Eine aktuelle Entdeckung hat einen möglichen Weg gefunden, die menschliche Gesundheit zu verbessern, indem man besser versteht, wie man die Differenzierung menschlicher Stammzellen manipuliert.
Dr. Gregory Reeves, Chemieingenieurprofessor an der Texas A&M University, leitete diese Entdeckung des hochkonservierten Bone Morphogenetic Protein (BMP)-Signalwegs, der bei allen Tieren funktioniert und je nach Kontext unterschiedliche Ergebnisse erzielen kann.
„Mit dieser Forschung beginnen wir, einen Fahrplan für die Veränderung von Zellen, beispielsweise erwachsenen menschlichen Stammzellen, zu erstellen“, sagte Reeves. „Sie differenzieren schneller und zuverlässiger, was zu Fortschritten im therapeutischen Potenzial von Stammzellen führen würde.“
Reeves und sein Team haben beobachtet, wie Zellsignalwege die zelluläre Entscheidungsfindung über verschiedene Gewebe und Kontexte hinweg steuern. Signalwege wie der BMP-Weg spielen bei diesen zellulären Reaktionen eine wichtige Rolle.
„Eine Zelle ist definitiv ein komplexes System“, sagte Reeves. „Deshalb ist es keine Überraschung, dass wir in der Zelle technische Prinzipien finden. Ich denke, wenn wir uns mehr und mehr mit der Biologie befassen, stellen wir fest, dass biologische Systeme voller technischer Prinzipien sind, und ich bin sehr daran interessiert, zu untersuchen, wie diese technischen Prinzipien funktionieren Prinzipien sind da.“
Dieser Zellsignalweg wird kürzlich von Reeves weiter erforscht veröffentlicht Artikel in der Zeitschrift npj Systembiologie und Anwendungen.
Der Artikel untersucht, wie der BMP-Pfad Kompromisse zwischen drei Verhaltensweisen auf Systemebene oder Leistungszielen (Performance Objectives, POs) ausgleicht: Geschwindigkeit, Geräuschunterdrückung und die Fähigkeit, als linearer Sensor zu fungieren.
„Bei Fliegenembryonen reagiert der Signalweg sehr schnell, wenn er aktiv wird, aber wenn man sich den gleichen Signalweg in anderen Szenarien ansieht, etwa in menschlichen Stammzellen, dauert es viel länger, aber das verleiht ihm vielleicht eine größere Fähigkeit.“ um Lärm zu filtern“, sagte Reeves. „Die Frage, die wir untersucht haben, ist, wie derselbe Signalweg mit denselben Molekülen unterschiedlich reagiert.“
Die Ergebnisse des Teams zeigen, dass eine Variation der Konzentration von BMP-Signalproteinen innerhalb der Zelle es dem Signalweg ermöglicht, ein vielfältiges Gleichgewicht von POs zu erreichen.
Da der BMP-Signalweg jedoch während des gesamten Lebenszyklus aller Tiere immer wieder verwendet wird, variiert sein Verhalten auf Systemebene von Kontext zu Kontext, obwohl die Signalwegkonnektivität nahezu konstant bleibt.
„Verschiedene Systeme haben unterschiedliche Kompromisse, die sie betonen“, sagte Reeves. „Obwohl der Signalweg in allen Zellen gleich verdrahtet ist, sind die Konzentrationen der Signalproteine von Zelle zu Zelle unterschiedlich. Im Fliegenembryo könnte es also hohe Mengen an Signalproteinen geben, was ein schnelles System ergibt, und im Menschen.“ Zelle, Sie könnten niedrige Pegel haben, die das System langsamer machen, aber es wird rauschfreier sein.
Die Untersuchung zeigte, dass der Weg aufgrund des Wettbewerbs zwischen den POs nicht alle drei gleichzeitig optimieren kann, sondern Kompromisse zwischen den POs eingehen muss.
Mit diesem Wissen wandte das Team eine Multi-Ziel-Optimierung an, um optimale Kompromisse zwischen verschiedenen Anforderungen zu ermitteln, und entdeckte, dass der BMP-Weg konkurrierende POs zwischen den Arten effizient ausgleicht.
„Wir können es etwas schneller und rauschfreier machen und dafür die Güte des linearen Sensors opfern“, sagte Reeves.
Weitere Informationen:
Razeen Shaikh et al., Optimale Leistungsziele im hochkonservierten Signalweg für knochenmorphogenetische Proteine, npj Systembiologie und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41540-024-00430-9