DNA-Aptamer findet neuartige Anwendung bei der Regulierung der Zelldifferenzierung

Die Erzeugung spezifischer Zelllinien aus induzierten pluripotenten Stammzellen und embryonalen Stammzellen ist der heilige Gral der regenerativen Medizin. Die Führung von iPSCs zu einer Zielzelllinie hat viel Aufmerksamkeit erregt, der Prozess bleibt jedoch eine Herausforderung.

Jetzt haben Forscher aus Japan herausgefunden, dass ein Anti-Nukleolin-DNA-Aptamer, iSN04, die Abstammungslinie einer Zelle während der Differenzierung bestimmen kann. Durch den Nachweis der Erzeugung von Kardiomyozyten aus pluripotenten Stammzellen der Maus ist ihr Konzept als regenerative Therapie vielversprechend.

Selbsterneuerung und Pluripotenz – die Fähigkeit, jede beliebige Zelllinie zu bilden – sind inhärente Merkmale induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSCs). Darüber hinaus werden sie in regenerativen Therapien gegen Herz-Kreislauf-, neurologische und Stoffwechselerkrankungen hoch geschätzt, da sie immunologisch für die Rücktransplantation in einen Spender geeignet sind.

Leider ist die regenerative Medizin außerhalb einer Laborumgebung noch nicht realisierbar, da die verfügbaren Protokolle zur Generierung von Zielzellen kompliziert und teuer sind. Dies wirft eine relevante Frage auf: Kann die Regulierung des Schicksals von Stammzellen im klinischen Umfeld und im großen Maßstab wirtschaftlicher gestaltet werden?

Ein Forscherteam der Shinshu-Universität, des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology und der Universität Shizuoka in Japan machte sich daran, diese Frage durch den Einsatz von Nukleinsäure-Aptameren zu beantworten.

Aptamere sind einzelsträngige DNA-Stücke, die an Zielproteine ​​binden und in der Lage sind, Signalkaskaden während der Zelldifferenzierung zu modulieren, wenn eine Stammzelle eine bestimmte funktionelle Rolle oder einen bestimmten Phänotyp übernimmt. Sie sind in der regenerativen Medizin vielversprechend, da sie leicht zu modifizieren, kostengünstig synthetisiert werden können und für die Langzeitlagerung geeignet sind.

Das Team unter der Leitung von außerordentlichem Professor Tomohide Takaya von der Abteilung für Agrar- und Biowissenschaften der Shinshu-Universität entdeckte kürzlich, dass ein Anti-Nukleolin-Aptamer, das myogenetische Oligodesoxynukleotid iSN04, die Myokarddifferenzierung in embryonalen Stammzellen (ESCs) induzierte. Die Studie wurde von Mina Ishioka, einer Doktorandin in Dr. Takayas Labor, geleitet und in veröffentlicht Das International Journal of Molecular Sciences.

„Wir hatten zuvor herausgefunden, dass iSN04 die Differenzierung myogener Vorläuferzellen (Myoblasten) in Skelettmuskelzellen fördert, und hatten die Hypothese aufgestellt, dass das Aptamer auch die Differenzierung pluripotenter Stammzellen fördert. Wir waren fasziniert von der Aussicht, iSN04 zur Förderung der iPSC-Differenzierung in Kardiomyozyten zu verwenden.“ Dies könnte zu einer Regeneration des Herzgewebes führen“, erläutert Dr. Takaya die Motivation des Teams, die Forschung fortzusetzen.

Mithilfe verschiedener Tests wie RNA-Sequenzierung, Zellfärbung und Bildgebung sowie molekularer Interaktion und Signalweganalyse untersuchten die Forscher die Wirkung von iSN04 auf murinen ESCs und iPSCs. Die Behandlung mit iSN04 unter differenzierenden Bedingungen hemmte die Bindung der Stammzellen an die Herzlinie. Als diese pluripotenten Stammzellen jedoch behandelt wurden, nachdem sie fünf Tage lang Differenzierungsbedingungen erlebt hatten, wurden bestimmte Markergene hochreguliert und die Zellen begannen, schlagende Kardiomyozyten zu bilden.

„Unser Bericht ist der erste, der ein DNA-Aptamer bestätigt, das die Entwicklung von Kardiomyozyten aus iPSCs ermöglicht“, erklärt Dr. Takaya auf die Frage nach der Bedeutung der Arbeit.

„Wir haben zwei Mechanismen der Nukleolin-Interferenz mit iSN04 entdeckt, wobei eine frühe Behandlung die Kardiomyogenese hemmt, während eine spätere Behandlung die Bildung kardialer Vorläuferzellen fördert. Erstens regelt iSN04 die Translokation des Nukleolin-Proteins zwischen Zytoplasma, Plasmamembran und Zellkern.“ Zweitens führt es zur Modulation des Wnt-Signalwegs, der die Zelldifferenzierung steuert.“

Die Immunfärbungsexperimente zeigten, dass Nukleolin nach der Behandlung mit iSN04 in den Nukleolen zurückblieb. Nukleoläres Nukleolin spielt eine Rolle bei der Umgestaltung des Chromatins und der Gentranskription, und interessanterweise wurden Wnt-Signalweg-Gene nach der Unterdrückung von iSN04 in den RNA-seq-Daten unterschiedlich exprimiert. Das Team postuliert, dass das iSN04-verankerte Nukleolin die Genexpression und die Wnt-Signalisierung verändert. Letztendlich hängt die Differenzierung der terminalen Zellen von der Abstammungslinie der Kardiomyozyten ab.

Und wie könnten sich diese Erkenntnisse langfristig auf die regenerative Medizin und das Leben der Patienten auswirken? Dr. Takaya gibt Einblicke in die umfassenderen Auswirkungen ihrer Arbeit.

„Wir glauben, dass es gute Argumente für weitere Studien zur Evaluierung von DNA-Aptameren in der regenerativen Medizin gibt. Aptamere sind kostengünstig und eröffnen die Möglichkeit, aus den Stammzellen des Patienten spezifische Zellen herzustellen. Aber damit ist es noch nicht getan. Seitdem.“ „Die Aptamere können das Schicksal von Stammzellen regulieren und als Therapeutika für viele Erkrankungen dienen, die mit Stammzelldysfunktionen zusammenhängen“, schließt er.