Zell-Reprogrammierung: Schlüssel zur Totipotenz

13. August 2015
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Der Proteinkomplex CAF1 ist für den Erhalt der Pluripotenz von Stammzellen verantwortlich. Unterdrückt man dessen Exprimierung, entstehen totipotente Zellen, die sich in alle Zelltypen eines Organismus differenzieren können. Diese neuen Zellen haben auch weitere interessante Eigenschaften.

Kurz nach der Befruchtung, wenn der Embryo aus einer oder zwei Zellen besteht, sind diese „totipotent“. Sie sind also in der Lage, einen kompletten Embryo sowie die Plazenta und die Nabelschnur zu bilden. Während sich Zellen danach weiter teilen, verlieren sie ihre Plastizität und werden „pluripotent“. Im Stadium der Blastozyste entstehen etwa 30 embryonalen Stammzellen. Sie können sich in Zellen der verschiedenen Gewebe differenzieren, andererseits aber nicht mehr zu einem kompletten Fötus entwickeln. Pluripotente Zellen spezialisieren sich im Embryo und bilden die verschiedenen Gewebe des Körpers. Dieser Prozess heißt zelluläre Differenzierung.

Seit einigen Jahren ist es möglich, ausdifferenzierte Zellen in ein pluripotentes Stadium zurückzuversetzen, aber ein totipotentes Stadium erreichten sie bisher nicht. Bei Untersuchungen von embryonalen totipotenten Zellen wurden Faktoren gefunden, die ausgereifte Zellen in ein Totipotenz-ähnliches Stadium versetzen können. „„Totipotenz ist ein weitaus flexiblerer Zustand als Pluripotenz und ermöglicht besonders viele Anwendungen““, sagt Studienleiterin Maria-Elena Torres-Padilla vom Institute of Genetics and Molecular and Cellular Biology in Straßburg.

Die Suche nach Schlüsseln zur Totipotenz

In der Petrischale entstehen bei der Kultivierung von pluripotenten embryonalen Stammzellen ab und zu spontan einige wenige totipotente Zellen. Diese werden 2C-ähnliche Zellen genannt, weil sie Zellen eines Embryos im 2-Zell-Stadium ähneln. Die Wissenschaftler verglichen diese totipotenten Zellen aus der Petrischale mit Zellen aus Maus-Embryos, um übereinstimmende Merkmale zu finden, aber auch Unterschiede gegenüber pluripotenten Zellen.

Das Erbgut war in totipotenten Zellen weniger dicht verpackt und der Proteinkomplex CAF1 war in einer geringeren Menge vorhanden. Genauere Untersuchungen zeigten, dass CAF1, das schon für seine Rolle bei der Verpackung von Chromatin bekannt war, für den Erhalt der Pluripotenz verantwortlich ist. Es gewährleistet, dass die DNA um Histone gewickelt bleibt. Das Team von Torres-Padilla stützte sich hierauf und konnte Totipotenz herbeiführen, indem es die Exprimierung des CAF1-Komplexes unterdrückte. Daraufhin modellierte sich das Chromatin zu einem offeneren Zustand zurück.

Viele aktive Gene bei CAF1-Unterdrückung

Im nächsten Schritt wollte die Arbeitsgruppe Gemeinsamkeiten zwischen 2-Zell-Embryos, 2C-ähnlichen Zellen aus der Kulturschale und solchen, die durch Inaktivierung des CAF1-Komplexes entstanden sind, auf molekularer Ebene genauer untersuchen. Die gesamten Genmuster der verschiedenen Zellen wurden in Münster von Dr. Juanma Vaquerizas, Gruppenleiter des Max-Planck-Instituts für molekulare Biomedizin, auf molekularer Ebene untersucht. Er und seine Kollegin Rocio Enriquez-Gasca fanden heraus, dass in totipotenten Zellen, in denen CAF1 fehlt, besonders viele Gene aktiv sind, die in Embryos im 2-Zell-Stadium auch aktiv sind. „

Man kann sich vorstellen, dass die Genexpression beeinflusst wird, wenn Zellen ihr Chromatin nicht mehr gut verpacken können“, erklärt Enriquez-Gasca, die die Analysen durchführte. Die gesamte Genexpression von CAF1-gedrosselten Zellen in der Petrischale stimmen in großem Maße mit der von totipotenten Zellen des frühen Embryos überein.“

Effizienz der Reprogrammierung erhöhen

Zudem entdeckte das Team um Vaquerizas, dass bestimmte Arten von repetitiven DNA-Elementen in induzierten totipotenten Zellen hochreguliert waren. Das ist ein typisches Merkmal für Embryos im 2-Zell-Stadium. „„Die computergestützte Analyse dieser repetitiven Elemente ist sehr schwierig, weil sie so oft im Erbgut zu finden sind“”, sagt Vaquerizas. „„Jetzt möchten wir untersuchen, warum diese repetitiven Elemente und Genexpressionsprogramme in totipotenten Zellen hochreguliert sind.”“

Die Studie trägt zum besseren Verständnis von Pluripotenz bei und könnte die Effizienz der Reprogrammierung von Körperzellen erhöhen, die sich dann in der Regenerativen Medizin einsetzen ließen.

Originalpublikation:

Early embryonic-like cells are induced by downregulating replication-dependent chromatin assembly
Juanma Vaquerizas et al.; Nature Structural & Molecular Biology“, doi: 10.1038/nsmb.3066; 2015

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