Bioengineerji kažejo, zakaj bi laboratorijske matične celice lahko propadle: Napake v zloženosti DNA

Anonim

Inducirane pluripotentne matične celice imajo obljubo za regenerativno medicino, ker se lahko teoretično pretvorijo v katero koli vrsto tkiva in zato, ker so izdelane iz lastnih odraslih celic bolnika, kar zagotavlja združljivost. Vendar tehniko, ki pretvori odrasle celice v te iPS celice, ni varna; po vrnitvi v njihovo pluripotentno stanje te celice niso vedno pravilno ločene nazaj v odrasle celice.

Raziskovalci iz Univerze v Pennsylvaniji so zdaj odkrili enega od razlogov, zakaj: proces reverseja ne vedno v celoti zajame načina, kako je genom celice zložen v njeno jedro. Ta zložljiva konfiguracija neposredno vpliva na izražanje genov in s tem funkcionalnost celice.

Nova študija kaže, da sedanje tehnike morda ne proizvajajo celic iPS, ki so enakovredne pluripotentnim izvornim celicam, ki jih najdemo v zarodkih, saj nekateri kloni obdržijo zložljive vzorce, ki so deloma podobni tistim, ki jih najdemo v odraslih celicah, iz katerih so izdelani.

Pod vodstvom Jennifer Phillips-Cremins, docent na oddelku za bioinženjering šole za inženirstvo in uporabne znanosti in študentka v svojem laboratoriju Jonathan Beagan, študija, objavljena v reviji Cell Stem Cell, prav tako predlaga načine za zmanjšanje teh zložljivih napake.

Čeprav tehnike za vračanje odraslih celic v celice iPS obstajajo že desetletje in se izogibajo vprašanjem, povezanim z uporabo izvornih celic zarodkov, ki so podprle raziskave regenerativne medicine, so bile klinične preiskave teh celic previdne in počasne. IPS celice se ne morejo pravilno razlikovati v želeno tkivo. Poleg tega obstajajo tudi zaskrbljenost, da bi nastalo tkivo lahko imele nepredvidene genske nepravilnosti ali bi lahko postale rakave.

Tudi zunaj kliničnih aplikacij, mnogi raziskovalci zanima iPS celice kot način ustvarjanja "bolezni v jedi." Raziskovalci bi lahko, če ne bi vzeli vzorec tkiva pacienta z genetsko motnjo, ki je še posebej zahtevno, če je možganski možganski možgani, uporabiti celice iPS, ki izhajajo iz kožnih celic tega bolnika, da po potrebi razvijejo modele organov. Upoštevajoč razvoj teh tkiv bi lahko zagotovil znake napredovanja bolezni in služil kot idealna posteljica za tretmaje, ki še niso odobreni za uporabo pri ljudeh.

V kliničnih in raziskovalnih aplikacijah pa so nejasne lastnosti, ki omogočajo nastanek "visokokakovostnih" iPS celic, ki bi lahko pravilno diferencirale v želeno tkivo brez genetskih nenormalnosti.

"Vemo, da obstaja povezava med topologijo genoma in genskim izrazom, " je dejal Phillips-Cremins, "zato smo to motivirali, da preučimo, kako se genetski material v jedru preoblikuje v treh dimenzijah med reprogramiranjem odraslih možganskih celic na pluripotenco. Našli smo dokaze za sofisticirane konfiguracije, ki se na pomembne načine razlikujejo med iPS celicami in izvornimi celicami zarodka. "

Področje raziskav Phillips-Cremins je "3-D epigenetika" ali način, kako zavijanje DNA vpliva na ekspresijo genov. Klasične epigenetske oznake so kemične spremembe na vrhu sekvence DNA, ki zagotavljajo dodatno plast informacij na vrhu dolgega zaporedja parih osnovnih par. Če gledamo na te oznake na linearen način, ne razkrije celotne slike, vendar pa lahko zgibanje genomov pripelje dve različni področji DNK v prostorski in funkcionalni stik.

Z uporabo eksperimentalnih in računskih tehnik, ki jih je razvil laboratorij Cremins, je bila njena skupina sposobna identificirati zložljive vzorce v celicah iPS, ki jih prej ni bilo mogoče videti.

"Prejšnji načini so bili podatki, ki so analogni stari televiziji z velikimi črno-belimi pikami", je dejal Phillips-Cremins. "Lahko bi ustvarili zamegljeno sliko in povedali, da je na zaslonu nekdo, vendar bi bilo težko razčleniti manjše funkcije obraza. Uporabili smo metode za izdelavo kart z visoko ločljivostjo zložljivih genomov, zato smo lahko razlikovali podrobne topološke značilnosti in ovrednotiti njihove podobnosti in razlike med tradicionalnimi izvornimi celicami zarodkov, iPS celicami in zrelem, diferenciranimi celicami. "

Pristop Beagan, ki se uporablja za ustvarjanje zemljevidov z visoko ločljivostjo, vključuje določitev DNK tako, da se njegovi 3-D zložljivi vzorci ohranijo pred zaporedjem. Odseki linearnega genskega zaporedja, ki so ločeni z označenimi razdaljami, vendar so prostorsko sosedski, ko je DNA zložen, so kemično zlepljeni skupaj. Posledica tega sta dva oddaljena dela linearnega zaporedja v istem nizu hibridne DNK in se tako detektirata skupaj, ko se DNA zaporedira.

Analiziranje teh hibridnih kosov zagotavlja informacije, ki raziskovalcem omogočajo, da ugotovijo, kateri segmenti DNA so v bližini zloženega stanja genoma. Kritično je, da pristop pristopa laboratorija Cremins cilja le na specifična mesta v genomu, kar omogoča veliko razločljivostno analizo v teh regijah, ki je veliko lažje dosegljiva kot pri alternativnih pristopih, ki vsebujejo genome. Zemljevidi, ki jih je objavil Penn Engineering laboratorij, so zemljevidi z najvišjo ločljivostjo genomov, ki so do zdaj zložene v celice iPS.

Phillips-Cremins in njena računalniška ekipa lahko zapišejo zaporedne podatke v toplotnih zemljevidih, s čimer zagotavljata sliko segmentov DNA, ki so prostorsko v bližini med seboj v 3-D jedru izvornih celic.

"Vsaka od slikovnih pik na naših toplotnih zemljevidih, " je dejal Beagan, "je prikaz frekvence, ki jo interakcija kateregakoli od dveh segmentov v genomu. Številke kontaktne frekvence lahko predstavljate kot barve in celotno področje DNK kot vročinski zemljevid Na koncu si ogledate zanimive vzorce visoke in nizke intenzivnosti, iz teh vzorcev pa lahko sklepamo, da so genomske konfiguracije genoma. "

Raziskovalci Penn so ciljali na več lokacij vzdolž genoma, da bi opravili svoje računske analize, pri čemer so primerjali iPS celice s celicami, iz katerih so bili generirani, in embrionalnim matičnim celicam, ki bi jih bilo idealno treba ponotranjiti.

Ugotovili so, da so tradicionalne izvorne celice zarodkov in zrele, diferencirane možganske celice imele presenetljivo različne vzorce zlaganja genomov. Presenetljivo pa je, da se genetski material iz iPS celic ni zložil na način, ki je popolnoma podoben tradicionalnim izvornim celicam zarodka, temveč je pokazal sledove tridimenzionalnih konfiguracij možganskih celic, iz katerih so bili pridobljeni.

"Našli smo izrazite razlike med toplotnimi črtami, ki smo jih generirali za vsako vrsto celice", je dejal Beagan. "Naše ugotovitve so pomembne, ker predlagajo, da če lahko potisnemo 3-D genomsko konformacijo celic, ki jih spreminjamo v celice iPS, da bi bile bližje tisti iz izvornih celic embrionalnih celic, potem lahko ustvarimo iPS celice, ki se ujemajo z zlatom, standardne pluripotentne izvorne celice hitreje in učinkoviteje. "

Pomembno je, da so raziskovalci ugotovili, da lahko iPS celice naredijo natančnejše zložljive konfiguracije s spreminjanjem medija, v katerem se gojijo. Ta rezultat zagotavlja okno vpogleda v možne načine, da lahko raziskovalci in zdravniki bolje inženirjajo celice iPS za poskuse in zdravljenje. Laboratorij Phillips-Cremins že izvaja eksperimente za inženiranje 3-D genomske zložljive matične celice, ki na zahtevo nadzoruje izražanje genov.

menu
menu