Stamceller kan differentiere i den endelige tilstand på forskellige måder • Polina Loseva • Videnskabsnyheder om "Elements" • Molekylærbiologi, Genetik

Stamceller kan differentiere til den endelige tilstand på forskellige måder.

Fig. 1. Motor (motor) neuroner afledt af stamceller. blå – DAPI, cellekernen. grøn – proteiner, der bekræfter, at disse neuroner er funktionelle: Tubb3 – tubulin, mikrotubulært protein i axoner; Map2 er et mikrotubul-associeret protein; VACht er et protein, som transporterer vacuoler med neurotransmitteren acetylcholin. Billede fra artiklen i diskussioneLIFE

Differentiering af stamceller, det vil sige deres transformation til en bestemt celletype, er en kompleks multistep-proces. På vej til den endelige tilstand går cellen gennem en række mellemliggende faser. Der er to metoder til celledifferentiering. in vitro. Du kan konsekvent reproducere de processer, der forekommer i embryoet under udvikling, og ledes gradvist cellen i den ønskede retning. Og du kan straks udtrykke i celleproteinerne, der er karakteristiske for den endelige tilstand. I dette tilfælde vil cellerne gennemgå alle mellemliggende tilstande, eller vil nogle af dem passere igennem? Eller vil de endda gå den anden vej?

Udviklingen af ​​embryoet fra zygoter til en fuldgod organisme kan repræsenteres som en vej med mange gafler. Når cellerne deler sig, vælger hver den vej, den vil bevæge sig på,det vil sige, den erhverver nogle karakteristiske egenskaber (form, indre struktur og ekspression af specifikke gener). Som følge af mange sådanne på hinanden følgende "løsninger" når cellen den endelige tilstand – en af ​​de cellulære typer af den voksne organisme med hele dets karakteristiske træk. På denne måde kaldes cellerne som helhed differentiering, og resultatet – en differentieret tilstand.

I 1954 foreslog den engelske biolog Konrad Waddington en model af det epigenetiske landskab, som især gælder for differentiering af stamceller. Dette landskab ligner en bakke med parallelle forgreningsrutter (creodes), og buret er repræsenteret som en kugle, der ruller ned ad denne bakke (figur 2.). Ifølge denne model bestemmes cellens skæbne en gang for alle, og ændre det vil ikke fungere. For at en celle skal være i stedet for et organ i en anden, skal den hoppe til næste spor, hvilket er energisk ugunstigt i denne model.

Fig. 2. Det epigenetiske landskab i Waddington. Under hver måle er den endelige destination af cellen angivet: brystet, vingen, overbenet, underbenet, antennen, munden (dette refererer til udviklingen af ​​Drosophila). Billede fra bogen: C. H. Waddington. "Principper for embryologi".NY, 1956.

Waddingtons ideer er stadig relevante, men stamcelleforsøg foreslår nye regler for håndtering af dette landskab. Således formåede de japanske forskere Takahashi og Yamanaka i 2006 at "smide en sten tilbage på et bjerg". For at returnere museceller fra en terminal-differentieret tilstand til niveauet af embryonale bakteriestamceller, hvorfra en celletype kan opnås (se K. Takahashi, S. Yamanaka, 2006. Induktion af pluripotente stamceller fra musembryoniske og voksne fibroblastkulturer ved definerede faktorer). For at gøre dette blev 4 nøgle transkriptionsfaktorer indført i modne musfibroblaster, der tilvejebragte stamme status. Denne proces kaldes celleprogrammering. Imidlertid bemærkede Yamanaka sig selv den lave effektivitet af denne proces: I de første forsøg kunne kun 0,05% af cellerne omprogrammeres.

Derefter steg disse tal, i nogle tilfælde endda op til 10%, men de fleste celler lever stadig ikke under metoden (se S. Yamanaka, 2009. Elite og stokastiske modeller for induceret pluripotent stamcellegenerering). Yamanaka forsøgte at forklare dette gennem Waddington landskabet (figur 3). Antag at vi forsøger at kaste bolden tilbage op ad bjerget. På hans vej kan der være flere forhindringer: han må ikke nå toppen og glide ned til sidst (i dette tilfælde betyder det apoptose, det vil sige den bevidste celledød, pil 4), det kan nå toppen og ikke holde der (da vil cellen differentiere igen i en tilfældig retning, pil 2) eller kan flyve i den forkerte retning og hoppe til næste spor (skelne ind i en anden type, pil 3). Og kun i de sjældne tilfælde, når bolden når toppen og holdes der, bliver cellen omprogrammeret og bliver stamme (pil 1).

Fig. 3. Anvendelse af Waddington landskabet til celleprogrammering. 1 – Fuld tilbagevenden til føtalstaten. 2 – mislykket omprogrammering. 3 – Overgang til en anden celletype. 4 – celledød Billede fra artiklen: S. Yamanaka, 2009. Elite og stokastiske modeller til induceret pluripotent stamcelle generation

Men på dette eventyr af bolden på bakken slutter ikke. Indtil for nylig var kun to hovedmetoder til at arbejde med stamceller kendt: differentiering og omprogrammering. Differentieringsprotokollerne bestod af en sekventiel virkning på cellerne af stoffer, som "direkte" dem i en eller anden retning. Sættet af disse stoffer blev bestemt eksperimentelt baseret på egentlige udviklingsprocesser. Hvis retinsyre er nødvendig for at differentiere celler i nervesystemet på et eller andet tidspunkt i musembryoen,Så i laboratoriet kan du tilføje det til kulturmediet for at opnå neuroner. Forestil dig nu, at vi gerne vil få for eksempel kulturen af ​​menneskelige neuroner. Du kan tage hans hudceller, omprogrammerer til embryonale stamceller og derefter differentiere til neuroner. Dette er en lang og ineffektiv, så i lang tid er søgningen efter en kortere vej.

Der er to korte stier – direkte differentiering og transdifferentiering. I løbet af direkte differentiering foreslås det at opnå neuroner fra embryonale stamceller uden mellemliggende stadier. Transdifferentiering involverer også produktion af neuroner direkte fra hudceller. Vi bemærker straks, at celletyperne her er givet som eksempler, faktisk kan de være praktisk talt alle. Disse korte veje udføres på en måde: I kulturen af ​​de originale celler (stamme eller differentieret) udløses ekspression af transkriptionsfaktorerne karakteristiske for den ønskede celletype (i dette tilfælde neuroner). Effektiviteten af ​​disse metoder er stadig lav, men begge arbejder. Derfor opstår mange spørgsmål: hvor funktionelle er de således opnåede celler? Hvilke mekanismer ligger til grundaccelereret differentiering? Hvad sker der med de mellemliggende faser? Forsvinder de helt eller delvist? Disse spørgsmål blev stillet af forfatterne af artiklen under drøftelse (figur 4).

Fig. 4. Forsknings spørgsmål af forfatterne af artiklen under drøftelse. a) Hvordan styrer de mellemliggende faser i tilfælde af direkte differentiering? Mulige muligheder: Alle faser er til stede, nogle faser er udeladt, alternative faser vises. b) Hvilke af de mellemliggende trin forsvinder? Indstillingerne er: Den tidligste, nyeste, helt anderledes end den klassiske. c) Giver direkte differentiering resultat i højtydende funktionelle celler? Indstillingerne er: fuld eller delvis effekt. Billede fra artiklen i diskussion eLIFE

Forfatterne arbejdede med musembryoniske stamceller. Parallelt lancerede de en standard sekventiel differentieringsprotokol og direkte differentiering i rygmarvsmotorneuroner. For at spore i hvilke stadier cellerne er placeret, analyserede de RNA i individuelle celler i de tidlige (4-5 dages) og sene (11-12 dages) stadier af differentiering.Derefter blev celler udelukket, hvorfra der blev opnået for lidt RNA, og dem, hvor de fandt øget ekspression af mitokondriegener forbundet med stress: disse celler kan have udviklet sig abnormt. I de resterende celler blev gener beregnet, hvor ekspression af disse var statistisk signifikant ændret under differentiering.

Dette tillod os at bestemme de vigtigste faser, gennem hvilke cellerne passerede. Med standarddifferentieringsprotokollen var stien som følger: embryonale stamceller – fælles neurale forfædre – celler i det bageste nervesystem – celler i den ventrale side af den bageste del – forstadier af motorneuroner – tidlige motorneuroner – sen (modne) motorneuroner. På samme tid kunne flere stadier påvises i kulturen samtidig, da cellerne differentieres asynkront. Forskere fandt, at ved anvendelse af standardprotokollen nåede færre celler de senere stadier end med direkte differentiering, og flere celler afviste fra den tilsigtede vej og blev til andre typer. På samme tid blev der ved direkte differentiering ikke fundet to faser: cellerne fik ikke gradvis egenskaberne af de bakre og bukeste dele af nervesystemet (figur 5).Samtidig viste de indledende og afsluttende faser i begge protokoller sig meget ens. Resultatet var fuldt udviklede og funktionelle motorneuroner.

Fig. 5. De successive stadier, som cellerne går igennem under direkte (b) og gradvis (meda) differentiering Langs akserne Forsinket statistik, der afspejler udtryk for karakteristika for forskellige stadier af grupper af gener. Celler med lignende værdier af disse indikatorer blev anset for at være i samme fase. Stagebetegnelser: ESC – embryonale stamceller, NP – Almindelige neurale progenitorer, PNP – Bagerste celler i nervesystemet, VNP – Abdominalceller i den bageste, MNP – Prækursorer af motorneuroner, EMN – Tidlige motorneuroner, LMN – Sen (moden) motor neuroner. Billede fra artiklen i diskussion eLIFE

Denne forskel i direkte differentiering fra standarddifferentiering viser os tydeligt forskellen mellem udviklingen af ​​en celle i embryoet og i kulturen. I et integreret system, såsom et embryo, opstår strukturplanens layout i de tidlige stadier, og først efter den endelige differentiering begynder. Dette er sandsynligvis nødvendigt for en passende interaktion mellem væv og de forskellige typer celler i embryoet.På samme tid er disse faser ikke kritiske for den efterfølgende dannelse af en funktionel neuron, hvis vi taler om en kultur, hvor celler ikke interagerer med miljøet. Ved direkte differentiering passerede celler gennem et stadium ukarakteristisk for standardprotokollen: de omfattede forebraingener. Imidlertid forsvandt deres udtryk ved de sene faser, og de endelige faser af differentiering i begge protokoller viste sig at være meget ens.

Teknologien med direkte differentiering rejser mange spørgsmål og tvister. På trods af dets effektivitet er det nødvendigt at sørge for, at de "ikke-standardiserede" veje til celleudvikling ikke introducerer sidegenskaber i dem, før de anvendes i praksis. Forfatterne af artiklen diskuterer, at scenen i en terminal-differentieret celle er en af ​​de såkaldte "attraktionspooler" (se Basin of Attraction), det vil sige stabile tilstande, som alle lidt forskellige stater har tendens til at have, og som er modstandsdygtige over for moderate miljømæssige udsving. Dette betyder, at hvis der som følge af differentiering vil blive opnået udtryk for vigtige transkriptionsfaktorer på en eller anden måde,så kommer cellen på en eller anden måde til en endelig tilstand. Og sandsynligheden for, at hun vil gå den anden vej i sidste øjeblik, er ekstremt lille. Hvis dette er sandt, så kan vi forvente, at de korte stier af differentiering snart vil tvinge ud de lange og traditionelle, øge processens effektivitet og bringe os tættere på brugen af ​​disse teknologier inden for medicin.

Kilde: James Alexander Briggs, Victor C. Li, Seungkyu Lee, Clifford J. Woolf, Allon Klein, Marc W. Kirschner. Musembryonale stamceller kan differentiere mellem samme tilstand // eLIFE. 2017. V. 6. P. e26945. Doi: 10.7554 / eLife.26945.

Polina Loseva


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: