Ниша стволовой клетки — термин, предложенный в 1978 году Р. Скофилдом (Schofield) для микроокружения стволовой клетки, необходимого для её жизнедеятельности и координации её поведения с нуждами организмаSchofield R (1978) The relationship between the spleen colony-forming cell and the haemopoietic stem cell. Blood Cells, 4:7-25. .. Многие исследователи рассматривают нишу как анатомическую субъединицу тканевого компартмента.
По современным представлениям ниша — это связующее звено контроля и регуляции между клеткой и целостным организмомBilder, D., & O’Brien, L. E. (2013). Beyond the Niche: Tissue-Level Coordination of Stem Cell Dynamics. Annual Review of Cell and Developmental Biology, 29(1). .Chenhui Wang, Pei Wen, Pei Sun Ph.D., Rongwen Xi (2013) Stem Cell Niche. In: Regenerative Medicine. Chapter 3, pp 79-106 Lander AD, Kimble J, Clevers H, Fuchs E, Montarras D, Buckingham M, Calof AL, Trumpp A, Oskarsson T. (2012) What does the concept of the stem cell niche really mean today? BMC Biology 2012, 10:19 .Justin Voog, D. Leanne Jones (2010) Stem Cells and the Niche: A Dynamic Duo. Cell Stem Cell 6(2), 103—115 Kiefer, J. C. (2011), Primer and interviews: The dynamic stem cell niche. Dev. Dyn., 240: 737—743. . Она:
обеспечивает стволовую клетку факторами, необходимыми для её жизнедеятельности; благодаря её анатомическим особенностям способствует взаимному контролю и обмену информацией между клетками, координирует их действияEma H, Suda T. (2012) Two anatomically distinct niches regulate stem cell activity. Blood. 2012 Sep 13;120(11):2174-81. ; обеспечивает координацию между различными популяциями клетокJaclyn G. Y. Lim and Margaret T. Fuller (2012) Somatic cell lineage is required for differentiation and not maintenance of germline stem cells in Drosophila testes. PNAS 109 (45) 18477-18481, , регулируя их ориентацию и местоположение в тканевом компартменте, а следовательно регулирует морфогенез и функции тканей.
В основе функционирования ниши лежит множество взаимосвязанных механизмовPeter Breslin S.J., Andrew Volk and Jiwang Zhang (2013) The Stem Cell Niche and Its Role in Self-Renewal, Aging, and Malignancy In: Stem Cells. Ed. by Robert A. Meyers. Wiley-Blackwell ISBN 978-3-527-32925-0, pp. 677—726: это и межклеточные взаимодействия между стволовыми клетками, а также взаимодействия между стволовыми клетками и соседними дифференцированными клетками; взаимодействия между стволовыми клетками и компонентами внеклеточного матриксаMaria Felice Brizzi, Guido Tarone, Paola Defilippi (2012) Extracellular matrix, integrins, and growth factors as tailors of the stem cell niche. Current Opinion in Cell Biology 24(5), 645—651 ; уровень кислорода (наличие или отсутствие гипоксии)Norifumi Urao, Masuko Ushio-Fukai (2012) Redox regulation of stem/progenitor cells and bone marrow niche. Free Radical Biology and Medicine ; факторы роста и цитокины; физико-химическое состояние окружающей среды (рН, её ионная сила, и в частности концентрация ионов Ca2+; наличие метаболитов и энергоносителей, таких как например АТФ)Sireewan Kaewsuwan, Seung Yong Song, Ji Hye Kim, and Jong-Hyuk Sung (2012) Mimicking the functional niche of adipose-derived stem cells for regenerative medicine. Expert Opinion on Biological Therapy, 12(12), 1575—1588 . Всё больше данных свидетельствует о том, что одним из ключевых путей взаимодействия между стволовыми клетками и нишей являются микроРНК — малые некодирующие РНКLaine S.K., Hentunen T., Laitala-Leinonen T. (2012) Do microRNAs regulate bone marrow stem cell niche physiology? Gene, 497 (1), pp. 1-9 Eric R. Lechman, Bernhard Gentner, Peter van Galen et al. & Luigi Naldini.(2012) Attenuation of miR-126 Activity Expands HSC In Vivo without Exhaustion. Cell Stem Cell,; . Передача РНК между клетками может осуществляться с помощью экзосом — выделяемых клетками мембранных везикул размером не более 100 нанометров, которые считаются одной из форм межклеточного общенияCecilia Lässer, Maria Eldh, Jan Lötvall (2012) The Role of Exosomal Shuttle RNA (esRNA) in Cell-to-Cell Communication. Emerging Concepts of Tumor Exosome-Mediated Cell-Cell Communication. Zhang, Huang-Ge (Ed.) 2013, pp 33-45 ISBN 978-1-4614-3697-3 Yi Lee1, Samir EL Andaloussi and Matthew JA Wood (2012) Exosomes and microvesicles: extracellular vesicles for genetic information transfer and gene therapy. Hum. Mol. Genet. (2012) 21 (R1):R125-R134. Claudia Bang, Thomas Thum. (2012) Exosomes: New players in cell-cell communication. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology 44:11, 2060—2064. Заблокировать перенос микроРНК экзосомами можно с помощью ингибитора нейтральной сфингомиелиназы (SMPD3) — GW4869 или ингибитора кислой сфингомиелиназы (SMPD1) — дезипраминаVickers, Kasey C.; Remaley, Alan T. (2012) Lipid-based carriers of microRNAs and intercellular communication. Current Opinion in Lipidology: 23(2), 91-97 , что может предотвратить образование раковой ниши.Muller Fabbri (2012)TLRs as miRNA Receptors . Cancer Res , 72:6333-6337; Ruowen Ge, Evan Tan, Soheila Sharghi-Namini, and Harry H. Asada (2012) Exosomes in Cancer Microenvironment and Beyond: have we Overlooked these Extracellular Messengers? Cancer Microenviron. ; 5(3): 323—332.
В процессе развития и для поддержания друг друга во взрослом организме стволовые клетки и ниша могут оказывать индуктивное воздействие по отношению к друг другу. Нарушения таких взаимодействий могут приводить к развитию опухолей.
Ниша может быть представлена одним или несколькими типами взаимодействующих между собой клеток, а также клетками вместе с внеклеточными структурами, такими как внеклеточный матрикс. Отделение клетки от взаимодействующего с ней матрикса может привести к гибели клетки в результате аноикиса — запрограммированной смерти клетки в результате утраты нормального взаимодействия с матриксомFrisch SM, Screaton RA (2001). Anoikis mechanisms. Current Opinion in Cell Biology 13 (5): 555-62. . Chiarugi, P., & Giannoni, E. (2008). Anoikis: a necessary death program for anchorage-dependent cells. Biochemical pharmacology, 76(11), 1352—1364. Ishikawa, F., Ushida, K., Mori, K., & Shibanuma, M. (2015). Loss of anchorage primarily induces non-apoptotic cell death in a human mammary epithelial cell line under atypical focal adhesion kinase signaling. Cell Death & Disease, 6(1), e1619; .
Клетки ниши могут являться источником секретируемых факторов и носителями рецепторов, размещенных на клеточной поверхности. К числу гормональных и паракринных факторов, контролирующих обновление популяции клеток, дифференцировку и апоптоз, относят семейства: Wnt — NotchMuñoz-Descalzo, S., de Navascues, J. and Arias, A. M. (2012), Wnt-Notch signalling: An integrated mechanism regulating transitions between cell states. Bioessays, 34: 110—118. Roozen, P. P.C., Brugman, M. H. and Staal, F. J.T. (2012), Differential requirements for Wnt and Notch signaling in hematopoietic versus thymic niches. Annals of the New York Academy of Sciences, 1266: 78-93. , HedgehogMarcus Michel, Adam P. Kupinski, and Isabel Raabe (2012) Hh signalling is essential for somatic stem cell maintenance in the Drosophila testis niche. J Cell Sci 125:e1; , ростового фактора фибробластов (FGF)Di Maggio, N., Mehrkens, A., Papadimitropoulos, A., Schaeren, S., Heberer, M., Banfi, A. and Martin, I. (2012), Fibroblast Growth Factor-2 Maintains a Niche-Dependent Population of Self-Renewing Highly Potent Non-adherent Mesenchymal Progenitors Through FGFR2c. STEM CELLS, 30: 1455—1464. Potthoff M. J., Kliewer S. A. & Mangelsdorf D. J. (2012) Endocrine fibroblast growth factors 15/19 and 21: from feast to famine. Genes & Dev. 2012. 26: 312—324 Kim Baumann (2012) Stem cells: An ageing decline. Nature Reviews Molecular Cell Biology 13, 681 Joe V. Chakkalakal, Kieran M. Jones, M. Albert Basson & Andrew S. Brack (2012) The aged niche disrupts muscle stem cell quiescence. Nature 490, 355—360 , ростового фактора эпидермиса (EGF)Parrott BB, Hudson A, Brady R, Schulz C (2012) Control of germline stem cell division frequency--a novel, developmentally regulated role for epidermal growth factor signaling. PLoS One. 2012;7(5): e36460 , трансформирующего ростового фактора (TGF-β)Park JK, Ki MR, Lee EM, al. &, Jeong KS (2012) Losartan Improves Adipose Tissue-Derived Stem Cell Niche by Inhibiting Transforming Growth Factor-β and Fibrosis in Skeletal Muscle Injury. Cell Transplant. , фактора стволовых клеток (SCF)Salm, S., Burger, P. E. and Wilson, E. L. (2012) TGF-β and stem cell factor regulate cell proliferation in the proximal stem cell niche. Prostate, 72(9) 998—1005. Lei Ding, Thomas L. Saunders, Grigori Enikolopov & Sean J. Morrison (2012) Endothelial and perivascular cells maintain haematopoietic stem cells. Nature 481, 457—462 и семейства хемокиновNishida C, Kusubata K, Tashiro Y, et al & Hattori K. (2012) MT1-MMP plays a critical role in hematopoiesis by regulating HIF-mediated chemokine/cytokine gene transcription within niche cells. Blood. 2012 Jun 7;119(23):5405-16. ., а также белки внеклеточного матрикса вроде ламинина α-5Alex Laperle, Cheston Hsiao, Michael Lampe, Jaime Mortier, Krishanu Saha, Sean P. Palecek, Kristyn S. Masters (2015). α-5 Laminin Synthesized by Human Pluripotent Stem Cells Promotes Self-Renewal. Stem Cell Reports 5(2), 195—206. . Так, например, манипулируя сигнальным путём Wnt и определёнными транскрипционными факторами, можно вызвать у червячка C. Elegans образование перемещённых нишJackson BM, Eisenmann DM (2012) β-catenin-dependent Wnt signaling in C. elegans: teaching an old dog a new trick. Cold Spring Harb Perspect Biol. ;4(8): a007948. , а также «латентных» ниш, проявляющих себя только после того как незрелые зародышевые клетки в результате смещения вступают в неестественный для нормы контакт с популяцией клеток, секретирующих сигнальные молекулы NotchMcGovern M, Voutev R, Maciejowski J, Corsi AK, Hubbard EJ (2009) A 'latent niche' mechanism for tumor initiation. Proc Natl Acad Sci USA 2009, 106:11617-11622. Такие латентные ниши могут вызывать образование зародышевой опухоли — тератомы из-за нарушения программы развития. Способность некоторых раковых клеток самостоятельно вырабатывать необходимые для их выживания компоненты ниши превращают их в рассадников метастазов. К таким компонентам, в частности, относятся белки внеклеточного матрикса, такие как тенесцин Ц (TNC)Oskarsson T, Acharyya S, Zhang XH, et al. & Massague J (2011) Breast cancer cells produce tenascin C as a metastatic niche component to colonize the lungs. Nat Med , 17:867-874. и периостин (POSTN)Wang Z, Ouyang G. (2012) Periostin: a bridge between cancer stem cells and their metastatic niche. Cell Stem Cell. ;10(2):111- 112 .. Оба эти белка являются регуляторами ключевых сигнальных путей, таких как Wnt и NotchMalanchi I, Santamaria-Martinez A. et al. & Huelsken J (2012) Interactions between cancer stem cells and their niche govern metastatic colonization. Nature, 481:85-89..
Концепция ниши позволяет выявить механизмы снижения количества стволовых клеток и регенерационной способности в процессе старения организмаGopinath, S. D. and Rando, T. A. (2008), Stem Cell Review Series: Aging of the skeletal muscle stem cell niche. Aging Cell, 7: 590—598. . Так, например, повысив активность сигнала FGF, вырабатываемого сателлитными клетками мышечного волокна, можно вызвать снижение количества стволовых клеток и соответственно уменьшение регенерационной способности мышцы. И наоборот, снизив выработку нишей сигнала FGF можно предотвратить истощение сателлитных стволовых клеток и регенерационной способности мышцы.
Ниша в условиях in vitro