях in vitro и о роли актинового цитоскелета, как базовой структуры клеток, в том числе и стволовых, в качестве гравитационно-сенсорной клеточной структуры.

Результаты работы подтверждают возможность использования мезенхимальных стромальных клеток костного мозга человека в качестве удобной экспериментальной модели для изучения роли гравитации и микрогравитации в процессах функционирования и дифференцировки клеток-предшественников взрослого организма, а также для исследования механизмов клеточной гравитационной чувствительности.

Полученные в работе результаты являются основой для разработки проекта технического задания для проведения космического эксперимента с целью дальнейшего изучения морфофункциональных и молекулярно-генетических свойств ММСК в условиях микрогравитации:

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Актиновый цитоскелет и ассоциированные с ним элементы представляют собой гравитационно-чувствительные структуры клетки, которые наиболее быстро реагируют на постоянное изменение положения ММСК в пространстве, что подтверждается наблюдаемой транзиторной реорганизацией актинового цитоскелета, и изменением в уровне экспрессии связанных ним структурных и регуляторных генов, начиная с самых ранних сроков экспозиции на RPM (30 мин - 48 ч). Восстановление структуры актинового цитоскелета ММСК на более поздних этапах (120 ч) сопровождается активацией адгезии клеток и частичным восстановлением уровня экспрессии цитоскелетных генов, что может быть важным звеном в механизме адаптации цитоскелета клеток-предшественников к условиям моделирования эффектов микрогравитации.

2. Под влиянием моделирования эффектов микрогравитации в ММСК человека происходит как угнетение, так и активация экспрессии ряда генов, отвечающих за поддержание свойств мультипотентности и дифференцировки стволовых клеток различных типов. В отличие от генов, связанных с актиновым цитоскелетом, паттерн экспрессии генов, кодирующих «маркеры стволовых клеток» в ММСК человека, наиболее значительно изменяется после 120 часов экспозиции в условиях моделирования эффектов микрогравитации с помощью RPM, что отражает временные различия между механизмами изменения экспрессии структурных и регуляторных генов, ответственных за различные типы внутриклеточных процессов в стволовых клетках.

3. Подавление процесса индуцированной остеогенной дифференцировки ММСК в условиях моделирования эффектов микрогравитации с помощью RPM может быть обусловлено как угнетением экспрессии генов, кодирующих ключевые маркеры остеогенной дифференцировки клеток, а именно, RUNX2, ALPL и OMD, так и активацией экспрессии анти-остеогенных и про-адипогенных факторов, таких как PPARy.

выводы

1) Моделирование эффектов микрогравитации с помощью RPM приводит к реорганизации актинового цитоскелета ММСК костного мозга человека (30 мин - 48 часов), которая является обратимой при более продолжительной экспозиции (120 часов) и при статической ре-адаптации в течение 24 часов, не оказывая влияния на организацию тубулинового цитоскелета.

2) На начальных этапах моделирования эффектов микрогравитации (24 - 48 часов) ухудшается способность ММСК к адгезии. При длительной экспозиции ММСК на RPM (120 часов) адгезия клеток восстанавливается, этот процесс сопровождается перинуклеарным перераспределением винкулиновых сайтов фокальной адгезии на фоне увеличения доли клеток, несущих рецептор адгезии - а2-интегрин, и возрастания уровня экспрессии генов, вовлеченных в клеточную адгезию (CD44, NCAM-1, CDH1, CDH2).

3) Моделирование эффектов микрогравитации (24, 48, 120 часов) вызывает в ММСК транзиторное изменение уровня экспрессии генов, кодирующих белки актинового цитоскелета и ассоциированных с ним элементов (ACTA J, ACTG, RHOA, CFLl, VCL), которое частично компенсируется на конечных этапах (120 часов) и полностью при ре-адаптации клеток в статических условиях в течение 24 часов.

4) При моделировании эффектов микрогравитации происходит достоверное изменение паттерна экспрессии «маркеров стволовых клеток» в ММСК человека: после 120 часов экспозиции экспрессия 54 генов из 84 исследуемых достоверно изменяется не менее чем в 5 раз, при этом уровень экспрессии 30 генов, включающих регуляторы клеточной пролиферации, адгезии и внутриклеточной сигнализации повышается, а 24 генов, большинство из которых контролирует клеточную дифференцировку -снижается.

5) В условиях длительного моделирования эффектов микрогравитации в культурах индуцированных к остеогенной дифференцировке ММСК достоверно подавляется экспрессия генов-маркеров остеогенеза - RUNX2, OMD (10, 20 сут), ALPL (10 сут), и активируется экспрессия анти-остеогенного гена - PPARy (20 сут).

6) Обнаруженные структурные и молекулярно-генетические изменения свидетельствуют о наличии гравитационно-зависимых регуляторных механизмов, опосредующих как ранние, так и поздние ответные реакции клеток-предшественников на моделирование эффектов микрогравитации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Быстро развивающееся направление регенеративной медицины, связанное с использованием, так называемых, «стволовых» клеток взрослого организма, привлекло внимание исследователей к мультипотентным мезенхимальным стромальным клеткам (ММСК) костного мозга, которые рассматриваются как удобная модель для изучения влияния различных химических и физических факторов на клетки-предшественники, обладающие уникальным свойством пластичности. В настоящее время достаточно подробно исследованы морфология и иммунофенотип ММСК, а также их молекулярно-генетический профиль и особенности дифференцировки in vitro в нескольких направлениях: адипогенном, хондрогенном и остегенном. Локализация ММСК в костном мозге in situ и способность к остеогенной дифференцировке in vitro указывает на их весьма вероятное участие в процессах постоянно протекающего ремоделирования костной ткани в постнатальном периоде жизни человека. Активно ведутся исследования по изучению роли механических факторов в выборе пути коммитирования и реализации программ дифференцировки клеток-предшественников. Однако до сих пор не определены механизмы механической и гравитационной чувствительности ММСК, особенно в сравнении с более зрелыми клетками костной ткани.

В ходе эволюции костная система наземных позвоночных формировалась в среде, где одним из главных и неизменно действующих факторов является гравитация, определившая морфогенез и строение населяющих сушу существ. Определенные отделы скелета участвуют в поддержании позы и совершении активных локомоций, постоянно испытывая статические и динамические нагрузки «под знаком преодоления влияния силы тяжести». Известно, что умеренные физические нагрузки необходимы для нормального гомеостаза костной ткани, поддержания тонкого баланса между двумя постоянно протекающими, тесно сопряженными физиологическими процессами - костеобразованием и резорбцией, реализующими функциональную адаптацию костной ткани в целом и ее клеточных элементов в частности в зависимости от требований «внешнего механического поля». В свою очередь, костные клетки не могли приспособиться к микрогравитации, которая для них является совершенно новым, с точки зрения эволюции, физическим фактором. Поэтому очевидно, что гравитация является важным и консервативным параметром, определяющим жизнедеятельность культивируемых остеогенных клеток, в том. числе и, наименее коммитированных клеток-предшественников. Ранее в нашей лаборатории было показано, что культивирование ММСК, в условиях моделирования эффектов микрогравитации с помощью различных экспериментальных установок приводит на начальных этапах - к снижению пролиферативной активности ММСК и клеток, коммитированных к остеогенной дифференцировке, а на поздних этапах -способствует активации выработки провоспалительного цитокина и подавляет остеогенную дифференцировку ММСК и более коммитированных остеогенных клеток-предшественников. Кроме того, было продемонстрировано, что ММСК сохраняют основной иммунофенотип, характерный для стромальных клеток, и их жизнеспособность не отличается от ММСК, культивируемых в статических условиях и на шейкере. Однако внутриклеточные и молекулярно-генетические механизмы, опосредующие феноменологические реакции ММСК на условия ' моделирования эффектов микрогравитации, остаются изученными лишь в малой степени. Данная работа была посвящена изучению влияния моделирования эффектов микрогравитации с помощью одной из наиболее современных наземных моделей - RPM, на состояние цитоскелета и молекулярно-генетический профиль ММСК на наиболее ранних и поздних этапах экспозиции в измененных гравитационных условиях.

Проведенные нами исследования позволили установить, что мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки костного мозга человека, принадлежащие к компартменту клеток-предшественников взрослого организма, представляют собой клеточную популяцию, которая достаточно восприимчива к изменению гравитации, по крайней мере, в условиях in vitro. При моделировании эффектов микрогравитации в культурах ММСК имеют место обратимые перестройки актинового цитоскелета, и происходит изменение адгезивных свойств клеток, которое сопровождается прогрессивной потерей фокальных контактов, образованных винкулином, и активацией экспрессии некоторых поверхностных рецепторов адгезии, в частности а2-интегрина, на более поздних этапах экспозиции. На фоне выявленных морфофункциональных и физиологических ответных реакций на моделирование эффектов микрогравитации, в культурах ММСК наблюдается изменение уровня экспрессии генов структурных и регуляторных белков актинового цитоскелета (ACTG, АСТА1, RHOA, CFL) клеток, уже на самых ранних этапах экспозиции. Тем не менее, эти изменения являются транзиторными и частично нивелируются на более поздних этапах воздействия (120 часов), а также быстро возвращаются на исходный уровень контроля при ре-адаптации клеток в статических условиях. На более поздних этапах моделирования эффектов микрогравитации (120 часов), ответные реакции ММСК уже выражаются в изменении паттерна экспрессии генов «маркеров стволовых клеток человека». В данном случае меняется экспрессия 54 генов, кодирующих целый спектр белков, вовлеченных в идентификацию, рост, самоподдержание и дифференцировку различных типов стволовых клеток человека. При этом моделирование эффектов микрогравитации влияет на разные гены, кодирующие белки, принимающие участие во внутриклеточной сигнализации, клеточной адгезии и регуляции пролиферации и дифференцировки клеток. И, наконец, коммитирование ММСК к остеогенезу в условиях длительного моделирования эффектов микрогравитации сопровождается подавлением экпрессии основных маркеров остеогенной дифференцировки клеток, в том числе и ключевого мастер-транскрипционного фактора, контролирующего программу остеогенной дифференцировки ММСК - Riirvc2.

Несмотря на растущее число публикаций о влиянии микрогравитациии или ее моделировании на морфофункциональиые характеристики и дифференцировочный потенциал различных типов культивируемых остеогенных клеток, а также ММСК, точные молекулярные и внутриклеточные механизмы наблюдаемых физиологических эффектов до сих пор остаются до конца не известными. Вместе с тем, феноменология ответных реакций остеогенных клеток различного уровня коммитированности позволяет предположить существование единых механизмов восприятия и ответной реакции клеток данного типа на изменение гравитации. В последнее время прояснению механизмов гравитационной чувствительности клеток-предшественников помогает активное изучение процессов ремоделирования их цитоскелета и состояния связанных с ним поверхностных структур клетки (интегринов, молекул адгезии), а также исследование уровня экспрессии и белковой активности различных эффекторных белков, регулирующих процессы реорганизации структур цитоскелета, и принимающих участие во внутриклеточной сигнализации, таких как семейство Rho-киназ. Высказываются предположения, что актиновый цитоскелет клетки и ассоциированные с ним поверхностные структуры представляют собой своеобразные «гравитационные сенсоры» клеток или, по крайней мере, гравитационно-зависимые клеточные структуры. Уже в ряде работ установлено, что остеогенная дифференцировка остеогенных клеток-предшественников в условиях моделирования эффектов микрогравитации замедляется или подавляется [Zayzafoon, Gathings, McDonald, 2004; Meyers, Zayzafoon, Gonda et al., 2004; Meyers, Zayzafoon, Douglas et al., 2005; Pardo, Patel, Sykes et al., 2005; Dai, Wang, Ling et al., 2007; Patel, Liu, Sykes et al., 2007; Pan, Yang, Guo et al., 2008; Capulli, Rufo, Teti, Rucci et al., 2009; Huang, Dai, Ling et al., 2009], тогда как адипогенная может активироваться, и даже удалось показать взаимосвязь этих процессов с развитием цитоскелетных нарушений клеток и активностью Rho-киназ цитоскелета [Zayzafoon, Gathings, McDonald, 2004; Meyers, Zayzafoon, Gonda et al., 2004; Meyers, Zayzafoon, Douglas et al., 2005]. Подобные исследования помогают выявить те универсальные внутриклеточные и молекулярно-генетические механизмы, за счет которых микрогравитация может модулировать морфофункциональный статус стволовых клеток и оказывать подавляющее влияние на остеогенную дифференцировку клеток-предшественников.

Исследованию морфофункционального статуса самих ММСК по сравнению с более дифференцированными клетками костной ткани уделяется значительно меньше внимание, хотя наряду с коммитированными остеогенными предшественниками эти клетки также могут быть прямой мишенью микрогравитации на остеогенный дифферон, что подтверждается результатами, полученными ранее в нашей лаборатории, а также в других исследованиях. Доказательством тому, что ММСК вполне могут претендовать на роль клеток, чувствительных к механическим и физическим воздействиям как in vivo, так и in vitro, могут служить данные, продемонстрированные в ряде работ [Zayzafoon, Gathings, McDonald, 2004; David, Martin, Lafage-Proust et al., 2007; Pan, Yang, Guo et al. 2008; Sen, Xie, Case et al., 2008], и лишь небольшая доля из проводимых в последнее время исследований посвящена изучению молекулярно-генетического профиля ММСК в условиях наземного моделирования эффектов микрогравитации, не говоря уже о реальной микрогравитации. При этом, чаще всего подобные работы посвящены изучению экспрессии маркеров дифференцировки ММСК по различным направлениям, и прежде всего остеогенному, тогда как работ по изучению молекулярно-генетических особенностей интактных ММСК практически нет. В данной работе было показано, что моделирование эффектов микрогравитации может влиять на экспрессию генов как в самих ММСК, так и в индуцированных к остеогенной дифференцировке клеток. В ходе комплексного исследования было установлено, что паттерн экспрессии целого набора генов на определенных этапах моделирования эффектов микрогравитации может меняться. При этом интересным является тот факт, что некоторые из этих исследуемых генов, входя в состав важных сигнальных путей, принимают участие во взаимодействии с актиновым цитоскелетом клеток или его регуляторными компонентами (сигнальный путь wnt и RhoA). Однако очевидно, что интерпретация данного факта весьма затруднительна, поскольку исследования общих механизмов гравитационно-зависимых процессов в стволовых клетках находится только в начальной фазе своего развития.

Таким образом, в условиях моделирования эффектов микрогравитации в ММСК происходит угнетение экспрессии генов, отвечающих за свойства плюрипотентности и дифференцировки стволовых клеток различных типов. Некоторые из исследуемых генов представляют компоненты сигнальных путей, которые являются антагонистическими (notch и wnt), и в условиях моделирования эффектов микрогравитации наблюдается преимущественная активация экспрессии первых и преимущественное подавление экспрессии вторых, что, по-видимому, обуславливает поддержание менее дифференцированного состояния клеток-предшественников. И, наконец, некоторые из генов, экспрессия которых меняется, являются белками цитоскелета или вовлечены во взаимодействие с ним, что позволяет сформировать более четкую картину участия цитоскелета и ассоциированных с ним элементов в регуляции процессов функционирования и адаптации ММСК к условиям измененной гравитации.

В заключении следует отметить, что активные попытки изучения процессов реорганизации цитоскелета, экспрессии генов цитоскелета и молекулярно-генетических свойств ММСК помогают воспроизвести и выявить все характерные особенности влияния микрогравитации или гипокинезии на ММСК и остеогенные клетки-предшественники костного мозга животных и человека. Всестороннее исследование биологии ММСК тем более важно, что возрастной и медикаментозный остеопороз является большой медицинской и социальной проблемой современного общества, тогда как культивируемые ММСК, представляют удобную модель для изучения всех этапов остеогенной дифференцировки, начиная со стадии самого раннего, наименее коммитированного остеогенного предшественника. Необходимость дальнейшего изучения влияния реальной микрогравитации на клетки-предшественники очевидна в связи с выполняемой ими функцией тканевой репарации, особенно учитывая данные об ингибирующем эффекте моделирования эффектов микрогравитации на остеогенный потенциал культивируемых ММСК, что представляет интерес не только в фундаментальном, но также в практическом плане. Работы в этом направлении позволят расширить фундаментальные представления о механизмах гравитационной и механической чувствительности клеток-предшественников взрослого организма и их возможной вовлеченности в развитие локальных клеточных реакций, развивающихся в костной системе в условиях микрогравитации, что, в свою очередь, будет способствовать разработке новых подходов к лечению и средствам профилактики состояний, вызванных уменьшением гравитационной нагрузки на костную ткань.