Induzierte pluripotente Stammzellen offenbaren Unterschiede zwischen Menschen und Menschenaffen

Induzierte pluripotente Stammzellen offenbaren Unterschiede zwischen Menschen und Menschenaffen

Wesentliche Unterschiede in der Regulation springender Gene könnten erst vor relativ kurzer Zeit in der Evolution entstanden sein

LA JOLLA, Kalifornien – Forscher am Salk Institute for Biological Studies haben zum ersten Mal Hautzellen von Schimpansen und Bonobos entnommen und sie in induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) umgewandelt, einen Zelltyp, der die Fähigkeit besitzt, jede andere zu bilden Zelle oder Gewebe im Körper.

Maus-iPSCs wurden 2006 von Kazutoshi Takahashi und Shinya Yamanaka an der Universität Kyoto in Japan entwickelt, und bald folgten menschliche iPSCs – Leistungen, die Yamanaka letztes Jahr den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin einbrachten. Mittlerweile verwenden Wissenschaftler regelmäßig iPSCs, um Krankheiten mithilfe von Zellen zu modellieren, die sonst nur schwer von einer lebenden Person oder einem Tier zu gewinnen wären. Durch die Zugabe einer Kombination von vier Schlüsselfaktoren kann eine Hautzelle in ein iPSC umgewandelt werden, das dann in einer Kulturschale dazu gebracht werden kann, Leber-, Lungen- und Gehirnzellen zu bilden.

Es ist nun möglich, mithilfe der Zellen nicht nur Krankheiten zu modellieren, sondern auch iPSCs von Menschen mit denen unserer nächsten lebenden Verwandten – Menschenaffen, mit denen wir einen Großteil der Gene teilen – zu vergleichen, um Einblicke in die molekularen und zellulären Merkmale zu erhalten, die uns zu Menschen machen .

Von links: Salk-Wissenschaftler Ahmet Denli, Carol Marchetto, Iñigo Narvaiza und Fred Gage

Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

„Der Vergleich von Zellen von Menschen, Schimpansen und Bonobos kann uns Hinweise zum Verständnis biologischer Prozesse wie Infektionen, Krankheiten, Gehirnentwicklung, Anpassung oder genetischer Vielfalt geben“, sagt der leitende wissenschaftliche Mitarbeiter Iñigo Narvaiza, der die Studie zusammen mit der leitenden Wissenschaftlerin Carol Marchetto leitete das Salk Institute in La Jolla. „Bisher beschränkten sich die Quellen für Schimpansen- und Bonobozellen auf postmortales Gewebe oder Blut. Jetzt könnte man beispielsweise Neuronen aus den drei verschiedenen Arten generieren und sie vergleichen, um Hypothesen zu testen.“

In der neuen Studie, online veröffentlicht am 23. Oktober 2013 in der Zeitschrift NaturWissenschaftler fanden Unterschiede in der Regulierung springender Gene oder Transposons – DNA-Elemente, die sich an Stellen im gesamten Genom kopieren und einfügen können – zwischen menschlichen und nichtmenschlichen Primatenzellen. Springende Gene bieten ein Mittel zum schnellen Mischen von DNA und könnten die Entwicklung unserer Genome beeinflussen, sagen die Wissenschaftler.

Arbeitet im Labor von Salk Fred GageNarvaiza, Marchetto und ihre Kollegen identifizierten am Vi und John Adler-Lehrstuhl für Forschung zu altersbedingten neurodegenerativen Erkrankungen Gene, die zwischen iPSCs von Menschen und sowohl von Schimpansen als auch von Bonobos unterschiedlich exprimiert werden.

Zur Überraschung der Gruppe kodieren zwei dieser Gene für Proteine, die ein springendes Gen namens „Long Interspersed Element-1“ oder kurz L1 einschränken. Im Vergleich zu nichtmenschlichen Primatenzellen exprimierten menschliche iPSCs höhere Mengen dieser Restriktoren, APOBEC3B und PIWIL2 genannt. „Das hatten wir nicht erwartet“, sagt Marchetto. „Diese Gene erregten unsere Aufmerksamkeit, also waren sie die ersten Ziele, auf die wir uns konzentrierten.“

L1 und eine Handvoll anderer springender Gene sind in unserem Genom reichlich vorhanden. Wo sich diese DNA-Stücke einfügen, ist schwer vorherzusagen und sie können unterschiedliche Auswirkungen haben. Beispielsweise könnten sie Gene völlig zerstören, modulieren oder dazu führen, dass sie zu völlig neuen Proteinen verarbeitet werden.

Unter Verwendung von L1, das mit einem Fluoreszenzmarker markiert war, beobachtete die Gruppe eine höhere Anzahl fluoreszierender iPSCs von nichtmenschlichen Primaten im Vergleich zu Menschen. In separaten Experimenten stellten sie iPSCs mit zu viel oder zu wenig APOBEC3B und PIWIL2 her und stellten erwartungsgemäß fest, dass ein Überschuss der beiden Proteine ​​die Mobilität dämpfte und das Auftreten neu eingefügter DNA in den nichtmenschlichen Primatenzellen verringerte.

Dieses Mikroskopbild zeigt induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) unserer nächsten lebenden Verwandten.

Hautzellen von Bonobos (Zwergschimpansen) wurden in pluripotente Stammzellen umprogrammiert, ein Fortschritt, der es Wissenschaftlern ermöglicht, die Unterschiede zwischen den Neuronen von Menschen und Schimpansen zu untersuchen. Die Farben zeigen verschiedene Aspekte der molekularen Bestandteile der Zellen.

Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Carol Marchetto, Salk Institute for Biological Studies

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich L1-Elemente seltener in unser Genom einfügen. Tatsächlich stellten die Forscher bei der Untersuchung bereits sequenzierter Genomen von Menschen und Schimpansen fest, dass die Primaten mehr Kopien von L1-Sequenzen hatten als Menschen.

Bleibt die Frage, welche Auswirkungen Unterschiede in der L1-Regulierung hätten. „Es könnte bedeuten, dass wir als Menschen einen oder mehrere Engpässe in der Evolution durchgemacht haben, die die in unserem Genom vorhandene Variabilität verringern“, sagt Marchetto, obwohl die Hypothese zugegebenermaßen schwer zu beweisen ist. Es ist jedoch bekannt, dass das Genom des Menschen weniger variabel ist als das des Schimpansen.

Die neue Studie liefert einen konzeptionellen Beweis dafür, dass die iPSC-Technologie verwendet werden kann, um einige der evolutionären Unterschiede zwischen Menschen und nichtmenschlichen Primaten zu verstehen, sagt Narvaiza. Die Gruppe plant, die Technologie und alle Daten der breiteren Forschungsgemeinschaft zugänglich zu machen – was besonders hilfreich ist, da die Forschung an Menschenaffen in den Vereinigten Staaten und im Ausland stark eingeschränkt ist –, damit andere Wissenschaftler mithilfe nicht-invasiver Methoden etwas über Primaten lernen können , ethisch einwandfreie Methoden.

Das Team plant, die Stammzellen in andere Gewebe, beispielsweise Neuronen, zu differenzieren und das Verhalten der Zellen verschiedener Arten zu vergleichen. Sie werden die iPSC-Technologie auch nutzen, um zu untersuchen, wie sich Schimpansen in ihrer Anfälligkeit von Menschen unterscheiden könnten Krebs, genetisch bedingte Krankheiten und Virusinfektion.

Weitere Forscher an der Studie waren Ahmet Denli, Christopher Benner, Thomas Lazzarini und Apuã Paquola vom Salk Institute for Biological Studies; Jason Nathanson
und Gene Yeo von der University of California San Diego, Abteilung für Zell- und Molekularmedizin; Keval Desai von der University of California San Diego, Abteilung für Biowissenschaften; Roberto Herai und Alysson Muotri von der University of California San Diego, School of Medicine; Matthew Weitzman von der Abteilung für Pathologie und Labormedizin an der Perelman School of Medicine der University of Pennsylvania; und leitender und korrespondierender Autor Fred H. Gage vom Salk Institute and Center for Academic Research and Training in Anthropogeny.

Die Arbeit wurde unterstützt durch die National Institutes of Health, der G. Harold & Leila Y. Mathers Stiftung und den Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.