Изучены особенности формирования хрящевой ткани

Дифференциация клеточных линий — ключевой процесс нормального развития организма, нарушение которого ведет к серьезным патологиям. Понимание процессов дифференциации клеток также необходимо для эффективности терапии стволовыми клетками. Одна из таких терапий использует стволовые клетки кости для лечения краниофациальных дефектов различного происхождения. Группа ученых из США, Швейцарии и Канады описала роль GATA3 и неканонического сигналинга β-катенина в развитии клеток кости и образовании эктопических хрящей.

β-катенин — белок, ответственный за межклеточные взаимодействия в рамках сигнального пути Wnt, участвует в регулировке клеточной дифференциации. Ранее опубликованные работы показали, что нарушение экспрессии β-катенина приводят к образованию эктопических хрящей у мышей — явления, напрямую связанного со сменой клеточных линий. Такие данные указывают на то, что сигнальный путь Wnt играет ключевую роль в дифференциации линий костных клеток, однако точные детали процесса до сих пор оставались неизвестными.

В новом исследовании ученые нокаутировали ген Gpr177 — мышиный гомолог гена Wntless — в мезенхиме зародышей мышей. У Gpr177^- мышей наблюдались нарушения формирования костей, схожие с нарушениями у мышей с нокаутом β-катенина (β- cat^Dermo1). При этом эктопические хрящи образовывались у β-cat ^Dermo1, но не у Gpr177^- мышей. У авторов было несколько предположений, объясняющих такое явление. Дальнейшие исследования опровершли теории о влиянии экспрессии Wnt в соседних тканях и неканоничного Wnt-сигналинга на образование эктопических хрящей.

Для проверки третьей теории — альтернативных функций β-катенина, не зависящих от каноничного Wnt-сигналинга, — ученые создали мышиную модель β-cat ^Dermo1 ∆TF, у который была нарушена только транскрипционная функция β-катенина за счет нуклеотидных замен и делеции C-конца. Как у β-cat ^Dermo1 ∆TF, так и у β-cat ^Dermo1 мышей наблюдались дефекты развития костей, однако в β-cat ^Dermo1 ∆TF модели не было образования эктопических хрящей. Полученные результаты указывают на то, что дифференциация клеток зависит от экспрессии β-катенина, но не от регулируемой им транскрипции.

В следующем опыте ученые трансплантировали мышам стволовые клетки кости с нокаутом β-катенина (β-cat-null) и нарушением его транскрипционных функций (β-сat∆TF), а также контрольных костных стволовых клеток. Контрольные стволовые клетки образовывали в месте трансплантации костную ткань, положительную по молекулярным маркерам кости, но негативную по маркерам хряща. β-cat-null стволовые клетки приводили к образованию хрящевой ткани, положительной по маркерам хряща и отрицательной по костным маркерам. β-сat∆TF клетки образовывали диффузную ткань, отрицательную как по костным, так и по хрящевым маркерам. Результаты указывают на то, что образование кости зависит от транскрипционной функции β-катенина, но детерминация судьбы клеточной линии не зависит от транскрипционной функции β-катенина.

Далее авторы проанализировали экспрессию генов у β-cat ^Dermo1 ∆TF и β-cat ^Dermo1 мышей. Ученые идентифицировали 431 ген, который изменял экспрессию у β-cat ^Dermo1, но не у β-cat ^Dermo1 ∆TF мышей, т.е. генов, подверженных влиянию β-катенина, но не его транскрипционной функции. Наиболее «функциональным» оказался ген транскрипционного фактора GATA3. Ученые также подтвердили повышенный уровень экспрессии GATA3 у β-cat ^Dermo1, но не у β-cat ^Dermo1 ∆TF мышей, что поддерживает теорию об участии GATA3 в неканоничном сигналинге β-катенина.

Для более подробного изучения влияния GATA3 на дифференциацию клеточных линий ученые вводили в культуру зародышевых мезенхимальных клеток лентивирус, экспрессирующий GATA3. После инкубации в данной культуре наблюдалось в два раза больше клеток, положительных по хрящевым маркерам, по сравнению с контролем. У мышей с искусственно повышенной экспрессией GATA3 наблюдалось образование эктопических хрящей и ненормальное развитие хрящевой ткани, включая расширение назальной хрящевой ткани.

Таким образом, ученые подробно описали роль GATA3 и неканонического сигналинга β-катенина в дифференциации линий костных клеток.

Способ получения хондроцитов из плюрипотентных стволовых клеток влияет на их характеристики