Wetenschap
Bacterieel model helpt onthullen hoe ons lichaam bevolkingsexplosies – en kanker – voorkomt
Wil de omvang van een bevolking in de loop van de tijd stabiel blijven, dan moeten de geboorte- en sterftecijfers in evenwicht zijn. Als het geboortecijfer te hoog is, kan er een bevolkingsexplosie plaatsvinden; als het te laag is, zal de bevolking krimpen. Dit soort evenwicht bestaat bijvoorbeeld onder de ongeveer 10.000 miljard cellen waaruit ons lichaam bestaat.
Wanneer we volwassen worden, kunnen onze stamcellen zich delen om lichaamsweefsels te vernieuwen, maar nadat ze zich meerdere keren hebben gedeeld, worden het volwassen cellen die zich een paar keer delen en vervolgens afsterven. We merken dit evenwicht alleen op als het wordt verstoord, bijvoorbeeld wanneer cellen zich ongecontroleerd gaan delen en kankergezwellen veroorzaken.
Hieruit volgt dat een evenwicht tussen delende en volwassen cellen een voorwaarde is voor het bestaan van elk meercellig organisme, maar hoe wordt dit in stand gehouden? Dat blijkt uit een nieuwe studie die onlangs is gepubliceerd in Cell gebruikten onderzoekers van het Weizmann Institute of Science eencellige organismen om beter te begrijpen hoe meercellige organismen dit evenwicht in stand houden en zichzelf beschermen tegen kanker.
Celdifferentiatie is een biologische ‘specialisatietraining’, waarbij een stamcel zich deelt in twee dochtercellen, waarvan er één een gedefinieerde rol op zich neemt en de kenmerken verwerft die nodig zijn om deze te vervullen. Wanneer cellen differentiatie ondergaan, is hun nieuwe specialiteit nuttig voor het meercellige organisme waarvan ze deel uitmaken, maar ze betalen een zware individuele tol:hoe verder ze komen op dit specialisatiepad, des te meer neemt hun vermogen om te repliceren af, totdat ze geen niet meer in staat zijn om te delen.
Deze langzame deling van gedifferentieerde cellen maakt ze kwetsbaar voor celpopulaties die zich sneller delen en groeien en daardoor het weefsel en zijn hulpbronnen kunnen overnemen. Bij sommige soorten bloedkanker ondergaan stamcellen in het beenmerg bijvoorbeeld een mutatie die hun differentiatie vertraagt, waardoor ze meer dochterstamcellen kunnen produceren. Deze mutante cellen profiteren van het natuurlijke zwakke punt in het differentiatieproces en overwinnen de populatie gezonde cellen in een proces dat bekend staat als de overname van mutanten.
Ook al komt er gemiddeld één mutatie voor in elke celdeling in ons lichaam, toch genieten de meesten van ons tientallen jaren van goede gezondheid, door middel van talloze celdelingen, zonder dat er sprake is van mutantenovername. Dit suggereert dat er effectieve mechanismen bestaan om met deze dreiging om te gaan, ook al zijn deze moeilijk te identificeren in complexe organismen.
Wetenschappers van de onderzoeksgroep van prof. Uri Alon bij de afdeling Moleculaire Celbiologie van Weizmann besloten om E. coli-bacteriën, die normaal gesproken niet differentiëren, te manipuleren, zodat ze een kunstmatig differentiatieproces ondergaan, waardoor onderzoekers kunnen bestuderen hoe een celpopulatie omgaat met mutante bacteriën. overname.
"Er zijn een aantal duidelijke voordelen aan het E. coli-model", legt Dr. David Glass uit, die de studie in het laboratorium van Alon leidde. "Eén daarvan is de korte generatietijd, waardoor we de ontwikkeling van mutanten over honderden generaties in het laboratorium konden bestuderen."
Om E. coli-bacteriën te produceren die kunnen differentiëren, hebben onderzoekers zich laten inspireren door cyanobacteriën genaamd Anabaena, die differentiëren – door bepaalde segmenten van hun DNA weg te snijden – als reactie op een tekort aan stikstof in hun omgeving. Hoewel de gedifferentieerde bacteriën het vermogen om te delen verliezen, krijgen ze een belangrijk overlevingsvoordeel:het vermogen om zichzelf en de hele kolonie van stikstof te voorzien.
Om het differentiatieproces in het E. coli-model na te bootsen, kweekten de wetenschappers de bacteriën in een omgeving waar wel antibiotica aanwezig waren, maar waar een essentieel aminozuur ontbrak. Met behulp van genetische manipulatie hebben ze in elke bacterie meerdere kopieën van een gen voor resistentie tegen antibiotica ingebracht, en meerdere kopieën van een gen dat het ontbrekende aminozuur produceerde.
Voordat het proces van kunstmatige differentiatie begon – dat wil zeggen, toen de bacteriën zich in een toestand bevonden die gelijkwaardig was aan die van stamcellen – waren de antibioticaresistentiegenen actief, zodat de bacteriën zich in hoog tempo konden delen en differentiëren, ondanks de aanwezigheid van het antibioticum.
Toen het differentiatieproces op gang kwam door het wegsnijden van de antibioticaresistentiegenen, verloren de bacteriën geleidelijk hun vermogen om te delen en te differentiëren, maar ze kregen wel een overlevingsvoordeel:de sneden in het DNA activeerden geleidelijk de genen die het essentiële aminozuur produceerden. /P>
"Om te bepalen welke differentiatiesnelheid het beste werkt, hebben we een competitie gehouden tussen elf E. coli-stammen, die elk DNA-segmenten uitknippen (dat wil zeggen differentiëren) in een ander tempo", legt Glass uit. "We mengden gelijke hoeveelheden van de bacteriën, kweekten ze in de loop van een paar dagen en controleerden vervolgens om te zien welke het overleefd hadden.
"We ontdekten een zeer sterke selectie ten gunste van bacteriën die zich met een gematigde snelheid differentieerden en ontdekten dat bacteriestammen met een gematigde differentiatiesnelheid het optimale evenwicht van celtypen in hun populatie handhaafden. Op elk gegeven moment kon slechts een minderheid van de cellen waren 'pure stamcellen' of 'volledig gedifferentieerde cellen', en de meerderheid werd gevonden in tussenliggende stadia van het proces."
Deze optimale, gematigde differentiatiesnelheid wordt gedeeld door verschillende systemen in het menselijk lichaam, waarin een kwantitatief evenwicht wordt gehandhaafd tussen stamcellen, voorlopercellen in verschillende stadia van differentiatie en gedifferentieerde cellen die af en toe afsterven en worden vervangen door nieuwe.
Om de populatieomvang stabiel te houden, is het belangrijk om dat evenwicht te behouden, zelfs als de omgevingsomstandigheden veranderen. Om erachter te komen of de bacteriën in hun model dit evenwicht inderdaad behouden, zelfs onder veranderde omstandigheden, kweekten de onderzoekers ze in 36 verschillende combinaties van antibiotica- en aminozuurconcentraties in het kweekmedium.
"We zagen dat in elke situatie – afgezien van de meest extreme, zoals een totale afwezigheid van antibiotica – de optimale differentiatiesnelheid van de cellen binnen het gematigde bereik bleef en het evenwicht gehandhaafd bleef", legt Glass uit. "Dit betekent dat het bevolkingsevenwicht dat kenmerkend is voor het differentiatiemodel dat we hebben ontwikkeld, voor een groot deel immuun is voor veranderingen en bedreigingen in het milieu."
Maar is een populatie bacteriën die optimaal differentieert ook immuun voor de overname van mutanten, zoals de systemen in meercellige organismen?
Om het vermogen van deze bacteriën om de overname van mutanten te weerstaan te testen, kweekten de onderzoekers ze gedurende vele generaties en controleerden of er tijdens de lange groeiperiode willekeurige mutaties verschenen, waardoor bacteriën ontstonden die helemaal niet differentiëren en zich ongecontroleerd delen. Met andere woorden:zorgen mutantbacteriën voor de overname van mutanten, of worden ze in een vroeg stadium onderdrukt?
De eerste keer dat ze het experiment uitvoerden, waren de onderzoekers teleurgesteld toen ze in de helft van de gevallen mutantenovernames aantroffen. "We ontdekten dat wanneer een genetische verandering de verbinding verbreekt tussen de vertraging van de differentiatie en het verkrijgen van dat overlevingsvoordeel, mutanten die niet differentiëren het over kunnen nemen", voegt Glass toe.
Vervolgens herhaalden de onderzoekers het experiment met een nieuwe bacteriestam die genetisch gemanipuleerd was om immuun te zijn voor de geïdentificeerde mutatie. "We zijn erin geslaagd om ongeveer 270 generaties differentiërende bacteriën te kweken, maar er heeft geen mutantenovername plaatsgevonden. Helaas heeft de invasie van Israël op 7 oktober het experiment afgebroken en is de bacterie mogelijk zelfs nog veerkrachtiger", zegt Glass.
‘We hebben laten zien dat een systeem waarin differentiërende E. coli-cellen stoppen met delen maar een overlevingsvoordeel krijgen, een optimaal populatieevenwicht kan handhaven en de overname van mutanten kan voorkomen. Veel ziekten, zoals kanker en auto-immuunziekten, zijn uniek voor meercellige organismen. Als we steeds meer kenmerken van meercellige systemen in eencellige organismen ontwikkelen, kunnen we de zwakke punten blootleggen en deze ook in menselijk weefsel opzoeken."
"Naast de fundamentele wetenschap kunnen deze nieuwe bevindingen ook een impact hebben op het gebruik van bacteriën in de industrie", voegt Glass toe. “Genetisch gemanipuleerde bacteriën worden momenteel gebruikt bij de grootschalige productie van insuline, enzymen en andere stoffen die door mensen worden gebruikt. Het creëren van een populatie van differentiërende bacteriën die het evenwicht handhaaft, zichzelf vernieuwt en zelfs de overname van mutanten voorkomt, zou zeer nuttig kunnen zijn in deze productieprocessen. ."