Hvordan et af X-kromosomerne i kvindelige embryonale stamceller dæmpes

Hos de fleste pattedyr har hunner to X-kromosomer, og hanner har et X- og et Y-kromosom i hver af deres celler. For at undgå en dobbeltdosis af X-koblede gener hos hunner, dæmpes en af ​​X'erne tidligt i udviklingsprocessen. Denne tavshed er kritisk, men hvordan det sker, har været relativt mystisk. To nye U-M-studier afslører mere om denne tavshedsproces og indsigt, der kunne forbedre stamcelleforskningen.

Humane embryonale stamceller (hESC'er) rummer et enormt løfte for forskning i tidlig udvikling samt for regenerativ medicin til sygdomme lige fra type 1-diabetes til Parkinsons sygdom. Alligevel støder biologer, der arbejder med kvindelige hESC'er i laboratoriet, ofte ind i et fænomen, hvor det normalt inaktiverede X-kromosom mister denne undertrykkelse, mens det vokser i en kulturskål.

"Hvis du ikke kan opretholde hESC'er nøjagtigt som sådan i kultur, kan du ikke bruge dem til nogen downstream-applikation," sagde Sundeep Kalantry, Ph.D., lektor i human genetik. Han er sammen med Marissa Cloutier, ph.d. praktikant og deres team satte sig for at bestemme, hvorfor X-inaktivering eroderer under visse eksperimentelle forhold over tid.

Deres primære mistænkte var det stof, der blev brugt til at dyrke cellerne i kultur, kaldet medier. Celler dyrkes i medier, der forsyner dem med kemiske instruktioner kaldet vækstfaktorer. Disse vækstfaktorer signalerer stamceller til at blive ved med at dele sig. Et populært medium, kaldet mTeSR1, så ud til at være korreleret med tabet af en nøgleregulator for X-inaktivering, en ikke-kodende streng af RNA kaldet XIST. Et andet medie, kaldet Xenofree, førte ikke til tab af X-inaktivering.

"Vi så på forskellene i sammensætningen af ​​disse to medier og identificerede lithiumchlorid som værende til stede i mTeSR1, men ikke i Xenofree," sagde Cloutier.

Lithiumchlorid er nogle gange inkluderet i medier for at fremme stamcelleproliferation, men det er kendt for at interferere med mange cellesignalveje ved at hæmme GSK-3-proteiner. (Inhibitorer af GSK-3-proteiner er blevet brugt til at behandle adskillige sygdomme, og lithium, der blev brugt til at behandle bipolar lidelse, var en af ​​de første naturlige GSK-3-hæmmere, der blev opdaget.)

For at bekræfte lithiumchlorid som synderen tilsatte de forbindelsen til Xenofree-mediet og så et tab af X-inaktivering. Deres papir er udgivet i Nature Communications .

"Bedt i forhold til vores forståelse af X-inaktivering, giver vores undersøgelse en mulig ny model for reguleringen af ​​denne proces," siger Cloutier. Kalantry tilføjer, at deres undersøgelse tyder på, at forskere skal være lidt mere forsigtige med brugen af ​​GSK-3-hæmmere som lithium. "De kan ikke kun interferere med X-inaktivering, men andre former for epigenetisk transkriptionel regulering på tværs af genomet."

Rolle for et gammelt X-bundet gen til at inducere X-inaktivering

Et separat papir, også udgivet i Nature Communications af Kalantry og kolleger, giver indsigt i udviklingen af ​​X-inaktivering hos pattedyr. Udgangspunktet for undersøgelsen var, at X-inaktivering udløses af en eller flere af en undergruppe af X-bundne gener, der paradoksalt nok undslipper X-inaktivering, når X-inaktivering er påbegyndt. Disse gener udtrykkes fra både X-kromosomer hos hunner vs. et enkelt X hos mænd, og som et resultat er de mere udtrykt i kvinder vs. mænd. Kalantrys laboratorium i tæt samarbejde med Shigeki Iwase's laboratorium, også ved University of Michigan, fandt ud af, at på grund af den højere ekspression hos kvinder kontra mænd af et sådant X-bundet gen, Kdm5c, inducerer det Xist og dermed X-inaktivering selektivt hos kvinder .

Sletning af Kdm5c på begge X-kromosomer i en kvindelig celle deaktiverede X-inaktivering næsten fuldstændigt. Omvendt, da forskerne introducerede Kdm5c i museceller fra hankøn, startede de med succes X-inaktivering, som under normale omstændigheder ikke ville forekomme.

Kdm5c er et forfædres X-bundet gen, der deles af alle pattedyrarter. Forfatterne testede og fandt ud af, at Kdm5c fra evolutionært fjerne pungdyr og monotreme (f.eks. æglæggende næbdyr) pattedyrslinjer, som splittes fra placentale pattedyr for mere end 150 millioner år siden, også bemærkelsesværdigt kunne inducere Xist- og X-inaktivering i hanmusceller . Dette fund tyder på, at Kdm5c har bevaret en forfædres funktion til at inducere Xist og X-inaktivering hos mus og mennesker.

"Hvis man udtrykker X-koblede gener på højere niveauer end normalt i en kvindelig celle, vil den celle ofte lide og dø. Hos mænd, hvis man reducerer ekspressionen af ​​X-koblede gener ud over normale niveauer ved at inaktivere det enkelte X, celler lider også og dør," sagde Kalantry. "Det korrekte niveau af X-kromosomgener er virkelig, virkelig vigtigt for cellens sundhed."

Holdet håber dernæst at kunne forklare den tilfældige proces, der bestemmer, hvilket X i en kvindelig celle, der er forstummet:det fra moderen eller det fra faderen. Bestemmelse af denne grundlæggende mekanisme, siger Kalantry, kan i fremtiden anvendes til at reaktivere X-koblede gener efter behag til potentielle terapeutiske formål.