Wetenschappers van The Scripps Research Institute (TSRI) hebben een nieuwe benadering gevonden voor het "herprogrammeren" van gewone volwassen cellen in stamcellen.

In een studie die vandaag is gepubliceerd in een Advance Online-paper in Natuur Biotechnologie , de TSRI-wetenschappers screenden een bibliotheek van 100 miljoen antilichamen en vonden er verschillende die kunnen helpen bij het herprogrammeren van rijpe huidachtige cellen in stamcellen die bekend staan ​​als geïnduceerde pluripotente stamcellen (IPSC's).

Het maken van IPSC's van meer volwassen soorten cellen omvat normaal gesproken de insertie van vier transcriptiefactorgenen in het DNA van die cellen. De antilichamen die door de wetenschappers zijn geïdentificeerd, kunnen worden toegepast op rijpe cellen - waar ze binden aan eiwitten op het celoppervlak - als vervanging voor drie van de standaard transcriptiefactor-gen-inserties.

"Dit resultaat suggereert dat we uiteindelijk IPSC's kunnen maken zonder iets in de celkern te stoppen, wat mogelijk betekent dat deze stamcellen minder mutaties en over het algemeen betere eigenschappen zullen hebben, " zei hoofdauteur Kristin Baldwin, universitair hoofddocent bij de afdeling neurowetenschappen van TSRI.

IPSC's kunnen worden gemaakt van de eigen cellen van de patiënt, en hebben een groot aantal mogelijke toepassingen in gepersonaliseerde celtherapieën en orgaanregeneratie. Echter, geen van de beoogde klinische toepassingen van IPSC's is nog gerealiseerd, deels vanwege de risico's die aan het maken ervan verbonden zijn.

De standaard IPSC-inductieprocedure, tien jaar geleden ontwikkeld en bekend als OSKM, omvat het inbrengen in volwassen cellen van genen voor vier transcriptiefactoreiwitten:Oct4, Sox2, Klf4 en c-Myc. Met deze genen toegevoegd en actief, de transcriptiefactoreiwitten waarvoor ze coderen, worden geproduceerd en herprogrammeren op hun beurt de cellen om IPSC's te worden.

Een probleem met deze procedure is dat de virale insertiegebeurtenissen of overproductie van de nucleaire herprogrammeringsfactoren cel-DNA kunnen beschadigen op een manier die de cel kankerachtig maakt. Een andere is dat deze nucleaire herprogrammering typisch een verzameling IPSC's met variabele eigenschappen oplevert. "Deze variabiliteit kan een probleem zijn, zelfs als we IPSC's in het laboratorium gebruiken voor het bestuderen van ziekten, ' zei Baldwin.

In tegenstelling tot, tijdens de normale ontwikkeling van dieren, celidentiteit wordt veranderd door moleculaire signalen die van buiten de cel binnenkomen en veranderingen in genactiviteit induceren, zonder risicovolle invoegingen van DNA. Om natuurlijke paden zoals deze te vinden - waardoor gewone cellen kunnen worden omgezet in IPSC's - werkten Baldwin en haar laboratorium samen met het TSRI-laboratorium van Richard Lerner, de Lita Annenberg Hazen hoogleraar immunochemie. Lerner heeft een pioniersrol gespeeld bij de ontwikkeling en screening van grote bibliotheken van menselijke antilichamen voor het vinden van nieuwe op antilichamen gebaseerde geneesmiddelen en wetenschappelijke sondes.

In dit geval, het team, waaronder afgestudeerde student Joel W. Blanchard en postdoctoraal onderzoeksmedewerker Jia Xie, die hoofdauteurs waren, zette een bibliotheek op van ongeveer 100 miljoen verschillende antilichamen en gebruikte deze om er een te vinden die de OSKM-transcriptiefactoren zou kunnen vervangen.

In een eerste reeks experimenten, de onderzoekers probeerden antilichamen te identificeren die zowel Sox2 als c-Myc kunnen vervangen. Ze vestigden een grote populatie muisfibroblastcellen - vaak gebruikt om IPSC's in experimenten te maken - en voegden de genen in voor de andere twee transcriptiefactoren, okt4 en Klf4. Vervolgens voegden ze hun enorme bibliotheek van antilichaamgenen toe aan de celpopulatie, zodat elke cel uiteindelijk de genen voor een of meer van de antilichamen bevatte.

De wetenschappers konden vervolgens observeren welke van de cellen stamcelkolonies begonnen te vormen - wat aangeeft dat een van de antilichamen die door die cellen werden geproduceerd met succes de functies van Sox2 en c-Myc had vervangen en de verandering in celidentiteit had geactiveerd. Door het DNA van deze cellen te sequencen, konden de onderzoekers de verantwoordelijke antilichamen bepalen.

Op deze manier, het TSRI-team ontdekte twee antilichamen die zowel Sox2 als c-Myc kunnen vervangen, en in een vergelijkbare reeks tests vonden ze twee antilichamen die een derde transcriptiefactor kunnen vervangen, 4 okt. De wetenschappers toonden aan dat in plaats van deze transcriptiefactorgenen in te voegen, ze eenvoudigweg de antilichamen aan de fibroblastcellen in kweek konden leveren.

In deze eerste studie de wetenschappers konden geen antilichamen vinden die de functie van de vierde OSKM-transcriptiefactor vervangen, Klf4. Echter, Baldwin verwacht dat zij en haar collega's met een uitgebreidere screening uiteindelijk ook antistofvervangers voor Klf4 zullen vinden. "Dat zal ons nog een paar jaar kosten om erachter te komen, denk ik, " ze zei.

Dankzij de antilichaamscreening kunnen wetenschappers in principe niet alleen antilichamen vinden die OSKM-transcriptiefactoren kunnen vervangen, maar ook om de natuurlijke signaalroutes te bestuderen waarlangs deze antilichamen werken.

In een bewijs van dit principe, de wetenschappers ontdekten dat een van de Sox2-vervangende antilichamen zich bindt aan een eiwit op het celmembraan dat Basp1 wordt genoemd. Deze bindende gebeurtenis blokkeert de normale activiteit van Basp1 en verwijdert zo de beperkingen op WT1, een transcriptiefactor-eiwit dat in de celkern werkt. WT1, losgelaten, verandert dan de activiteit van meerdere genen, uiteindelijk inclusief Sox2's, om de stamceltoestand te bevorderen met behulp van een andere volgorde van gebeurtenissen dan bij het gebruik van de oorspronkelijke herprogrammeringsfactoren.

WT1 (Wilms-tumor 1) wordt bij sommige kankers overgeproduceerd en wordt als een oncogen beschouwd. Dat feit benadrukt een toegevoegde waarde van dergelijke studies:om wetenschappers te helpen de relatie tussen de ontwikkeling van kankercellen en de stamcelstatus te begrijpen.

De TSRI-onderzoekers plannen nu grotere, complexere antilichaamscreeningstudies met menselijke cellen in plaats van muizencellen.