Стволовые клетки: биолого-физиологические закономерности развития, функции и механизмы

РОССИЙСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ  им.  А. И. ГЕРЦЕНА
В. Я. Апчел, А. В. Москалёв, 
Е. А. Никитина
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ: 
БИОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ 
ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ, 
ФУНКЦИИ И МЕХАНИЗМЫ
МОНОГРАФИЯ
Санкт-Петербург
Издательство РГПУ им. А. И. Герцена
2023

Печатается по решению редакционноиздательского совета РГПУ им. А. И. Герцена
УДК 611-013.3:576.3
ББК 28.03
 
С78
Р е ц е н з е н т ы:
Лопатина Екатерина Валентиновна, доктор биологических наук 
(Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский 
университет им. И. П. Павлова);
Сайфитдинова Алсу Фаритовна, доктор биологических наук 
(Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена)
С78  
  Стволовые клетки: биолого-физиологические закономерности 
развития, функции и механизмы : монография / В. Я. Апчел, 
А. В. Москалёв, Е. А. Никитина. — Санкт-Петербург : Изд-во РГПУ 
им. А. И. Герцена, 2023. — 212 с.
ISBN 978-5-8064-3240-8
В монографии приведены основные биолого-физиологические закономерности 
развития, функции, механизмы и виды дифференцировки стволовых клеток, их 
способность к размножению и генерации потомства на уровне популяции. Дается краткое обоснование двух принципиально разных типов стволовых клеток: 
плюрипотентных, которые существуют только in vitro, и тканевых, существующих 
in vivo в послеродовом организме. Показано, что плюрипотентные клетки могут 
приводить к появлению широкого спектра типов клеток, в отличие от тканевых, 
которые в нормальных условиях не генерируют клетки, характерные для других 
типов тканей. Представлены этапы развития плюрипотентных стволовых клеток. 
Обсуждается роль ключевых маркеров плюрипотентности и факт того, что самым 
надежным способом идентификации стволовых клеток является определение их 
фенотипа in vivo. Это свидетельствует о том, что стволовые клетки не несут универсального молекулярного маркера, позволяющего дифференцировать стволовые 
клетки от нестволовых. Рассмотрены объекты и современные методы редактирования генома. Охарактеризована иммунная система прокариот и их защитные 
механизмы, препятствующие целевому редактированию генома в интересах исследователя. Описаны фазы развития эмбриона, начиная с формирования гамет 
и зародышевых линий, различия в отборе зародышевых и соматических клеток, 
рассматривается образование истинных зародышевых клеток, их типы, факторы, 
обеспечивающие их дифференцировку и миграцию. Представлены проб 
лемные 
и перспективные сведения по использованию стволовых клеток в трансплан 
тологии 
и другие не менее интересные вопросы, касающиеся стволовых клеток.
Монография предназначена биологам, физиологам, врачам, научным работникам, будет полезна преподавателям, аспирантам и студентам биологических 
и медицинских факультетов университетов, академий и институтов, а также 
широкому кругу читателей.
УДК 611-013.3:576.3
ББК 28.03 
В оформлении обложки использована репродукция картины Сальвадора Дали «Аврора».
© В. Я. Апчел, А. В. Москалёв, Е. А. Никитина, 2023
© О. В. Гирдова, оформление обложки, 2023
© Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2023
ISBN  978-5-8064-3240-8

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
5
Гл а в а  1. Стволовые клетки и их физиологические эффекты . . . . . . . .  
8
1.1. Основные вехи истории исследования стволовых клеток . . . . . .  
8
1.2. Классификация стволовых клеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  12
1.3. Размножение, созревание и дифференцировка стволовых 
клеток  
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  16
1.4. Источники получения стволовых клеток и их пролиферативная 
активность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  18
1.5. Маркеры дифференцировки эмбриональных стволовых клеток 
и стволовых кроветворных клеток 
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  22
Гл а в а  2. Стволовые клетки, происхождение и маркировка . . . . . . . . .  29
2.1. Общие положения происхождения стволовых клеток и их 
маркировок  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  29
2.2. Концепция ниши стволовых клеток и трансдифференцировки . .  35
2.3. Физиологические возможности стволовых клеток  . . . . . . . . . . .  36
Гл а в а  3. Проблемы и перспективы использования стволовых клеток 
в трансплантологии 
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  41
3.1. Общие вопросы использования стволовых клеток 
в трансплантологии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  41
3.2. Пути поддержания жизнедеятельности клеток, микроорганизмов 
вне организма 
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  42
3.3. Задачи тканевой биоинженерии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  52
3.4. Отторжение трансплантатов и иммунологическая 
толерантность  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  54
Гл а в а  4. Трансдифференциация стволовых клеток до организма 
плода 
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  63
4.1. Общие положения технологии получения тканей и органов для 
пересадки  
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  63
4.2. Фазы развития эмбриона млекопитающих 
 . . . . . . . . . . . . . . . . . .  64
4.3. Процеcс капацитации и последующие этапы оплодотворения 
 . .  67
3

Гл а в а  5. Дифференцировка и варианты технологии получения 
плюрипотентных стволовых клеток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  76
5.1. Основные теоретические положения получения плюрипотентных 
стволовых клеток   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  76
5.2. Перепрограммирование плюрипотентности соматических 
клеток  
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  82
5.3. Эмбриональные стволовые клетки человека  . . . . . . . . . . . . . . . .  87
Гл а в а  6. Этапы развития плюрипотентных стволовых клеток  . . . . . .  93
6.1. Основные механизмы превращения плюрипотентных стволовых 
клеток в мышь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  93
6.2. Гены, сигнальные системы и факторы, контролирующие ранние 
периоды развития . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  98
6.3. Формирование первичного плана тела и последующие этапы 
развития эмбриона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  103
6.4. Поведение стволовых клеток в постнатальном периоде . . . . . . .  108
Гл а в а  7. Клеточные механизмы регуляции и защиты  . . . . . . . . . . . . .  124
7.1. Интерференция РНК 
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  124
7.2. Молекулярные шапероны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  136
7.3. Редактирование генома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  146
7.3.1. Система ZFN 
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  146
7.3.2. Система TALEN  
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  148
7.3.3. СRISP-Cas-система — адаптированная иммунная система 
бактерий и архей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  149
7.3.4. Ключевые особенности ферментного белка Cas9 
 . . . . . . .  156
Гл а в а  8. Методы изучения генетических модификаций  . . . . . . . . . . .  159
8.1. Изучение генетических модификаций с помощью трансгенных 
мышей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  159
8.2. Линия клеток, карта развития клетки и клональный анализ  
 . . .  165
8.3. Создание панелей изогенных плюрипотентных стволовых 
клеток человека  
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  172
Заключение 
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  182
Список сокращений 
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  184
Литература  
 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  189

ВВЕДЕНИЕ
В монографии в доступной и лаконичной форме изложены обобщенные данные, посвященные развитию, дифференцировке, функционированию и использованию стволовых клеток (СК). Представлена характеристика различных популяций СК. Рассмотрены 
физиологические особенности дифференцировки, дедифференцировки, трансдифференцировки, пластичности, а также факторы, 
способствующие их проявлению. Дана подробная сравнительная 
характеристика эмбриональных (ЭСК) и соматических стволовых 
клеток (ССК), наиболее важных с точки зрения практического применения. Показано, что ЭСК дифференцируются в три различных 
типа тканей: эндодерму, дающую начало внутренним органам; мезодерму, из которой развиваются соединительная, мышечная и костная ткани, а также формируется система кровообращения; эктодерму, 
из которой образуются кожа, органы чувств и нервные клетки. Из-за 
способности дифференцироваться в различные типы тканей ЭСК 
называют мультипотентными (Zabriskie, 2009). ССК также способны 
к дифференциации, однако более ограниченной, чем эмбриональные. 
ССК одного типа способны давать начало другим типам клеток. 
Это свойство делает возможным применение ССК для терапии 
и репарации больных и поврежденных тканей. Использование ССК 
ограничивает тот факт, что они труднее поддаются дифференциации 
и культивируются в лабораторных условиях хуже, чем ЭСК. Поскольку линии СК изолированы от внезародышевых тканей, их происхождение и развитие остаются не до конца раскрытыми. Тем не 
менее современные исследования подтвердили возможность получения клонов из ядер ранних бластомеров эмбрионов (Москалев 
и др., 2019; Zabriskie, 2009).
Установлено, что одним из самых ярко выраженных признаков 
способности клетки к пролонгированной пролиферативной активности является величина клеточной теломеры, непосредственно 
5

связанная с активностью фермента теломеразы. Чем активнее теломераза и длиннее теломера, тем к более длительной пролиферативной 
активности и к более длительному самоподдержанию способна данная клетка. Рассмотрены и охарактеризованы достоинства, недостатки и перспективы различных методов выделения и обогащения 
стволовых кроветворных клеток (СКК) из периферической крови, 
костного мозга и пуповинной крови новорожденных, являющейся 
наиболее перспективным источником получения СКК (Valina et al., 
2007; Zabriskie, 2009). Описаны объекты и современные методы 
редактирования генома, иммунная система прокариот и их защитные 
механизмы, препятствующие целевому редактированию генома 
в интересах исследователя. Показано, что таким механизмом у прокариот являются кластерные регулятивные межпространственные 
короткие палиндромные повторы. Число таких повторов у различных 
объектов отличается, что в итоге не позволяет получить идеальную 
стандартную модель. Охарактеризованы белки, которые в настоящее 
время чаще всего используются для редактирования генома и выявления участков протоспейсерных соседних мотивов. Дана подробная характеристика организации иммунной системы прокариот 
и фаз ее активности.
Кроме того, рассмотрены различные методы биотехнологических 
исследований, позволяющие оценить варианты внедрения новых 
генов в клетки и даже целые организмы, а также методы контроля 
их экспрессии во времени и пространстве, их активацию, дифференцировку и снижение функциональной активности, экспрессию 
нескольких целевых генов (Gilbert et al., 2013; McDonald et al., 2016; 
Sternberg et al., 2014; Zabriskie, 2009). Сравниваются варианты 
с мультицистронными векторами, кодирующими несколько белков, 
варианты внедрения генов с использованием плазмид, электропорации, их недостатки и преимущества. Важным аспектом биотехнологических методов являются способы контроля экспрессии 
трансгенов. Сегодня достаточно эффективным является управление 
экспрессией с помощью фактора, присутствующего в самом векторе доставки гена и активного только в определенном типе клеток 
(Sternberg et al., 2014). Для регулирования экспрессии трансгена 
используется эндонуклеаза бактериофага P1, которая разрезает 
дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) только на конкретных 
6

участках. Данная система внедрена как в эукариотических, так 
и в прокариотических системах.
Монография может служить кратким руководством для молекулярных и клеточных биологов, физиологов, генетиков, иммунологов, 
врачей общей практики, преподавателей, аспирантов и студентов 
биологических и медицинских факультетов университетов, академий 
и институтов, занимающихся исследованием и изучением различных популяций эмбриональных и соматических стволовых клеток, 
а также методов редактирования генома.

Гл а в а  1
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ 
И ИХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
1.1. Основные вехи истории исследования 
стволовых клеток
Интерес к стволовым клеткам проявился в начале XX в. Отрадно, что первым, кто предложил термин «стволовые клетки», был 
профессор Военно-медицинской академии — Александр Александрович Максимов. А. А. Максимов (04.02.1874 — 04.12.1928) — 
выдающийся русский ученый, один из создателей унитарной теории кроветворения. Александр Александрович родился в СанктПетербурге, где в 1896 г. с отличием окончил Военно-медицинскую 
академию. С 1903 по 1922 г. А. А. Максимов занимал пост профессора кафедры гистологии Военно-медицинской академии. Термин «стволовая клетка» А. А. Максимов предложил еще в 1908 г. 
в Берлине на съезде гематологов, где он выступил с новой теорией 
кроветворения для объяснения механизма быстрого самообновления крови. Именно этот год можно по праву считать началом истории развития исследований СК. А. А. Максимов первый пришел 
к выводу, что обновление клеток крови — это особая технология, 
отличная от простых клеточных делений. Если бы клетки крови 
самообновлялись простым клеточным делением, это потребовало 
бы гигантских размеров костного мозга (Москалев и др., 2020; 
Трактуев и др., 2006).
Первые эксперименты по практическому использованию СК были 
начаты еще в начале 1950-х гг. Именно тогда было доказано, что 
с помощью трансплантации костного мозга (основного источника 
СК) можно спасти животных, получивших смертельную дозу радиоактивного облучения. Однако поистине огромный интерес к СК 
возник в конце XX — начале XXI в. Это представляется вполне 
оправданным, так как при целом ряде патологий, прежде всего 
8

при гемобластозах, трансплантация СКК является не альтернативным 
способом лечения больного, а его единственной и реальной надеждой. СКК обладают двумя ключевыми характеристиками: одна — 
неопределенная способность к самообновлению в культуре, вторая — 
очень широкий потенциал дифференциации для генерации всех 
типов клеток. Следовательно, если можно эффективно вывести такие 
клетки и затем успешно провести им генную терапию для исправления всех основных мутаций, вызывающих заболевание, то полученные клетки, теоретически, могут служить неисчерпаемым источником здоровых СК. Впоследствии они могут быть направлены 
на дифференцировку в любой необходимый тип клеток, который 
в конечном итоге может служить для восстановления поврежденной 
или пораженной ткани (Владимирская и др., 2007; Трактуев и др., 
2006; Jeon et al., 2006).
Известно, что СКК являются уникальным банком биологической 
информации. СК могут копировать как построение органов и тканей 
(эмбриогенез), так и созревание специализированных линий соматических клеток (дифференцировка). В настоящее время под термином «стволовые клетки» понимают клетки тканей, обладающих как 
минимум способностью к длительному самоподдержанию и продукции дифференцированных клеток, образующих данную ткань 
(Ярилин, 2010; Dominici et al., 2006; Schaffl
 er, Buchler, 2007).
Основные вехи истории исследования СК можно представить 
следующим образом.
1988 г. — СК были впервые использованы для трансплантации.
1992 г. — получена первая именная коллекция СК. Профессор 
Дэвид Харрис заморозил СК пуповинной крови своего первенца. 
Сегодня Дэвид Харрис — директор крупнейшего в мире банка стволовых клеток пуповинной крови.
1996 г. — начало трансплантации аутологичных СК (за период 
с 1996 по 2004 г. были выполнены 392 трансплантации аутологичных СК).
1997 г. — в 45 медицинских центрах мира проведено 143 трансплантации пуповинной крови. В России проведена первая операция 
онкологическому больному по пересадке СК из пуповинной крови 
младенцев.
1998 г. — первая в мире трансплантация СК пуповинной крови девочке с диагностированной нейробластомой. Общее число 
9

проведенных трансплантаций пуповинной крови превышает 600. 
В этом же году американским ученым Д. Томсону и Д. Беккеру 
удалось выделить человеческие эмбриональные СК и получить их 
первые линии. Ученые нашли способ выращивать стволовые клетки в искусственной питательной среде.
1999 г. — журнал Science признал открытие эмбриональных СК 
(ЭСК) третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека».
2000 г. — в мире проведено 1200 трансплантаций СК пуповинной 
крови, из них двести родственных.
2001 г. — опубликованы первые официальные данные о возможности применения трансплантации СК пуповинной крови у взрослых 
пациентов, из них более 90% с положительным результатом. В этом 
же году показана способность взрослых гемопоэтических и СК 
костного мозга человека дифференцироваться в кардиомиоциты 
и гладкомышечные клетки, эта способность используется в регенеративной кардиологии.
2003 г. — журнал Proceedings of the National Academy of Science 
USA опубликовал сообщение о том, что через 15 лет хранения 
в жидком азоте СК пуповинной крови полностью сохраняют свои 
биологические свойства. Мировая коллекция СК, хранящихся 
в банках, достигла 72 000 образцов. В мире произведено уже 
2592 трансплантации СК пуповинной крови, из них 1012 — взрослым 
пациентам.
2004 г. — общая мировая коллекция СК пуповинной крови приближается к 400 000 образцов. В мире произведено около 5000 трансплантаций пуповинной крови. Для сравнения, число трансплантаций 
костного мозга за тот же период составило около 85 000.
2005 г. — перечень заболеваний, при лечении которых может быть 
успешно применена трансплантация СК, достигает нескольких десятков. Основное внимание уделяется лечению злокачественных 
новообразований, различных форм лейкозов и других болезней крови. Разработаны международные протоколы лечения рассеянного 
склероза. Проводятся многоцентровые исследования при лечении 
инфаркта миокарда и сердечной недостаточности. Разрабатываются 
подходы к лечению инсульта, болезни Паркинсона и Альцгеймера. 
В основе многих патологий лежат количественные изменения СК. 
Так, соотношение СК с другими клетками организма с возрастом 
10