Forscher des Epigenetik-Forschungsprogramms des Babraham Institute konnten nach einem genomweiten funktionellen Screening mehr über die naive Reprogrammierung von Stammzellen erfahren. Ihre Forschung, veröffentlicht heute in Wissenschaftliche Fortschrittebeschreibt die kritischen Regulatoren der Reprogrammierung und bietet Möglichkeiten für einen effizienteren und schnelleren Weg zur Generierung menschlicher naiver pluripotenter Stammzellen.
Menschliche pluripotente Stammzellen (PSCs) sind ein nützliches Werkzeug für Forscher, die untersuchen, wie sich Zellen spezialisieren, um jedes Gewebe unseres Körpers herzustellen. Sie kommen in zwei verschiedenen Zuständen vor, grundiert und naiv. Beide Arten von PSC können sich selbst erneuern und in neue Zelltypen differenzieren, aber sie haben unterschiedliche Funktionen und molekulare Eigenschaften.
Gruppenleiter Peter Rugg-Gunn erklärte die Bedeutung dieser Zellen: „Menschliche PSCs im naiven Zustand replizieren die wichtigsten molekularen und zellulären Eigenschaften von Zellen in einem Embryo im Präimplantationsstadium. Besonders wichtig, wenn naive PSCs ermutigt werden, sich selbst zu organisieren Unter Bedingungen bilden sie Strukturen, die einem frühen Blastozystenstadium der Entwicklung ähneln. Indem wir diese Zellen im Labor züchten, können wir etwas über die wichtigsten Ereignisse lernen, die während der menschlichen Entwicklung passieren, und sie haben potenzielle Anwendungen in der personalisierten Medizin. Aber wir müssen hoch hinaus -qualitative, stabile Stammzellpopulationen, um unsere Experimente durchführen zu können.“
Pluripotente Stammzellen werden entweder aus Embryonen oder mit Nobelpreis-gekrönten Methoden gebildet, um die Zellidentität von spezialisierten Zellen zu entfernen. Die Mehrheit der Reprogrammierungsexperimente erzeugt geprimte PSCs, die entwicklungsmäßig weiter fortgeschritten sind als naive PSCs. Naive PSCs können direkt aus menschlichen Präimplantationsembryos gewonnen werden, oder häufiger setzen Forscher geprimte PSCs Bedingungen aus, die sie dazu veranlassen, naive PSCs zu werden. Bestehende Methoden zur Umprogrammierung waren ineffizient und langsam, was die Forscher daran hinderte, schnell die Anzahl hochwertiger Stammzellen zu produzieren, die sie benötigten.
Adam Bendall, Ph.D. Student und leitender Forscher der Studie, sagte: „Es war sehr wenig darüber bekannt, welche genetischen und epigenetischen Faktoren für die naive Zellreprogrammierung erforderlich sind, und diese Wissenslücke schränkte das Design von Reprogrammierungsbedingungen ein.“
Die geringe Effizienz der naiven Reprogrammierung lässt auf das Vorhandensein von Barrieren schließen, die Zellen daran hindern, den naiven Zustand zu erreichen. Adam und seine Kollegen verfeinerten diese Barrieren, indem sie einen groß angelegten genetischen Screen durchführten, um Gene zu identifizieren, die die Umprogrammierung behindern und unterstützen. Sie konnten eine große Anzahl von Genen identifizieren, die eine entscheidende Rolle bei der naiven PSC-Programmierung spielen, die zuvor nicht mit dem Prozess in Verbindung gebracht wurden.
Das Team konzentrierte sich insbesondere auf einen epigenetischen Komplex, den PRC1.3-Komplex, der die Genexpression reguliert, ohne die zugrunde liegende DNA-Sequenz zu verändern, und den sie als wesentlich für die Bildung naiver PSCs herausstellten. Ohne diesen Komplex werden die umprogrammierten Zellen zu einem völlig anderen Zelltyp als zu naiven PSCs. Dies deutet darauf hin, dass die Aktivität von PRC1.3 mehr Zellen dazu anregen könnte, sich richtig umzuprogrammieren, wodurch die Barriere tatsächlich gesenkt wird.
Nachdem die Forscher Faktoren identifiziert hatten, die die Umprogrammierung fördern, untersuchten sie auch Faktoren, die die Umprogrammierung behindern, was in ihrer Studie durch ein epigenetisches Protein namens HDAC2 veranschaulicht wurde. Dr. Amanda Collier, Erstautorin der Veröffentlichung, erklärte: „Aufregenderweise erfolgte die naive PSC-Reprogrammierung effizienter und schneller, als wir einen dieser Faktoren mit selektiven Chemikalien hemmten. Wir können es von beiden Seiten betrachten; wir kann die Barrieren beseitigen und die Faktoren einführen, die Zellen in Richtung Zustandsänderung treiben.
Diese Forschung verbessert nicht nur die Fähigkeit der Wissenschaftler, humane naive PSCs herzustellen, sondern liefert auch Details zu den molekularen Ereignissen, die während des Zellzustandsübergangs selbst auftreten, von denen einige in der Entwicklungsregulierung in menschlichen Embryonen konserviert sind.
Das Rugg-Gunn-Labor setzt die Teile eines größeren Puzzles zusammen – das beste Verständnis der Bildung und Kontrolle naiver Stammzellen. Ihre frühere Forschung hat molekulare Faktoren identifiziert, die dazu beitragen, Zellen in einem naiven Stadium zu halten. Gruppenleiter Peter Rugg-Gunn sagte: „Durch den Aufbau unserer Werkzeuge zur Manipulation pluripotenter Stammzellen können wir mehr Zeit damit verbringen, wichtige Fragen zum Präimplantationsembryo zu stellen. Langfristig könnten sich weitere Verbesserungen bei der Arbeit mit naiven PSCs ergeben die Möglichkeit, diese Zellen in personalisierten Krankheitsmodellen oder Zelltherapien zu verwenden, obwohl dies mehr Forschung darüber erfordern wird, wie naive PSCs in spezialisierte Zelltypen differenziert werden können.“
Amanda Collier et al., Genome-Wide Screening Identify Polycomb Repressive Complex 1.3 as a Essential Regulator of Human Naive Pluripotent Cell Reprogramming, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abk0013. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk0013