Forskere omprogrammerer embryonale stamceller for å utvide deres potensielle cellefeller

Susan Lim: Transplant cells, not organs (Juni 2019).

Anonim

Forskere fra University of California, Berkeley, har funnet en måte å omprogrammere musembryonale stamceller slik at de utviser utviklingsegenskaper som ligner de av befruktede egg eller zygoter.

Disse "totipotent-lignende" stamceller er i stand til å generere ikke bare alle celletyper i et utviklende embryo, men også celletyper som letter næringsutvekslingen mellom embryoet og moren.

For nå har de nye stamcellelinjene UC Berkeleyforskere opprettet, hjelpe forskere til å forstå de første molekylære avgjørelsene i tidlig embryo. Til syvende og sist kan disse innsiktene utvide repertoaret av vev som kan genereres fra stamceller, med betydelige implikasjoner for regenerativ medisin og stamcellebasert terapi.

Et befruktet egg antas å ha fullt utviklingspotensial, som kan generere alle celletyper som kreves for embryo-svangerskapet, inkludert det utviklende embryo og dets ekstra-embryonale vev. Et unikt trekk ved placentale pattedyr, ekstra-embryonale vev som moderkrekken og eggeplommen er viktig for næringsstoffer og avfallsmasse mellom fosteret og moren.

I motsetning til dette er de fleste embryonale og induserte pluripotente stamceller mer begrenset i deres utviklingspotensial, som kan danne embryonale celletyper, men ikke ekstra-embryonale vev. Evnen til et befruktet egg til å generere både embryonale og ekstra-embryonale vev refereres til som "totipotency", en ultimate stamcelletilstand sett kun i de tidligste stadier av embryonisk utvikling.

"Studier av embryonisk utvikling har stor nytte av kultursystemet av embryonale stamceller og nylig indusert pluripotente stamceller. Disse eksperimentelle systemene tillater forskere å dissekere viktige molekylveier som spesifiserer cellefellebeslutninger i embryonisk utvikling, sier teamleder Lin He, en UC Berkeley lektor i molekylær og cellebiologi. "Men det unike utviklingspotensialet til en zygote, dannet rett etter at sæd og egg møtes, er veldig, veldig vanskelig å studere, på grunn av begrensede materialer og mangel på et cellekultur-eksperimentelt system."

Hans nye studie avslører ikke bare en ny mekanisme som regulerer "totipotent-lignende" stamcelletilstand, men gir også et kraftig cellekultursystem for å studere totipotency videre.

Hun og hennes kolleger rapporterte sin forskning på nettet 12. januar i forkant av trykt publikasjon i tidsskriftet Science.

MicroRNA og stamceller

Embryonale stamceller (ES), høstet fra tre og en halv dag gamle museembryoner eller fem og en halv dag gamle menneskelige embryoer, refereres til som pluripotente fordi de kan bli noen av de tusen av celletyper i kroppen. De har generert spenning de siste tiårene fordi forskere kan studere dem i laboratoriet for å oppdage de genetiske brytere som styrer utviklingen av spesialiserte vev i embryo og foster, og også på grunn av deres potensial til å erstatte kroppsvev som har brutt ned, slik som bukspyttkjertelceller hos de med diabetes eller hjerte muskelceller hos de med hjertesvikt. Disse stamceller kan også la forskere studere de tidlige stadiene av genetisk sykdom.

Som et alternativ til å høste dem fra embryoer, kan forskere også få pluripotente stamceller ved å behandle modne somatiske celler med en cocktail av transkripsjonsfaktorer for å regressere dem slik at de er nesten like fleksible som embryonale stamceller. Disse kunstig avledede stamceller kalles induserte pluripotente stamceller (iPS) celler.

Verken ES eller iPS-celler er imidlertid like fleksible som det originale befruktede egget, som kan danne ekstra embryonale og embryonale vev. Når embryonale stamceller høstes fra et mus eller et menneskelig embryo, har cellene allerede forpliktet seg til enten en embryonal eller en ekstra-embryonal stamme.

MikroRNA er små, ikke-kodende RNA som ikke oversetter til proteiner, men har en dyp innvirkning på regulering av genuttrykk. Han og hennes kolleger fant at et microRNA kalt miR-34a ser ut til å være en bremse som hindrer både ES og iPS-celler fra å produsere ekstra-embryonale vev. Når denne mikroRNA ble genetisk fjernet, var både ES og iPS-celler i stand til å utvide sine utviklingsbeslutninger for å generere embryo celletyper samt placenta og eggeplomme. I sine eksperimenter viste omtrent 20 prosent av embryonale stamceller som manglet mikroRNA utvidet skjebnepotensial. Videre kan denne effekten opprettholdes i opptil en måned i cellekultur.

"Det som er ganske utrolig er at manipulering bare en enkelt microRNA var i stand til å utvide celle skjebne beslutninger av embryonale stamceller, " sa han. "Dette funnet ikke bare identifiserer en ny mekanisme som regulerer totipotente stamceller, men viser også betydningen av ikke-kodende RNA i stamcelle skjebne."

I tillegg har han i denne studien oppdaget en uventet forbindelse mellom miR-34a og en spesifikk klasse av retrotransposoner i mus. Langt ansett som "junk DNA", retrotransposons er biter av gammel utenlandsk DNA som utgjør en stor del av pattedyrgenomet. I flere tiår har biologer antatt at disse retrotransposonsene ikke tjener noe formål under normal utvikling, men hans funn tyder på at de kan være nært knyttet til beslutningstaking av tidlige embryoer.

"Et viktig åpent spørsmål er om disse retrotransposons er ekte drivere for utviklingsbeslutninger, " sa Todd MacFanlan, medforfatter av den nåværende studien og en forsker ved Eunice Kennedy Shriver National Institute for barnehelse og menneskelig utvikling i Bethesda, Maryland.

Medforfattere med Han er kandidatstudent Yong Jin Choi, postdoktorale Chao-Po Lin og Davide Risso, kandidatstudent Sean Chen og grunnskolen Thomas Aquinas Kim, sammen med statistikkprofessor Terence Speed ​​of UC Berkeley. Meng How Tan og Jin Li fra Stanford University, Yalei Wu fra Thermo Fisher Scientific i South San Francisco, Caifu Chen of Integrated DNA Technologies i Redwood City, Zhenyu Xuan fra University of Texas i Dallas, Weiqun Peng fra George Washington University i Washington, DC, Kent Lloyd av UC Davis og Sang Yong Kim fra New York University School of Medicine, alle bidratt til dette arbeidet.

menu
menu