Διάβαση μοίρας κυττάρων μίσχων που αποκαλύπτεται
Πώς ένα κύτταρο μίσχων αποφασίζει ποια εξειδικευμένη ταυτότητα να υιοθετήσει - ή απλά να παραμείνει κύτταρο μίσχων; Μια νέα μελέτη προτείνει ότι η συμβατική όψη, που υποθέτει ότι τα κύτταρα "καθοδηγούνται" για να προχωρήσουν κατά μήκος ορισμένος τις διαβάσεις, είναι πάρα πολύ απλοϊκή. Αντ' αυτού, υποστηρίζει την ιδέα ότι τα κύτταρα διαφοροποιούν μέσω της συλλογικής συμπεριφοράς των πολλαπλάσιων γονιδίων σε ένα δίκτυο που οδηγούν τελικά ακριβώς σε μερικά σημεία τέλους - ακριβώς όπως ένα μάρμαρο σε μια κορυφή υψώματος μπορεί να ταξιδεψει έναν σχεδόν άπειρο αριθμό προς τα κάτω μονοπατιών, μόνο για να φθάσει στην ίδια κοιλάδα.
Όταν εκτίθεται σε έναν παράγοντα αύξησης, ένα κύτταρο μίσχων αίματος, που αντιπροσωπεύεται από ένα μπλε μάρμαρο, περιέρχεται σε ένα νέο “αττραθτορ κράτος, ” απεικονισμένος ως κοιλάδα σε ένα τοπίο, για να γίνει κόκκινο κύτταρο αίματος. Οι διαφορετικές επιρροές, όπως οι παράγοντες διαφοροποίησης, μπορούν να οδηγήσουν τα κύτταρα μίσχων στο ίδιο κράτος attractor, αλλά κάθε κύτταρο μπορεί να πάρει τα πολύ διαφορετικά μονοπάτια αν και το τοπίο που φθάνει εκεί (ακριβώς ως μάρμαρο να πάρει ένα διαφορετικό μονοπάτι κάθε φορά που κυλά κάτω έναν λόφο).Πίστωση: Θ*Γραχαμ Paterson, Children’s νοσοκομείο Βοστώνη
Τα συμπεράσματα, που δημοσιεύονται στον Μάιος 22 το ζήτημα της φύσης, δίνουν μια αναλαμπή στο πώς εκείνη η συλλογική συμπεριφορά λειτουργεί, και δείχνουν ότι οι πληθυσμοί κυττάρων διατηρούν μια ενσωματωμένη μεταβλητότητα που η φύση μπορεί να εκμεταλλευτεί για την αλλαγή υπό τους σωστούς όρους. Οι οδηγίες συμπερασμάτων επίσης εξηγούν γιατί η διαδικασία τα κύτταρα μίσχων στις συγκεκριμένες καταγωγές στο εργαστήριο είναι ιδιαίτερα ανεπαρκής.
Οδηγημένοι από Sui Huang, MD, PHD, ένας επισκεπτόμενος συνδυαζόμενος καθηγητής στο αγγειακό πρόγραμμα της βιολογίας της Βοστώνης Νοσοκομείων Παίδων (τώρα επίσης στη σχολή του πανεπιστημίου του Κάλγκαρι), και Hannah Chang, ένα MD/spoydasti's PHD στο αγγειακό πρόγραμμα της βιολογίας των παιδιών, οι ερευνητές εξέτασαν πώς τα κύτταρα μίσχων αίματος "αποφασίζουν" να γίνουν λευκοί πρόγονοι κυττάρων αίματος ή πρόγονοι κόκκινων κυττάρων αίματος.
Αρχισαν με την εξέταση των πληθυσμών των φαινομενικά ίδιων κυττάρων μίσχων αίματος, και διαπίστωσαν ότι ένας δείκτης κυττάρων "του stemness," μια πρωτεϊ'νη αποκαλούμενη σθα-1, ήταν πραγματικά παρών στα ιδιαίτερα μεταβλητά ποσά από το κύτταρο στο κύτταρο - στην πραγματικότητα, βρήκαν μια σειρά 1.000-πτυχών. Κάποιος να σκεφτεί ότι τα χαμηλά κύτταρα σθα-1 είναι απλά εκείνα τα κύτταρα που έχουν διαφοροποιήσει αυθόρμητα. Εντούτοις, όταν διαίρεσαν Huang και Chang τα κύτταρα που εκφράζουν τα χαμηλά, μέσα και υψηλά επίπεδα σθα-1 και τα καλλιέργησαν, κάθε απόγονος πληθυσμός κυττάρων ανακεφαλαίωσε την ίδια ευρεία σειρά των επιπέδων σθα-1 πάνω από εννέα ημέρες ή περισσότεροι, ανεξάρτητα από ποια επίπεδα άρχισαν με.
"Ρωτήσαμε έπειτα, είμαστε αυτά τα κύτταρα επίσης βιολογικά διαφορετικά;" λέει Huang, ο ανώτερος συντάκτης του εγγράφου. "Και έβγαλε ότι ήταν εντυπωσιακά διαφορετικοί στη διαφοροποίηση."
Τα κύτταρα μίσχων αίματος με τα χαμηλά επίπεδα σθα-1 διαφοροποίησαν στους προγόνους κόκκινων κυττάρων αίματος επτά φορές συχνότερα από τα κύτταρα υψηλά σε σθα-1 όταν εκτίθενται στην ερυθροποιητίνη, ένας παράγοντας αύξησης που προωθεί την παραγωγή κόκκινων κυττάρων αίματος. Αντιθέτως, όταν εκτέθηκαν τα κύτταρα μίσχων στον αποικία-υποκινώντας παράγοντα γρανuλοθυτε-μακρόφαγων, ο οποίος υποκινεί τον άσπρο σχηματισμό κυττάρων αίματος, εκείνοι που ήταν οι υψηλότεροι σε σθα-1 ήταν οι πλέον πιθανοί να γίνουν λευκά κύτταρα. Ακόμα, και στα δύο πειράματα, και οι τρεις ομάδες κυττάρων διατήρησαν τα χαρακτηριστικά των κυττάρων μίσχων.
Το Huang και Chang εξέτασαν έπειτα τις πρωτεϊ'νες GATA1 και PU.1, παράγοντες μεταγραφής που ευνοούν κανονικά τη διαφοροποίηση στα κόκκινα και λευκά κύτταρα αίματος, αντίστοιχα. Τα κύτταρα μίσχων αίματος που ήταν χαμηλά σε σθα-1 (και ο επιρρεπέστερος σε γίνετε κόκκινα κύτταρα αίματος) είχαν πολύ περισσότερο GATA1 από ο υψηλός - και κύτταρα μέσος-σθα-1. Τα κύτταρα μίσχων υψηλά σε σθα-1 (και λιγότερος επιρρεπής σε γίνεται κόκκινα κύτταρα αίματος) είχαν τα πιό υψηλά επίπεδα PU.1.
Αλλά ο σημαντικότερος, οι διαφορές σε σθα-1, GATA1 και PU.1 επίπεδα στις τρεις ομάδες κυττάρων έγιναν λιγότερο έντονες κατά τη διάρκεια του χρόνου, όπως η μεταβλητότητα στη ροπή των κυττάρων προς τη διαφοροποίηση, προτείνοντας ότι οι διαφορές είναι παροδικές.
Σε ένα τελικό βήμα, Huang και Chang χρησιμοποίησαν microarrays για να εξετάσουν το ολόκληρο γονιδίωμα των κυττάρων. Πάλι, βρήκαν την τεράστια μεταβλητότητα μέσα στον προφανώς ομοιόμορφο πληθυσμό κυττάρων: περισσότερα από 3.900 γονίδια εκφράστηκαν διαφορικά (κλειμένος "" ή "") μεταξύ του χαμηλού - και των κυττάρων υψηλός-σθα-1. Και πάλι, αυτή η μεταβλητότητα ήταν δυναμική: οι διαφορές μίκραιναν κατά τη διάρκεια του χρόνου, με τη δραστηριότητα γονιδίων και στον δύο χαμηλό - και τα κύτταρα υψηλός-σθα-1 που γίνονται περισσότεροι όπως αυτό στη μέση ομάδα.
Μαζί, τα συμπεράσματα δίνουν τα επιχειρήματα ότι μια αργή διακύμανση ή μια ανακύκλωση της δραστηριότητας γονιδίων τείνει να διατηρήσει τα κύτταρα σε ένα σταθερό κράτος, επίσης εμπυρευματίζοντας τα για να διαφοροποιήσει όταν οι όροι είναι σωστοί.
"Ακόμα κι αν τα κύτταρα είναι επίσημα γενετικά ίδια και ανήκουν στον ίδιο κλώνο, τα μεμονωμένα μέλη εκείνου του πληθυσμού είναι αρκετά διαφορετικά οποιαδήποτε στιγμή," λέει Huang. "Αυτή η ετερογένεια έχει δει συνήθως ως τυχαίος θόρυβος μέτρησης `," και, πιό πρόσφατα, ως θόρυβος έκφρασης γονιδίων `." Αλλά γυρίζει έξω για να είναι πολύ σημαντικό, και είναι η βάση για το multipotency των κυττάρων μίσχων - η δυνατότητά τους να διαφοροποιήσουν στις πολλαπλάσιες καταγωγές."
"Η φύση έχει δημιουργήσει έναν απίστευτα κομψό και απλό τρόπο τη μεταβλητότητα, και η διατήρηση της σε σταθερό επίπεδο, που επιτρέπει στα κύτταρα για να ανταποκριθεί στις αλλαγές στο περιβάλλον τους με έναν συστηματικό, ελεγχόμενο τρόπο," προσθέτει Chang, πρώτος συντάκτης σε χαρτί.
Από πρακτικής απόψεως, η εργασία προτείνει ότι οι βιολόγοι κυττάρων μίσχων μπορεί να πρέπει να αλλάξουν την προσέγγισή τους στη διαφοροποίηση των κυττάρων μίσχων στο εργαστήριο για τις θεραπευτικές εφαρμογές.
"Μέχρι τώρα η διαδικασία είναι ιδιαίτερα ανεπαρκής - μόνο 10 έως 50 τοις εκατό των κυττάρων αποκρίνονται στην ορμόνη ή οποιοσδήποτε δίνεται για να τους κάνει να διαφοροποιήσουν," Huang λέει. "Αυτός είναι λόγω της έμφυτης ετερογένειας των κυττάρων. Οι άνθρωποι έχουν βρεί τα όλο και περισσότερο περίπλοκα διεγερτικά κοκτέιλ, αλλά θα μπορούσαμε να καταστήσουμε τη διαδικασία αποδοτικότερη με την εκμετάλλευση της ετερογένειας και τον προσδιορισμό των κυττάρων που είναι ήδη ιδιαίτερα ισορροπημένα για να διαφοροποιήσουν."
Το Chang έχει κάνει ήδη τα ακόλουθα πειράματα που δείχνουν ότι η διαφοροποίηση κυττάρων μίσχων μπορεί να γίνει εντυπωσιακά αποδοτικότερη με την επιλογή του σωστού υποσυνόλου πληθυσμού των κυττάρων μίσχων και την υποκίνηση τους αμέσως, ενώ είναι τα ικανώτερα να διαφοροποιήσουν. "δεν κάνω τίποτα περίπλοκο - ακριβώς χρησιμοποιώντας ποια φύση έχει ήδη," λέει.
Αλλά τα συμπεράσματα προκαλούν επίσης τους βιολόγους για να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο σκέφτονται για τις βιολογικές διαδικασίες. Η εργασία υποστηρίζει την ιδέα των βιολογικών συστημάτων που κινούνται προς ένα σταθερό "κράτος attractor," μια έννοια που δανείζεται από τη φυσική. Σε αυτήν την περίπτωση, τα κύτταρα μίσχων αίματος τείνουν να παραμείνουν κύτταρα μίσχων αίματος, όμως δοκιμάζουν τις έμφυτες διακυμάνσεις στη δραστηριότητα γονιδίων και την πρωτεϊνική παραγωγή που μπορούν μερικές φορές να είναι αρκετές να τοποθετήσουν αιχμή στην ισορροπία και να τα αναγκάσουν για να περιέλθουν σε άλλα κράτη attractor - συγκεκριμένα, κόκκινοι ή λευκοί πρόγονοι κυττάρων αίματος. Οι ειδικοί παράγοντες αύξησης μπορούν να τοποθετήσουν αιχμή στην ισορροπία, αλλά αυτοί οι παράγοντες είναι μέρος ενός γενικού τοπίου που καθοδηγεί τα κύτταρα προς τα διαφορετικά πεπρωμένα. Ένα μάρμαρο που πηγαίνει προς τα κάτω θα καταλήξει τελικά σε μια κοιλάδα, αλλά στην οποία η κοιλάδα που περιέρχεται εξαρτάται από τη μορφή του τοπίου.
Οι "παράγοντες αύξησης ή διαφοροποίησης αυξάνουν μόνο την πιθανότητα που ένα κύτταρο θα αυξηθεί ή θα διαφοροποιήσει," λένε το Donald Ingber, MD, PHD, ένας ομο-συντάκτης σε χαρτί που, με Huang, εχρησίμευσε ως ο σύμβουλος Chang στο πρόγραμμα. Η "διαφοροποίηση κυττάρων είναι μια ιδιοκτησία συνόλων, μια συλλογική συμπεριφορά, έμφυτη στην αρχιτεκτονική και το σύνολο του συστήματος ρυθμιστικών αλληλεπιδράσεων."
Μια προηγούμενη μελέτη από Huang καθιέρωσε, για πρώτη φορά, ότι ένα δεδομένο κύτταρο μπορεί να εκθέσει ένα πολύ διαφορετικό πρότυπο της δραστηριότητας γονιδίων από το γείτονά του, που παίρνει ένα πολύ διαφορετικό μονοπάτι μέσω του τοπίου, όμως καταλήγει στην ίδια κοιλάδα. Αυτός και οι συνάδελφοί του εξέθεσαν τα κύτταρα προδρόμων σε δύο απολύτως διαφορετικά φάρμακα (DMSO και retinoic οξύ) και έλεγξαν με προσοχή την έκφραση γονιδίων των κυττάρων. Και οι δύο ομάδες κυττάρων διαφοροποίησαν τελικά για να γίνουν neutrophils (ένας τύπος λευκού κυττάρου αίματος), αλλά τα μοριακά μονοπάτια πήραν και τα πρότυπά τους έκφρασης γονιδίων ήταν απολύτως διαφορετικά μέχρι την ημέρα επτά, όταν σύγκλιναν τελικά.
Η αναλογία τοπίων και η συλλογική "λήψη αποφάσεων" είναι έννοιες άγνωστες στους βιολόγους, οι οποίοι έχουν τείνει να εστιάσουν στα ενιαία γονίδια ενεργώντας στις γραμμικές διαβάσεις. Αυτό κατέστησε την εργασία αρχικά δύσκολη να δημοσιεύσει, σημειώνει Huang. "Είναι δύσκολο για τους βιολόγους να κινηθούν από τη σκέψη για τις ενιαίες διαβάσεις προς τη σκέψη για ένα τοπίο, που είναι η μαθηματική εκδήλωση της ολότητας όλων των πιθανών διαβάσεων," αυτός λέει. "Μια ενιαία διάβαση δεν είναι ένας καλός τρόπος να γίνει κατανοητή ολόκληρη μια διαδικασία. Ο στόχος μας ήταν να καταλάβουμε την κατευθυντήρια δύναμη πίσω από το."