(Gen)erhvervelse af potentialet til at blive alt

En ny undersøgelse i Naturgenetik identificerer en specifik population af pluripotente embryonale stamceller, der kan omprogrammere til totipotente-lignende celler i kultur. I øvrigt, videnskabsmændene fra Helmholtz Zentrum München og Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) har identificeret flaskehalse og drivere til denne omprogrammering.

Cellulær plasticitet er en celles evne til at lave forskellige celletyper. I de tidlige stadier af livet, den befrugtede enkeltcelle, der kommer fra moderens æg og faderens sædceller, er meget plastisk - det vil give anledning til alle kroppens celletyper. Cellulær plasticitet er derfor afgørende for, at flercellede organismer som mennesker kan eksistere.

Den enkelte befrugtede celle deler sig først i to celler (benævnt 2-celle udviklingsstadiet). Den enkelte celle og de to celler, der er et resultat af den, har det højeste niveau af cellulær plasticitet:De er totipotente, hvilket betyder, at de kan lave en fuld organisme, inklusive det ekstra-embryonale placentavæv. I modsætning, embryonale stamceller er pluripotente, hvilket betyder, at de kan danne alle organismens celler, men typisk ikke det ekstra embryonale væv.

I en kultur af embryonale stamceller (ES), en lille population (omkring 1%) bliver spontant til celler, der ligner de totipotente celler i 2-cellestadiets embryo. Disse celler kaldes 2-celle-lignende celler (2CLC'er). I dette studie, Prof. Dr. Maria Elena Torres-Padillas team satte sig for at bestemme disse cellers specifikke molekylære natur og finde ud af, hvordan de opstår. Torres-Padilla er direktør for Institut for Epigenetik og Stamceller (IES) ved Helmholtz Zentrum München og professor i stamcellebiologi ved LMU. Formålet med holdet var at få indsigt i de molekylære træk ved totipotens og at finde ud af, hvordan ændringer i cellulær plasticitet kan forekomme. Deres ultimative mål er at forstå, hvordan disse totipotente-lignende celler 'opfører sig', så de kan manipulere dem, og generere dem in vitro.

Holdet begyndte med at sammenligne generne udtrykt i ES-celler med dem udtrykt i 2CLC'er. For at gøre dette brugte de ES-celler, som udtrykker et grønt fluorescerende protein, når celler begynder at udtrykke MERVL-genet. "MERVL er et retrotransposon udtrykt i 2-celle-lignende celler" forklarer Diego Rodriguez-Terrones, en ph.d. studerende i Torres-Padilla-laboratoriet og med-førsteforfatter af papiret. "Ved at bruge denne cellelinje kan vi adskille 2-celle-lignende celler fra ES-cellerne i kulturen ved at indsamle de grønne celler, som er gået ind i den 2-celle-lignende tilstand. Vi sammenligner derefter generne udtrykt i begge celletyper" tilføjer han . Denne enkeltcelle transkriptomanalyse efterfulgt af beregningsmæssige analyser gjorde det muligt for holdet at identificere genekspressionsprofilerne for celler i processen med at skifte fra ES-celler til 2CLC'er.

De fandt ud af, at i overgangsperioden, celler udtrykte stigende mængder af et gen, der koder for transkriptionsfaktoren Zscan4. De udviklede deres reporterlinje til også at kunne udtrykke et rødt fluorescerende protein, når Zscan4 udtrykkes. Billeddannelse af levende celler bekræftede, at størstedelen af ​​cellerne blev røde (Zscan4-positive), før de blev grønne (MERVL-positive 2-celle-lignende celler). "Denne observation, kombineret med de transkriptomiske data, fortalte os, at celler går gennem en mellemtilstand, før de bliver 2-celle-lignende celler," sagde Maria Elena Torres-Padilla. "Baseret på disse tilsyneladende ordnede ændringer i genekspression, vi ønskede at finde ud af, hvad der kunne drive fremkomsten af ​​den 2-celle-lignende tilstand. Denne information ville være afgørende for at fremme vores viden om centrale regulatorer af cellulær plasticitet."

Med det mål at identificere kromatinregulatorer, der kan fremme cellulær omprogrammering, holdet udførte en siRNA-skærm, hvor ekspressionen af ​​over 1000 gener blev svækket for at se, hvordan udseendet af 2CLC'er blev påvirket. "Resultaterne af denne skærm var ekstraordinære, fordi vi identificerede mange nye proteiner, der regulerer fremkomsten af ​​2CLC'er," sagde Dr. Xavier Gaume, co-første forfatter af papiret og postdoc i Torres-Padilla lab. Af særlig interesse var observationen, at reducerende niveauer af en specifik kromatinfaktor (Ep400/Tip60), resulterer i flere 2CLC'er. Da Ep400/Tip60 er involveret i kromatinkomprimering, denne observation identificerer en interessant sammenhæng mellem chromatin 'åbenhed' med øget styrke.