En ny studie i Naturgenetik identifierar en specifik population av pluripotenta embryonala stamceller som kan omprogrammera till totipotenta-liknande celler i kultur. Dessutom, forskarna vid Helmholtz Zentrum München och Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) har identifierat flaskhalsar och drivkrafter bakom denna omprogrammering.

Cellulär plasticitet är en cells förmåga att göra olika celltyper. I livets tidiga skeden, den befruktade encellen som kommer från moderns ägg och faderns spermier är mycket plastisk – den kommer att ge upphov till alla kroppens celltyper. Cellulär plasticitet är därför avgörande för att flercelliga organismer som människor ska existera.

Den enstaka befruktade cellen delar sig först i två celler (kallad 2-cellsutvecklingsstadiet). Den enskilda cellen och de två cellerna som är resultatet av den, har den högsta nivån av cellulär plasticitet:De är totipotenta, vilket betyder att de kan göra en hel organism, inklusive den extraembryonala placentavävnaden. I kontrast, embryonala stamceller är pluripotenta vilket innebär att de kan göra alla celler i organismen, men vanligtvis inte den extra embryonala vävnaden.

I en kultur av embryonala stamceller (ES), en liten population (cirka 1%) förvandlas spontant till celler som liknar de totipotenta cellerna i embryot i 2-cellsstadiet. Dessa celler kallas 2-cellsliknande celler (2CLC). I den här studien, Prof. Dr. Maria Elena Torres-Padillas team satte sig för att fastställa den specifika molekylära naturen hos dessa celler och ta reda på hur de kommer till. Torres-Padilla är chef för Institutet för epigenetik och stamceller (IES) vid Helmholtz Zentrum München och professor i stamcellsbiologi vid LMU. Syftet med teamet var att få insikter i de molekylära egenskaperna hos totipotens och att ta reda på hur förändringar i cellulär plasticitet kan uppstå. Deras slutmål är att förstå hur dessa totipotenta-liknande celler "beter sig" så att de kan manipulera dem, och generera dem in vitro.

Teamet började med att jämföra generna som uttrycks i ES-celler med de som uttrycks i 2CLC. För att göra detta använde de ES-celler som uttrycker ett grönt fluorescerande protein när celler börjar uttrycka MERVL-genen. "MERVL är ett retrotransposon uttryckt i 2-cellsliknande celler" förklarar Diego Rodriguez-Terrones, en Ph.D. student i Torres-Padilla-labbet och medförfattare till uppsatsen. "Genom att använda denna cellinje kan vi separera 2-cellsliknande celler från ES-cellerna i kulturen genom att samla de gröna cellerna som har gått in i det 2-cellsliknande tillståndet. Vi jämför sedan generna som uttrycks i båda celltyperna", tillägger han . Denna encelliga transkriptomanalys följt av beräkningsanalyser gjorde det möjligt för teamet att identifiera genuttrycksprofilerna för celler i processen att byta från ES-celler till 2CLC.

De fann att under övergångsperioden, celler uttryckte ökande mängder av en gen som kodar för transkriptionsfaktorn Zscan4. De utvecklade sin reporterlinje för att även kunna uttrycka ett rött fluorescerande protein när Zscan4 uttrycks. Levande cellavbildning bekräftade att majoriteten av cellerna blev röda (Zscan4-positiva) innan de blev gröna (MERVL-positiva 2-cellsliknande celler). "Denna observation, kombinerat med transkriptomiska data, berättade för oss att celler övergår genom ett mellanliggande tillstånd innan de blir 2-cellsliknande celler", sa Maria Elena Torres-Padilla. "Baserat på dessa till synes ordnade förändringar i genuttryck, vi ville ta reda på vad som kunde driva uppkomsten av det 2-cellsliknande tillståndet. Denna information skulle vara avgörande för att främja vår kunskap om nyckelregulatorer för cellulär plasticitet."

Med målet att identifiera kromatinregulatorer som kan främja cellulär omprogrammering, laget genomförde en siRNA-skärm, där uttrycket av över 1000 gener försämrades för att se hur utseendet på 2CLC påverkades. "Resultaten av den här skärmen var enastående, eftersom vi identifierade många nya proteiner som reglerar uppkomsten av 2CLC", säger Dr Xavier Gaume, co-första författare av uppsatsen och postdoc i Torres-Padilla lab. Av särskilt intresse var observationen att minskande nivåer av en specifik kromatinfaktor (Ep400/Tip60), resulterar i fler 2CLC. Eftersom Ep400/Tip60 är involverad i kromatinkomprimering, denna observation identifierar en intressant koppling mellan kromatin 'öppenhet' med ökad styrka.