Епигенетика и стволови клетки: как клетъчните регулатори оформят бъдещето на регенеративната медицина - част 2

Епигенетика и стволови клетки в ежедневието: как начинът ни на живот влияе на регенерацията

Хранене и стрес

Здравословното хранене може индиректно да подпомогне правилната регулация на гените, които участват във възстановяването на тъканите (27). Хроничният стрес не е само психическо състояние. Той води до хормонални промени, които могат да променят епигенетичния профил на клетките, включително и на стволовите клетки (28). Проучвания показват, че продължителният стрес е свързан с промени в активността на гени, участващи в имунния отговор и в регенерацията (29) - хора, изложени дълго време на стрес, често се възстановяват по-бавно след боледуване или травми – процес, в който стволовите клетки играят ключова роля.

Движението като „епигенетично лекарство“

Физическата активност е един от най-силните естествени фактори, които влияят на епигенетиката (30). Умереното движение може да промени функционирането на гени, свързани с възпалението, метаболизма и регенерацията на мускулите (31) - след тренировка мускулните стволови клетки се активират, за да възстановят микроповредите в мускулите. Този процес се контролира от епигенетични механизми, които „включват“ нужните гени (32).

Сън, възстановяване и стволови клетки

По време на сън тялото преминава в режим на възстановяване. Недоспиването е свързано с епигенетични промени в гени, контролиращи клетъчния цикъл и имуната система на организма (28,33) - хроничната липса на сън може да намали ефективността на регенеративните процеси – кожата зараства по-бавно, имунният отговор отслабва, а умората се натрупва.

Стволовите клетки – „ремонтната бригада“ на организма

Стволовите клетки са вътрешният резерв на тялото. Те реагират на сигналите от средата и решават дали да останат в покой или да започнат регенерация (33). Епигенетиката е механизмът, който превежда външните сигнали (храна, стрес, движение) на „езика“ на гените. Макар че не можем напълно да контролираме епигенетиката си, науката показва, че здравословният начин на живот подпомага оптималната работа на стволовите клетки (35). Това не означава „включване на магически гени“, а създаване на условия, при които тялото използва по-добре вродения си потенциал за възстановяване.

Стволовите клетки: скритата система за поддръжка, възстановяване и адаптация на човешкото тяло

Всеки ден в човешкото тяло умират милиарди клетки. Ако този процес не беше компенсиран, тъканите бързо биха загубили функцията си. Това, което ни поддържа живи и функционални, е непрекъснатата работа на стволовите клетки, които осигуряват обновяване, възстановяване и адаптация на организма през целия живот (34). За разлика от повечето клетки, които имат строго определена функция, стволовите клетки са гъвкави и „многофункционални“. Те са биологичният резерв, към който тялото се обръща при нужда.

Стволовите клетки в действие

Кръвта – фабрика, която не спира

Кръвотворните стволови клетки в костния мозък произвеждат червени кръвни клетки, бели кръвни клетки и тромбоцити в огромни количества всеки ден (7). Без тях имунната система и кислородният транспорт биха се сринали за дни.

Кожата – постоянен ремонт

Кожата ни се обновява непрекъснато. При порязване или изгаряне кожните стволови клетки се активират, делят се и заместват увредените клетки, което води до зарастване на раната (9).

Чревна лигавица – най-бързо обновяващата се тъкан

Чревната лигавица се подменя изцяло на всеки 3–5 дни. Това е възможно благодарение на силно активни чревни стволови клетки, които реагират на храната и на микробиома (8).

Стволовите клетки и възстановяването след увреждане

При травма, операция или заболяване стволовите клетки получават химични сигнали, които ги насочват към мястото на увреждането. Там те започват ускорено делене и диференциация, за да възстановят тъканта (36). След счупване на кост, стволови клетки в костния мозък и околните тъкани участват в образуването на нова костна тъкан.

Стволовите клетки и стареенето

С възрастта стволовите клетки стават по-малко активни и по-чувствителни към увреждания. Това води до по-бавно зарастване на рани, по-слаба имунна реакция и до намалена регенеративна способност на органите (37). Стареенето на стволовите клетки е свързано с хронично възпаление, натрупване на клетъчни увреждания и промени в сигналите от околната среда (38).

Заключение

Стволовите клетки са от изключително значение за съвременната медицина и биология. Техният уникален потенциал за самообновяване и диференциация ги прави незаменими както за поддържането на организма, така и за разработването на нови терапевтични подходи. Въпреки съществуващите предизвикателства, бъдещето на стволовите клетки в науката и медицината остава изключително обещаващо.

Епигенетичните механизми играят решаваща роля в диференциацията на стволовите клетки, като осигуряват гъвкавост, но и стабилност на клетъчната идентичност. По-задълбоченото им изучаване е от съществено значение за бъдещото развитие на биомедицинските науки и клиничната практика.

Епигенетиката свързва ежедневните ни навици с най-дълбоките клетъчни процеси. Чрез нея начинът ни на живот влияе върху активността на стволовите клетки и на способността на организма да се регенерира. Малките ежедневни избори – какво ядем, колко се движим, как почиваме – оставят реални биологични следи, които оформят здравето ни в дългосрочен план. Разкриването на механизмите на епигенетичния контрол при клетъчната регенерация има важно практическо значение. Насоченото въздействие върху епигенетични ензими и регулатори се разглежда като обещаваща стратегия за стимулиране на регенерацията и подобряване на възстановителните способности на тъканите. Тези подходи намират приложение в регенеративната медицина, тъканното инженерство и разработването на нови терапии за лечение на дегенеративни заболявания и травми. Разбирането на тяхната роля ни помага да имаме по-реалистични очаквания към съвременната медицина и по-осъзнато отношение към собственото си здраве.

Използвана литература

1. Meissner A. Epigenetic regulation of pluripotent stem cells. Nat Rev Mol Cell Biol. 2010;11:662–73.
2. Bird A. Perceptions of epigenetics. Nature. 2007;447:396–8.
3. Alberts, B. et al. Molecular Biology of the Cell. Garland Science.
4. Young RA. Control of the embryonic stem cell state. Cell. 2011 Mar 18;144(6):940-54.
5. Morrison SJ, Spradling AC. Stem cells and niches: mechanisms that promote stem cell maintenance throughout life. Cell. 2008;132(4):598–611.
6. Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse fibroblasts by defined factors. Cell. 2006;126(4):663–676.
7. Orkin SH, Zon LI. Hematopoiesis: an evolving paradigm for stem cell biology. Cell. 2008;132(4):631–644.
8. Barker N. Adult intestinal stem cells: critical drivers of epithelial homeostasis and regeneration. Nat Rev Mol Cell Biol. 2014;15(1):19–33.
9. Blanpain C, Fuchs E. Epidermal stem cells of the skin. Annu Rev Cell Dev Biol. 2006;22:339–373.
10. Trounson A, McDonald C. Stem cell therapies in clinical trials: progress and challenges. Cell Stem Cell. 2015;17(1):11–22.
11. Tata PR, Rajagopal J. Cellular plasticity: 1712 to the present day. Curr Opin Cell Biol. 2016;43:46–54.
12. Atlasi Y, Stunnenberg HG. The interplay of epigenetic marks during stem cell differentiation and development. Nat Rev Genet. 2017;18(11):643–658.
13. Clevers H. Modeling development and disease with organoids. Cell. 2016;165(7):1586–1597.
14. Allis CD, Jenuwein T. The molecular hallmarks of epigenetic control. Nat Rev Genet. 2016;17(8):487–500.
15. Scadden DT. The stem-cell niche as an entity of action. Nature. 2006;441(7097):1075–1079.
16. Meshorer E, Misteli T. Chromatin in pluripotent embryonic stem cells and differentiation. Nat Rev Mol Cell Biol. 2006;7(7):540–546.
17. Feinberg AP. Epigenetics at the epicenter of modern medicine. JAMA. 2008;299(11):1345–1350.
18. Allis, C. D., Jenuwein, T., Reinberg, D. Epigenetics. Epigenetics. 2nd ed. Cold Spring Harbor Laboratory Press; 2015.
19. Bernstein BE, Mikkelsen TS, Xie X, et al. A bivalent chromatin structure marks key developmental genes in embryonic stem cells. Cell. 2006;125(2):315–326.
20. Jaenisch R, Bird A. Epigenetic regulation of gene expression: how the genome integrates intrinsic and environmental signals. Nat Genet. 2003;33 Suppl:245–254.
21. Kininis M, Kraus WL. A global view of transcriptional regulation by nuclear receptors. Cell. 2008;134(2):315-28.
22. Evans RM, Mangelsdorf DJ. Nuclear receptors, RXR, and the big bang. Cell. 2014;157(1):255-66.
23. Li E, Zhang Y. DNA methylation in mammals. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2014;6(5):a019133.
24. Laflamme MA, Murry CE. Heart regeneration. Nature. 2011;473:326–35.
25. Pagliuca FW, Melton DA. How to make a functional β-cell. Development. 2013;140:2472–83.
26. Nori S, Okada Y, Nishimura S, et al. Grafted human iPSC-derived neurospheres promote motor functional recovery after spinal cord injury in mice. Proc Natl Acad Sci USA. 2011;108:16825–30.
27. Shyh-Chang N, Daley GQ, Cantley LC. Stem cell metabolism in tissue development and aging. Development. 2013;140(12):2535–2547.
28. McEwen BS. Stress, adaptation, and disease: allostasis and allostatic load. Ann N Y Acad Sci. 1998;840:33–44.
29. Zannas AS, West AE. Epigenetics and the regulation of stress vulnerability and resilience. Neuroscience. 2014;264:157–170.
30. Snijders T, et al. The impact of exercise on stem cells. J Physiol. 2015;593(12):2811–2825.
31. Denham J, et al. Exercise and epigenetic inheritance of disease risk. Acta Physiol (Oxf). 2015;214(3):295–307.
32. Segalés J, Perdiguero E, Muñoz-Cánoves P. Regulation of muscle stem cell functions: a focus on the epigenetic control. Cell Cycle. 2015;14(24):3639–3650.
33. Cedernaes J, et al. Short sleep duration induces epigenetic changes in adipose tissue. Clin Epigenetics. 2018;10:137.
34. Weissman IL. Stem cells: units of development, units of regeneration, and units in evolution. Cell. 2000;100(1):157–168.
35. Rando TA, Chang HY. Aging, rejuvenation, and epigenetic reprogramming. Cell. 2012;148(1–2):46–57.
36. Gurtner GC, et al. Wound repair and regeneration. Nature. 2008;453(7193):314–321.
37. López-Otín C, et al. The hallmarks of aging. Cell. 2013;153(6):1194–1217.
38. Rando TA. Stem cells, ageing and the quest for immortality. Nature. 2006;441(7097):1080–1086.