Mutante stamceller trodser regler for udvikling

Forestil dig, at du bager en kage, men du løber tør for salt. Selv med den manglende ingrediens, ligner dejen stadig kagedej, så du stikker den ind i ovnen og krydser fingre og forventer at ende med noget, der er ret tæt på en normal kage. I stedet kommer du tilbage en time senere for at finde en færdigstegt bøf.

Det lyder som en praktisk joke, men denne form for chokerende transformation er, hvad der virkelig skete med en skål af musestamceller, da forskere ved Gladstone Institutes fjernede kun ét gen – stamceller, der skulle blive hjerteceller, lignede pludselig forstadier til hjerneceller. Forskernes tilfældige observation øger det, de troede, de vidste om, hvordan stamceller bliver til voksne celler og bevarer deres identitet, efterhånden som de modnes.

"Dette udfordrer virkelig grundlæggende begreber om, hvordan celler holder kursen, når de først er på vej til at blive hjerte- eller hjerneceller," siger Benoit Bruneau, PhD, direktør for Gladstone Institute of Cardiovascular Disease og en seniorforfatter af den nye undersøgelse offentliggjort i Natur.

Ingen tilbagevenden

Embryonale stamceller er pluripotente - de har evnen til at differentiere, eller transformere, til enhver type celle i en fuldt dannet voksen krop. Men det kræver mange trin for stamceller at give anledning til voksne celletyper. På deres vej til at blive hjerteceller, for eksempel, differentierer embryonale stamceller først til mesoderm, et af tre primitive væv, der findes i de tidligste embryoner. Længere nede ad stien forgrener mesodermcellerne sig for at danne knogler, muskler, blodkar og bankende hjerteceller.

Det er generelt godt accepteret, at når en celle er begyndt at differentiere sig ad en af ​​disse veje, kan den ikke vende om for at vælge en anden skæbne.

"Stort set alle videnskabsmænd, der taler om celleskæbne, bruger et billede af Waddington-landskabet, som ligner meget et skisportssted med forskellige skiløjper, der går ned i stejle, adskilte dale," siger Bruneau, som også er William H. Younger Chair. i kardiovaskulær forskning ved Gladstone og professor i pædiatri ved UC San Francisco (UCSF). "Hvis en celle er i en dyb dal, er der ingen måde for den at springe over til en helt anden dal."

For et årti siden opdagede Gladstone Senior Investigator Shinya Yamanaka, MD, PhD, hvordan man omprogrammerer fuldt differentierede voksne celler til inducerede pluripotente stamceller. Selvom dette ikke gav cellerne mulighed for at hoppe mellem dale, fungerede det som en skilift tilbage til toppen af ​​differentieringslandskabet.

Siden da har andre forskere opdaget, at med de rigtige kemiske signaler kan nogle celler omdannes til nært beslægtede typer gennem en proces kaldet "direkte omprogrammering" - som en genvej gennem skoven mellem tilstødende skiløjper. Men i ingen af ​​disse tilfælde kunne celler spontant springe mellem drastisk forskellige differentieringsveje. Især kunne mesodermceller ikke blive forløbere for så fjerne typer som hjerneceller eller tarmceller.

Alligevel viser Bruneau og hans kolleger i den nye undersøgelse, at hjertecelleprækursorer til deres overraskelse faktisk kan omdannes direkte til hjernecelleprecursorer - hvis der mangler et protein kaldet Brahma.

En overraskende iagttagelse

Forskerne undersøgte proteinet Brahmas rolle i differentieringen af ​​hjerteceller, fordi de i 2019 opdagede, at det arbejder sammen med andre molekyler forbundet med hjertedannelse.

I en skål med embryonale stamceller fra mus brugte de CRISPR-genomredigeringsmetoder til at slukke for genet Brm (det, der producerer proteinet Brahma). Og de bemærkede, at cellerne ikke længere differentierede sig til de normale hjertecelleprækursorer.

"Efter 10 dages differentiering slår normale celler rytmisk; de er helt klart hjerteceller,” siger Swetansu Hota, ph.d., første forfatter til undersøgelsen og en stabsforsker i Bruneau Lab. "Men uden Brahma var der bare en masse inerte celler. Ingen tæsk overhovedet."

Efter yderligere analyse indså Bruneaus team, at grunden til, at cellerne ikke slog, var, at fjernelse af Brahma ikke kun slukkede for gener, der var nødvendige for hjerteceller, men også aktiverede gener, der var nødvendige i hjerneceller. Hjerteprækursorcellerne var nu hjerneprecursorceller.

Forskerne fulgte derefter hvert trin i differentieringen og opdagede uventet, at disse celler aldrig vendte tilbage til en pluripotent tilstand. I stedet tog cellerne et langt større spring mellem stamcellebaner, end der nogensinde var blevet observeret før.

"Det, vi så, er, at en celle i en dal i Waddington-landskabet, med de rette forhold, kan hoppe ind i en anden dal uden først at tage en lift tilbage til toppen," siger Bruneau.

Lektioner for sygdom

Mens miljøet for celler i en laboratorieskål og i et helt embryo er helt anderledes, rummer forskernes observationer lektioner om cellesundhed og sygdom. Mutationer i genet Brm er blevet forbundet med medfødt hjertesygdom og med syndromer, der involverer hjernefunktion. Genet er også involveret i flere kræftformer.

"Hvis fjernelse af Brahma kan forvandle mesodermceller (som hjertecelleprækursorer) til ektodermceller (som hjernecelleprækursorer) i skålen, så er mutationer i genet Brm måske det, der giver nogle kræftceller evnen til massivt at ændre deres genetiske program." siger Bruneau.

Resultaterne er også vigtige på et grundforskningsniveau, tilføjer han, da de kan kaste lys over, hvordan celler kan ændre deres karakter i sygdomssituationer, såsom hjertesvigt, og for at udvikle regenerative terapier, ved for eksempel at inducere nye hjerteceller.

"Vores undersøgelse fortæller os også, at differentieringsveje er langt mere indviklede og skrøbelige, end vi troede," siger Bruneau. "Et bedre kendskab til differentieringsvejene kan også hjælpe os med at forstå medfødte hjerte- og andre-defekter, som delvist opstår gennem defekt differentiering."