Células madre pluripotentes inducidas revelan diferencias entre humanos y grandes simios

Células madre pluripotentes inducidas revelan diferencias entre humanos y grandes simios

Las diferencias clave en la regulación de los genes saltadores pueden haber surgido relativamente recientemente en la evolución.

LA JOLLA, CA—Los investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos, por primera vez, tomaron células de piel de chimpancé y bonobo y las convirtieron en células madre pluripotentes inducidas (iPSC), un tipo de célula que tiene la capacidad de formar cualquier otra célula o tejido en el cuerpo.

Las iPSC de ratón fueron creadas en 2006 por Kazutoshi Takahashi y Shinya Yamanaka en la Universidad de Kyoto en Japón, y pronto siguieron las iPSC humanas, hazañas que le valieron a Yamanaka el Premio Nobel de Fisiología o Medicina el año pasado. Ahora, los científicos usan regularmente iPSC para modelar enfermedades usando células que de otro modo serían difíciles de obtener de una persona o animal vivo. Al agregar una combinación de cuatro factores clave, una célula de la piel se puede convertir en un iPSC, que luego se puede persuadir para que forme células de hígado, pulmón y cerebro en una placa de cultivo.

Ahora es posible no solo modelar la enfermedad utilizando las células, sino también comparar las iPSC de los humanos con las de nuestros parientes vivos más cercanos (los grandes simios, con los que compartimos la mayoría de los genes) para comprender qué características moleculares y celulares nos hacen humanos. .

Desde la izquierda: los científicos de Salk Ahmet Denli, Carol Marchetto, Iñigo Narvaiza y Fred Gage

Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

"La comparación de células humanas, de chimpancé y de bonobo puede darnos pistas para comprender procesos biológicos, como infecciones, enfermedades, evolución cerebral, adaptación o diversidad genética", dice el investigador asociado sénior Iñigo Narvaiza, quien dirigió el estudio con la científica sénior Carol Marchetto en el Instituto Salk en La Jolla. “Hasta ahora, las fuentes de células de chimpancé y bonobo se limitaban a tejido o sangre post mortem. Ahora podría generar neuronas, por ejemplo, de las tres especies diferentes y compararlas para probar hipótesis”.

En el nuevo estudio, publicado en línea el 23 de octubre de 2013, en la revista Naturaleza, los científicos encontraron disparidades en la regulación de los genes saltadores o transposones (elementos de ADN que pueden copiarse y pegarse en puntos a lo largo del genoma) entre humanos y células de primates no humanos. Los genes saltadores proporcionan un medio para barajar rápidamente el ADN y podrían estar dando forma a la evolución de nuestros genomas, dicen los científicos.

Trabajando en el laboratorio de Salk fred gage, la Cátedra Vi y John Adler de Investigación sobre Enfermedades Neurodegenerativas Relacionadas con la Edad, Narvaiza, Marchetto y sus colegas identificaron genes que se expresan de manera diferencial entre iPSC de humanos y chimpancés y bonobos.

Para sorpresa del grupo, dos de esos genes codifican proteínas que restringen un gen de salto llamado elemento-1 intercalado largo o L1, para abreviar. En comparación con las células de primates no humanos, las iPSC humanas expresaron niveles más altos de estos restrictores, llamados APOBEC3B y PIWIL2. “No esperábamos eso”, dice Marchetto. “Esos genes nos llamaron la atención, por lo que fueron los primeros objetivos en los que nos enfocamos”.

L1 y un puñado de otros genes saltadores abundan en nuestros genomas. Es difícil predecir dónde se insertan estos fragmentos de ADN, y pueden producir efectos variables. Por ejemplo, podrían alterar completamente los genes, modularlos o hacer que se procesen en proteínas completamente nuevas.

Usando L1 etiquetado con un marcador fluorescente, el grupo observó un mayor número de iPSC fluorescentes de primates no humanos en comparación con los humanos. En experimentos separados, produjeron iPSC con demasiado o muy poco APOBEC3B y PIWIL2 y encontraron, como se esperaba, que un exceso de las dos proteínas amortiguaba la movilidad y reducía la apariencia del ADN recién insertado en las células de primates no humanos.

Esta imagen de microscopio muestra células madre pluripotentes inducidas (iPSC) de nuestros parientes vivos más cercanos.

Las células de la piel de los bonobos (chimpancés pigmeos) fueron reprogramadas a células madre pluripotentes, un avance que permite a los científicos estudiar las diferencias entre las neuronas de humanos y chimpancés. Los colores muestran diferentes aspectos de los componentes moleculares de las células.

Imagen: Cortesía de Carol Marchetto, Instituto Salk de Estudios Biológicos

Estos resultados sugirieron que los elementos L1 se insertan con menos frecuencia en nuestros genomas. De hecho, al observar los genomas de humanos y chimpancés que ya habían sido secuenciados, los investigadores encontraron que los primates tenían más copias de secuencias L1 que los humanos.

La pregunta que queda es ¿cuál sería el impacto de las diferencias en la regulación de L1? “Podría significar que hemos pasado, como humanos, por uno o más cuellos de botella en la evolución que disminuyen la variabilidad presente en nuestro genoma”, dice Marchetto, aunque la hipótesis es ciertamente difícil de probar. Se sabe, sin embargo, que los genomas humanos son menos variables que los de los chimpancés.

El nuevo estudio proporciona una prueba de concepto de que la tecnología iPSC se puede utilizar para comprender algunas de las diferencias evolutivas entre humanos y primates no humanos, dice Narvaiza. El grupo planea hacer que la tecnología y todos los datos estén disponibles para la comunidad de investigación en general, lo que es especialmente útil ahora que la investigación de los grandes simios está severamente restringida en los Estados Unidos y en el extranjero, para que otros científicos puedan aprender sobre los primates utilizando métodos no invasivos. , métodos éticamente sólidos.

El equipo planea diferenciar las células madre en otros tejidos, como las neuronas, y comparar cómo se comportan las células de diferentes especies. También usarán la tecnología iPSC para investigar cómo los chimpancés pueden diferir de las personas en la susceptibilidad a células cancerosas, enfermedades genéticas e infección viral.

Otros investigadores del estudio fueron Ahmet Denli, Christopher Benner, Thomas Lazzarini y Apuã Paquola del Instituto Salk de Estudios Biológicos; jason nathanson
y Gene Yeo de la Universidad de California en San Diego, Departamento de Medicina Celular y Molecular; Keval Desai de la Universidad de California en San Diego, División de Ciencias Biológicas; Roberto Herai y Alysson Muotri de la Facultad de Medicina de la Universidad de California en San Diego; Matthew Weitzman del Departamento de Patología y Medicina de Laboratorio de la Facultad de Medicina Perelman de la Universidad de Pensilvania; y el autor principal y correspondiente Fred H. Gage del Instituto Salk y Centro de Investigación Académica y Capacitación en Antropogenia.

El trabajo fue apoyado por el Los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación G. Harold y Leila Y. Mathers y Leona M. y Harry B. Helmsley Charitable Trust.

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.

Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.