Bài giảng Công nghệ Tế bào gốc - Bài 4: Ổ tế bào gốc và sự lão hóa của tế bào gốc

26_9_2013_Phamlbt Ổ TẾ BÀO GỐC VÀ SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC Môn học: Công nghệ Tế bào gốc PHẠM LÊ BỬU TRÚC TP. HCM, 9/2013 NỘI DUNG 26_9_2013_Phamlbt I. Ổ TẾ BÀO GỐC Khái niệm Ổ tế bào gốc ở ruồi giấm Ổ tế bào gốc ở động vật hữu nhũ II. SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Ổ TBG là gì? Ổ tế bào gốc là một vùng giới hạn trong một cơ quan, hỗ trợ cho sự phân chia tự làm mới của tế bào gốc và do đó ngăn cản chúng khỏi sự biệt hóa Ổ tế bào gốc gồm 3 thành phần: - Các tế bào tín hiệu địa phương - Chất nền ngoại bào - Các tế bào gốc Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Tại sao tế bào gốc cần một môi trường đặc biệt ? - đòi hỏi phải hỗ trợ đặc biệt cho khả năng tồn tại - kiểm soát thông tin phản hồi (trao đổi thông tin về tình trạng của một mô trở lại các tế bào gốc) - hốc là những công cụ phối hợp giữa các phần của mô Schofield, 1978, ban đầu được đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của một vi môi trường cần thiết để duy trì các tế bào gốc và đặt ra thuật ngữ ổ tế bào gốc Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt ‘distal tip cell’ (DTC): tế bào đầu xa a. DTC (màu đỏ) cung cấp ổ cho các tế bào gốc thích hợp cho hồ tế bào gốc dòng mầm ( GSC) ( màu vàng) b. tế bào chất protein huỳnh quang màu xanh lá cây (màu xanh) của DTC; Màu xanh,nhân GSC, màu đỏ , màng GSC c. GSCs đáp ứng tín hiệu Notch thông qua một mạng lưới phức tạp của mRNA và cơ quan quản lý chu kỳ tế bào d. DTC và Notch tín hiệu thiết lập và duy trì mô hình của sự trưởng thành Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Germline and somatic stem cells and their niches in the Drosophila ovary Germ Line Stem Cell and Somatic Stem Cell Niches in the Drosophila Ovary Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Germ Line Stem Cell and Somatic Stem Cell Niches in the Drosophila Ovary các tế bào nắp biểu hiện gen DPP , GBB , Hh , piwi , và Yb quan trọng cho việc duy trì GSCs Innexin 4 (or Zero population growth, Zpg). Arm, Armadillo; Ci, Cubitus interruptus; Dpp, Decapentaplegic; GSC, germline stem cell; Hh, Hedgehog; Ptc, Patched, Yb, female sterile ; I and II, type I and II receptors of Dpp; Mothers against dpp (Mad )/Medea (Med ) (which encodes a dimeric transcription activator Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Germline and somatic stem cells and their niches in the Drosophila testis gonialblast (GB) Decapentaplegic (Dpp), Epidermal growth factor receptor (Egfr), Upd, unpaired. Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Ổ TẾ BÀO GỐC Ở ĐỘNG VẬT HỮU NHŨ Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt The intestinal crypt niche - A limited number of stem cells reside at the crypt base - Each of these stem cells divides once per day - Daughter cells can exit the stem cell compartment into the transit amplifying (TA) compartment - TA cells undergo approximately four to five rounds of division approximately every 12 hours, an unusually short duration - TA cells differentiate into differentiated cell types, such as enterocytes, goblet cells and enteroendocrine cells, which continue to move up the flanks of the villi. - Upon reaching the villus tip after two to three more days, the differentiated cells undergo apoptosis - A fourth cell type, the Paneth cell, also derives from the stem cells, but migrates downwards and settles at the crypt base to live for four to six weeks - Each crypt contains around 15 stem cells and 15 Paneth cells - Lgr5 stem cells persist life-long within a period of one to six months Paneth cells are known to produce bactericidal products, but they also make EGF, TGF-α, Wnt3 and the Notch ligand Dll4, the essential components of the mini-gut culture system Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt The intestinal crypt niche Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt The intestinal crypt niche ISCs generate Paneth cells that promote stem cell proliferation at the base of the intestinal (cryptPolycomb complex subunit BMI1, telomerase reverse transcriptase (TERT) and atypical homeodomain- containing protein HOPX1) Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt The hair follicle stem cell niche - The skin is the largest organ, and its enormous need for tissue regeneration makes it the most abundant source of stem cells of our body. - Hair follicles of the skin are unique in that they undergo synchronized, cyclical bouts of tissue regeneration: hair grows out phase, followed by a destructive phase in which the hair stops growing and the lower two-thirds of the follicle degenerates - The destructive phase is followed by a period of rest, after which the cycle begins anew - The hair follicle stem cells, which fuel this tissue regeneration, undergo extended periods of rest, and are only briefly activated at the beginning of each hair cycle - An important paradigm to study stem cells in quiescence and in action Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt The hair follicle stem cell niche (a) The architecture of the hair follicle stem cell niche. The hair follicle stem cells are marked by CD34 staining (in green). The inner layer of the bulge, marked by K6 staining (in red). b) The hair follicle stem cells are quiescent, due to the high level of bone morphogenetic protein (BMP) signaling within the niche, as shown here by the nuclear staining for phosphorylated Smad1 (in red), the transcriptional effector of the BMP pathway Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt - Tế bào gốc nang lông nằm ở lớp ngoài cùng của chỗ ' phình ', một khu vực giải phẫu nằm ngay dưới tuyến bã nhờn của các nang The hair follicle stem cell niche - Chỗ phình không chỉ có các tế bào nang tóc gốc , mà còn chứa các tế bào gốc sắc tố - Ổ này được bao quanh bởi một màng đáy ECM , một vỏ bọc da , và một loạt các tế bào thần kinh cảm giác và mạch máu Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt The hair follicle stem cell niche Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt - Hair follicle stem cells (HFSCs) reside in the outer bulge layer. Keratin 6-expressing (K6+) inner bulge cells are downstream progeny of HFSCs and express high levels of bone morphogenic protein 6 (BMP6) and fibroblast growth factor 18 (FGF18), which are quiescence-inducing factors for HFSCs. - During telogen, subcutaneous adipocytes express BMP2 and dermal fibroblasts express BMP4 - Near the end of the resting phase, the dermal papilla produces HFSC-activating factors, including FGF7 and FGF10, BMP inhibitors and transforming growth factor-β2 (TGFβ2) to counteract the inhibitory effects on the niche. - TMEFF1 (transmembrane protein with EGF-like and two follistatin-like domains 1) is induced in hair germ cells by TGFβ2 to dampen the suppressive effects of BMPs - adipocyte precursor cells secrete platelet derived growth factor-α (PDGFα) to induce the expression of as-yet-unidentified activating factors in the dermal papilla. - The macroenviroment of the underlying dermis also participates, progressing to a BMP-low and WNT-high state Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Hematopoietic stem cell-niche - Most adult HSCs reside in bone marrow where they become activated to replenish the myeloid and lymphoid lineages of the blood and the immune system - Unlike most other stem cells, which reside either within their niche or within a relatively limited range of travelling distance surrounding the niche, HSCs are extraordinarily mobile - During homeostasis, HSCs often travel from one bone marrow compartment to another - Under stress conditions when the bone marrow cannot sustain sufficient haematopoiesis, such as in myelofibrosis, HSCs can even travel to the spleen or liver. - The location of HSCs directly affects their cycling behaviour, presumably because of the different environmental stimuli they encounter at each location - HSCs are more quiescent when they are closer to the endosteal lining, which is enriched for osteoblasts, osteoclasts and stromal fibroblasts - HSCs are more active when they are closer to the perivascular niche, which is more centrally located within the bone marrow and marked by perivascular mesenchymal stem cells (MSCs), sinusoid endothelial cells and neural cells Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Hematopoietic stem cell-niche Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Most haematopoietic stem cells (HSCs) reside in the bone marrow, which can be subdivided into endosteal and perivascular niches Hematopoietic stem cell-niche HSCs located on the endosteal side tend to be more quiescent, whereas HSCs located at the perivascular side are more active The most dormant HSCs have been reported to locate near osteoblast progenitors (preosteoblasts) TReg cells guard HSCs by making the endosteal niche a possible immune-privileged site, thereby protecting HSCs from immune attack Macrophages are critical for maintaining HSCs in their bone marrow niche They appear to do so through an indirect mechanism mediated by nestin+ mesenchymal stem cells (MSCs) and possibly by osteoblasts Ablation of bone marrow macrophages reduces the levels of several key maintenance factors for HSCs, such as CXC chemokine ligand 12 (CXCL12), angiopoietin 1 (ANGPT1), KIT ligand (KITL) and vascular cell adhesion molecule 1 (VCAM1), that are expressed in paracrine by the nestin+ MSCs Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Skeletal muscle: the satellite cell niche The repair of adult skeletal muscle depends on muscle satellite cells, which, when activated upon injury, will proliferate and then differentiate to make new muscle fibers, or, after self- renewal, re-constitute the reserve of muscle progenitors In normal adult muscle, it is localized as a ‘satellite’ in close association with the muscle fiber, under the basal lamina, which separates individual fibers from the interstitial space Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Skeletal muscle: the satellite cell niche Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt crosstalk between satellite cells expressing the receptor Tie2 and neighboring capillary associated cells (for example, pericytes) producing Angiopoietin1, which contributes to the maintenance of quiescence The Notch pathway has also now been implicated in the maintenance of quiescence. If Notch signaling is disrupted, satellite cells spontaneously activate and differentiate in the absence of injury The satellite cell is anchored to the surface of the muscle fiber and to the basal lamina, as exemplified by M-cadherin and integrin/laminin interactions, respectively Surprisingly, this takes place without proliferation, leading to depletion of satellite cells, so that regeneration is impaired. Satellite cells express the Notch receptor Skeletal muscle: the satellite cell niche Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt The Neural Stem Cell Niche In the SVZ, astrocytes (B) lining the ependymal cells (E) function as NSCs; they give rise to transient amplifying cells (C) (green), which further produce neuroblast cells (A) (blue). Endothelial cells in the blood vessel/laminar maintain contact with astrocytes, which regulate NSC self- renewal and proliferation by generating different types of signals. In the SGZ, astrocytes (B) directly attach to the blood vessel and receive signals from the endothelial cells that direct NSCs to undergo self- renewal, proliferation (D), and differentiation (G) Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Cancer stem cells and metastatic niches Like normal stem cells, tumor-initiating cells, termed cancer stem cells, do not depend solely on cell-intrinsic events but instead rely heavily on the right microenvironment – or niche – to maintain activity and fitness However, unlike normal stem cell niches, which have evolved for millions of years, resulting in a fine-tuned crosstalk between stem cells and their environment, the cancer – or metastatic – niche evolves in a remarkably short time, resulting in more disordered interactions. The location of metastatic niches is also more loosely defined and can change as the disease progresses. Hypoxic regions, invasive fronts, perivascular sides and normal stem cell niches are all possible locations where metastatic niches can form. Recruitment of inflammatory cells, endothelial cells and myofibroblasts to the metastatic niche leads to a tremendously complex milieu of growth factors, chemokines, hormones, enzymes and ECM that can promote stem/progenitor cell traits Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Cancer stem cells and metastatic niches Certain qualities and molecular interactions within the cancer niche are indeed directly adopted from normal niches. Many of these components are inducers and regulators of stem/progenitor pathways like the Wnt, Notch, Hedgehog, phosphoinositide 3-kinase (PI3K) and JAK-STAT pathways In colon carcinoma, myofibroblasts express hepatocyte growth factor (HGF), a ligand of c-Met receptor tyrosine kinase, leading to co-stimulation and enhancement of Wnt signaling in differentiated cancer cells and promoting their stem/progenitor properties Interestingly, in some cases cancer cells can even seek out and ‘hijack’ already established healthy stem cell niches. This has been demonstrated in prostate malignancies, where cancer cells were shown to form micrometastases within HSC niches in the bone marrow and compete with HSCs for the niche interactions Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Cancer stem cells and metastatic niches (a) Systemic changes induced by the primary breast tumor: mobilization of VEGFR1+ bone marrow-derived cells (BMDCs), recruitment to the lungs, extracellular matrix (ECM) remodeling and formation of a pre- metastatic niche. The pre-metastatic niche promotes the colonization of breast cancer cells in the lungs. b. Prostate cancer cells enter the osteoblastic niche, competing with hematopoietic stem cells (HSCs) for niche interactions in bone . CXCL12 chemokine promotes colonization of prostate cancer cells in the bone niche via CXCR4 interaction Ổ TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Cancer stem cells and metastatic niches Breast cancer cells bringing their own niche material, tenascin C (TNC), to a distant site thereby promoting early colonization of the lungs Activated myofibroblasts produce the metastatic niche components TNC and periostin (POSTN), resulting in enhanced metastatic outgrowth SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Tại sao chúng ta già ? Suy giảm số lượng Thay đổi chất lượng trong tế bào TBG theo thời gian VD: Cấy ghép HSCs, số lượng tế bào CD34+ trong tủy xương giảm khi tuổi tăng cao Theo tuổi tác, việc chữa lành vết thương chậm hơn ở da , tóc chuyển sang màu xám hoặc bị mất, khối lượng cơ xương và sức mạnh giảm , tỷ lệ các thành phần tế bào trong máu bị sai lệch , và có một sự suy giảm trong tế bào thần kinh thay đổi này là phản ánh của sự suy giảm chức năng tế bào gốc SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Mechanisms of stem cell aging SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Sự lão hóa của tế bào gốc sinh dưỡng - Tế bào gốc trưởng thành cũng dễ bị tích tụ sự hư hỏng của các đại phân tử , chẳng hạn như protein, chất béo , và axit nucleic Tế bào gốc trưởng thành nằm im trong thời gian dài ở hầu hết các mô động vật hữu nhũ. Các đại phân tử bị hư hỏng có thể tích tụ trong các tế bào gốc trong khoảng thời gian này, cũng như trong các tế bào postmitotic tồn tại lâu dài SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Biểu hiện của sự lão hóa tế bào gốc Lão hóa trong các tế bào gốc làm thay đổi số phận hay chức năng thế hệ con cháu của tế bào gốc. Trong một số trường hợp, chẳng hạn như tế bào gốc thần kinh (NSCs) và tế bào gốc melanocyte những thay đổi này có thể dẫn đến một sự suy giảm của hồ tế bào gốc Sự lão hóa của chính tế bào gốc cũng gây ra sự suy giảm số lượng tế bào gốc. Biến đổi ác tính của tế bào gốc Suy giảm chức năng tế bào gốc theo độ tuổi Theo tuổi tác, một số các tế bào bị mất đặc tính dòng dõi và làm thế hệ con cháu mất chức năng, dẫn đến việc mất toàn vẹn mô và giảm chức năng sinh lý, mặc dù số lượng tế bào gốc không bị ảnh hưởng Một số tế bào gốc bị mất khả năng tự đổi mới, dẫn đến phân chia tế bào đối xứng, hình thành cả hai tế bào con đã biệt hóa, gây ra sự suy giảm dần dần của các hồ tế bào gốc SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Suy giảm chức năng tế bào gốc theo độ tuổi SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Thay đổi nội tại trong các tế bào gốc lão hóa gene epigenome protein SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Thay đổi về mặt gene Theo tuổi tác, các tế bào , các mô tích lũy tổn thương di truyền đo lường được, bao gồm phá vỡ DNA, nhiễm sắc thể chuyển vị trí, rút ngắn telomere , và các đột biến Sự rút ngắn telomere đã được tìm thấy ở các tế bào gốc trong ruột non, giác mạc, tinh hoàn , não ở chuột 2 năm tuổi so với những con chuột 2 tháng tuổi Telomer trong tế bào gốc già vẫn còn dài hơn trong các tế bào soma khác trong các mô  Các tế bào gốc phân chia chậm hơn nhiều so với thế hệ con cháu tăng sinh của chúng hoặc chúng đã phát triển cơ chế bảo vệ chống lại rút ngắn telomere. SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Thay đổi về mặt gene Theo tuổi tác, mức độ cao của DNA tổn hại đã được ghi nhận trong các tế bào gốc biểu bì và HSCs SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Thay đổi ngoại di truyền Thay đổi epigenomic, bao gồm cả methyl hóa DNA và sửa đổi của histone sau dịch mã SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Thay đổi trong cả hai methyl hóa DNA và biến đổi histone đã được nghiên cứu như dấu hiệu ngoại di truyền của lão hóa Thay đổi ngoại di truyền Tăng methyl hóa DNA đã được ghi nhận ở crypt ruột và đại tràng trong biểu mô ruột của người già và chuột già Sự methyl hóa có thể là một chỉ báo của tuổi nhân lên của các tế bào Mức độ acetyl hóa của H3K56 ( histone 3 lysine 56 ) và methyl hóa H3K79 ( histone 3 lysine 79 ) tăng sau khi DNA bị hư hại Sự mất điều hòa quá trình acetyl hóa của H4K12 ( histone 4 lysine 12 ) đã được tìm thấy có liên quan với suy giảm nhận thức SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt A potential model for epigenetic regulation of the Ink4a/ Arf locus in aging neural stem cells. In young neural stem cells, the p16INK4a/p19ARF locus is marked by repressive H3K27me3, which is deposited and maintained by Polycomb complex members EZH2 and BMI1. The p16INK4a/p19ARF locus is transcriptionally repressed, allowing young stem cell self-renewal in old stem cells, the activity and/or levels of BMI1 and EZH2 decrease and the levels of the H3K27me3 demethylases such as JMJD3 increase, leading to the loss of this repressive mark. The p16INK4a/p19ARF locus is de-repressed, leading to cell cycle arrest and senescence of aged stem cells SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Thay đổi protein học Autophagosomes , lysosome , và hệ thống ubiquitin - proteasome là bộ máy giúp duy trì cân bằng nội môi protein, cảm nhận và và loại bỏ protein gấp nếp sai hoặc bất thường trong tế bào và đảm bảo chức năng của protein Tế bào thần kinh , cardiomyocytes , và myofibers xương , và trong một số trường hợp, các protein bị hư hỏng tạo thành vật gây độc cho các tế bào Các tế bào gốc với tốc độ turn over thấp, chẳng hạn như tế bào vệ tinh trong cơ xương nhạy cảm hơn với proteotoxicity hơn tế bào gốc có sự turn over cao SỰ LÃO HÓA CỦA TẾ BÀO GỐC 26_9_2013_Phamlbt Hiểu được cơ chế ngăn chặn sự giảm chức năng tế bào theo độ tuổi là cần thiết để nâng cao hiệu quả sửa chữa mô ở người già và giúp giải quyết những thách thức của liệu pháp tế bào gốc điều trị các bệnh liên quan đến sự lão hóa, mất ch