Embryonale Stammzellen (ES-Zellen) sind pluripotente Stammzellen, die alle Zelltypen eines Organismus produzieren können. ES-Zellen vermehren sich schnell und es wird angenommen, dass sie einem hohen intrinsischen Replikationsstress ausgesetzt sind. Ein kürzlich veröffentlichter Bericht veröffentlicht In EMBO Berichte von Kurashima und seinem Team stellen diese Annahme in Frage, indem sie eine detaillierte molekulare Untersuchung der Replikationsdynamik in diesen Zellen liefern.
Unter der Leitung von Dr. Tomomi Tsubouchi am National Institute for Basic Biology (NIBB) in Japan untersuchte das Forschungsteam die Dynamik der Replikationsgabel – wie etwa Replikationsgabelgeschwindigkeit, Pausenfrequenz und Ursprungsfeuerdichte – in verschiedenen Unterstadien der S-Phase. Ihre Erkenntnisse enthüllen bisher übersehene Aspekte der Replikation nicht nur in ES-Zellen, sondern auch in anderen nicht-pluripotenten Zellen.
Dr. Kiminori Kurashima, der Erstautor der Studie, erklärt: „Indem wir Zellen in Unterstadien der S-Phase fraktionierten und DNA-Faseranalysen an diesen sortierten Populationen durchführten, entdeckten wir, dass pluripotente Säugetierstammzellen während der gesamten S-Phase eine langsame Gabelungsgeschwindigkeit und eine hohe aktive Ursprungsdichte beibehalten, mit minimalen Gabelungspausen.“
Dies steht im Widerspruch zu ihrer Feststellung, dass bei nicht-pluripotenten Zellen die Gabelgeschwindigkeit zu Beginn der S-Phase langsamer ist, danach aber zunimmt. Auch bei nicht-pluripotenten Zellen kommt es speziell in der frühen S-Phase zu Gabelpausen, wobei wahrscheinlich Checkpoint-Mechanismen aktiviert werden, um die Gabelbeschleunigung zu erleichtern und Pausen zu reduzieren.
Die Forschung zeigt auch, dass Maus-ES-Zellen nach der Differenzierung Replikationseigenschaften annehmen, die denen nicht-pluripotenter Zellen ähneln. Darüber hinaus sind einige Merkmale der DNA-Replikation, die bei Maus-ES-Zellen beobachtet wurden, mit menschlichen iPS-Zellen identisch, was darauf hindeutet, dass die langsame Replikationsgabel mit hoher Ursprungsdichte ein Kennzeichen der Pluripotenz sein könnte. Überraschenderweise führte das Erzwingen einer Beschleunigung der Replikationsgabeln zu einer Fehlkoordination zwischen der Vervollständigung der Genomreplikation und dem Fortschreiten des Zellzyklus.
Dr. Tsubouchi kommt zu dem Schluss: „Wir gehen davon aus, dass langsame Replikationsgabeln nicht die Manifestation von Replikationsbehinderungen sind, sondern vielmehr ein integraler Bestandteil der DNA-Replikation in ES-Zellen. Unsere Studie unterstreicht die dynamische Regulierung der DNA-Replikation und zeigt, wie verschiedene Zelltypen unterschiedliche Mechanismen einsetzen.“
Weitere Informationen:
Kiminori Kurashima et al., Embryonale Stammzellen behalten eine hohe Ursprungsaktivität und langsame Verzweigungen bei, um die Replikation mit dem Fortschreiten des Zellzyklus zu koordinieren, EMBO Berichte (2024). DOI: 10.1038/s44319-024-00207-5