La voie de destin de cellules de tige a découvert

Mené par Sui Huang, MD, PhD, un professeur agrégé de visite dans le programme vasculaire de biologie de Boston de l'hôpital d'enfants (maintenant aussi sur la faculté de l'université de Calgary), et Hannah Chang, un étudiant de MD/PhD chez le programme vasculaire de la biologie des enfants, les chercheurs ont examiné comment les cellules de tige de sang « décident » d'aller bien à des ancêtres de globule sanguin blanc ou à des ancêtres de globule rouge.

Ils ont commencé en examinant des populations des cellules de tige apparemment identiques de sang, et ont constaté qu'un repère de cellules de « stemness, » une protéine appelée le Sca-1, était réellement présent dans des quantités fortement variables de cellule à la cellule - en fait, elles ont trouvé un intervalle de 1.000 fois. L'on a pourrait penser que les basses cellules Sca-1 sont simplement ces cellules qui ont spontanément différencié. Cependant, quand Huang et Chang ont divisé les cellules exprimant le bas, le support et les niveaux élevés de Sca-1 et les ont cultivés, chaque descendant que la population de cellules a récapitulé le même large intervalle des niveaux Sca-1 plus de neuf jours ou plus, indépendamment par de quels niveaux ils ont commencé.

« Nous avons alors demandé, sommes ces cellules également biologiquement différentes ? » dit Huang, l'auteur aîné du papier. « Et il s'est avéré les étaient excessivement différent dans la différentiation. »

Les boules vertes représentent des cellules de tige de sang dans un « bassin » stable sur l'horizontal, où elles restent des cellules de tige. Chaque position sur l'horizontal que les boules occupent correspond à un état d'expression de gène et peut être assignée une « énergie. » Une augmentation de l'énergie ou du mouvement des boules dans le bassin améliore la probabilité à la laquelle une boule échappera du bassin, mais ne la polarise pas vers un destin particulier (dans ce cas-ci, les globules sanguins rouges ou blancs). Seulement un changement de l'horizontal induit par un facteur de différentiation peut incliner l'équilibre vers un autre état stable, entraînant les cellules de tige « roulez vers le bas les vallées » et les différenciez aux globules sanguins rouges ou blancs. Crédit : Courtoisie Sui Huang, DM, PhD, hôpital d'enfants Boston et université de Calgary

Cellules de tige de sang avec les niveaux bas de Sca-1 différencié dans des ancêtres de globule rouge sept fois plus souvent que la haute de cellules dans Sca-1 une fois exposé à l'érythropoïétine, un facteur de croissance qui favorise la production de globule rouge. Réciproquement, quand des cellules de tige ont été exposées au facteur colonie-stimulant de granulocyte-macrophage, qui stimule la formation de globule sanguin blanc, ceux qui étaient les plus hauts dans Sca-1 étaient les le plus susceptibles de devenir les cellules blanches. Cependant, dans les deux expériences, chacun des trois groupes de cellules a maintenu des caractéristiques des cellules de tige.

Huang et Chang alors ont regardé les protéines GATA1 et PU.1, les facteurs de transcription qui favorisent normalement la différentiation dans les globules sanguins rouges et blancs, respectivement. Les cellules de tige de sang qui étaient basses en Sca-1 (et globules rouges devenues les plus enclines) ont eu beaucoup plus de GATA1 qu'ont fait le high- et les cellules medium-Sca-1. Les cellules de tige hautes dans Sca-1 (et moindres à globules rouges devenues enclines) ont eu les niveaux les plus élevés de PU.1.

Mais le plus important, les différences dans Sca-1, les niveaux GATA1 et PU.1 à travers les trois groupes de cellules est devenu le temps fini moins prononcé, de même qu'a fait la variabilité dans la propension des cellules de différencier, suggérant que les différences soient passagères.

Dans une étape finale, Huang et Chang avaient l'habitude des microarrays pour regarder le génome entier des cellules. De nouveau, ils ont trouvé la variabilité énorme dans la population apparent uniforme de cellules : plus de 3.900 gènes ont été différentiel exprimés ("ON" ou "OFF" tourné) entre le low- et les cellules high-Sca-1. Et de nouveau, cette variabilité était dynamique : les différences ont diminué avec le temps, avec l'activité de gène dans les cellules low- et high-Sca-1 devenant plutôt celle dans le groupe moyen.

Ensemble, les résultats font le cas qu'une fluctuation ou un recyclage lente de l'activité de gène tend à mettre à jour des cellules dans un état stable, tout en également les amorçant pour différencier quand les conditions sont exactes.

« Même si les cellules sont officiellement génétiquement identiques et appartiennent au même clone, les différents membres de cette population sont très différents à un moment donné, » dit Huang. « Cette hétérogénéité habituellement a été vue en tant que bruit aléatoire de mesure de `, 'et, plus récemment, en tant que bruit d'expression de gène de `. 'Mais elle s'avère être très importante, et sert de base au multipotency des cellules de tige - leur capacité de différencier dans des lignées multiples. »

La « nature a créé une voie incroyablement élégante et simple de créer la variabilité, et la mise à jour de elle à un niveau régulier, permettant à des cellules de répondre aux changements de leur environnement d'une voie systématique et contrôlée, » ajoute Chang, le premier auteur sur le papier.

En pratique, le travail suggère que les biologistes de cellules de tige puissent devoir changer leur approche en différencier des cellules de tige dans le laboratoire pour des applications thérapeutiques.

(a) La protéine de la concentration Sca-1, un repère de « stemness, » varie considérablement dans une population des cellules de tige, bien que la concentration la plus commune soit vers le milieu de l'intervalle. (b) Si la population des cellules de tige est divisée en trois niveaux Sca-1 de groupes (le bas, moyen et élevé), et ces cellules sont permises de se diviser et se développer, (c) chaque groupe de descendants reproduira l'intervalle initial des concentrations Sca-1. Ceci suggère que les populations des cellules de tige, bien que génétiquement identiques, aient une variabilité innée qui peut constituer la base pour la différentiation de tige-cellule. Cette variabilité a pu être tapée pour augmenter l'efficacité de la différentiation de tige-cellule pour des buts thérapeutiques. Crédit : Graham Paterson, l'hôpital d'enfants Boston

« Jusqu'ici le processus a été fortement inefficace - seulement les 10 à 50 pour cent de cellules répondent à l'hormone ou celui qui est donné pour les faire différencier, » Huang dit. « Qui est en raison de l'hétérogénéité inhérente des cellules. Les gens avaient trouvé de plus en plus les cocktails sophistiqués de stimulateur, mais nous pourrions rendre le processus plus efficace en armant l'hétérogénéité et l'identification des cellules qui déjà sont fortement portées en équilibre pour différencier. »

Chang a déjà fait des expériences de suivi prouvant que la différentiation de cellules de tige peut être rendue excessivement plus efficace en choisissant la sous-population droite des cellules de tige et en les stimulant promptement, alors qu'elles sont les plus susceptibles de différencier. « Je ne fais rien compliqué - juste utilisant quelle nature a déjà, » elle dit.

Mais les résultats défient également des biologistes de changer comment ils pensent aux processus biologiques. Le travail supporte l'idée des systèmes biologiques se déplaçant vers un « état stable d'attractor, » un concept emprunté à la physique. Dans ce cas-ci, les cellules de tige de sang tendent à demeurer des cellules de tige de sang, pourtant elles éprouvent des fluctuations inhérentes dans l'activité de gène et la production de protéine qui peuvent parfois être assez pour incliner l'équilibre et pour les faire tomber dans d'autres états d'attractor - des ancêtres de globule sanguin à savoir, rouge ou blanc. Les facteurs de croissance spécifiques peuvent incliner l'équilibre, mais ces facteurs font partie d'un horizontal global ce des cellules de guides vers différents destins. Une volonté inclinée allante de marbre par la suite terminer vers le haut dans une vallée, mais que la vallée qu'elle tombe dans dépend de la forme de l'horizontal.

La « croissance ou la différentiation factorise augmente simplement la probabilité qui une cellule se développera ou différenciera, » dit Donald Ingber, DM, PhD, un co-auteur sur le papier qui, avec Huang, a servi de mentor de Chang sur le projet. La « différentiation de cellules est une propriété d'ensemble, un comportement collectif, inhérents à l'architecture et à l'ensemble de système d'interactions de normalisation. »

Une étude précédente par Huang établi, pour la première fois, qu'une cellule donnée peut montrer une configuration très différente d'activité de gène de son voisin, prenant un chemin très différent par l'horizontal, pourtant terminent vers le haut dans la même vallée. Lui et ses collègues ont exposé des cellules de précurseur à deux drogues complètement différentes (DMSO et acide retinoic) et ont attentivement suivi l'expression de gène des cellules. Les deux groupes de cellules par la suite différenciées pour devenir neutrophiles (un type de globule sanguin blanc), mais les chemins moléculaires qu'ils ont pris et leurs configurations d'expression de gène étaient complètement différentes jusqu'au jour sept, quand elles ont finalement convergé.

L'analogie d'horizontal et la « prise de décision » collective sont des concepts peu familiers aux biologistes, qui ont tendent à se concentrer sur les gènes simples agissant dans des voies linéaires. Ceci a rendu le travail au commencement difficile à éditer, note Huang. « Il est difficile que les biologistes se déplacent de penser aux voies simples à penser à un horizontal, qui est la manifestation mathématique de l'intégralité de toutes les voies possibles, » il dit. « Une voie simple n'est pas une bonne voie de comprendre un processus entier. Notre but a été de comprendre la force d'entraînement derrière lui. »