För att storleken på en befolkning ska förbli stabil över tid måste födelse- och dödstalen balanseras. Om födelsetalen är för hög kan det bli en befolkningsexplosion; om den är för låg kommer befolkningen att krympa. Den här sortens balans finns till exempel bland de cirka 10 000 miljarder celler som utgör vår kropp.

När vi når vuxen ålder kan våra stamceller dela sig för att förnya kroppsvävnader, men efter att ha delat sig flera gånger blir de mogna celler som delar sig några gånger och sedan dör. Vi märker bara denna jämvikt när den är störd – till exempel när celler börjar dela sig okontrollerat och skapar cancerväxter.

Härav följer att en balans mellan delande och mogna celler är en förutsättning för existensen av någon flercellig organism, men hur upprätthålls den? I en ny studie publicerad nyligen i Cell , använde forskare från Weizmann Institute of Science encelliga organismer för att bättre förstå hur flercelliga organismer upprätthåller denna jämvikt och skyddar sig mot cancer.

Celldifferentiering är en biologisk "specialiseringsutbildning", där en stamcell delar sig i två dotterceller, varav en tar en definierad roll och får de egenskaper som behövs för att uppfylla den. När celler genomgår differentiering är deras nya specialitet användbar för den flercelliga organismen som de är en del av, men de betalar en stor individuell avgift:Ju längre de kommer längs denna specialiseringsväg, desto mer minskar deras förmåga att replikera, tills de inte är längre kunna dela överhuvudtaget.

Denna långsamma delning av differentierade celler gör dem sårbara för populationer av celler som delar sig och växer i snabbare takt och därför kan ta över vävnaden och dess resurser. I vissa typer av blodcancer, till exempel, genomgår stamceller i benmärgen en mutation som bromsar deras differentiering och gör att de kan producera fler dotterstamceller. Dessa mutanta celler drar fördel av den naturliga svaga punkten i differentieringsprocessen och övervinner populationen av friska celler i en process som kallas mutant takeover.

Även om en mutation i genomsnitt förekommer i varje celldelning i våra kroppar, åtnjuter de flesta av oss årtionden av god hälsa, genom otaliga celldelningar, utan att uppleva mutantövertagande. Detta tyder på att det finns effektiva mekanismer för att hantera detta hot, även om de är svåra att identifiera i komplexa organismer.

Forskare i Prof. Uri Alons forskargrupp vid Weizmanns avdelning för molekylär cellbiologi beslutade att konstruera E. coli-bakterier, som vanligtvis inte differentierar, för att få dem att genomgå en artificiell differentieringsprocess, vilket gör det möjligt för forskare att studera hur en cellpopulation hanterar mutanter övertagande.

"Det finns ett antal tydliga fördelar med E. coli-modellen", förklarar Dr David Glass, som ledde studien i Alons labb. "En av dem är en kort generationstid, vilket gjorde det möjligt för oss att studera utvecklingen av mutanter under hundratals generationer i labbet."

För att producera E. coli-bakterier som kan differentiera, tog forskarna inspiration från cyanobakterier som kallas Anabaena, som differentierar sig – genom att skära ut vissa segment av deras DNA – som svar på en brist på kväve i deras miljö. Även om de differentierade bakterierna förlorar förmågan att dela sig får de en viktig överlevnadsfördel:förmågan att förse sig själva och hela kolonin med kväve.

För att efterlikna differentieringsprocessen i E. coli-modellen odlade forskarna bakterierna i en miljö som inkluderade antibiotika men saknade en essentiell aminosyra. Med hjälp av genteknik infogade de i varje bakterie flera kopior av en gen för resistens mot antibiotika och flera kopior av en gen som producerade den saknade aminosyran.

Innan processen med artificiell differentiering började – det vill säga när bakterierna var i ett tillstånd som var likvärdigt med stamcellerna – var antibiotikaresistensgenerna aktiva, så bakterierna kunde dela sig och differentiera sig i hög hastighet trots närvaron av antibiotikan.

När differentieringsprocessen startade genom att klippa ut generna för antibiotikaresistens förlorade bakterierna gradvis sin förmåga att dela sig och differentiera sig, men de fick en överlevnadsfördel:Nedskärningarna i DNA:t aktiverade gradvis generna som producerade den essentiella aminosyran.

"För att avgöra vilken differentieringshastighet som fungerar bäst, höll vi en tävling mellan 11 stammar av E. coli, som var och en skär ut DNA-segment - det vill säga differentierar - i olika takt", förklarar Glass. "Vi blandade lika stora mängder av bakterierna, odlade dem under loppet av några dagar och kontrollerade sedan vilka som hade överlevt.

"Vi upptäckte ett mycket starkt urval till förmån för bakterier som differentierade i måttlig takt och fann att bakteriestammar med en måttlig differentieringshastighet bibehöll den optimala balansen av celltyper i sin population. Vid varje givet ögonblick var det bara en minoritet av de celler var "rena stamceller" eller "helt differentierade celler", och en majoritet hittades i mellanliggande tillstånd av processen."

Denna optimala, måttliga differentieringshastighet delas av olika system i människokroppen, där en kvantitativ balans upprätthålls mellan stamceller, progenitorceller i olika stadier av differentiering och differentierade celler som ibland dör och ersätts av nya.

För att hålla populationsstorleken stabil är det viktigt att upprätthålla den jämvikten även när miljöförhållandena förändras. För att ta reda på om bakterierna i deras modell verkligen bibehöll denna jämvikt även under ändrade förhållanden, odlade forskarna dem i 36 olika kombinationer av antibiotika- och aminosyrakoncentrationer i odlingsmediet.

"Vi såg att i alla situationer - förutom de mest extrema, som en total frånvaro av antibiotika - förblev cellernas optimala differentieringshastighet i det måttliga området och jämvikten upprätthölls," förklarar Glass. "Detta betyder att den befolkningsjämvikt som kännetecknar den differentieringsmodell vi utvecklade i stor utsträckning är immun mot miljöförändringar och hot."

Men är en population av bakterier som differentierar sig i optimal hastighet också immun mot mutantövertagande, som systemen i flercelliga organismer?

För att testa dessa bakteriers förmåga att motstå mutantövertagande, odlade forskarna dem under många generationer och kontrollerade om slumpmässiga mutationer uppstod under den långa tillväxtperioden, vilket skapade bakterier som inte alls skiljer sig och delar sig okontrollerat. Med andra ord, gör mutanta bakterier mutantövertagande, eller undertrycks de i ett tidigt skede?

Första gången de genomförde experimentet var forskarna besvikna över att hitta mutantövertaganden i hälften av fallen. "Vi fann att när en genetisk förändring bryter kopplingen mellan avmattning av differentieringen och att få den överlevnadsfördelen, kan mutanter som inte differentierar ta över," tillägger Glass.

Därefter upprepade forskarna experimentet med en ny bakteriestam som var genetiskt modifierad för att vara immun mot den identifierade mutationen. "Vi lyckades odla omkring 270 generationer av differentierande bakterier, och inget mutantövertagande inträffade. Tyvärr avbröt invasionen av Israel den 7 oktober experimentet, och bakterierna kan mycket väl vara ännu mer motståndskraftiga", säger Glass.

"Vi visade att ett system där differentierande E. coli-celler slutar dela sig men får en överlevnadsfördel kan upprätthålla en optimal befolkningsbalans och förhindra mutantövertagande. Många sjukdomar, som cancer och autoimmuna sjukdomar, är unika för flercelliga organismer. När vi genetiskt konstruerar fler och fler egenskaper hos flercelliga system i encelliga organismer, kan vi avslöja de svaga punkterna och leta efter dem i mänsklig vävnad också."

"Utöver grundläggande vetenskap kan dessa nya rön också ha en inverkan på användningen av bakterier i industrin," tillägger Glass. "Gentekniskt framställda bakterier används för närvarande i storskalig produktion av insulin, enzymer och andra ämnen som används av människor. Att skapa en population av differentierande bakterier som upprätthåller sin jämvikt, förnyar sig och till och med förhindrar mutantövertagande kan vara mycket användbart i dessa produktionsprocesser. ."

Mer information: David S. Glass et al, En syntetisk differentieringskrets i Escherichia coli för att undertrycka mutantövertagande, Cell (2024). DOI:10.1016/j.cell.2024.01.024

Journalinformation: Cell

Tillhandahålls av Weizmann Institute of Science