Stamcellen lopen over van potentieel. Hun vermogen om andere celtypes te worden is cruciaal voor ons lichaam, zowel tijdens de ontwikkeling als gedurende het hele leven. Maar dit potentieel kan onze ondergang zijn als het fout gaat, waardoor sommige van onze meest bruikbare cellen in kwaadaardige kankers veranderen.

Bij het onderzoeken van een route die betrokken is bij stamceldifferentiatie, ontdekten onderzoekers van UC Santa Barbara dat in plaats van een assemblagelijn of een stijve structuur te vormen, alle betrokken eiwitten samenvloeien tot een vloeibare druppel. Door middel van modellering en manipulatie begon het team te onthullen hoe cellen deze druppel gebruiken om informatie te verwerken en door te geven, en hoe deze mogelijk niet goed werkt bij kankers. Hun resultaten verschijnen in de Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Dezelfde processen die dauwdruppels op een spinnenweb organiseren, vinden plaats in de cellen om deze vloeibare, moleculaire computer op commando te laten verschijnen of verdwijnen", zegt senior auteur Max Wilson, een assistent-professor bij de afdeling Moleculaire, Cellulaire en Ontwikkelingsbiologie. . "En als het fout gaat, veroorzaakt het in principe 100% van de colorectale kankers en is het betrokken bij een groot aantal andere kankers."

Een belangrijk proces

Een groot aantal mechanismen leidt een stamcel om te differentiëren tot een gespecialiseerd celtype. Een van de belangrijkste is de Wnt-route - een afkorting van "wingless-related integration site" - die input van buiten de cel ontvangt, deze verwerkt en instructies doorgeeft aan de kern. Dit begint een reeks acties die de stamcel vertellen dat het tijd is om te differentiëren, evenals welk type cel het moet worden. Het Wnt-pad is betrokken bij het bepalen van het lot van elke stamcel, legde Wilson uit, en het lijkt onveranderd in vrijwel alle dieren.

Stamceldifferentiatie is heel belangrijk tijdens de embryonale ontwikkeling. Er zijn echter delen van het lichaam waar we zelfs als volwassenen stamcellen hebben, zoals onze darmen, beenmerg en huid, om er maar een paar te noemen. De differentiatieroutes spelen een grote rol in de functie van deze weefsels en organen.

Gezien het belang ervan wilden Wilson en zijn collega's weten hoe het Wnt-pad fysiek in de cel was georganiseerd. Ze concentreerden zich op twee eiwitten - Axin en APC - die de basis lijken te zijn voor het hele proces en de ingewikkelde dans van andere eiwitten orkestreren.

Functie volgt vorm

Om een ​​eiwit te begrijpen, moet je de structuur ervan begrijpen, omdat de ingewikkelde geometrie van het molecuul vaak net zo belangrijk is als de samenstelling ervan. Daarom voerde het team de chemische samenstelling van de eiwitten toe aan een programma genaamd AlphaFold, een diepgaande software die Google heeft ontwikkeld om de structuren te voorspellen die eiwitten aannemen.

Het programma keerde "een willekeurige stapel spaghetti" terug, wat zo dicht bij de AI komt als een schouderophalen en een foutmelding, zei Wilson.

Dit suggereerde dat Axin en APC op een zeer onconventionele manier zouden kunnen werken. In plaats van te werken als een star slot en sleutel, zouden de eiwitten op een veel meer vloeiende, dynamische manier kunnen functioneren. "We dachten dat ze intracellulaire vloeistoffen zouden vormen, zoals oliedruppels in saladedressing," zei Wilson. De enige manier om het te zien was door te kijken.

Dus gebruikten ze CRISPR/Cas9 om een ​​fluorescerende tag toe te voegen aan alle belangrijke eiwitten waarvan ze wisten dat ze deel uitmaakten van de Wnt-route. Daarna keken ze door de microscoop hoe de eiwitten samensmolten tot een vloeibare druppel in het cytoplasma van de cel.

Een eigenaardig pad

Het is in deze vloeibare druppel dat het grootste deel van de Wnt-route plaatsvindt, die uiteindelijk een bericht naar de kern stuurt om de cel te vertellen om te differentiëren. Het veroorzaakt ook veranderingen in genexpressie die dicteren wat de stamcel wordt. "Het is net een kleine vloeibare computer, precies in het midden van de cel," mijmerde Wilson. Ondanks het belang ervan, was dit de eerste keer dat wetenschappers het Wnt-pad in actie zagen.

Bovendien constateerde de groep dat de druppel zich altijd vlak naast de kern vormde. In feite zat het rond het centrosoom - de structuur die chromosomen uit elkaar trekt wanneer een cel zich deelt. Wilson onderzoekt dit aspect van het pad nog steeds. "Voor mij suggereert het dat dit een ingebouwde strategie tegen kanker kan zijn," zei hij. "Het kan een manier zijn om groei, vorm en differentiatie in weefsels te coördineren. We weten het nog niet."

Naast het orkestreren van het kader van andere betrokken eiwitten, lijken Axin en APC de belangrijkste verbindingen te zijn bij het maken van de druppel zelf. Ondertussen zijn de Wnt-eiwitten de belangrijkste spelers in de gebeurtenissen die plaatsvinden binnen de blob. De druppel verwerkt continu een eiwit genaamd β-catenine, dat elders wordt geproduceerd. De blob leest het, past het aan en stuurt het terug de cel in. En er zijn een groot aantal hulpeiwitten om op te starten, vele met verschillende andere rollen in het lichaam.

Verrast door wat ze vonden, simuleerde het team de druppel met behulp van een numeriek model. Ze toonden aan dat het hebben van alle Wnt-eiwitten geconcentreerd in een druppel de route veel efficiënter maakt dan wanneer deze door het cytoplasma zou worden verspreid. De blob functioneert in wezen als een kleine reactiekamer.

Voortzetting van hun onderzoek, paste het team de verhouding van de eiwitten in de druppel aan. Ze ontdekten dat het verhogen van de Axine ervoor zorgde dat er zich veel kleine druppeltjes door de cel vormden, niet op het centrosoom. Ondertussen zorgde het opdraaien van de APC ervoor dat de eerste druppel groter werd. Het team onderzoekt actief dit aspect van het traject.

Axine en APC zijn niet de enige eiwitten die zich op deze eigenaardige manier gedragen. "De nucleolus- en stresskorrels zijn ook voorbeelden van vloeibare eiwitcondensaten," zei Wilson. "We zijn net begonnen met het karakteriseren van deze zogenaamde 'vloeibare eiwitten'."

De kankerverbinding

De Wnt-route heeft een sterke link met colorectale kanker. Intestinale epitheelcellen leven slechts ongeveer drie dagen voordat ze afsterven. Ze worden aangevuld door stamcellen die zich in beschermde inkepingen in de darmwand bevinden. Wanneer een vervanging nodig is, deelt de stamcel zich en wordt een dochter een darmcel terwijl deze naar boven migreert.

Een mutatie in de genen die betrokken zijn bij de Wnt-route kan ertoe leiden dat een cel kanker wordt — groeien en zich vermenigvuldigen zonder rekening te houden met zijn buren of omgevingsomstandigheden. "Bijvoorbeeld, bij ongeveer 95% van de mensen met colorectale kankers ontbreekt een groot deel van hun APC-gen," zei Wilson.

Het is duidelijk dat het veranderen van het gen op de een of andere manier de dynamiek en structuur van de Wnt-blob verandert. En hoewel zowel Axin als APC de druppel vormen, lijkt de route veel gevoeliger voor problemen met het APC-gen. Dit is een ander facet van het systeem dat het team momenteel onderzoekt.

Er is een grote onvervulde behoefte aan behandelingen voor colorectale kanker. "Er is geen immunotherapie voor," zei Wilson. "Er is geen interventie behalve chemotherapie."

In feite zijn er geen medicijnen goedgekeurd door de FDA die gericht zijn op de Wnt-route. "Dat feit op zich suggereert dat we hier misschien verkeerd over hebben nagedacht", zei Wilson. "En dit nieuwe idee van een vloeistof die het hele proces orkestreert, zou ons kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe medicijnen en therapieën."

"We weten dat de Wnt-route ook bij andere kankers is betrokken", zei Wilson. De onderzoekers bekijken hoe kankermutaties de druppeldynamiek beïnvloeden en brengen alle eiwitten in kaart die betrokken zijn bij de Wnt-route. Een goede catalogus zou een lijst met mogelijke doelen voor nieuwe therapieën moeten bieden, legde hij uit. + Verder verkennen

Onverwacht verband tussen meest voorkomende kankerverwekkers kan effectievere medicijnen opleveren