Odszyfrowano główny mechanizm przełączania komórek macierzystych

Komórki macierzyste mogą się różnicować, aby zastąpić martwe i uszkodzone komórki. Ale w jaki sposób komórki macierzyste określają, jakim typem komórki się staną w danych warunkach? Korzystając z organoidów jelitowych, grupa Boon Kyung Ko z IMBA i Instytutu Nauk Podstawowych zidentyfikowały nowy gen, Daam1, który odgrywa zasadniczą rolę, włączając wzrost komórek wydzielniczych w jelicie. Odkrycie to, opublikowane 24 listopada w czasopiśmie Science Advances, otwiera nowe horyzonty w badaniach nad rakiem.

W pewnym sensie nasze ciała są jak samochody: aby nadal funkcjonować, muszą być regularnie sprawdzane i naprawiane. W przypadku naszego ciała wszelkie uszkodzone lub martwe komórki wymagają wymiany, aby nasze narządy mogły funkcjonować. Zastąpienie to następuje dzięki obecności w tkankach dorosłych komórek macierzystych. W przeciwieństwie do embrionalnych komórek macierzystych, które mogą tworzyć dowolny typ komórek w organizmie, dorosłe komórki macierzyste tworzą tylko te typy komórek, które występują w tkance, do której należą. Ale skąd specyficzne tkankowo komórki macierzyste wiedzą, z jakiego typu komórek mają powstać? Gabrielle Coloza, badaczka ze stopniem doktora w laboratorium Boon Kyung-koo na IMBA – a obecnie dyrektor Centrum Inżynierii Genomu w Instytucie Nauk Podstawowych w Korei Południowej – postanowiła zbadać tę kwestię za pomocą jelitowych komórek macierzystych.

Jelito – miejsce ciągłej budowy

„W naszych jelitach komórki są narażone na trudne warunki” – wyjaśnia Coluzza. Zużycie mechaniczne, ale także enzymy trawienne i zmieniające się wartości pH wpływają na komórki jelitowe. Natomiast komórki macierzyste błony śluzowej jelit różnicują się, tworząc nowe komórki jelitowe. „Uszkodzone komórki należy wymienić, ale istnieje delikatna równowaga między regeneracją komórek macierzystych a ich różnicowaniem na inne typy komórek: niekontrolowana proliferacja komórek macierzystych może prowadzić do powstania nowotworu; z drugiej strony, jeśli różnicuje się zbyt wiele komórek macierzystych, tkanka zdegeneruje się.” . Są pozbawione komórek macierzystych i ostatecznie niezdolne do samoodnawiania”.

Równowaga ta jest precyzyjnie dostrajana przez ścieżki sygnalizacyjne i pętle sprzężenia zwrotnego, które umożliwiają komórkom komunikację między sobą. Jedna ważna ścieżka nazywa się Wnt. Szlak Wnt jest znany ze swojej roli w rozwoju embrionalnym, a jeśli nie zostanie kontrolowany, nadmierny szlak Wnt może prowadzić do nadmiernego podziału komórek i powstawania nowotworów.

Zidentyfikowano partnera molekularnego

Znanym antagonistą sygnalizacji Wnt – kontrolującym Wnt – jest Rnf43, który został pierwotnie zidentyfikowany przez Bon-Kyoung Koo. Przed tym badaniem było wiadomo, że Rnf43 celuje w receptor Wnt Frizzled i oznacza go do degradacji. „Chcieliśmy wiedzieć, jak działa Rnf43, a także co z kolei kontroluje Rnf43 i pomaga mu regulować sygnalizację Wnt”. Z poprzednich badań naukowcy wiedzieli, że sam Rnf43 nie wystarczy, aby zdegradować receptor Wnt Frizzled, który znajduje się w błonie komórkowej. „W naszym projekcie wykorzystaliśmy testy biochemiczne do identyfikacji białek wchodzących w interakcję z Rnf43”. Okazuje się, że głównym partnerem Rnf43 jest białko Daam1.

Aby zrozumieć, w jaki sposób Daam1 reguluje Rnf43 i jego wpływ na tkanki, w których funkcjonuje, Colozza zwrócił się do organelli jelitowych. „Odkryliśmy, że Daam1 jest wymagane, aby Rnf43 było aktywne, więc aby Rnf43 w ogóle regulować sygnalizację Wnt. Dalsze prace w komórkach wykazały, że Rnf43 potrzebuje Daam1, aby przenieść receptor Wnt Frizzled do pęcherzyków zwanych endosomami. Z endosomów Frizzled jest transportowany do receptora Wnt” – dodaje Colozza. „W miarę degradacji lizosomów sygnalizacja Wnt zostaje upośledzona”.

Organoidy jelitowe to trójwymiarowe hodowle komórkowe wyhodowane z dorosłych jelitowych komórek macierzystych, umożliwiające naukowcom naśladowanie błony śluzowej jelit. Dla Colozy organoidy były okazją do zrozumienia, w jaki sposób Rnf43 i Daam1 wpływają na delikatną równowagę odnowy i różnicowania komórek macierzystych w jelicie. „Odkryliśmy, że kiedy wyeliminujemy Rnf43 lub Daam1, organelle rosną, tworząc struktury przypominające guzy. Te organelle przypominające guzy nadal rosną, nawet jeśli usuniemy czynniki wzrostu, od których normalnie zależą, takie jak R-spondyna”.

Włącz tworzenie komórek Panetha

Kiedy Colozza śledził to odkrycie w tkance myszy, naukowcy byli zaskoczeni. „Gdy brakowało Rnf43, nowotwory rosły w jelicie – zgodnie z oczekiwaniami. Ale gdy brakowało Daam1, nie rosły żadne nowotwory. Ta uderzająca różnica była dla nas zagadką: w jaki sposób utrata czynników na tym samym szlaku, które zachowują się podobnie w organellach, może spowodować To tak różne wyniki?

Przyglądając się bliżej jelicie, Colozza zauważył, że jelito pozbawione Rnf43 było wypełnione szczególnym typem komórek wydzielniczych, komórkami Panetha. Z drugiej strony jelita pozbawione Daam1 nie zawierają dodatkowych komórek Panetha. Komórki Panetha wydzielają czynniki wzrostu, takie jak Wnt, które stymulują podział komórek. „Daam1 jest wymagany do skutecznego tworzenia komórek Panetha. Kiedy Daam1 jest aktywny, komórki macierzyste różnicują się, tworząc komórki Paneth. Kiedy Daam1 nie jest aktywne, komórki macierzyste różnicują się w inny typ komórek”.

Guzy dostosowują swoją pozycję do wzrostu

To powiązanie między odkryciami molekularnymi a komórkami Panetha wyjaśnia zagadkową różnicę między jelitem a organellami. „W hodowli organelli my, naukowcy, dostarczamy czynniki wzrostu, więc wyeliminowanie zarówno Rnf43, jak i Daam1 skutkuje powstaniem organoidów przypominających guz. Ale w jelicie niemało naukowców dostarcza czynniki wzrostu. Zamiast tego komórki Panetha dostarczają czynników wzrostu, takich jak Wnt”. Tworzenie odpowiednich warunków dla komórek macierzystych do przeżycia i podziału. Kiedy nie ma komórek Panetha – na przykład gdy Daam1 nie jest aktywny i nie powoduje, że komórki stają się komórkami Panetha – komórki macierzyste nie będą się tak bardzo dzielić. Kiedy jednak komórek Panetha jest za dużo – na przykład w jelitach, w których brakuje Rnf43 – nadmiar czynników wzrostu może przyczyniać się do powstawania nowotworów.

Badanie Colozzy i współpracowników stanowi pierwszy genetyczny dowód na to, że Daam1, członek niekanonicznego szlaku Wnt, jest ważny dla specyfikacji komórek Panetha i jest bezpośrednio zaangażowany w rozwój tej ważnej komórki wydzielniczej. Odkrycia podkreślają również znaczenie pola komórek macierzystych. „Wykazaliśmy, że komórki nowotworowe modyfikują swoje mikrośrodowisko, wpływając na środowisko wspierające, dzięki czemu mogą lepiej się rozwijać”.