Een nieuwe studie in Natuurgenetica identificeert een specifieke populatie van pluripotente embryonale stamcellen die zich kunnen herprogrammeren tot totipotente-achtige cellen in kweek. Bovendien, de wetenschappers van Helmholtz Zentrum München en Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) hebben knelpunten en aanjagers van deze herprogrammering geïdentificeerd.

Cellulaire plasticiteit is het vermogen van een cel om verschillende celtypes te maken. In de vroege levensfasen, de bevruchte eencellige die uit het ei van de moeder komt en het sperma van de vader is zeer plastisch - het zal aanleiding geven tot alle celtypen van het lichaam. Cellulaire plasticiteit is daarom essentieel voor het bestaan ​​van meercellige organismen zoals de mens.

De enkele bevruchte cel deelt zich eerst in twee cellen (aangeduid als het 2-cellige ontwikkelingsstadium). De enkele cel en de twee cellen die eruit voortvloeien, hebben het hoogste niveau van cellulaire plasticiteit:ze zijn totipotent, wat betekent dat ze een volledig organisme kunnen vormen, inclusief het extra-embryonale placentaweefsel. In tegenstelling tot, embryonale stamcellen zijn pluripotent, wat betekent dat ze alle cellen van het organisme kunnen maken, maar meestal niet het extra-embryonale weefsel.

In een kweek van embryonale stamcellen (ES) een kleine populatie (ongeveer 1%) verandert spontaan in cellen die lijken op de totipotente cellen van het 2-cellige embryo. Deze cellen worden 2-celachtige cellen (2CLC's) genoemd. In dit onderzoek, Het team van prof. dr. Maria Elena Torres-Padilla ging op zoek naar de specifieke moleculaire aard van deze cellen en hoe ze ontstaan. Torres-Padilla is directeur van het Instituut voor Epigenetica en Stamcellen (IES) aan het Helmholtz Zentrum München en hoogleraar Stamcelbiologie aan de LMU. Het doel van het team was om inzicht te krijgen in de moleculaire kenmerken van totipotentie en uit te werken hoe veranderingen in cellulaire plasticiteit kunnen optreden. Hun uiteindelijke doel is om te begrijpen hoe deze totipotente-achtige cellen zich 'dragen', zodat ze ze kunnen manipuleren, en genereer ze in vitro.

Het team begon met het vergelijken van de genen die tot expressie worden gebracht in ES-cellen met die tot expressie gebracht in 2CLC's. Hiervoor gebruikten ze ES-cellen die een groen fluorescerend eiwit tot expressie brengen wanneer cellen het MERVL-gen tot expressie brengen. "MERVL is een retrotransposon dat tot expressie wordt gebracht in 2-celachtige cellen", legt Diego Rodriguez-Terrones uit, een doctoraat student in het Torres-Padilla-lab en co-eerste auteur van het artikel. "Door deze cellijn te gebruiken, kunnen we 2-celachtige cellen scheiden van de ES-cellen in de kweek door de groene cellen te verzamelen die de 2-celachtige toestand zijn binnengegaan. Vervolgens vergelijken we de genen die tot expressie worden gebracht in beide celtypen", voegt hij eraan toe. . Deze transcriptoomanalyse met één cel, gevolgd door computationele analyses, stelde het team in staat om de genexpressieprofielen te identificeren van cellen in het proces van het veranderen van ES-cellen naar 2CLC's.

Ze ontdekten dat tijdens de overgangsperiode, cellen brachten toenemende hoeveelheden van een gen tot expressie dat codeert voor de transcriptiefactor Zscan4. Ze ontwikkelden hun reporterlijn om ook een rood fluorescerend eiwit tot expressie te kunnen brengen wanneer Zscan4 tot expressie wordt gebracht. Live cell imaging bevestigde dat de meeste cellen rood werden (Zscan4-positief) voordat ze groen werden (MERVL-positieve 2-celachtige cellen). "Deze observatie, gecombineerd met de transcriptomische gegevens, vertelde ons dat cellen door een tussentoestand gaan voordat ze 2-celachtige cellen worden", zegt Maria Elena Torres-Padilla. "Op basis van deze schijnbaar geordende veranderingen in genexpressie, we wilden weten wat de opkomst van de 2-celachtige toestand zou kunnen veroorzaken. Deze informatie zou cruciaal zijn voor het vergroten van onze kennis over de belangrijkste regulatoren van cellulaire plasticiteit".

Met het doel om chromatineregulatoren te identificeren die cellulaire herprogrammering kunnen bevorderen, het team voerde een siRNA-screening uit, waarin de expressie van meer dan 1000 genen was aangetast om te zien hoe het uiterlijk van 2CLC's werd beïnvloed. "De resultaten van dit scherm waren buitengewoon, omdat we veel nieuwe eiwitten hebben geïdentificeerd die de opkomst van 2CLC's reguleren", zei Dr. Xavier Gaume, co-eerste auteur van het artikel en postdoc in het Torres-Padilla-lab. Van bijzonder belang was de observatie dat het verlagen van de niveaus van een specifieke chromatinefactor (Ep400/Tip60), resulteert in meer 2CLC's. Aangezien Ep400/Tip60 betrokken is bij chromatineverdichting, deze waarneming identificeert een interessant verband tussen chromatine 'openheid' met verhoogde potentie.