Stamceller svämmar över med potential. Deras förmåga att bli andra celltyper är avgörande för våra kroppar, både under utvecklingen och under hela livet. Men den här potentialen kan bli vår undergång om det går fel, och förvandla några av våra mest användbara celler till maligna cancerformer.

Medan de undersökte en väg involverad i stamcellsdifferentiering fann forskare vid UC Santa Barbara att i stället för att bilda ett löpande band eller stel struktur, smälter alla inblandade proteiner samman till en vätskedroppe. Genom modellering och manipulation började teamet avslöja hur celler använder denna droppe för att bearbeta och vidarebefordra information, och hur det kan fungera fel i cancer. Deras resultat visas i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Samma processer som organiserar daggdroppar på ett spindelnät händer i cellerna för att få denna flytande, molekylära dator att dyka upp eller försvinna på kommando", säger seniorförfattaren Max Wilson, biträdande professor vid institutionen för molekylär, cellulär och utvecklingsbiologi. . "Och när det går fel orsakar det i princip 100 % av kolorektal cancer och är inblandad i ett stort antal andra cancerformer."

En viktig process

En mängd mekanismer styr en stamcell att differentiera till en specialiserad celltyp. Bland de viktigaste är Wnt-vägen - en förkortning för "vinglös-relaterad integrationsplats" - som tar input från utanför cellen, bearbetar den och vidarebefordrar instruktioner till kärnan. Detta startar en kedja av åtgärder som talar om för stamcellen att det är dags att differentiera sig, samt vilken typ av cell som ska bli. Wnt-vägen är involverad i att bestämma ödet för varje stamcell, förklarade Wilson, och den verkar oförändrad för praktiskt taget alla djur.

Stamcellsdifferentiering är ganska viktig under embryonal utveckling. Det finns dock områden på kroppen där vi har stamceller även som vuxna, som våra tarmar, benmärg och hud, för att nämna några. Differentieringsvägarna spelar en stor roll i funktionen hos dessa vävnader och organ.

Med tanke på dess betydelse ville Wilson och hans kollegor lära sig hur Wnt-vägen var fysiskt organiserad inuti cellen. De fokuserade på två proteiner – Axin och APC – som tycks utgöra ställningen för hela processen, och som orkestrerar den intrikata dansen hos andra proteiner.

Funktionen följer formuläret

Att förstå ett protein kräver att man förstår dess struktur, eftersom molekylens intrikata geometri ofta har lika stor betydelse som dess sammansättning. Så teamet matade proteinernas kemiska sammansättning till ett program som heter AlphaFold, en mjukvara för djupinlärning som Google utvecklat för att förutsäga de strukturer som proteiner tar.

Programmet returnerade "en slumpmässig hög med spagetti", vilket är så nära AI:n kommer en axelryckning och ett felmeddelande, sa Wilson.

Detta antydde att Axin och APC kan fungera på ett mycket okonventionellt sätt. Istället för att fungera som ett styvt lås och nyckel, kan proteinerna fungera på ett mycket mer flytande, dynamiskt sätt. "Vi trodde att de kunde bilda intracellulära vätskor, som oljedroppar i salladsdressing," sa Wilson. Det enda sättet att berätta var att titta.

Så de använde CRISPR/Cas9 för att lägga till en fluorescerande tagg till alla större proteiner som de visste var en del av Wnt-vägen. Sedan såg de genom mikroskopet när proteinerna smälte samman till en vätskedroppe i cellens cytoplasma.

En märklig väg

Det är i denna vätskedroppe som det mesta av Wnt-vägen inträffar, vilket så småningom skickar ett meddelande till kärnan som säger åt cellen att differentiera. Det utlöser också förändringar i genuttryck som dikterar vad stamcellen blir. "Det är som en liten flytande dator, mitt i cellen," funderade Wilson. Trots dess betydelse var detta första gången forskare hade observerat Wnt-vägen i aktion.

Dessutom observerade gruppen att droppen alltid bildades precis bredvid kärnan. Faktum är att den satt runt centrosomen - strukturen som drar isär kromosomerna när en cell delar sig. Wilson undersöker fortfarande denna aspekt av vägen. "För mig tyder det på att detta kan vara en inbyggd anti-cancerstrategi", sa han. "Det kan vara ett sätt att koordinera tillväxt, form och differentiering i vävnader. Vi vet inte än."

Förutom att orkestrera kadern för andra involverade proteiner, verkar Axin och APC vara de viktigaste föreningarna för att skapa själva droppen. Samtidigt är Wnt-proteinerna huvudaktörerna i händelserna som inträffar inom blob. Droppen bearbetar kontinuerligt ett protein som kallas β-catenin, som produceras på annat håll. Blobben läser den, modifierar den och skickar den tillbaka ut i cellen. Och det finns en mängd hjälpproteiner att starta upp, många med flera andra roller i kroppen.

Förvånade över vad de hittade simulerade teamet droppen med hjälp av en numerisk modell. De visade att att ha alla Wnt-proteiner koncentrerade i en droppe gör vägen mycket effektivare än om den skulle spridas genom cytoplasman. Blobben fungerar i huvudsak som en liten reaktionskammare.

Teamet fortsatte sin undersökning och justerade förhållandet mellan proteinerna i droppen. De fann att ökningen av Axin fick många små droppar att bildas i hela cellen, inte på centrosomen. Samtidigt, genom att skruva upp APC:n fick den första droppen att växa sig större. Teamet undersöker aktivt denna aspekt av vägen.

Axin och APC är inte de enda proteinerna som beter sig på detta märkliga sätt. "Nukleolen och stressgranulerna är också exempel på flytande proteinkondensat," sa Wilson. "Vi har precis börjat karakterisera dessa så kallade "flytande proteiner."

Cancersambandet

Wnt-vägen har en stark koppling till kolorektal cancer. Intestinala epitelceller lever i endast cirka tre dagar innan de sloughs av. De fylls på av stamceller som finns i skyddade fördjupningar i tarmslemhinnan. När en ersättning behövs delar sig stamcellen och en dotter blir en tarmcell när den migrerar uppåt.

En mutation i generna som är involverade i Wnt-vägen kan göra att en cell blir cancerös — växer och förökar sig utan hänsyn till dess grannar eller miljöförhållanden. "Till exempel, ungefär 95% av individer med kolorektal cancer har en stor del som saknas i sin APC-gen," sa Wilson.

Det är uppenbart att förändring av genen på något sätt förändrar dynamiken och strukturen hos Wnt-blobben. Och medan både Axin och APC utgör droppen, verkar vägen mycket mer känslig för problem med APC-genen. Detta är en annan aspekt av systemet som teamet för närvarande undersöker.

Det finns ett stort otillfredsställt behov av behandlingar för kolorektal cancer. "Det finns ingen immunterapi för det," sa Wilson. "Det finns ingen intervention förutom kemoterapi."

Faktum är att det inte finns några läkemedel som godkänts av FDA som riktar sig mot Wnt-vägen. "Det faktum, i och för sig, tyder på att vi kanske har tänkt på det här felaktigt," sa Wilson. "Och den här nya idén om en flytande orkestrering av hela processen kan hjälpa oss att designa nya läkemedel och terapier."

"Vi vet att Wnt-vägen är inblandad i andra cancerformer också," sa Wilson. Forskarna tittar på hur cancermutationer påverkar droppdynamiken och kartlägger alla proteiner som är involverade i Wnt-vägen. En ordentlig katalog bör ge en lista över möjliga mål för nya terapier, förklarade han. + Utforska vidare

Oväntat samband mellan de vanligaste cancerframkallarna kan ge effektivare läkemedel