Fra dråbe til opdagelse

Stamceller flyder over med potentiale. Deres evne til at blive andre celletyper er afgørende for vores kroppe, både under udviklingen og gennem hele livet. Men dette potentiale kan være vores selve undergang, hvis det går galt, hvilket gør nogle af vores mest nyttige celler til ondartede kræftformer.

Mens de undersøgte en vej involveret i stamcelledifferentiering, fandt forskere ved UC Santa Barbara ud af, at i stedet for at danne et samlebånd eller en stiv struktur, smelter alle de involverede proteiner sammen til en væskedråbe. Gennem modellering og manipulation begyndte holdet at afsløre, hvordan celler bruger denne dråbe til at behandle og videregive information, og hvordan den kan fungere dårligt i kræftformer. Deres resultater vises i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"De samme processer, som organiserer dugdråber på et edderkoppespind, sker i cellerne for at få denne flydende, molekylære computer til at dukke op eller forsvinde på kommando," sagde seniorforfatter Max Wilson, en assisterende professor ved Institut for Molekylær, Cellulær og Udviklingsbiologi. . "Og når det går galt, forårsager det dybest set 100 % af tyktarmskræft og er impliceret i et stort antal andre kræftformer."

En vigtig proces

Et væld af mekanismer guider en stamcelle til at differentiere til en specialiseret celletype. Blandt de vigtigste er Wnt-vejen - en forkortelse for "vingeløst-relateret integrationssted" - som tager input fra uden for cellen, behandler det og videresender instruktioner til kernen. Dette starter en kæde af handlinger, der fortæller stamcellen, at det er tid til at differentiere sig, samt hvilken type celle den skal blive. Wnt-vejen er involveret i at bestemme skæbnen for hver stamcelle, forklarede Wilson, og den ser ud til at være uændret på tværs af stort set alle dyr.

Stamcelledifferentiering er ret vigtig under embryonal udvikling. Der er dog områder af kroppen, hvor vi har stamceller selv som voksne, såsom vores tarme, knoglemarv og hud, for at nævne nogle få. Differentieringsvejene spiller en stor rolle i funktionen af ​​disse væv og organer.

I betragtning af dens betydning ønskede Wilson og hans kolleger at lære, hvordan Wnt-vejen var fysisk organiseret inde i cellen. De fokuserede på to proteiner – Axin og APC – der ser ud til at udgøre stilladset for hele processen og orkestrerer andre proteiners indviklede dans.

Funktionen følger formularen

At forstå et protein kræver forståelse af dets struktur, da molekylets indviklede geometri ofte har lige så stor betydning som dets sammensætning. Så holdet fodrede proteinernes kemiske sammensætning til et program kaldet AlphaFold, en deep-learning software, som Google udviklede til at forudsige de strukturer, som proteiner tager.

Programmet returnerede "en tilfældig bunke spaghetti", som er så tæt som AI kommer på et skuldertræk og en fejlmeddelelse, sagde Wilson.

Dette antydede, at Axin og APC kan arbejde på en meget ukonventionel måde. I stedet for at fungere som en stiv lås og nøgle, kunne proteinerne fungere på en meget mere flydende, dynamisk måde. "Vi troede, de kunne danne intracellulære væsker, som oliedråber i salatdressing," sagde Wilson. Den eneste måde at fortælle det på var at se.

Så de brugte CRISPR/Cas9 til at tilføje et fluorescerende tag til alle de store proteiner, de vidste var en del af Wnt-vejen. Derefter så de gennem mikroskopet, mens proteinerne smeltede sammen til en væskedråbe i cellens cytoplasma.

En ejendommelig vej

Det er i denne væskedråbe, at det meste af Wnt-vejen forekommer, som til sidst sender en besked til kernen, der fortæller cellen om at differentiere. Det udløser også ændringer i genekspression, der dikterer, hvad stamcellen bliver til. "Det er som en lillebitte flydende computer, lige midt i cellen," funderede Wilson. På trods af dens betydning var dette første gang, videnskabsmænd havde observeret Wnt-vejen i aktion.

Hvad mere er, observerede gruppen, at dråben altid dannede sig lige ved siden af ​​kernen. Faktisk sad den omkring centrosomet - den struktur, der trækker kromosomerne fra hinanden, når en celle deler sig. Wilson udforsker stadig dette aspekt af stien. "For mig tyder det på, at dette kan være en indbygget anti-kræftstrategi," sagde han. "Det kan være en måde at koordinere vækst, form og differentiering i væv. Vi ved det ikke endnu."

Ud over at orkestrere rammen af ​​andre involverede proteiner, synes Axin og APC at være de vigtigste forbindelser til at skabe selve dråben. I mellemtiden er Wnt-proteinerne de vigtigste spillere i de begivenheder, der opstår i klatten. Dråben behandler løbende et protein kaldet β-catenin, som produceres andre steder. Blobben læser det, modificerer det og sender det tilbage ud i cellen. Og der er et væld af hjælpeproteiner at starte op, mange med flere andre roller i kroppen.

Overrasket over, hvad de fandt, simulerede holdet dråben ved hjælp af en numerisk model. De viste, at det at have alle Wnt-proteinerne koncentreret i en dråbe gør banen meget mere effektiv, end hvis den blev spredt gennem cytoplasmaet. Blobben fungerer i det væsentlige som et lille reaktionskammer.

For at fortsætte deres undersøgelse justerede holdet forholdet mellem proteinerne i dråben. De fandt ud af, at forøgelse af Axin forårsagede, at der dannedes masser af små dråber i hele cellen, ikke på centrosomet. I mellemtiden fik den første dråbe til at vokse sig større ved at skrue op for APC'en. Holdet undersøger aktivt dette aspekt af vejen.

Axin og APC er ikke de eneste proteiner, der opfører sig på denne ejendommelige måde. "Nukleolus- og stressgranulatet er også eksempler på flydende proteinkondensater," sagde Wilson. "Vi er lige begyndt at karakterisere disse såkaldte 'flydende proteiner'."

Kræftforbindelsen

Wnt-vejen har en stærk forbindelse til tyktarmskræft. Intestinale epitelceller lever kun i omkring tre dage, før de slugtes. De genopbygges af stamceller, der ligger i beskyttede fordybninger i tarmslimhinden. Når en udskiftning er nødvendig, deler stamcellen sig, og en datter bliver en tarmcelle, når den migrerer opad.

En mutation i generne involveret i Wnt-vejen kan forårsage, at en celle bliver kræft - vokser og formerer sig uden hensyn til dens naboer eller miljøforhold. "For eksempel mangler noget i retning af 95 % af personer med kolorektal cancer en stor del af deres APC-gen," sagde Wilson.

Det er klart, at ændring af genet på en eller anden måde ændrer dynamikken og strukturen af ​​Wnt-klatten. Og mens både Axin og APC udgør dråben, synes stien meget mere følsom over for problemer med APC-genet. Dette er en anden facet af det system, som teamet i øjeblikket undersøger.

Der er et stort udækket behov for behandling af kolorektal cancer. "Der er ingen immunterapi for det," sagde Wilson. "Der er ingen intervention undtagen kemoterapi."

Faktisk er der ingen lægemidler godkendt af FDA, der er rettet mod Wnt-vejen. "Det faktum tyder i sig selv på, at vi måske har tænkt forkert på det her," sagde Wilson. "Og denne nye idé om en væske, der orkestrerer hele processen, kan måske hjælpe os med at designe nye lægemidler og terapier."

"Vi ved, at Wnt-vejen også er impliceret i andre kræftformer," sagde Wilson. Forskerne ser på, hvordan kræftmutationer påvirker dråbedynamikken og kortlægger alle de proteiner, der er involveret i Wnt-vejen. Et ordentligt katalog bør give en liste over mulige mål for nye terapier, forklarede han. + Udforsk yderligere

Uventet sammenhæng mellem de mest almindelige kræftdrivere kan give mere effektive lægemidler