Wissenschaftler verbinden oozytenspezifisches Histon H1FOO mit einer besseren iPS-Zellengeneration

Ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Akira Kunitomi, einem ehemaligen Postdoktoranden am CiRA (derzeit Forscher am Gladstone Institute of Cardiocular Disease), und ID Pharma Co., Ltd., hat die entscheidende Rolle des oozytenspezifischen Linkerhistons aufgedeckt , H1FOO, bei der Verbesserung der Reprogrammierungseffizienz und Homogenität für vorbereitete und naive pluripotente Zustände. Die Studie ist veröffentlicht in Stammzellberichte.

Während die konventionelle Reprogrammierung humane induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) mit „vorbereiteten“ Eigenschaften erzeugt, die Postimplantations-Epiblasten mit begrenztem Potenzial zur Umwandlung in extraembryonales Gewebe ähneln, weist der „naive“ pluripotente Zustand Eigenschaften auf, die denen von Präimplantations-Epiblastzellen und Maus-iPS-Zellen ähnlicher sind Dadurch können sie sich sowohl in embryonale als auch in extraembryonale Abstammungslinien differenzieren.

Auch wenn präparierte und naive menschliche iPS-Zellen bisher unvorstellbare biomedizinische Fortschritte ermöglicht haben, ist ihre Heterogenität eine wesentliche Herausforderung bei iPS-Zellen für die Grundlagenforschung und medizinische Zwecke. Herkömmliche Reprogrammierungsmethoden bleiben ein stochastischer Prozess, und daher suchen viele Forscher weiterhin nach effizienteren und präziseren Mitteln zur Erzeugung homogener iPS-Zellen.

In ihrer aktuellen Studie untersuchte das gemeinsame Forschungsteam das Potenzial des mütterlichen Linkerhistons H1FOO als möglichen Faktor zur Verfeinerung des Reprogrammierungsprozesses. Die Forscher konstruierten H1FOO, indem sie eine Destabilisierungsdomäne (DD) anbrachten, damit sie seinen Abbau chemisch manipulieren und seine Konzentrationen sorgfältig regulieren konnten.

In Kombination mit den Yamanaka-Faktoren (OSKL, MYC wurde durch LMYC ersetzt, um Tumorentstehung zu vermeiden) stellten sie fest, dass H1FOO-DD die Effizienz der iPS-Zellgenerierung deutlich verbessert, unabhängig vom verwendeten Genabgabesystem.

Genexpressions- und epigenetische Analysen ergaben zwar keine bedeutsamen Unterschiede zwischen der Reprogrammierung allein mit OSKL oder in Kombination mit H1FOO-DD, zeigten jedoch, dass die unabhängig erzeugten iPS-Zellen bei Verwendung von H1FOO-DD ein ähnlicheres Genexpressionsmuster aufwiesen Dies deutet auf Verbesserungen der Homogenität und Reproduzierbarkeit hin.

Insbesondere ergab eine Analyse von Genen mit stark variabler Expression zwischen unabhängigen iPS-Zelllinien, dass H1FOO diese Variabilität um fast die Hälfte reduzierte. Entscheidend ist, dass viele dieser Gene an der Regulierung der Genexpression beteiligt sind, was die Fähigkeit von H1FOO-DD zeigt, den Reprogrammierungsprozess strenger zu steuern.

Darüber hinaus beobachteten die Forscher auch, dass iPS-Zellen, die durch Neuprogrammierung mit H1FOO-DD erzeugt wurden, besser in der Lage waren, sich in Endoderm, eine der drei primären Keimschichten, und Kardiomyozyten (einen mesodermalen Zelltyp) zu differenzieren.

Das Forschungsteam setzte seine Untersuchung fort, indem es die zugrunde liegenden Mechanismen untersuchte, durch die H1FOO-DD die Neuprogrammierung verbessert. Durch Analyse der Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) stellten die Forscher fest, dass die Neuprogrammierung mit H1FOO-DD nicht nur zu einer früheren und höheren Expression pluripotenzbezogener Gene führte, sondern auch die Expression von Genen unterdrückte, die mit der angeborenen Immunantwort, Entzündungen usw. zusammenhängen Apoptose (programmierter Zelltod).

Insbesondere erhöhte H1FOO-DD den Anteil der Zellen, die als erfolgreich umprogrammiert eingestuft wurden, und reduzierte gleichzeitig die Zellsubpopulationen, bei denen eine unvollständige oder erfolglose Neuprogrammierung festgestellt wurde.

Angesichts der Rolle von H1FOO als Chromatin-Remodellierungsfaktor untersuchten die Forscher auch die Zugänglichkeit zu Chromatinregionen. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Genexpressionsanalyse öffneten sich Chromatinregionen, insbesondere jene in der Nähe von Pluripotenzmarkern, früher und waren leichter zugänglich, wenn H1FOO-DD als Reprogrammierungsfaktor einbezogen wurde.

Weitere Analysen zeigten, dass die Transkriptionsfaktorfamilien POU und KLF/SP früher während des Neuprogrammierungsprozesses durch H1FOO-DD aktiviert wurden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass H1FOO-DD dabei hilft, die Neuprogrammierung effizienter und zeitnaher zu koordinieren, um die Erzeugung von iPS-Zellen zu verbessern.

Als nächstes konzentrierten sich die Forscher auf nachgeschaltete Effektoren, die dazu beitragen, die positiven Auswirkungen von H1FOO-DD auf die iPS-Zellerzeugung zu vermitteln, indem sie Gene mit unterschiedlicher Expression zu Beginn der Neuprogrammierung untersuchten. Durch diese Analyse identifizierten sie 19 hochregulierte und zwei herunterregulierte Gene, wenn H1FOO-DD als Reprogrammierungsfaktor einbezogen wurde.

Das Forschungsteam untersuchte diese Gene einzeln, um festzustellen, ob sie die vorbereitete und naive Reprogrammierung beeinflussen, und stellte fest, dass die Überexpression von FKBP1A oder APOE die Reprogrammierung verbessert. Da bereits berichtet wurde, dass APOE während der Neuprogrammierung stark exprimiert wird, konzentrierten die Forscher ihre Aufmerksamkeit auf FKBP1A in der Hoffnung, neue molekulare Mechanismen aufzudecken, die einer erfolgreichen Neuprogrammierung zugrunde liegen.

Insbesondere fanden sie heraus, dass die Neuprogrammierung mit OSKL allein zwar die FKBP1A-Expression erhöht, die Einbeziehung von H1FOO-DD diese jedoch dramatisch steigert. Diese Beobachtung wurde durch eine erneute Untersuchung der bereits gesammelten Genexpressions- und Chromatin-Zugänglichkeitsdaten weiter gestützt.

FKBP1A ist ein Immunophilin, das an der Immunsuppression beteiligt ist und mit TGFBR1 interagieren und dieses hemmen kann, was wiederum den Übergang vom Mesenchym zum Epithel (MET) fördert und die Effizienz der Neuprogrammierung verbessert.

Die Forscher stellten daher die Hypothese auf, dass beide FKBP1A-Funktionen bei der Unterdrückung der angeborenen Immunität und der Hemmung der TGFBR1-vermittelten MET wahrscheinlich für die Verbesserung der Reprogrammierungseffizienz durch H1FOO-DD verantwortlich sind.

Insbesondere fanden sie heraus, dass die Neuprogrammierung durch eine Kombination aus OSKL- und FKBP1A-Überexpression zu vergleichbarer TGFBR1-Unterdrückung, MET-Verstärkung, Unterdrückung der angeborenen Immunantwort und Apoptose führte, wie wenn H1FOO-DD zur Einleitung der Neuprogrammierung verwendet wurde.

Da frühere Genexpressionsanalysen darauf hindeuteten, dass H1FOO-DD nicht nur die Neuprogrammierung durch einen Primer verstärkte, sondern auch die Expression von Markern für den naiven Zustand induzierte, untersuchten die Forscher schließlich, ob H1FOO-DD auch in der Lage ist, die Neuprogrammierung in den naiven Zustand zu fördern. Tatsächlich beobachteten sie, dass der Einschluss von H1FOO-DD die Erzeugung naiver iPS-Zellen erheblich verbesserte.

Darüber hinaus verstärkte H1FOO-DD analog zur geprimten Reprogrammierung den Reprogrammierungsprozess, indem es eine einheitlichere Gen- und epigenetische Regulation in den Zellen koordinierte. Funktionell, gemessen anhand der Stoffwechselaktivität und der Reaktivierung des

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die gemeinsamen Bemühungen des gemeinsamen Forschungsteams die H1FOO-FKBP1A-Achse als Mittel zur Neuprogrammierung von Zellen mit größerer Effizienz und Präzision identifiziert haben. Diese Erkenntnisse werden einen enormen Einfluss auf die Erzeugung von iPS-Zellen sowohl für die wissenschaftliche Grundlagenforschung als auch für klinische Anwendungen haben.