Forscher haben entdeckt, wie spezifische Proteine in den Chromosomen von Spulwürmern es ihren Nachkommen ermöglichen, Generationen später spezialisierte Zellen zu produzieren, ein verblüffender Befund, der das klassische Denken auf den Kopf stellt, dass erbliche Informationen für die Zelldifferenzierung größtenteils in DNA und anderen genetischen Faktoren verankert sind.
Das Team der Johns Hopkins University berichtet zum ersten Mal über die Mechanismen, durch die ein als Histon H3 bekanntes Protein kontrolliert, wann und wie Wurmembryos sowohl hochspezifische Zellen als auch pluripotente Zellen produzieren, Zellen, die bestimmte Gene an- und ausschalten können, um verschiedene Arten von Körpern zu produzieren Gewebe. Die Details werden heute in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Die neue Forschung könnte Aufschluss darüber geben, wie Mutationen, die mit diesen Proteinen verbunden sind, verschiedene Krankheiten beeinflussen. Bei Kindern und jungen Erwachsenen ist beispielsweise Histon H3 eng mit verschiedenen Krebsarten assoziiert.
„Diese Mutationen sind bei verschiedenen Krebsarten weit verbreitet, daher kann uns das Verständnis ihrer normalen Rolle bei der Regulierung des Zellschicksals und der potenziellen Differenzierung von Geweben helfen zu verstehen, warum einige von ihnen bei bestimmten Krankheiten häufiger vorkommen“, sagte der Hauptautor Ryan J. Gleason, ein Postdoktorand Fellow in Biologie an der Johns Hopkins University. „Die Histone, die wir uns ansehen, gehören zu den am stärksten mutierten Proteinen bei Krebs und anderen Krankheiten.“
Histone sind die Bausteine des Chromatins, der strukturellen Stütze der Chromosomen im Zellkern. Während Histon H3 besonders häufig in vielzelligen Organismen wie Pflanzen und Tieren vorkommt, wimmelt es bei einzelligen Organismen von einer nahezu identischen Variante von H3. Aus diesem Grund glauben Wissenschaftler, dass der Unterschied in den Rationen von H3 und seiner Variante entscheidende Hinweise auf das Rätsel enthält, warum pluripotente Zellen während der frühen Entwicklung so vielseitig sind.
Die Forscher zeigten, dass mit zunehmendem Wachstum der C. elegans-Spulwurmembryonen steigende H3-Spiegel in ihren Systemen das Potenzial oder die „Plastizität“ ihrer pluripotenten Zellen einschränkten. Als das Team das Genom des Wurms veränderte, um die H3-Menge zu verringern, verlängerten sie erfolgreich das Zeitfenster für Pluripotenz, das normalerweise bei älteren Embryonen verloren geht.
„Wenn sich die Zellen differenzieren, wird zu diesem Zeitpunkt ein hundertfaches Histon H3 exprimiert, was mit dieser linienspezifischen Regulation übereinstimmt“, sagte Gleason. „Wenn Sie die H3-Menge während der Embryogenese senken, konnten wir den normalen Entwicklungsweg ändern, um alternative Wege des Zellschicksals einzunehmen.“
In pluripotenten Zellen helfen Histone, bestimmte Gene ein- und auszuschalten, um sich an bestimmte Zelltypen zu binden, seien es Neuronen, Muskeln oder anderes Gewebe. Gene, die stark von Histonen reguliert werden, fungieren als Stimme, die den Zellen mitteilt, wie sie sich entwickeln sollen. Wie leise oder laut ein Gen ist, entscheidet über das Schicksal einer Zelle.
Die neuen Erkenntnisse stammen aus der Gen-Editing-Technik CRISPR, die dem Team half, die Rolle zu verfolgen, die die beiden Histone bei der Entwicklung der Nachkommen des Wurms spielten. CRISPR hat es Wissenschaftlern in den letzten zehn Jahren viel einfacher gemacht, die Grundlagen der Veränderung des genetischen Materials zu untersuchen und zu erkennen, was dies mit Tier-, Pflanzen- und Mikrobenmerkmalen macht, sagte Gleason.
Obwohl der Spulwurm C. elegans feinere Einblicke in die Entwicklung dieser pluripotenten Zellen gibt, sind weitere Untersuchungen erforderlich, um herauszufinden, wie Histone auch die Embryogenese bei Menschen und Tieren unterstützen könnten, die aus Hunderten von Zelltypen bestehen, sagte Xin Chen, ein Johns Hopkins Biologieprofessor und Mitforscher.
„Obwohl wir diesen kleinen Wurm verwenden, um diese Entdeckungen zu machen, sollte dieser Befund wirklich nicht spezifisch für ein Tier sein“, sagte Chen. „Es ist schwer vorstellbar, dass die Ergebnisse nur auf ein Histon oder ein Tier anwendbar sind, aber natürlich muss noch mehr geforscht werden.“
Mehr Informationen:
Ryan Gleason et al., Die entwicklungsmäßig programmierte Histon-H3-Expression reguliert die zelluläre Plastizität beim Übergang vom Elternteil zum frühen Embryo, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh0411. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh0411