Стволовые клетки: от зиготы до клеточной терапии

Из одной клетки — зиготы — развивается организм из десятков триллионов клеток более двухсот типов. А во взрослом теле каждую секунду погибают миллионы клеток крови, кожи, кишечника, и на их место приходят новые. Всё это возможно благодаря стволовым клеткам — клеткам, которые умеют и делиться, сохраняя себя, и давать начало специализированным клеткам. Их изучение изменило представления о развитии, позволило лечить лейкозы и наследственные болезни крови и открыло путь к выращиванию тканей в лаборатории.

Это девятая статья серии «Генетика человека». Здесь — что такое стволовые клетки и чем они отличаются от обычных; их виды по потенциалу и по происхождению; эмбриональные стволовые клетки и индуцированные плюрипотентные клетки (открытие Яманаки); стволовые клетки взрослого организма — крови, кожи, кишечника, мышц, мозга; пересадка костного мозга и пуповинная кровь; клеточная терапия, органоиды и модели болезней; генетическое единство клеток организма; этические вопросы и мошенничество с «омоложением»; задания ЕГЭ и олимпиад.

• 1. Что такое стволовые клетки
• 2. Виды стволовых клеток по потенциалу
• 3. От зиготы к зародышевым листкам
• 4. Почему клетки с одинаковыми генами разные
• 5. Стволовые клетки растений
• 6. Эмбриональные стволовые клетки
• 7. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки
• 8. Перепрограммирование: что происходит в клетке
• 9. Кроветворные стволовые клетки
• 10. Кроветворение до рождения
• 11. Стволовые клетки в тканях взрослого организма
• 12. Мезенхимные стромальные клетки и клетки-сателлиты
• 13. Лечение стволовыми клетками: что работает сегодня
• 14. Органоиды и модели болезней
• 15. Почему тритон отращивает лапу, а человек — нет
• 16. Стволовые клетки и рак
• 17. Этические вопросы
• 18. Стволовые клетки как инструмент генетики
• 19. Что впереди
• 20. Итог: что важно знать
• 21. Частые ошибки
• 22. Интересные факты
• 23. Частые вопросы
• 24. ЕГЭ
• 25. Для олимпиад
• 26. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое стволовые клетки

Два свойства отличают стволовую клетку от любой другой:

1. Самообновление. Стволовая клетка может делиться очень долго, иногда всю жизнь организма, и при этом сохраняет стволовые свойства. Запас стволовых клеток не истощается.
2. Способность к дифференцировке. Потомки стволовой клетки могут превращаться в специализированные клетки — эритроциты, нейроны, клетки эпидермиса, мышечные волокна.

Как одна клетка совмещает эти задачи? Часто при делении стволовой клетки одна дочерняя клетка остаётся стволовой, а вторая вступает на путь дифференцировки — это асимметричное деление. Иначе равновесие поддерживается на уровне популяции: часть делений даёт две стволовые клетки, часть — две дифференцирующиеся, и в среднем число стволовых клеток не меняется.

Обычно стволовая клетка не превращается в специализированную сразу: сначала появляются клетки-предшественники (прогениторы), которые быстро делятся, но уже ограничены в выборе пути и не обладают неограниченным самообновлением. Так возникает иерархия: немногочисленные, редко делящиеся стволовые клетки → многочисленные делящиеся предшественники → зрелые клетки, которые обычно уже не делятся.

Почему это важно

Стволовые клетки нужны для трёх процессов:

• развития — из стволовых клеток зародыша формируются все ткани и органы;
• обновления тканей — во взрослом организме постоянно заменяются клетки крови, эпителия кишечника и кожи, сперматогенный эпителий;
• регенерации — восстановления после повреждений.

Стволовые клетки находятся в особом микроокружении — нише. Ниша — это соседние клетки, межклеточное вещество и сигнальные молекулы, которые удерживают стволовую клетку в «стволовом» состоянии и решают, когда ей делиться. Если стволовая клетка покидает нишу, она обычно начинает дифференцироваться.

2. Виды стволовых клеток по потенциалу

Стволовые клетки различаются по тому, сколько типов клеток они способны образовать, — по потентности.

Можно представить развитие как спуск с горы: на вершине — тотипотентная зигота, и по мере спуска долины-пути разветвляются, а клетка, скатившаяся в одну долину, уже не может перейти в соседнюю. Этот образ «эпигенетического ландшафта» предложил английский биолог Конрад Уоддингтон ещё в 1957 г. Чем ниже клетка, тем меньше её возможности.

Тотипотентность и близнецы

Тотипотентность первых бластомеров объясняет появление однояйцевых близнецов: если в первые дни зародыш разделится, каждая часть разовьётся в целый организм. У броненосцев это происходит регулярно, у человека — случайно. А ещё в конце XIX в. немецкий биолог Ганс Дриш, разделяя бластомеры морского ежа на стадии двух клеток, получил из каждого целую личинку — первое экспериментальное доказательство тотипотентности.

Виды по происхождению

• Эмбриональные стволовые клетки — получают из внутренней клеточной массы бластоцисты.
• Фетальные — стволовые клетки тканей плода.
• Стволовые клетки пуповинной крови и плаценты.
• Стволовые клетки взрослого организма (соматические, тканеспецифические) — кроветворные, эпидермальные, кишечные, нервные, мышечные и другие.
• Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки — получают перепрограммированием специализированных клеток взрослого.

3. От зиготы к зародышевым листкам

Чтобы понять, откуда берутся стволовые клетки и почему их потенциал сужается, проследим первые две недели развития человека.

1. Дробление (1–3-й дни). Зигота делится митозом на бластомеры, но зародыш не растёт: клетки становятся всё мельче. Примерно до стадии 8 клеток бластомеры равноценны и тотипотентны. Гены зародыша включаются в работу на стадии 4–8 клеток; до этого развитием управляют мРНК и белки, запасённые в яйцеклетке.
2. Морула (3–4-й дни) — плотный шарик из 16–32 клеток. Наружные и внутренние клетки впервые начинают различаться.
3. Бластоциста (5–6-й дни). Внутри появляется полость. Наружные клетки — трофэктодерма — дадут плаценту; внутренняя клеточная масса — сам зародыш и часть оболочек. Это первый выбор судьбы клеток; клетки внутренней массы плюрипотентны.
4. Имплантация (6–10-й дни) — внедрение в стенку матки.
5. Гаструляция (3-я неделя) — образование трёх зародышевых листков. Клетки перемещаются, и формируются эктодерма, мезодерма и энтодерма.

После гаструляции клетки каждого листка уже не плюрипотентны: клетка эктодермы не станет клеткой печени. Тест на плюрипотентность любых клеток — способность дать производные всех трёх листков.

Первичные половые клетки

Особая линия клеток — первичные половые клетки — обособляется рано, на 2–3-й неделе, вне тела зародыша, у основания желточного мешка, а затем мигрирует в зачатки половых желёз. Из них образуются сперматогонии и оогонии. Именно в этих клетках «стираются» эпигенетические метки родителей, включая импринтинг, и устанавливаются заново по полу зародыша. Обособление половой линии от соматической давно предсказал немецкий биолог Август Вейсман («зародышевая плазма», 1880-е гг.).

Сроки и тератогены

Знание этих сроков объясняет правило «всё или ничего» в первые две недели: повреждение части тотипотентных или плюрипотентных клеток либо компенсируется другими, либо ведёт к гибели зародыша, но не к порокам. Пороки возникают позже, при закладке органов — с 3-й по 8-ю неделю (подробнее — в статье серии о медицинской генетике).

4. Почему клетки с одинаковыми генами разные

Все клетки тела человека (кроме половых и некоторых клеток иммунной системы) несут одинаковый набор генов — тот, что был в зиготе. Нейрон и лимфоцит отличаются не генами, а тем, какие гены в них работают. Это и есть дифференцировка — включение одних генов и выключение других.

• Белки-регуляторы транскрипции связываются с регуляторными участками ДНК и включают или выключают гены. Набор таких белков определяет, кем станет клетка. Например, белок MyoD превращает клетку-предшественника в мышечную, и его искусственное включение даже в фибробластах заставляет их работать как мышечные клетки.
• Эпигенетические изменения — метилирование ДНК и модификации гистонов — закрепляют состояние клетки и передают его дочерним клеткам при делении. Поэтому клетка печени при делении даёт клетки печени, а не нейроны.
• Сигналы от соседних клеток и межклеточного вещества направляют выбор пути: в развивающемся зародыше одни и те же клетки становятся разными в зависимости от положения.

У плюрипотентных клеток работают особые гены-регуляторы — OCT4, SOX2, NANOG, — которые поддерживают «стволовое» состояние и держат выключенными гены специализации. При дифференцировке они выключаются.

Опыты Гёрдона: специализированное ядро сохраняет все гены

Сохраняются ли в специализированной клетке все гены или ненужные теряются? Ответ дал в 1962 г. английский биолог Джон Гёрдон. Он пересадил ядро из клетки кишечного эпителия головастика шпорцевой лягушки в яйцеклетку, лишённую собственного ядра, — и из части таких яйцеклеток развились нормальные головастики и даже взрослые лягушки. Значит, ядро специализированной клетки содержит все гены, нужные для развития целого организма, и его можно «перепрограммировать». Этот метод — перенос ядра соматической клетки — позже позволил клонировать млекопитающих: в 1996 г. в Шотландии родилась овца Долли, полученная из ядра клетки молочной железы взрослой овцы.

Опыт Гёрдона — классический довод в пользу генетической эквивалентности соматических клеток. Исключения — клетки, теряющие ядро (эритроциты млекопитающих), и лимфоциты, в которых при созревании перестраиваются гены антител и рецепторов.

5. Стволовые клетки растений

У растений стволовые клетки сосредоточены в меристемах — образовательных тканях. Верхушечная меристема побега постоянно образует новые листья и стебель, верхушечная меристема корня — клетки корня; камбий обеспечивает рост стебля в толщину. Благодаря меристемам растения растут всю жизнь, а некоторые деревья живут тысячи лет. В центре верхушечной меристемы побега небольшая группа медленно делящихся стволовых клеток поддерживается сигналами окружающих клеток — растительный аналог ниши.

Главное отличие растений от животных — огромная пластичность клеток. Многие специализированные клетки растений при повреждении или в культуре могут «вернуться» в недифференцированное состояние, образовать бесформенную массу клеток — каллус, — а из него при определённом соотношении гормонов (ауксинов и цитокининов) — целое растение. Это значит, что многие клетки растений тотипотентны. Впервые целое растение из одной соматической клетки (моркови) вырастил в 1950-х гг. американский учёный Фредерик Стюард.

На этом основано клональное микроразмножение: из кусочка ткани или меристемы в пробирке получают тысячи генетически одинаковых растений. Так размножают картофель, клубнику, бананы, орхидеи; растения, выращенные из верхушечной меристемы, часто оказываются свободными от вирусов, потому что вирусы не успевают проникнуть в быстро делящиеся клетки верхушки. Культура тканей используется и в селекции, о которой пойдёт речь в следующей серии статей — о доместикации и селекции.

6. Эмбриональные стволовые клетки

На 5–6-й день после оплодотворения зародыш человека — бластоциста — состоит примерно из 100–200 клеток. Наружный слой (трофэктодерма) образует потом плаценту, а внутренняя клеточная масса из нескольких десятков клеток — самого зародыша. Если клетки внутренней клеточной массы перенести в культуру в особых условиях, они могут делиться неограниченно долго, сохраняя плюрипотентность. Это и есть эмбриональные стволовые клетки.

Впервые их получили у мышей в 1981 г. британцы Мартин Эванс и Мэтью Кауфман [1] и независимо американка Гейл Мартин. Мышиные эмбриональные клетки позволили создавать мышей с выключенными генами — «нокаутных» мышей; за этот метод Эванс, Марио Капекки и Оливер Смитис получили Нобелевскую премию 2007 г. Эмбриональные стволовые клетки человека получил в 1998 г. американец Джеймс Томсон из «лишних» эмбрионов, оставшихся после экстракорпорального оплодотворения и переданных для исследований с согласия доноров [2].

Свойства

• Неограниченное деление в культуре при сохранении нормального кариотипа (хотя при длительном культивировании иногда накапливаются хромосомные изменения).
• Плюрипотентность: при изменении условий культуры они дифференцируются в клетки всех трёх зародышевых листков — нейроны, кардиомиоциты, клетки печени, поджелудочной железы, крови.
• Высокая активность фермента теломеразы, поддерживающего длину теломер.
• Если ввести их мышам с ослабленным иммунитетом, они образуют тератому — опухоль из смеси разных тканей (кожи, хряща, кишечного эпителия, нервной ткани). Это стандартный тест плюрипотентности и одновременно главная опасность при их использовании для лечения: даже немного недифференцированных клеток в трансплантате могут дать опухоль.

Трудности

Для получения эмбриональных стволовых клеток разрушают бластоцисту, и это вызывает этические возражения: для части общества ранний зародыш имеет моральный статус человека. Поэтому законодательство разных стран сильно различается — от разрешения исследований на «лишних» эмбрионах до полного запрета. Кроме того, клетки, полученные из чужого эмбриона, генетически чужие для больного, и при пересадке их отторгает иммунная система. Обе проблемы помогло решить открытие индуцированных плюрипотентных клеток.

7. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки

В 2006 г. японский учёный Синъя Яманака и его сотрудник Кадзутоси Такахаси сделали открытие, которое многие считали невозможным. Они ввели в фибробласты кожи мыши всего четыре гена регуляторов транскрипции — Oct4, Sox2, Klf4 и c-Myc — и часть клеток превратилась в клетки, неотличимые от эмбриональных стволовых [3]. Их назвали индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК). Через год то же удалось сделать с клетками кожи взрослого человека [4]. В 2012 г. Яманака и Гёрдон получили Нобелевскую премию за открытие того, что специализированные клетки можно перепрограммировать в плюрипотентные.

Как нашли «четыре фактора»

Яманака начал с 24 генов, активных в эмбриональных стволовых клетках, и ввёл их в фибробласты все вместе — некоторые клетки стали плюрипотентными. Затем он по одному исключал гены из набора и смотрел, без каких перепрограммирование перестаёт работать. Так из 24 остались 4. Изящный пример логики эксперимента: исключение каждого фактора проверяет его необходимость.

Что это дало

• Клетки самого больного. Из клеток кожи или крови пациента можно получить ИПСК, а из них — нужные клетки, генетически идентичные пациенту, которые не будут отторгаться.
• Модели болезней «в пробирке». ИПСК больного содержат его мутации. Превратив их в нейроны, кардиомиоциты или клетки печени, можно изучать, как болезнь развивается в его клетках, и испытывать на них лекарства. Так изучают болезнь Паркинсона, боковой амиотрофический склероз, наследственные аритмии, СМА.
• Исправление мутаций. В ИПСК больного можно исправить мутацию редактированием генома и сравнить «больные» и «исправленные» клетки с одинаковым остальным генотипом — идеальный контроль.
• Меньше этических проблем. Эмбрионы не нужны.

Первые применения

В 2014 г. японские офтальмологи впервые пересадили больной возрастной макулярной дегенерацией (болезнью сетчатки) пласт клеток пигментного эпителия сетчатки, выращенный из её собственных ИПСК; через год пересаженные клетки сохранялись, а ухудшение зрения остановилось [5]. В 2025 г. опубликованы результаты испытания, в котором больным болезнью Паркинсона пересадили в мозг предшественников дофаминовых нейронов, полученных из ИПСК донора; клетки прижились и вырабатывали дофамин, а у части больных уменьшились двигательные нарушения [6]. Испытываются также клетки сердечной мышцы, хряща, бета-клетки поджелудочной железы, клетки крови.

Опасности

Один из четырёх факторов — c-Myc — онкоген, а сами плюрипотентные клетки способны давать тератомы. Поэтому сегодня используют методы перепрограммирования без встраивания генов в хромосомы, тщательно удаляют недифференцированные клетки из трансплантата и проверяют геном получившихся клеток на опасные мутации. Перепрограммирование также не полностью «стирает» эпигенетическую память исходной клетки.

8. Перепрограммирование: что происходит в клетке

Как четыре белка превращают клетку кожи в плюрипотентную? Факторы Яманаки — регуляторы транскрипции. Они связываются с регуляторными участками тысяч генов: включают гены плюрипотентности (в том числе собственные гены OCT4, SOX2, NANOG, которые затем поддерживают себя сами) и подавляют гены специализации фибробласта. За 2–3 недели в клетке перестраивается рисунок метилирования ДНК и модификаций гистонов, меняется форма клетки и обмен веществ (клетка переходит на гликолиз, как эмбриональные клетки), удлиняются теломеры.

Процесс неэффективен: большинство клеток «застревает» на полпути, гибнет или превращается во что-то иное. Отчасти это связано с тем, что эпигенетические «замки» специализированного состояния прочны, — в этом их биологический смысл: клетки тела не должны случайно превращаться в другие.

Прямое перепрограммирование

Можно обойтись и без возврата к плюрипотентности. В 2010 г. американские учёные из лаборатории Мариуса Вернига превратили фибробласты мыши прямо в работающие нейроны, введя всего три гена регуляторов нейронного развития [7]. Так же получены кардиомиоциты, клетки печени, кроветворные клетки из других типов клеток. Это называют прямым перепрограммированием (трансдифференцировкой). Его преимущество — меньший риск опухолей, так как клетки не проходят плюрипотентную стадию. Учёные пытаются проводить такое перепрограммирование прямо в организме — например, превращать клетки рубца в сердце в кардиомиоциты или клетки глии в нейроны после инсульта.

Частичное перепрограммирование и старение

Перепрограммирование «обнуляет» многие признаки клеточного старения: удлиняются теломеры, восстанавливается работа митохондрий, эпигенетический «возраст» клетки становится как у эмбриональной. В 2016 г. испанские учёные кратковременно, циклами, включали факторы Яманаки в клетках мышей с ускоренным старением — так, чтобы клетки не теряли специализацию, — и мыши прожили дольше, а их ткани восстанавливались лучше [8]. Это направление вызывает огромный интерес, но до применения у человека далеко: слишком долгое включение факторов приводит к тератомам.

Эпигенетические часы

Рисунок метилирования ДНК в определённых участках генома закономерно меняется с возрастом, и по нему можно с точностью до нескольких лет оценить возраст человека — это «эпигенетические часы». У ИПСК «часы» сбрасываются почти до нуля, независимо от возраста донора клеток. Это прямое свидетельство того, что многие возрастные изменения клетки обратимы.

9. Кроветворные стволовые клетки

Самые изученные стволовые клетки взрослого человека — кроветворные (гемопоэтические). Они находятся в основном в красном костном мозге плоских костей и концах трубчатых костей. Каждый день организм взрослого человека производит около 200 миллиардов эритроцитов и десятки миллиардов лейкоцитов и тромбоцитов — всё это потомки небольшой популяции стволовых клеток.

Как их открыли

В 1961 г. канадские исследователи Джеймс Тилл и Эрнест Маккаллок облучали мышей смертельной дозой, разрушающей кроветворение, и вводили им клетки костного мозга здоровых мышей. Через 10 дней на селезёнке появлялись бугорки — колонии кроветворных клеток. Число колоний было пропорционально числу введённых клеток [9]. Позже они показали, что каждая колония происходит от одной клетки и содержит клетки разных ростков крови, а некоторые клетки колонии при пересадке снова образуют колонии. Так впервые доказали существование стволовой клетки, способной к самообновлению и дифференцировке в разные типы.

В те же годы в СССР гематолог Александр Фриденштейн обнаружил в костном мозге другие клетки — стромальные, образующие кость, хрящ и поддерживающую ткань костного мозга. Позже их назвали мезенхимными стромальными клетками.

Иерархия кроветворения

Кроветворная стволовая клетка даёт два главных направления: лимфоидное (B- и T-лимфоциты, естественные киллеры) и миелоидное (эритроциты, тромбоциты, гранулоциты, моноциты). На каждом шаге выбор направления определяется сигнальными белками — цитокинами — и регуляторами транскрипции. Например, гормон почек эритропоэтин усиливает образование эритроцитов при недостатке кислорода; его на этом основании вводят при анемиях.

Пересадка костного мозга

Пересадка кроветворных стволовых клеток — первое и до сих пор самое распространённое лечение стволовыми клетками. Её разработал американский врач Эдвард Донналл Томас в 1950–1970-х гг.; в 1990 г. он получил Нобелевскую премию. Сегодня в мире проводят более 90 тысяч таких пересадок в год.

• Для чего: лейкозы и лимфомы (после высокодозной химиотерапии, уничтожающей и опухоль, и кроветворение), апластическая анемия, тяжёлые иммунодефициты, β-талассемия, серповидноклеточная анемия, некоторые болезни обмена.
• Источник клеток: костный мозг (пунктат из подвздошной кости), периферическая кровь после введения донору препарата, «выгоняющего» стволовые клетки из костного мозга, пуповинная кровь.
• Совместимость. Донор должен быть максимально совместим с больным по генам HLA, иначе пересаженные лимфоциты донора атакуют ткани больного (реакция «трансплантат против хозяина»). Лучший донор — совместимый брат или сестра (вероятность совместимости с сибсом — 1/4, так как гены HLA наследуются блоком от каждого родителя). Если такого нет, ищут неродственного донора в регистрах, где миллионы добровольцев сдали образцы для типирования HLA. В России с 2020-х гг. развивается Национальный регистр доноров костного мозга.
• Аутологичная пересадка — собственных клеток, заготовленных до химиотерапии, — применяется, например, при миеломе и лимфомах.

После пересадки от донора кровь больного приобретает генотип донора: если донор другого пола, в клетках крови больного определяется кариотип донора. Это пример химеризма, о котором шла речь в статье о кариотипе.

Как стать донором костного мозга

Совместимого родственного донора находят примерно для трети больных, нуждающихся в пересадке. Остальным помогают регистры неродственных доноров. Чтобы вступить в регистр, взрослый здоровый человек сдаёт небольшую пробирку крови или мазок со щеки; по ним определяют гены HLA и вносят данные в базу. Если когда-нибудь найдётся больной с совпадающим типом HLA — это может произойти через годы или не произойти вовсе, — донора приглашают на дополнительное обследование и саму донацию. Чаще всего стволовые клетки получают из крови: несколько дней донору вводят препарат, выводящий стволовые клетки из костного мозга в кровь, а затем на аппарате отбирают нужные клетки, возвращая остальную кровь. Шанс найти совместимого донора выше среди людей того же происхождения, поэтому так важно, чтобы регистры в каждой стране были большими и разнообразными.

10. Кроветворение до рождения

У зародыша кроветворение несколько раз меняет место.

1. Желточный мешок (с 3-й недели). Первые клетки крови — крупные ядерные эритроциты — образуются в «кровяных островках» стенки желточного мешка. Они содержат особые эмбриональные гемоглобины.
2. Печень (с 6-й недели до рождения). Главный орган кроветворения плода. Здесь образуются эритроциты, содержащие фетальный гемоглобин (HbF, две α-цепи и две γ-цепи).
3. Селезёнка — вспомогательный орган кроветворения во втором триместре.
4. Костный мозг — с конца второго триместра; после рождения — единственное место кроветворения у здорового человека.

Настоящие кроветворные стволовые клетки, способные заселить костный мозг, возникают в области крупных сосудов зародыша — из особых клеток внутренней стенки аорты, — затем заселяют печень, а позже костный мозг.

Переключение гемоглобинов

Фетальный гемоглобин связывает кислород прочнее, чем гемоглобин взрослого, и это помогает плоду забирать кислород из крови матери в плаценте. Около рождения синтез γ-цепей выключается, а β-цепей — включается, и к полугоду у ребёнка почти весь гемоглобин — взрослый HbA. Это классический пример регуляции генов в развитии: гены γ- и β-глобинов лежат рядом в одном кластере 11-й хромосомы и включаются по очереди под управлением общего регуляторного участка.

Ключевой «выключатель» γ-глобина — белок BCL11A. Именно поэтому лечение серповидноклеточной анемии редактированием генома направлено на регуляторный участок гена BCL11A в кроветворных стволовых клетках: если его выключить, эритроциты снова производят фетальный гемоглобин, который не образует волокон, и болезнь отступает. Люди с наследственным сохранением фетального гемоглобина подсказали эту идею: если у больного серповидноклеточной анемией высок HbF, болезнь протекает легко.

Почему симптомы гемоглобинопатий начинаются после рождения

Пока у плода и новорождённого работает γ-глобин, мутации гена β-глобина (серповидноклеточная анемия, β-талассемия) не проявляются. Симптомы возникают в возрасте от нескольких месяцев до года, когда β-цепи заменяют γ-цепи. Это пример того, как время включения гена определяет возраст начала наследственной болезни.

11. Стволовые клетки в тканях взрослого организма

В кишечнике стволовые клетки, найденные в 2007 г. голландским биологом Хансом Клеверсом по белку Lgr5, делятся примерно раз в сутки, а их потомки поднимаются по ворсинке и через несколько дней слущиваются. Из одной такой клетки в культуре удалось вырастить трёхмерную «мини-кишку» — органоид — с криптами и ворсинками.

Ткани, которые почти не обновляются

Сердечная мышца взрослого человека обновляется очень медленно — менее 1 % клеток в год, — поэтому после инфаркта погибшие кардиомиоциты замещаются рубцом. Нейроны большинства отделов мозга живут всю жизнь. Это один из главных поводов искать способы получать такие клетки из плюрипотентных.

Как измерили «возраст» клеток

Шведский учёный Йонас Фризен придумал определять возраст клеток человека по радиоуглероду. Испытания ядерного оружия в 1955–1963 гг. резко повысили содержание углерода-14 в атмосфере, а затем оно постепенно снижалось. ДНК клетки «запоминает» содержание углерода-14 на момент своего синтеза при последнем делении. Сравнивая его с атмосферной кривой, можно узнать, когда клетка образовалась. Так выяснили, что кардиомиоциты взрослого человека обновляются примерно на 1 % в год в молодости и ещё медленнее в старости, а жировые клетки — около 10 % в год.

Стволовые клетки и старение

С возрастом стволовые клетки делятся хуже, накапливают мутации, их ниши меняются. В крови пожилых людей нередко один клон кроветворных стволовых клеток с мутацией (например, в гене DNMT3A или TET2) вытесняет остальные — это называют клональным кроветворением. Оно встречается более чем у 10 % людей старше 70 лет и повышает риск лейкозов и, неожиданно, сердечно-сосудистых болезней.

Стволовые клетки сперматогенеза и возраст отца

Сперматогонии — унипотентные стволовые клетки, которые всю жизнь мужчины поддерживают образование сперматозоидов. К 30 годам каждая из них проходит около 400 митотических делений, к 50 годам — больше 800. При каждой репликации ДНК возможны ошибки, поэтому число новых мутаций у ребёнка растёт с возрастом отца: в среднем на одну-две мутации за каждый год. У женщин все ооциты образуются до рождения, и такого накопления почти нет. Кроме того, некоторые мутации (например, в генах FGFR3 и FGFR2, вызывающие ахондроплазию и синдромы черепно-лицевых аномалий) дают сперматогониям преимущество в делении: клоны мутантных сперматогоний разрастаются в яичке с возрастом. Поэтому такие болезни особенно связаны с поздним отцовством — пример «эгоистичного отбора» стволовых клеток.

Почему мы седеем и лысеем

Цвет волос создают меланоциты волосяного фолликула, которые постоянно пополняются из меланоцитарных стволовых клеток, живущих в верхней части фолликула. С возрастом этих стволовых клеток становится меньше, они хуже обновляются или «застревают» в неправильном месте фолликула и перестают давать пигментные клетки, — волос растёт седым. Стресс, по данным опытов на мышах, ускоряет этот процесс: выброс норадреналина нервами заставляет меланоцитарные стволовые клетки разом дифференцироваться и истощает их запас. При облысении же стволовые клетки волосяных фолликулов сохраняются, но перестают активироваться — поэтому учёные ищут способы «разбудить» их.

12. Мезенхимные стромальные клетки и клетки-сателлиты

Мезенхимные стромальные клетки

В костном мозге, жировой ткани, пуповине есть клетки, которые в культуре прикрепляются к пластику, размножаются и при определённых условиях превращаются в клетки кости, хряща и жира. Их называют мезенхимными стромальными (иногда — мезенхимными стволовыми) клетками. Их открытие связано с работами Александра Фриденштейна в Москве в 1960–1970-х гг.

Вокруг этих клеток много путаницы. Строго доказанные стволовые свойства (самообновление в организме) есть лишь у части из них, и многие учёные предпочитают называть их «стромальными». Их пробуют применять при множестве болезней — от болезней суставов до инсульта и реакции «трансплантат против хозяина». Главный эффект, видимо, связан не с превращением в клетки повреждённой ткани, а с выделением сигнальных веществ, подавляющих воспаление. Эффективность доказана лишь для немногих показаний, и именно эти клетки чаще всего используют клиники недоказанной «терапии».

Клетки-сателлиты: стволовые клетки мышц

Мышечное волокно — огромная многоядерная клетка, ядра которой не делятся. Восстановление мышц после травмы обеспечивают клетки-сателлиты — маленькие стволовые клетки, лежащие между мембраной волокна и окружающей его базальной мембраной. В покое они не делятся. При повреждении они активируются, размножаются, сливаются друг с другом и с повреждёнными волокнами, восстанавливая мышцу; часть возвращается в покой, пополняя запас.

При миодистрофии Дюшенна волокна разрушаются постоянно, и клетки-сателлиты вынуждены непрерывно их восстанавливать. Со временем их запас истощается, и мышца замещается соединительной и жировой тканью. Поэтому пересадка мышечных стволовых клеток и восстановление гена дистрофина в клетках-сателлитах рассматриваются как пути лечения этой болезни.

Физические тренировки тоже связаны с клетками-сателлитами: при росте мышечных волокон новые ядра в них добавляются за счёт слияния с клетками-сателлитами. Эти ядра, по данным опытов на мышах, сохраняются долго — возможно, поэтому ранее тренированные мышцы быстрее восстанавливают силу («мышечная память»).

13. Лечение стволовыми клетками: что работает сегодня

Мальчик с новой кожей

Одна из самых впечатляющих историй произошла в 2015 г. в Германии. Семилетний мальчик страдал тяжёлым буллёзным эпидермолизом — наследственной болезнью, при которой из-за мутации гена белка ламинина эпидермис отслаивается от кожи при малейшем трении. Он потерял около 80 % кожи и был при смерти. Итальянские и немецкие учёные взяли у него маленький участок здоровой кожи, ввели в стволовые клетки эпидермиса нормальный ген с помощью ретровирусного вектора, вырастили пласты кожи и пересадили их почти на всё тело. Кожа прижилась и продолжала обновляться годами, мальчик вернулся в школу [10]. Анализ показал, что новую кожу поддерживает небольшое число долгоживущих стволовых клеток, а остальные клетки постепенно исчезли.

Роговица и лимбальные стволовые клетки

Прозрачный эпителий роговицы постоянно обновляется за счёт стволовых клеток лимба — узкой полоски на границе роговицы и белка глаза. При химических ожогах глаза лимб разрушается, роговица зарастает мутной тканью с сосудами, и человек слепнет. Если лимб сохранился хотя бы на одном глазу, у больного берут маленький кусочек ткани, выращивают из него пласт эпителия со стволовыми клетками и пересаживают на повреждённый глаз. В 2015 г. такой препарат, разработанный итальянскими учёными, первым среди препаратов на основе стволовых клеток (кроме кроветворных) был одобрен в Европе; у большинства больных зрение восстанавливалось на годы.

Пуповинная кровь

Кровь пуповины и плаценты богата кроветворными стволовыми клетками. Её можно заморозить и использовать для пересадки, причём требования к совместимости по HLA мягче, чем для костного мозга. Существуют общественные банки, принимающие пуповинную кровь в дар для любого нуждающегося больного, и частные, где семья хранит кровь «для себя». Специалисты отмечают, что вероятность того, что ребёнку понадобится его собственная пуповинная кровь, очень мала, а при наследственных болезнях собственные клетки несут ту же мутацию. Поэтому медицинские организации поддерживают в первую очередь донорство пуповинной крови в общественные банки.

Осторожно: «лечение стволовыми клетками» без доказательств

Слово «стволовые клетки» стало модным, и многие клиники предлагают за большие деньги «лечение стволовыми клетками» от аутизма, рассеянного склероза, старения, бесплодия, травм позвоночника. Чаще всего эффективность таких процедур не доказана, а осложнения бывают тяжёлыми: инфекции, опухоли, слепота после введения клеток в глаз. Признаки сомнительного предложения: обещание вылечить множество разных болезней одним методом; отсутствие опубликованных результатов клинических испытаний; высокая цена при «гарантии» результата. Международное общество исследования стволовых клеток публикует руководства для пациентов, помогающие отличить научное лечение от мошенничества.

14. Органоиды и модели болезней

В 2009–2013 гг. биологи обнаружили, что стволовые клетки в трёхмерной культуре, в мягком гелеобразном матриксе и с правильным набором сигнальных молекул, сами собираются в миниатюрные структуры, похожие на органы, — органоиды. Из кишечных стволовых клеток выросли «мини-кишки» с криптами и ворсинками, из плюрипотентных — «мини-почки», «мини-печень», зачатки глаза с сетчаткой. В 2013 г. австрийские исследователи вырастили из ИПСК человека органоиды мозга размером несколько миллиметров со слоями, похожими на кору развивающегося мозга [11].

Органоиды открыли новые возможности:

• Изучать развитие человека, которое невозможно наблюдать напрямую. Например, органоиды мозга из ИПСК больного микроцефалией показали, почему мозг у него не дорастает: стволовые клетки слишком рано переходят к образованию нейронов и истощаются.
• Моделировать болезни. Органоиды из клеток больных муковисцидозом позволяют проверить, поможет ли конкретному больному модулятор CFTR: при работающем канале органоид кишки набухает, втягивая воду. Такой тест используют для подбора лечения при редких мутациях.
• Изучать инфекции. На органоидах мозга показали, как вирус Зика поражает нервные стволовые клетки и вызывает микроцефалию; на органоидах кишки и лёгких изучали коронавирус.
• Испытывать лекарства на тканях человека, а не только животных, и на опухолевых органоидах, выращенных из опухоли конкретного больного.

Органоиды — не настоящие органы: у них нет кровеносных сосудов, иммунных клеток, нервов, и они намного меньше. Но для многих задач они ближе к человеку, чем мышь.

15. Почему тритон отращивает лапу, а человек — нет

Способность к регенерации у животных очень различна. Планарии восстанавливают целое тело из маленького кусочка благодаря стволовым клеткам — необластам, составляющим до четверти их клеток. Тритоны и аксолотли отращивают конечности, хвост, части сердца и глаза: клетки у места повреждения теряют специализацию, образуют скопление — бластему — и заново проходят развитие. У млекопитающих регенерация гораздо скромнее: печень восстанавливает массу после удаления части (гепатоциты делятся), кожа и кости заживают, у детей может отрасти кончик пальца, а у мышей-иглошёрстых восстанавливается кожа с волосами без рубцов.

Почему так? Одна из гипотез: у теплокровных быстрое образование рубца защищает от кровопотери и инфекции, но мешает регенерации; кроме того, у млекопитающих сильнее подавлено деление специализированных клеток, что снижает риск рака. Изучение регенерации у разных животных — одно из направлений поиска способов «разбудить» её у человека; подробнее о генах, управляющих этим, — в статье «HOX-гены и регенерация».

16. Стволовые клетки и рак

У стволовых клеток и раковых клеток много общего: и те и другие способны к длительному делению, у них активна теломераза, они мало специализированы. Это не случайно.

• Мутации в стволовых клетках. Стволовые клетки живут долго и делятся много раз, поэтому в них накапливаются мутации. Анализ показал, что риск рака в разных органах хорошо связан с общим числом делений стволовых клеток в них: в толстой кишке, где стволовые клетки делятся постоянно, рак гораздо чаще, чем в тонкой, а в костях и мозге — реже. Это не значит, что рак — «просто невезение»: внешние факторы (курение, ультрафиолет, вирусы) многократно увеличивают число мутаций.
• Опухолевые стволовые клетки. В некоторых опухолях, например при лейкозах, только небольшая часть клеток способна поддерживать рост опухоли и давать новые опухоли при пересадке. Их называют опухолевыми стволовыми клетками. Они часто менее чувствительны к химиотерапии, и рецидивы связывают с их выживанием.
• Плюрипотентные клетки и тератомы. Эмбриональные и индуцированные плюрипотентные клетки при введении в организм образуют тератомы; поэтому в клеточной терапии используют только полностью дифференцированные потомки.

Поэтому любая клеточная терапия требует тщательной проверки на безопасность: генетический анализ клеток, проверку на отсутствие недифференцированных клеток, долгое наблюдение за пациентами.

17. Этические вопросы

• Статус эмбриона. Получение эмбриональных стволовых клеток требует разрушения бластоцисты. Для одних это недопустимо, для других допустимо использовать «лишние» эмбрионы после ЭКО, которые иначе были бы уничтожены. В разных странах законы различаются. В России закон о биомедицинских клеточных продуктах (2016) запрещает создавать эмбрион человека для получения клеточных продуктов и использовать в них клетки, полученные путём прерывания развития эмбриона или плода.
• Клонирование. Перенос ядра соматической клетки человека в яйцеклетку для рождения ребёнка («репродуктивное клонирование») запрещён практически во всех странах; в России действует запрет, введённый в 2002 г. как временный и затем продлённый бессрочно.
• Модели зародыша из стволовых клеток. В 2020-х гг. из плюрипотентных клеток научились получать структуры, похожие на ранние зародыши. Их изучение помогает понять причины бесплодия и выкидышей, но требует новых правил: международные рекомендации запрещают переносить такие структуры в матку и культивировать их дольше определённого срока.
• Доступность и мошенничество. Дорогие методы недоступны многим, а на надеждах больных зарабатывают клиники недоказанной «терапии».
• Согласие доноров клеток, эмбрионов, пуповинной крови.

Открытие ИПСК сняло часть этих проблем, но не все: из ИПСК теоретически можно получить и половые клетки, и модели зародышей, и эти возможности тоже нуждаются в общественном обсуждении.

18. Стволовые клетки как инструмент генетики

Эмбриональные стволовые клетки мыши стали одним из главных инструментов генетики XX в.: они позволили узнать функцию тысяч генов.

1. В эмбриональные стволовые клетки мыши вводят изменённую копию гена; в редких клетках она заменяет собственный ген в результате гомологичной рекомбинации. Так получают клетки с «выключенным» (нокаутированным) геном.
2. Эти клетки вводят в бластоцисту другой мыши. Зародыш развивается в химеру — мышь, часть клеток которой происходит из введённых стволовых клеток. Если окраска шерсти у линий разная, химеру видно сразу — она пёстрая.
3. Если изменённые клетки дали начало половым клеткам химеры, её потомки несут изменённый ген во всех клетках. Скрещивая их, получают гомозиготных мышей с выключенным геном и изучают, что пошло не так.

Так создали мышиные модели муковисцидоза, миодистрофии Дюшенна, болезни Альцгеймера, рака и многих других болезней. Сегодня гены у мышей и других животных чаще выключают редактированием генома прямо в зиготе, но логика осталась прежней: функцию гена узнают, наблюдая последствия его утраты.

Человеческие клетки «в пробирке»

Для генетики человека ту же роль начинают играть ИПСК. В них можно выключить или исправить любой ген и получить из них нужный тип клеток. Например, сравнивая нейроны из ИПСК больных и здоровых людей, изучают шизофрению и аутизм; выключая гены по одному в миллионах клеток одновременно и прочитывая результат секвенированием, находят гены, необходимые для выживания клеток или для действия лекарств. Это помогает понять функцию генов человека, которую нельзя изучить, выключая гены у людей.

19. Что впереди

• Бета-клетки при диабете 1-го типа. Из плюрипотентных клеток научились получать клетки, вырабатывающие инсулин в ответ на глюкозу. В клинических испытаниях пересадка таких клеток позволила части больных отказаться от инъекций инсулина. Остаётся проблема иммунной атаки, которая и вызвала диабет: клетки либо защищают капсулой, либо генетически «маскируют» от иммунной системы, либо больному назначают подавляющие иммунитет препараты.
• Клетки сердца из ИПСК испытывают при сердечной недостаточности: пласты кардиомиоцитов накладывают на поверхность сердца.
• Банки ИПСК. Получать клетки для каждого больного долго и дорого. Поэтому создают банки ИПСК от доноров с частыми сочетаниями аллелей HLA: в Японии подсчитали, что линии от нескольких десятков доноров совместимы с большинством населения страны.
• Универсальные клетки. Редактированием генома из клеток удаляют гены HLA, чтобы их не распознавала иммунная система любого реципиента.
• Органы. Изучают выращивание органов человека в зародышах животных (свиней), у которых выключены гены развития нужного органа, а также пересадку органов генетически изменённых свиней людям — ксенотрансплантацию. В 2022–2024 гг. в США провели первые пересадки людям сердца и почек таких свиней; это пока единичные экспериментальные случаи.
• Гаметы из ИПСК. Если удастся получать у человека яйцеклетки и сперматозоиды из клеток кожи, это изменит лечение бесплодия, но потребует решения сложнейших этических вопросов.

20. Итог: что важно знать

• Стволовые клетки способны к самообновлению и к дифференцировке в специализированные клетки; находятся в особом микроокружении — нише.
• По потенциалу: тотипотентные (зигота и первые бластомеры — весь организм и плацента), плюрипотентные (все клетки тела), мультипотентные (несколько типов одной системы), унипотентные.
• Все клетки тела несут одинаковые гены; различия клеток определяются тем, какие гены работают (регуляторы транскрипции, эпигенетические метки, сигналы); это доказали опыты Гёрдона с пересадкой ядер.
• Эмбриональные стволовые клетки получают из внутренней клеточной массы бластоцисты (у мыши — 1981 г., у человека — 1998 г.); они плюрипотентны и образуют тератомы.
• Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки получают перепрограммированием клеток взрослого четырьмя факторами (Яманака, 2006–2007 гг.; Нобелевская премия 2012 г.).
• Стволовые клетки взрослого: кроветворные (костный мозг), кишечные (крипты), эпидермальные, мышечные клетки-сателлиты, нервные.
• Пересадка кроветворных стволовых клеток — стандартное лечение лейкозов, иммунодефицитов, гемоглобинопатий; важна совместимость по HLA.
• Органоиды из стволовых клеток — модели органов и болезней человека.
• Этические вопросы: статус эмбриона, клонирование, недоказанные «лечения» стволовыми клетками.

21. Частые ошибки

• «Стволовые клетки есть только у зародыша». Во взрослом организме они есть в костном мозге, кишечнике, коже, мышцах и других тканях.
• «Стволовые клетки взрослого могут превратиться в любые клетки». Большинство из них мультипотентны или унипотентны; плюрипотентны эмбриональные и индуцированные.
• «При дифференцировке клетка теряет ненужные гены». Гены сохраняются (кроме особых случаев), меняется их активность.
• «Плюрипотентные клетки могут дать целый организм». Плюрипотентные дают все клетки тела, но не внезародышевые органы; целый организм может дать тотипотентная клетка.
• «Пересадка костного мозга — это пересадка спинного мозга». Красный костный мозг — кроветворная ткань внутри костей; он не имеет отношения к нервной системе.
• «Индуцированные стволовые клетки получают из эмбрионов». Их получают из клеток взрослого (кожи, крови) перепрограммированием.
• «Чем больше стволовых клеток ввести, тем лучше». Недифференцированные клетки опасны образованием опухолей; эффективность клеточной терапии доказана лишь для определённых болезней.
• «Эритроциты образуются в печени и селезёнке». У взрослого человека — в красном костном мозге; печень и селезёнка кроветворят у плода.
• «Клетки растений не могут вернуться в недифференцированное состояние». Наоборот, многие клетки растений легко образуют каллус и даже целое растение — растительные клетки обладают высокой тотипотентностью.
• «После пересадки костного мозга у больного меняется генотип всех клеток». Генотип донора приобретают только клетки крови и иммунной системы; остальные ткани сохраняют генотип больного.

22. Интересные факты

• Термин «стволовая клетка» ввёл в начале XX в. русский гистолог Александр Максимов, предположивший, что все клетки крови происходят от общей клетки-предшественницы. Его доклад 1908 г. в Берлине считают началом учения о стволовых клетках крови.
• Джона Гёрдона в школе считали неспособным к естественным наукам: учитель биологии написал в характеристике, что его мечта стать учёным «совершенно нелепа». Эта характеристика висела в рамке над его рабочим столом, а через 50 лет он получил Нобелевскую премию.
• Одна кроветворная стволовая клетка мыши, пересаженная облучённой мыши, может полностью восстановить всё её кроветворение.
• Аксолотль — мексиканская амбистома — способен восстанавливать конечности, хвост, часть сердца и даже части мозга. Его геном в 10 раз больше человеческого.
• Морская медуза Turritopsis dohrnii может «обратить развитие»: взрослая медуза при стрессе превращается обратно в полип, — её называют «бессмертной медузой».
• Из клеток кожи с помощью ИПСК удалось получить у мышей яйцеклетки, из которых после оплодотворения родились здоровые мышата. У человека пока получены лишь клетки-предшественники половых клеток.
• В 2004–2005 гг. южнокорейский исследователь Хван У Сок объявил о получении эмбриональных стволовых клеток человека из клонированных эмбрионов. Его статьи оказались фальсификацией и были отозваны — один из самых громких научных скандалов XXI в.
• Мезенхимные стромальные клетки зуба есть в пульпе молочных зубов; некоторые компании предлагают их хранить, хотя медицинское применение пока не доказано.
• Однажды стволовые клетки спасли тысячи людей ещё до того, как их назвали так: в 1958 г. югославские физики, облучённые при аварии на ядерном реакторе в Винче, получили во Франции переливание костного мозга — одну из первых попыток пересадки костного мозга у человека.
• Яманака начинал карьеру хирургом-ортопедом, но, по его словам, был так неловок в операционной, что коллеги прозвали его «Джамака» (от японского «помеха»); это и подтолкнуло его к науке.
• Стволовые клетки планарии настолько всемогущи, что одна-единственная пересаженная клетка-необласт способна восстановить всё тело облучённого червя, у которого собственные стволовые клетки погибли.
• В организме взрослого человека кроветворные стволовые клетки составляют лишь около одной клетки на десять-сто тысяч клеток костного мозга, но их хватает, чтобы всю жизнь обеспечивать образование триллионов клеток крови.
• Название «эмбриональная стволовая клетка» придумала Гейл Мартин в 1981 г., описав клетки, полученные из ранних зародышей мыши.

23. Частые вопросы

24. ЕГЭ

Тема завершает элемент 3.5 кодификатора [12]: «…Значение медицинской генетики в предотвращении и лечении генетических заболеваний человека. Стволовые клетки». На экзамене спрашивают об определении и свойствах стволовых клеток, о видах (эмбриональные и взрослые, тотипотентные, плюрипотентные), о местах их нахождения (красный костный мозг), об использовании в медицине, о дифференцировке клеток при одинаковом наборе генов.

Что обязательно знать к экзамену

• Определение стволовых клеток и два их свойства.
• Виды по потенциалу и по происхождению; примеры.
• Кроветворные стволовые клетки красного костного мозга и пересадка костного мозга.
• Причина различий клеток при одинаковом генотипе — дифференциальная активность генов.
• Значение для медицины и этические вопросы.

Разбор заданий части 1

Задание. Выберите три верных утверждения о стволовых клетках: 1) способны к самообновлению; 2) являются специализированными клетками; 3) кроветворные стволовые клетки находятся в красном костном мозге; 4) зигота — тотипотентная клетка; 5) не делятся; 6) встречаются только у зародышей. Ответ: 134.

Задание. Как называют клетки, способные дать начало всем клеткам тела, кроме внезародышевых органов? Ответ: плюрипотентные.

Разбор задания части 2

Задание. Все клетки организма человека имеют одинаковый набор генов. Почему клетки разных тканей различаются по строению и функциям? Ответ. 1) В процессе дифференцировки в разных клетках работают (транскрибируются) разные гены, остальные выключены. 2) Активность генов регулируют белки-регуляторы транскрипции и эпигенетические изменения (метилирование ДНК, модификации гистонов). 3) В результате в клетках синтезируются разные белки, определяющие строение и функции клеток.

Задание. Почему при лечении лейкоза после химиотерапии больному пересаживают костный мозг донора? Какое условие необходимо для успеха? Ответ. 1) Химиотерапия разрушает опухолевые клетки, но и нормальное кроветворение. 2) Кроветворные стволовые клетки донора заселяют костный мозг и восстанавливают образование всех клеток крови. 3) Донор должен быть совместим с больным по антигенам HLA, чтобы избежать отторжения и реакции «трансплантат против хозяина».

25. Для олимпиад

Расчёт Тилла и Маккаллока

Если 10⁵ клеток костного мозга дают в среднем 10 колоний в селезёнке, а доля клеток, попадающих в селезёнку, около 10 %, то частота колониеобразующих клеток — 10 / (10⁵ × 0,1) = 1/1000. Линейная зависимость числа колоний от числа введённых клеток доказывает, что каждая колония происходит от одной клетки (если бы для колонии нужны были две клетки, зависимость была бы квадратичной).

Сколько делений проходит кроветворная клетка

Ежедневно образуется около 2 × 10¹¹ эритроцитов. Если стволовая клетка через предшественников даёт 2ⁿ эритроцитов, то при n ≈ 17–20 удвоений одна делящаяся «ветвь» даёт сотни тысяч клеток. Поэтому немногие тысячи активных стволовых клеток могут обеспечивать огромную продукцию: основное «размножение» происходит на уровне быстро делящихся предшественников, а сами стволовые клетки делятся редко, что снижает накопление мутаций.

Асимметричное деление и вероятность

Пусть при каждом делении стволовой клетки с вероятностью p образуются две стволовые, с вероятностью p — две дифференцирующиеся, и с вероятностью 1 − 2p — одна стволовая и одна дифференцирующаяся. Тогда среднее число стволовых клеток не меняется, но в отдельных нишах линии стволовых клеток случайно вымирают или распространяются. В кишечных криптах это приводит к тому, что за несколько месяцев все стволовые клетки крипты оказываются потомками одной клетки («нейтральный дрейф»). Поэтому мутация, возникшая в одной стволовой клетке, может со временем занять всю крипту.

Импринтинг и партеногенетические клетки

Из партеногенетических зародышей (только материнский геном) у млекопитающих можно получить плюрипотентные клетки, но не целый организм: из-за импринтинга не работают отцовские гены. В 2004 г. японские исследователи получили мышь от двух матерей, изменив импринтинг в одном из геномов, — доказательство того, что именно импринтинг мешает партеногенезу у млекопитающих.

Перепрограммирование и эффективность

При классическом методе Яманаки плюрипотентными становятся лишь около 0,01–0,1 % клеток. Это говорит о том, что для перепрограммирования нужно преодолеть множество эпигенетических барьеров, и успешны лишь клетки, в которых случайно сложились подходящие условия.

26. Задания с разбором

Задание 1

Какие два свойства отличают стволовые клетки?

Задание 2

Установите соответствие между клеткой и потенциалом: А) зигота; Б) клетка внутренней клеточной массы бластоцисты; В) кроветворная стволовая клетка; Г) сперматогония. 1) тотипотентная; 2) плюрипотентная; 3) мультипотентная; 4) унипотентная.

Задание 3

Где у взрослого человека находятся кроветворные стволовые клетки?

Задание 4

Выберите три верных утверждения: 1) все соматические клетки человека содержат одинаковый набор генов; 2) в нейроне и лимфоците работают одни и те же гены; 3) дифференцировка связана с избирательной активностью генов; 4) эмбриональные стволовые клетки получают из бластоцисты; 5) индуцированные стволовые клетки получают из эмбрионов; 6) стволовые клетки не способны к делению.

Задание 5

Что доказали опыты Дж. Гёрдона с пересадкой ядер у лягушки?

Задание 6

Как получают индуцированные плюрипотентные стволовые клетки?

Задание 7

Назовите два преимущества индуцированных стволовых клеток перед эмбриональными.

Задание 8

Найдите ошибки. 1) Стволовые клетки есть только у зародыша. 2) Зигота — тотипотентная клетка. 3) Плюрипотентные клетки дают плаценту и весь организм. 4) Пересадку костного мозга применяют при лейкозах. 5) Эпителий кишки обновляется за счёт стволовых клеток крипт.

Задание 9

Почему однояйцевые близнецы могут образоваться при разделении зародыша на ранних стадиях?

Задание 10

Почему эмбриональные стволовые клетки при введении в организм могут образовать опухоль?

Задание 11

Почему лучший донор костного мозга — брат или сестра?

Задание 12

Чем стволовая клетка отличается от клетки-предшественника?

Задание 13

Почему после инфаркта сердечная мышца не восстанавливается?

Задание 14

Что такое органоиды и для чего их используют?

Задание 15

Как называют ткань внутри костей, где образуются клетки крови? Чем она отличается от спинного мозга?

Задание 16

Объясните роль ниши стволовой клетки.

Задание 17

После пересадки костного мозга от брата у женщины в лимфоцитах крови обнаружен кариотип 46,XY. Объясните.

Задание 18

Почему «лечение стволовыми клетками» от многих болезней, предлагаемое частными клиниками, может быть опасным?

Задание 19 (олимпиадное)

Введение 2 × 10⁵ клеток костного мозга даёт 20 колоний в селезёнке; в селезёнку попадает 10 % клеток. Найдите частоту колониеобразующих клеток. Почему число колоний растёт линейно с числом клеток?

Задание 20 (олимпиадное)

Почему нельзя получить млекопитающее из двух материнских геномов без изменения импринтинга, хотя партеногенетические плюрипотентные клетки получить можно?

Литература

1. Evans M. J., Kaufman M. H. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos // Nature. 1981. Vol. 292, № 5819. P. 154–156. DOI: 10.1038/292154a0.
2. Thomson J. A., Itskovitz-Eldor J., Shapiro S. S. et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts // Science. 1998. Vol. 282, № 5391. P. 1145–1147. DOI: 10.1126/science.282.5391.1145.
3. Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors // Cell. 2006. Vol. 126, № 4. P. 663–676. DOI: 10.1016/j.cell.2006.07.024.
4. Takahashi K., Tanabe K., Ohnuki M. et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors // Cell. 2007. Vol. 131, № 5. P. 861–872. DOI: 10.1016/j.cell.2007.11.019.
5. Mandai M., Watanabe A., Kurimoto Y. et al. Autologous induced stem-cell–derived retinal cells for macular degeneration // New England Journal of Medicine. 2017. Vol. 376, № 11. P. 1038–1046. DOI: 10.1056/NEJMoa1608368.
6. Sawamoto N., Doi D., Nakanishi E. et al. Phase I/II trial of iPS-cell-derived dopaminergic cells for Parkinson’s disease // Nature. 2025. Vol. 641, № 8064. P. 971–977. DOI: 10.1038/s41586-025-08700-0.
7. Vierbuchen T., Ostermeier A., Pang Z. P. et al. Direct conversion of fibroblasts to functional neurons by defined factors // Nature. 2010. Vol. 463, № 7284. P. 1035–1041. DOI: 10.1038/nature08797.
8. Ocampo A., Reddy P., Martinez-Redondo P. et al. In vivo amelioration of age-associated hallmarks by partial reprogramming // Cell. 2016. Vol. 167, № 7. P. 1719–1733. DOI: 10.1016/j.cell.2016.11.052.
9. Till J. E., McCulloch E. A. A direct measurement of the radiation sensitivity of normal mouse bone marrow cells // Radiation Research. 1961. Vol. 14, № 2. P. 213–222. DOI: 10.2307/3570892.
10. Hirsch T., Rothoeft T., Teig N. et al. Regeneration of the entire human epidermis using transgenic stem cells // Nature. 2017. Vol. 551, № 7680. P. 327–332. DOI: 10.1038/nature24487.
11. Lancaster M. A., Renner M., Martin C.-A. et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly // Nature. 2013. Vol. 501, № 7467. P. 373–379. DOI: 10.1038/nature12517.
12. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.