Mit Stammzellen kommen wir direkt zum Kern der Sache

Mit Stammzellen kommen wir direkt zum Kern der Sache

LA JOLLA – Der Prozess, durch den sich embryonale Stammzellen zu Herzzellen entwickeln, ist ein komplexer Prozess, bei dem mehrere molekulare Signalwege und mindestens 200 Gene zeitlich genau aktiviert werden. Jetzt haben Wissenschaftler des Salk Institute einen einfacheren Weg gefunden, von Stammzellen zu Herzzellen zu gelangen, bei dem ein einzelnes Gen ausgeschaltet wird.

Das Werk, das in erscheint Gene & Entwicklung am 21. Dezember 2017 bietet Wissenschaftlern eine optimierte Methode, um zu funktionierenden Herzzellen (Kardiomyozyten) sowohl für die Forschung als auch für regenerative Therapien zu gelangen.

„Diese Entdeckung ist wirklich aufregend, denn sie bedeutet, dass wir möglicherweise ein zuverlässiges Protokoll für die Entnahme normaler Zellen und deren sehr effiziente Übertragung von Stammzellen auf Herzzellen erstellen können“, sagt Salk-Professor Kathy Jones, der leitende Autor des Artikels. „Forscher und kommerzielle Unternehmen möchten auf einfache Weise Kardiomyozyten erzeugen, um ihre Fähigkeit zur Reparatur bei Herzinfarkten und Krankheiten zu untersuchen – das bringt uns diesem Ziel einen Schritt näher.“

Im Jahr 2015 entdeckte Jones‘ Labor, das Proteine ​​untersucht, die das Zellwachstum und die Zellentwicklung steuern, dass zwei verschiedene zelluläre Prozesse zusammenarbeiten, um embryonalen Stammzellen (ESCs) die Entwicklung zu bestimmten Zelltypen wie Bauchspeicheldrüse, Leber und Herz zu ermöglichen. Das Team fand heraus, dass der Wnt-Signalweg die zelluläre Maschinerie auflädt, mit dem Kopieren und Aktivieren von Genen zu beginnen, und dass der Activin-Signalweg diese Aktivität dann um ein Vielfaches steigert. Zusammen führen die beiden Wege (benannt nach Schlüsselproteinen) Stammzellen zu einem Zwischenstadium, von dem aus sie weiter in Zellen bestimmter Organe gelangen. Indem das Team die Zellen zu zwei verschiedenen Zeitpunkten einem Signalmolekül aussetzte, konnte es zuerst Wnt und dann Activin auslösen und am Ende spezialisierte Zellen erhalten.

Im Verlauf ihrer Experimente entdeckte das Team auch einen dritten Signalweg – der von einem Protein namens YAP gesteuert wird –, das den Activin-Signalweg zu bremsen schien und so die Spezialisierung von Stammzellen verhinderte.

Um diesen Effekt besser zu verstehen, machten sich Jones und der Erstautor Conchi Estarás in der aktuellen Arbeit daran, ihn zu manipulieren YAP Gen auf verschiedene Weise, um zu sehen, was passieren würde. Sie begannen mit der molekularen Schere CRISPR-Cas9, um das Gen aus der DNA der ESCs herauszuschneiden, sodass sie es nicht mehr herstellen konnten YAP Eiweiß. Dann setzte das Duo die Zellen dem Signalmolekül aus, um zu sehen, was, wenn überhaupt, passierte.

Zu ihrer großen Überraschung gelangten die Zellen vom Stammzellstadium direkt in schlagende Herzzellen.

„Statt zwei Schritte zu erfordern, um eine Spezialisierung zu erreichen, wurde sie durch die Abschaffung von YAP auf nur einen Schritt reduziert“, sagt Estarás, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Salk. „Das würde für die Industrie enorme Einsparungen bei den Reagenzmaterialien und den Kosten bedeuten.“

Interessanterweise ergab eine weitere Analyse, dass dieselben Gene aktiviert wurden, die auch durch den normalen Wnt-Activin-Stammzellspezialisierungsprozess aktiviert würden.

„Dies enthüllte uns eine verborgene, spezifische zelluläre Abstammungslinie direkt zu schlagenden Kardiomyozyten“, sagt Jones. „Es ist sowohl faszinierend als auch medizinisch und kommerziell nützlich, herauszufinden, dass Gene, die unterschiedlich reguliert werden, dennoch zum gleichen Ergebnis führen.“

Da die vollständige Entfernung eines Gens unbeabsichtigte Auswirkungen haben kann, möchte das Team als Nächstes testen, ob es dies ausschalten kann YAP Mithilfe kleiner kommerziell erhältlicher Inhibitormoleküle können wir das Gen mithilfe kleiner, kommerziell erhältlicher Inhibitormoleküle zerstören und trotzdem aus Stammzellen funktionsfähige Herzzellen ableiten.

Weitere Autoren waren Hui-Ting Hsu und Ling Huang von Salk.

Die Arbeit wurde gefördert durch die Kalifornisches Institut für Regenerative Medizin und der National Cancer Institute (NIH).