Журнал физической химии и биофизики
Открытый доступ

Абстрактный

Роль протонной сигнализации в индукции соматических клеток в плюрипотентные эмбриональные стволовые клетки

Эцуро Ито, Вэнь-Ли Сюй и Тору Ёсиока

Механизмы образования эмбриональных стволовых клеток (ЭС) и оплодотворения яйцеклеток изучались без изучения взаимодействия этих типов клеток, возможно, из-за отсутствия учета сходства между ЭС клетками и оплодотворенными яйцеклетками, особенно отсутствия кальциевой сигнализации. Здесь мы объединяем различные концепции, разработанные отдельно, так что жир в ЭС клетках и оплодотворенных яйцеклетках, хотя оба типа клеток имеют одинаковую судьбу (т. е. стать соматическими клетками). Мы обсуждаем концепцию изменений свойств воды в цитоплазме, которые происходят вместе с клеточным циклом, которая изначально была введена в области биофизики. С этим аспектом сходства и различия между ЭС клетками и оплодотворенными яйцеклетками понятны, а изменения свойств воды помогают объяснить, почему ЭС клетки могут обладать плюрипотентностью, как и оплодотворенные яйцеклетки, после стимула de novo, такого как обработка кислотой. Obokata et al. Недавно был обнаружен короткий путь для создания плюрипотентных стволовых клеток, которые они назвали «стимулируемым приобретением плюрипотентности (STAP)» клетками из соматических клеток при кратковременной стимуляции низким pH [1]. Этот отчет оказал значительное влияние на многих биологов развития и клиницистов, поскольку обработка низким pH оказалась неожиданно простым способом изменить соматические клетки на плюрипотентные эмбриональные стволовые (ES) клетки [2].

Однако этот метод не так уж удивителен для биофизиков, поскольку было обнаружено, что несколько типов клеточного стресса вызывают активацию яйцеклетки, связанную с временным увеличением Ca2+, например, изменение цитоплазматического pH, вызванное применением NH4Cl и/или CO2, или даже механическим уколом иглой [3]. В 2002 году Бердон и др. сообщили, что клетки эпибласта, обладающие плюрипотентностью, были получены из длительной культуры ES-клеток [4]. ES-клетки имеют необычный клеточный цикл, в котором фаза G1, которая действует в других типах клеток, сокращается [5]. Такие особенности ES-клеток связаны с дерегулированными характеристиками пролиферации опухолевых клеток. В отличие от этих типов клеток, оплодотворенная яйцеклетка также начинает свой собственный клеточный цикл с колебаний Ca2+ [6]. Это колебание Ca2+ можно объяснить моделью с одним или двумя кальциевыми бассейнами с положительной обратной связью повышенного Ca2+ и инозитол 1,4,5-трифосфата (IP3) во время фазы подъема каждого увеличения Ca2+. Таким образом, разумно предположить, что клеточный цикл является хранителем времени колебания Ca2+ как в культивируемых ES-клетках in vitro, так и в циркадных ритмах кальция в соматических клетках организма, которые, как было обнаружено, также связаны с медленной частотой колебания Ca2+, с 1 циклом/день [7].

Изменения свойств состояния воды в клетке являются еще одной критической проблемой. Мантре описал, что состояние воды в соматических клетках в организме имеет упорядоченно-структурированную связанную воду (как лед), тогда как ES-клетки, а также раковые клетки имеют свободную (нормальную) воду в фазах G1 и G2 [8]. Только протоны, а не другие ионы, способны перемещаться по поверхности связанной воды, тогда как в свободной воде все типы ионов (включая протоны) могут перемещаться путем диффузии. В этой обзорной статье мы описываем различия между соматическими клетками и ES-клетками в отношении протонной сигнализации, которая регулирует колебания Ca2+, и изменения свойств воды, связанные с клеточным циклом. Протонная сигнализация играет решающую роль в ядерном перепрограммировании на плюрипотентную стадию.