Degenerative Aging as a Treatable Condition Degenerative Aging as a Medical Condition

Local heterogeneity of basal cells of the epidermis

Comments Off

Posted by ilia2014 on Dec 29, 2015 in Russian Русский, Science | Comments Off

Alexander Khalyavkin

—

Local heterogeneity of basal cells of the epidermis

Izvestia Akademii Nauk SSSR. Seria Biologicheskaya. 5, 778-780, 1982.

(Bulletin of the USSR Academy of Sciences. Biology Series. Vol. 5, pp. 778-780, 1982)

Alexander Khalyavkin

In Russian: Локалная гетерогенность базальных клеток эпидермиса.

Khalyavkin Local Heterogeneity of Basal Epidermis Cells 82 5

Abstract:

We have critically analyzed the concept that posits local heterogeneity of basal cells of the epidermis, namely their separation into stem cells and cells that started differentiation. We show that the experimental data on which this concept is based, can be interpreted within the framework of the classical scheme of keratinocyte histogenesis, according to which all basal cells are stem cells and their heterogeneity with reference to several attributes can be related to their different stages within the cell cycle.

—

A series of experimental data, obtained within the last years, indicated the presence of two different types of cells within the population of the basal cells of the epidermis, namely basal stem cells and basal cells committed to differentiation, which differ in their ability for proliferation and differentiation (Potten, Hendry, 1973; Krieg et al., 1974; Marks, 1976; Potten et al., 1979; Potten, 1981). The present article analyzes the justification for this concept which is proposed on the basis of experiments studying clonogenic properties of basal cells and their sensitivity to the effect of G1-Chalone (Potten, Hendry, 1973; Marks, 1976).

In radio-biological experiments studying clonogenicity of basal cells in the epidermis of irradiated animals, there was registered the number of colonies formed after certain times following different doses of radiation exposure. Under low doses, there were many surviving cells, the colonies merged and their number was impossible to determine. Therefore the initial number of clonogenic cells was estimated indirectly by extrapolating the data obtained to zero radiation dose, while taking into account the possibility of an initial shoulder in the dose-effect relation. The number of clonogenic basal cells, estimated this way, was much less than the general number of basal cells. This led to the hypothesis that only a part of basal cells are clonogenic stem cells, while the rest are their more differentiated progeny (Potten, Hendry, 1973). This concept was developed in the works studying the effects of exposure of basal cells to the endogenous tissue-specific inhibitor of proliferation – the epidermal G1-Chalone (Krieg et al., 1974, Marks, 1976). These experiments showed that the actively proliferating epidermis (neonatal skin, regenerating skin and skin subjected to tumor promoters) demonstrates reduced sensitivity to G1-Chalone as compared to normal adult epidermis. Within the framework of the concept under consideration, this was explained by suggesting that the basal cells of actively proliferating epidermis contain a larger proportion of stem cells presumably insensitive to the effect of G1-Chalone (Krieg, et al., 1974; Marks, 1976).

Thus, based on the different sensitivity to the influence of G1-Chalone and based on experiments studying colony formation in epidermis of irradiated animals, a concept was advanced suggesting the attribution of basal cells to two populations: stem cells-progenitors and their progeny committed to differentiation (Potten, Hendry, 1973; Marks, 1976). This means that, instead of the known histogenic series of stages of keratinocyte maturation (the basal cell → spinous cell → granular cell, etc.), the following modification of this scheme is proposed: the basal stem cell → the basal cell that started differentiation → spinous cell → granular cell, etc. This modified scheme is further supported by the data regarding colony formation of epidermal cells in culture. It is known that the number of colonies formed is much less than the number of seeded basal cells (Rheinwald, Green, 1977). This also seems to indicate that not all basal cells are clonogenic stem cells.

However, it is possible that the observed differences in the properties of basal cells are the results of other causes, namely the heterogeneity of their positioning within the cell cycle.

It is known that a part of basal cells is outside the mitotic cycle (Fukuda et al. 1978). This state is termed “proliferative rest” i.e. Phase G0 (Lajtha, 1963) or Phase R1 (Epifanova, Terskikh, 1968; Terskich, 1973). The rest of the cells undergo different stages of the mitotic cycle. Insofar as the resting cells are more resistant to external influences than the proliferating cells (Terskich, 1973), the dependence of the number of colonies formed on high doses of irradiation can reflect the radio-sensitivity of resting basal cells. Therefore the extrapolation of this dependence to the zero dose, taking into account the initial shoulder, gives the value equal to the number of basal cells that are found outside the mitotic cycle. Clearly, their number should be less than the general number of basal cells. This can also explain the different ability of basal cells for colony formation in culture. It is assumed that the signal for the transition of basal cells to the path of irreversible differentiation is their detachment from the dermo-epidermal boundary (Flaxman 1972). Therefore, when preparing their reseeding into culture, basal cells are detached from dermal substrate, a part of them, found in G0 state, begin irreversible differentiation and are unable to form colonies. The rest of the cells, found in the mitotic cycle, before transition to differentiation, must complete it. However, during the time of the cycle, their majority gets to precipitate in the culture vessel, attach to the appropriate substrate and therefore is able to form colonies. Hence, an increase of the time interval between the detachment of basal cells form dermal substrate and their placement in the culture on the feeder fibroblast layer, leads to a reduction in the number of colonies formed, while an increase of the proportion of proliferating cells of the epidermis raises this number (Rheinwald, Green, 1977).

In order to explain the mechanism of cell transition to the state of proliferative rest, it was suggested that the cells are affected by tissue-specific inhibitors of the mitotic cycle (Bullough, 1963, Lajtha, 1969). The cells can reside in the resting state for a prolonged time and enter the mitotic cycle under the influence of an inductive stimulus (Lajtha, 1969; Smith, Martin, 1973). It is assumed that at any time, under constant conditions, the mitotic cycle is entered by the same proportion of the remaining resting cells (Smith, Martin, 1973). Apparently, the proliferation starts in cells in which the stimulating signal prevails over the inhibiting signal. If assuming that the stationary distribution of resting cells according to the inhibiting signal value, created by the chalones, is nearly Gaussian bell-shaped curve, then the proportion of cells entering the mitotic cycle under the inductive stimulus will be determined by the area beneath the distribution curve, limited on the right by the inhibiting signal value, equal to the stimulating signal value (the inductive stimulus). The addition of chalones will shift the distribution to the right, hence the proportion of cells entering the cycle will diminish. The ratio of the proportion of cells entering the mitotic cycle after the addition of chalones to the proportion of cells entering the cycle without the addition of the chalone, reflects its inhibiting action. The lower this ratio, the more expressed is the chalone’s inhibiting action. These considerations explain why the inhibiting activity of the chalones is better expressed in a cell population subjected to the influence of a small inductive stimulus. Therefore there is no need to adduce the hypothesis about the larger proportion of stem cells presumably insensitive to the effect of chalones, in an actively proliferating population of basal cells. Also the very suggestion about the insensitivity of stem cells to chalones is quite vulnerable (Krieg et al. 1974; Marks 1976).

Thus the present analysis allows us to conclude that, despite the attraction of the concept that only a part of basal cells are stem cells, it would be premature to accept it as a final conclusion. This is because the experimental facts, lying at the foundation of that concept, can be explained by the heterogeneity of basal cells with reference to their position in the cell cycle.

In conclusion, we would like to note that the study of colony formation in a culture of epidermal cells, obtained from irradiated animals, would allow the evaluation of the real character of the dose-effect dependence under low irradiation doses. This could serve as one of the proofs or refutations for the correctness of the concept under consideration.

References:

Епифанова О.И., Терских В.В. Периоды покоя и активной пролиферации в жизненном цикле клетки. – Ж. Общ. Биол. 1968б т. 29. № 4, с. 392. (Epifanova O.I. Terskich V.V. Period of Rest and active proliferation in cell life cycle. Journal of General Biology – in Russian, vol. 29, no. 4, p. 392, 1968).

Терских В.В. Периоды покоя в нормальных и малигнизированных клетках. – В кн. Клеточный цикл. М. Наука 1973, с. 165. (Terskich V.V. Periods of rest in normal and malignant cells, in Cell Cycle, Nauka, Moscow, 1973, p. 165).

Bullough W.S. Analysis of the life cycle in mammalian cells. – Nature, 1963, v. 199, No. 4896, p. 859.

Flaxman B.A. Replication and differentiation in vitro of epidermal cells from normal skin and from benign (psoriasis) and malignant (basal cell cancer) hyperplasia. – In Vitro, 1972, v. 8, No. 3, p. 327.

Furuda M., Okamura K, Fujita S, Bohm M, Rohbach R, Sandritter W. The different stem cell populations in mouse epidermis and lingual epithelium. – Path. Res. Pract., 1978, v. 163, No. 3, p. 205.

Krieg L, Kuhlmann I, Marks F. Effect of tumor-promoting phorbol esters and acetic acid on mechanisms controlling DNA synthesis and mitosis (chalones) and on the biosynthesis of histidine-rich protein in mouse epidermis. – Cancer Res. 1974, v. 34, No. 11, p. 3135.

Lajtha L.G. On the concept of the cell cycle. – J. Cell Compar. Physiol., 1963, v. 60, No. 2, Suppl. 1, p. 143.

Lajtha L.G. Kinetic models of hemopoietic stem cell population. – Hemic cells in vitro, 1969, v. 4, p. 14.

Marks F. Epidermal growth control mechanisms hyperplasia, and tumor promotion in the skin. – Cancer Res. 1976, v. 36, No. 7, part 2, p. 2636.

Potten C. S. Cell replacement in epidermis (keratopoiesis) via discrete units of proliferativation. – Int. Ev. Cyt. 1981, v. 69, p. 271.

Potten C.S., Hendry J.H. Clonogenic cells and stem cells in epidermis. – Intern. J. Radiat. Biol, 1973, v. 24, No. 5, p. 537.

Potten C.S. Schofield R, Lajtha L.G. A comparison of cell replacement in bone marrow, testis and three regions of surface epithelium. – Biochem. Biophys. Acta, 1979, v. 560, No. 2, p. 281.

Rheinwald J.G. Green H. Epidermal growth factor and the multiplication of cultured human epidermal keratinocytes. – Nature, 1977, v. 265, No. 5593, p. 421.

Smith J.A., Martin L. Do cell cycle? – Proc Natl. Acad. Sci. USA, 1973, v. 70, No. 4, p. 1236.

Institute of Chemical Physical – The USSR Academy of Sciences, Moscow

Arrived to the editorial office

3.XI.1981

Khyalyavkin A.V.

The local heterogeneity of the basal cells of epidermis

Institute of Chemical Physics, Academy of Sciences of the USSR, Moscow

The critical analysis of the concept, postulating the subdivision of the basal cells of the epidermis into the stem cells and the cells at the beginning of the differentiation is given. It was shown that the experimental data, providing the basis of the concept, can be interpreted within the limits of the classical scheme of keratinocyte’s histogenesis, according to which all basal cells are know as stem cells, but their heterogeneity in a number of properties can be related with the different place in the cellular cycle. The experiment, the results of which can be used as the argument in favor of one of the alternative concepts, is suggested.

In Russian:

Локалная гетерогенность базальных клеток эпидермиса.

Khalyavkin Local Heterogeneity of Basal Epidermis Cells 82 5

УДК 576.321.34

Халявкин А.В.

Локальная гетерогенность базальных клеток эпидермиса.

Проведен критический анализ концепции, постулирующей локальную гетерогенность базальных клеток эпидермиса, которая заключается в подразделении их на стволовые клетки и клетки, приступившие к дифференцировке. Показано, что экспериментальные данные, лежащие в основе этой концепции, могут быть интерпретированы в рамках классической схемы гистогенеза кератиноцита, согласно которой все базальные клетки являются стволовыми, а их гетерогенность по ряду свойств может быть связаны с различным положением в клеточном цикле.

Ряд экспериментальных данных, полученных в последние годы, привел к представлении о наличии в популяции базальных клеток эпидермиса двух различных типов клеток – стволовых базальных клеток и коммтированных к дифференцировке (Potten, Hendry, 1973; Krieg et al. 1974; Makrs, 1976; Potten et al. 1979; Potten 1981). В настоящем сообщении анализируется обоснованность этой концепции, высказанной на основе экспериментов по изучению клоногенных свойств базальных клеток и их чувствительности к действию G1-кейлона (Potten, Hendry, 1973; Marks, 1976).

В радиобиологических экспериментах по изучению клоногенности базальных клеток в эпидермисе облученных животных регистрировалось число колоний, образовавшихся спустя определенное время после действия разных доз облучения. При низких дозах выживших клеток было много, колонии сливались, и их количество определить было невозможно. Поэтому начальное число клоногенных клеток оценивалось косвенно экстраполяцией полученных данных к нулевой дозе облучения с учетом возможного начального плеча на зависимости доза – эффект. Оцененное таким образом число клоногенных базальных клеток оказалось гораздо меньше общего числа базальных клеток. Это дало повод предположить, что только часть базальных клеток является стволовыми (Potten, Hendry, 1973). Данная концепция получила развитие в работах по изучению действия на базальные клетки эндогенного тканеспецифического ингибитора пролиферации – эпидермального G1-кейлона (Krieg et al., 1974, Marks, 1976). В этих опытах было показано, что активно пролиферирующий эпидермис (неонатальная кожа, регенерирующая кожа и кожа, находящаяся под воздействием опухолевого промотера) проявляет пониженную чувствительность к действую G1-кейлона в сравнении с нормальным эпидермисом взрослого. В рамках рассматриваемой концепции это объяснялось тем, что базальные клетки активно пролиферирующего эпидермиса содержат большую долю стволовых клеток, предположительно нечувствительных к действию G1-кейлона (Krieg et al., 1974, Marks, 1976).

Таким образом, на основании различной чувствительности к действию G1-кейлона и на основании экспериментов по изучению колониеобрзования в эпидермисе облученных животных была выдвинута концепция о принадлежности базальных клеток к двум популяциям: стволовых клеток-предшественников и их потомков, коммитированных к дифференцировке (Potten, Hendry, 1973 Marks, 1976). Это означает, что вместо известного гистогенетического ряда стадий созревания кератиноцита (базальная клетка ->шиповатая->зернистая и т.д) предполагается следующая модификация этой схемы: базальная стволовая клетка –< базальная клетка, приступившая к дифференцировке –> шиповатая –> зернистая и т.д. В пользу такой модифицированной схемы можно привести и данный по колониеобразованию эпидермальных клеток в культуре. Известно, что число образуемых колоний гораздо меньше числа высеваемых базальных клеток (Rheinwald, Green, 1977). Это как будто бы тоже говорит за то, что не все базальные клетки являются стволовыми клоногенными клетками.

Однако возможно, что наблюдаемые различия в свойствах базальных клеток являются следствием других причин, а именно гетерогенность по положению в клеточном цикле.

Известно, что часть базальных клеток находится вне митотического цикла (Fukuda et al, 1978). Это состояние называется пролиферативным покоем, фазой G0 (Lajtha, 1963) или фазой R1 (Епифанова, Терских, 1968; Терских, 1973). Остальные клетки проходят различные стадии митотического цикла. Поскольку покоящиеся клетки более резистентны к внешним воздействиям, чем пролифирирующие (Терских, 1973), зависмость числа образованных колоний от высоких доз облучения может отражать радиочувствительность покоящихся базальных клеток. Поэтому экстраполяция этой зависимости к нулевой дозе с учетом начального плеча даст величину, равную числу базальных клеток, находящихся вне митотического цикла. Ясно, что их число должно быть меньше общего числа базальных клеток. Этим же можно объяснить и различную способность базальных клеток к колониеобразованию в культуре. Считается, что сигналом для перехода базальных клеток на пусть необратимой дифференцировки является их отрыв от дермо-эпидермальной границы (Flaxman, 1972). Поэтому, когда для подготовки к пересеву их в культуру базальные клетки отделяются от дермальной подложки, часть из них, находящаяся в состоянии G0, начинает необратимую дифференцировку и не способна образовывать колонии. Остальные клетки, находящиеся в митотическом цикле, до перехода в дифференцировку должны завершить его. Однако за время прохождения цикла большинство из них успевает осесть в сосуде для культивирования, закрепиться на соответствующем субстрате и поэтому способно образовывать колонии. Таким образом, увеличение интервала времени между отделением базальных клеток от дермальной подложки и помещением их в культуру на фидерный слой фибробластов приводит к уменьшению количества образуемых колоний, а повышение доли пролиферирующих клеток эпидермиса увеличивает это количество (Rheiwald, Green, 1977).

Для объяснения механизма перехода клеток в состоянии пролиферативного покоя было предложено, что на клетки действуют тканеспецифические ингибиторы митотического цикла (Bullough, 1963; Lajtha, 1969). Клетки могут находиться в периоде покоя длительное время и вступать в митотический цикл под влиянием индуктивного стимула (Lajtha, 1969; Smith, Martin, 1973). Считается, что каждый момент времени при постоянных условиях в митотический цикл вступает одна и та же доля оставшихся покоящихся клеток (Smith, Martin, 1973). Видимо, начинают пролиферацию те из них, у которых стимулирующий сигнал превалирует над ингибирующим. Если предположить, что стационарное распределение покоящихся клеток по величине ингибирующего сигнала, создаваемого кейлоном, близко к колоколообразной кривой, то доля клеток, вступающих в митотический цикл под воздействием индуктивного стимула, определится площадью под кривой распределения, ограниченной справа величиной ингибирующего сигнала, равной величине стимулирующего сигнала (индуктивного стимула). Добавление кейлона сместит распределение вправо, поэтому доля клеток, входящих в цикл, уменьшится. Отношение доли клеток, входящих в митотический цикл после добавления кейлона к доле клеток, входящих в митотический цикл после добавления кейлона к доле клеток, входящих в цикл без добавления кейлона, отражает его ингибирующее действие. Чем это отношение ниже, тем ингибирующее действие кейлона выражено больше. Из этих рассуждений видно, почему ингибирующая активность кейлона лучше проявляется в популяции клеток, находящихся под воздействием небольшого индуктивного стимула. Поэтому нет никакой необходимости привлекать гипотезу о большей доле стволовых клеток, предположительно не чувствительных к действию кейлона, в активно пролиферирующей популяции базальных клеток. Достаточно уязвимо и само предположение о нечувствительности стволовых клеток к кейлону (Krieg et al., 1974; Marks, 1976).

Таким образом, проведенный анализ позволяет заключить, что, несмотря на привлекательность концепции о том, что только часть базальных клеток является стволовыми, окончательность такого вывода была бы преждевременной. То следует из того, что экспериментальные факты, на которых построена данная концепция, могут объясняться гетерогенностью базальных клеток по их положению в клеточном цикле.

В заключение отметим, что изучение колониеобразования в культуре эпидермальных клеток, взятых от облученных животных, позволило бы судить об истинном характере зависимости доза – эффект в области низких доз облучения. Это могло послужить одним из доказательств или опровержения справедливости рассматриваемой концепции.

Литература

Епифанова О.И., Терских В.В. Периоды покоя и активной пролиферации в жизненном цикле клетки. – Ж. Общ. Биол. 1968б т. 29. № 4, с. 392.

Терских В.В. Периоды покоя в нормальных и малигнизированных клетках. – В кн. Клеточный цикл. М. Наука 1973, с. 165.