Mutante stamcellen tarten ontwikkelingsregels

Stel je voor dat je een cake aan het bakken bent, maar je zout is op. Zelfs met het ontbrekende ingrediënt ziet het beslag er nog steeds uit als cakebeslag, dus je steekt het in de oven en kruist je vingers, in de verwachting dat je uiteindelijk iets krijgt dat redelijk dicht bij een normale cake ligt. In plaats daarvan kom je een uur later terug om een ​​volledig gebakken biefstuk te vinden.

Het klinkt als een grap, maar dit soort schokkende transformatie is wat er werkelijk gebeurde met een schaaltje muisstamcellen toen wetenschappers van Gladstone Institutes slechts één gen verwijderden: stamcellen die bestemd waren om hartcellen te worden, leken plotseling op de voorlopers van hersencellen. De toevallige observatie van de wetenschappers brengt wat ze dachten te weten over hoe stamcellen veranderen in volwassen cellen en hun identiteit behouden terwijl ze volwassen worden, op zijn kop.

"Dit daagt fundamentele concepten uit over hoe cellen op koers blijven als ze eenmaal op weg zijn om hart- of hersencellen te worden", zegt Benoit Bruneau, PhD, directeur van het Gladstone Institute of Cardiovascular Disease en een senior auteur van de nieuwe studie gepubliceerd in Natuur.

Geen weg terug

Embryonale stamcellen zijn pluripotent - ze hebben het vermogen om te differentiëren of te transformeren in elk type cel in een volledig gevormd volwassen lichaam. Maar er zijn veel stappen nodig voordat stamcellen volwassen celtypen kunnen vormen. Op hun weg om bijvoorbeeld hartcellen te worden, differentiëren embryonale stamcellen zich eerst tot mesoderm, een van de drie primitieve weefsels die in de vroegste embryo's worden aangetroffen. Verderop in het pad vertakken de mesodermcellen zich om botten, spieren, bloedvaten en kloppende hartcellen te maken.

Het is algemeen aanvaard dat als een cel eenmaal begonnen is zich op een van deze paden te differentiëren, hij zich niet kan omdraaien om een ​​ander lot te kiezen.

"Vrijwel elke wetenschapper die praat over het lot van de cel gebruikt een foto van het Waddington-landschap, dat veel lijkt op een skigebied met verschillende skihellingen die afdalen in steile, gescheiden valleien", zegt Bruneau, ook de William H. Younger Chair in Cardiovascular Research aan Gladstone en hoogleraar kindergeneeskunde aan UC San Francisco (UCSF). "Als een cel zich in een diepe vallei bevindt, kan hij niet naar een heel andere vallei springen."

Tien jaar geleden ontdekte Gladstone Senior Investigator Shinya Yamanaka, MD, PhD, hoe volledig gedifferentieerde volwassen cellen te herprogrammeren tot geïnduceerde pluripotente stamcellen. Hoewel dit cellen niet de mogelijkheid gaf om tussen valleien te springen, werkte het wel als een skilift terug naar de top van het differentiatielandschap.

Sindsdien hebben andere onderzoekers ontdekt dat met de juiste chemische aanwijzingen sommige cellen kunnen worden omgezet in nauw verwante typen via een proces dat 'directe herprogrammering' wordt genoemd, zoals een kortere weg door het bos tussen aangrenzende skipistes. Maar in geen van deze gevallen konden cellen spontaan tussen drastisch verschillende differentiatiepaden springen. In het bijzonder konden mesodermcellen niet de voorlopers worden van zulke verre typen als hersencellen of darmcellen.

Maar in de nieuwe studie laten Bruneau en zijn collega's zien dat, tot hun verbazing, voorlopers van hartcellen inderdaad direct kunnen transformeren in voorlopers van hersencellen - als een eiwit genaamd Brahma ontbreekt.

Een verrassende observatie

De onderzoekers bestudeerden de rol van het eiwit Brahma bij de differentiatie van hartcellen, omdat ze in 2019 ontdekten dat het samenwerkt met andere moleculen die betrokken zijn bij hartvorming.

In een schaal met embryonale stamcellen van muizen gebruikten ze CRISPR-genome-editing-benaderingen om het gen Brm (degene die het eiwit Brahma produceert) uit te schakelen. En ze merkten dat de cellen niet langer differentiëren tot de normale voorlopers van hartcellen.

“Na 10 dagen differentiatie kloppen normale cellen ritmisch; het zijn duidelijk hartcellen”, zegt Swetansu Hota, PhD, eerste auteur van de studie en een stafwetenschapper in het Bruneau Lab. “Maar zonder Brahma was er slechts een massa inerte cellen. Helemaal niet slaan.”

Na verdere analyse realiseerde Bruneau's team zich dat de reden dat de cellen niet klopten was omdat het verwijderen van Brahma niet alleen genen uitschakelde die nodig zijn voor hartcellen, maar ook genen activeerde die nodig zijn in hersencellen. De voorlopercellen van het hart waren nu hersenvoorlopercellen.

De onderzoekers volgden vervolgens elke stap van differentiatie en ontdekten onverwacht dat deze cellen nooit terugkeerden naar een pluripotente staat. In plaats daarvan maakten de cellen een veel grotere sprong tussen stamcelpaden dan ooit tevoren was waargenomen.

"Wat we zagen is dat een cel in een vallei van het Waddingtonlandschap, met de juiste omstandigheden, in een andere vallei kan springen zonder eerst een lift terug naar de top te nemen", zegt Bruneau.

Lessen voor ziekte

Hoewel de omgeving van cellen in een laboratoriumschaaltje en in een heel embryo heel anders is, bevatten de observaties van de onderzoekers lessen over celgezondheid en -ziekte. Mutaties in het gen Brm zijn in verband gebracht met aangeboren hartaandoeningen en met syndromen waarbij de hersenfunctie betrokken is. Het gen is ook betrokken bij verschillende vormen van kanker.

"Als het verwijderen van Brahma mesodermcellen (zoals voorlopers van hartcellen) in ectodermcellen (zoals voorlopers van hersencellen) in de schaal kan veranderen, dan zijn mutaties in het gen Brm misschien wat sommige kankercellen het vermogen geeft om hun genetisch programma enorm te veranderen," zegt Bruneau.

De bevindingen zijn ook belangrijk op basisonderzoeksniveau, voegt hij eraan toe, omdat ze licht kunnen werpen op hoe cellen hun karakter kunnen veranderen in ziektesituaties, zoals hartfalen, en voor het ontwikkelen van regeneratieve therapieën, bijvoorbeeld door nieuwe hartcellen te induceren.

"Ons onderzoek leert ons ook dat differentiatiepaden veel ingewikkelder en kwetsbaarder zijn dan we dachten", zegt Bruneau. "Een betere kennis van de paden van differentiatie kan ons ook helpen om aangeboren hartafwijkingen - en andere - afwijkingen te begrijpen, die gedeeltelijk ontstaan ​​door gebrekkige differentiatie."