Transdifferentiering - Transdifferentiation

Transdifferentiering , også kendt som genprogrammering af afstamning , er en kunstig proces, hvor en moden somatisk celle omdannes til en anden moden somatisk celle uden at undergå en mellemliggende pluripotent tilstand eller stamcelletype. Det er en type metaplasi , som omfatter alle celleskæbneskift, herunder interkonvertering af stamceller. Nuværende anvendelser af transdifferentiering omfatter sygdomsmodellering og opdagelse af lægemidler og kan i fremtiden omfatte genterapi og regenerativ medicin . Udtrykket 'transdifferentiering' blev oprindeligt opfundet af Selman og Kafatos i 1974 for at beskrive en ændring i celleegenskaber, da neglebåndsproducerende celler blev saltudskillende celler i silkemøl, der undergår metamorfose .

Opdagelse

Davis et al. 1987 rapporterede det første tilfælde (syn) af transdifferentiering, hvor en celle skiftede fra en voksen celletype til en anden. Det blev fundet tilstrækkeligt at tvinge mus embryonale fibroblaster til at udtrykke MyoD til at omdanne disse celler til myoblaster .

Naturlige eksempler

De eneste kendte tilfælde, hvor voksne celler skifter direkte fra en slægt til en anden, forekommer i arten Turritopsis dohrnii ( som også er kendt som den udødelige vandmand) og Turritopsis Nutricula ( protozoen, der gør den udødelige manet udødelig). Cellerne differentierer sig snarere og redifferentierer derefter til celletypen af ​​interesse. Hos newts når øjenlinsen fjernes, differentierer pigmenterede epitelceller og redifferentierer derefter til linsecellerne. Vincenzo Colucci beskrev dette fænomen i 1891 og Gustav Wolff beskrev det samme i 1894; det prioriterede spørgsmål undersøges i Holland (2021). I bugspytkirtlen er det blevet påvist, at alfa -celler spontant kan skifte skæbne og transdifferentiere til betaceller i både raske og diabetiske øer i mennesker og mus i bugspytkirtlen . Selv om det tidligere blev antaget, at esophagealceller blev udviklet fra transdifferentiering af glatte muskelceller, har det vist sig at være falsk.

Fremkaldte og terapeutiske eksempler

Det første eksempel på funktionel transdifferentiering er blevet leveret af Ferber et al. ved at inducere et skift i udviklingen af ​​cellernes udvikling i leveren og omdanne dem til ' pancreas -beta -celle -lignende' celler. Cellerne inducerede en bred, funktionel og langvarig transdifferentieringsproces, der reducerede virkningerne af hyperglykæmi hos diabetiske mus. Desuden viste det sig, at de transdifferentierede beta-lignende celler var resistente over for det autoimmune angreb, der kendetegner type 1-diabetes .

Det andet trin var at gennemgå transdifferentiering i humane prøver. Ved at transducere leverceller med et enkelt gen, Sapir et al. var i stand til at få humane leverceller til at transdifferentiere til humane beta -celler.

Denne fremgangsmåde er blevet demonstreret hos mus, rotter, xenopus og humane væv (Al-Hasani et al., 2013).

Skematisk model af hepatocyt -til -beta -celletransdifferentieringsprocessen. Hepatocytter opnås ved leverbiopsi fra diabetiker, dyrkes og udvides ex vivo , transduceres med et PDX1 -virus, transdifferentieres til funktionelle insulinproducerende betaceller og transplanteres tilbage i patienten.

Granulosa- og thecaceller i æggestokkene hos voksne hunmus kan transdifferentiere til Sertoli- og Leydig -celler via induceret knockout af FOXL2 -genet. På samme måde kan Sertoli -celler i testiklerne hos voksne hannmus transdifferentiere til granulosaceller via induceret knockout af DMRT1 -genet.

Metoder

Lineage-lærerig tilgang

I denne fremgangsmåde transficeres transkriptionsfaktorer fra stamceller af målcelletypen til en somatisk celle for at fremkalde transdifferentiering. Der findes to forskellige måder at bestemme, hvilke transkriptionsfaktorer der skal bruges: ved at starte med en stor pulje og indsnævre faktorer en efter en eller ved at starte med en eller to og tilføje flere. En teori til at forklare de nøjagtige detaljer er, at ektopiske transkriptionsfaktorer leder cellen til en tidligere stamfaderstilstand og derefter omdirigerer den til en ny celletype. Omlægning af chromatinstrukturen via DNA -methylering eller histonmodifikation kan også spille en rolle. Her er en liste over in vitro -eksempler og in vivo -eksempler . In vivo -metoder til transfektion af specifikke museceller anvender de samme slags vektorer som in vitro -eksperimenter, bortset fra at vektoren injiceres i et specifikt organ. Zhou et al. (2008) injicerede Ngn3, Pdx1 og Mafa i dorsal miltlap (bugspytkirtel) hos mus for at omprogrammere pancreas eksokrine celler i β-celler for at forbedre hyperglykæmi.

Indledende tilgang til epigenetisk aktiveringsfase

Somatiske celler først transficeres med pluripotent omprogrammering faktorer midlertidigt ( Oct4 , SOX2 , NANOG mm) før den blev transficeret med de ønskede hæmmende eller aktiverende faktorer. Her er en liste over eksempler in vitro .

Farmakologiske midler

DNA-methyleringsinhibitoren, 5-azacytidin er også kendt for at fremme fænotypisk transdifferentiering af hjerteceller til skeletmyoblaster.

Ved prostatakræft fremkalder behandling med androgenreceptor -målrettede terapier neuroendokrine transdifferentiering hos en delmængde af patienter. Der findes ingen plejestandard for disse patienter, og dem, der diagnosticeres med behandlingsinduceret neruoendokrint carcinom, behandles typisk palliativt.

Handlingsmekanisme

Transkriptionsfaktorerne fungerer som en kortsigtet trigger til en irreversibel proces. Transdifferentieringslevercellerne observeret 8 måneder efter en enkelt injektion af pdx1.

De ektopiske transkriptionsfaktorer slukker værtsrepertoiret for genekspression i hver af cellerne. Det alternative ønskede repertoire tændes imidlertid kun i en underpopulation af disponerede celler. På trods af den massive dedifferentiering - tilgang til sporing af slægter viser faktisk, at transdifferentiering stammer fra voksne celler.

Mogrify -algoritme

Bestemmelse af det unikke sæt af cellulære faktorer, der skal manipuleres for hver cellekonvertering, er en lang og dyr proces, der involverede meget forsøg og fejl. Som et resultat er dette første trin til at identificere nøglesættet af cellulære faktorer til cellekonvertering den største hindring, forskere står over for inden for celleprogrammering. Et internationalt team af forskere har udviklet en algoritme, kaldet Mogrify (1), der kan forudsige det optimale sæt af cellulære faktorer, der kræves for at konvertere en menneskelig celletype til en anden. Når den blev testet, var Mogrify i stand til præcist at forudsige det sæt af cellulære faktorer, der kræves til tidligere publicerede cellekonverteringer korrekt. For yderligere at validere Mogrifys forudsigelsesevne gennemførte teamet to nye cellekonverteringer i laboratoriet ved hjælp af humane celler, og disse var vellykkede i begge forsøg udelukkende ved at bruge Mogrifys forudsigelser. Mogrify er blevet gjort tilgængelig online for andre forskere og forskere.

Problemer

Evaluering

Når man undersøger transdifferentierede celler, er det vigtigt at kigge efter markører af målcelletypen og fraværet af donorcellemarkører, som kan opnås ved hjælp af grønt fluorescerende protein eller immunodetektion. Det er også vigtigt at undersøge cellefunktionen, epigenomet , transkriptom og proteomprofiler . Celler kan også evalueres baseret på deres evne til at integrere i det tilsvarende væv in vivo og funktionelt erstatte dets naturlige modstykke. I en undersøgelse gendannede transdifferentiering af tail-tip fibroblaster til hepatocytlignende celler ved hjælp af transkriptionsfaktorer Gata4 , Hnf1α og Foxa3 og inaktivering af p19 (Arf) hepatocytlignende leverfunktioner i kun halvdelen af ​​musene ved hjælp af overlevelse som et evalueringsmiddel.

Overgang fra mus til humane celler

Generelt oversættes transdifferentiering, der forekommer i museceller, ikke i effektivitet eller hurtighed i humane celler. Pang et al. fandt ud af, at mens transkriptionsfaktorer Ascl1 , Brn2 og Myt1l forvandlede museceller til modne neuroner, gjorde det samme sæt faktorer kun menneskelige celler til umodne neuroner. Tilsætningen af NeuroD1 var imidlertid i stand til at øge effektiviteten og hjælpe cellerne til at nå modenhed.

Rækkefølge af transkriptionsfaktor udtryk

Transkriptionsfaktorernes udtryksorden kan styre cellens skæbne. Iwasaki et al. (2006) viste, at i hæmatopoietiske slægter kan udtrykket timing af Gata-2 og (C / EBPalpha) ændre, om en lymfoid-engageret progenitor kan differentiere sig til granulocyt / monocyt progenitor, eosinophil , basophil eller bipotent basophil / mast celle progenitor eller ej slægter.

Immunogenicitet

Det er blevet fundet for inducerede pluripotente stamceller, at når de injiceres i mus, afviste immunsystemet af den synerge mus de teratomer, der dannes. En del af dette kan skyldes, at immunsystemet genkendte epigenetiske markører for specifikke sekvenser af de injicerede celler. Når embryonale stamceller blev injiceret, var immunresponset imidlertid meget lavere. Hvorvidt dette vil forekomme inden for transdifferentierede celler mangler at undersøge.

Metode til transfektion

For at opnå transfektion kan man anvende integrerende virale vektorer, såsom lentivirus eller retrovirus , ikke-integrerende vektorer, såsom Sendai-vira eller adenovirus , mikroRNA'er og en række andre metoder, herunder anvendelse af proteiner og plasmider ; et eksempel er den ikke-virale levering af transkriptionsfaktorkodende plasmider med en polymer bærer for at fremkalde neuronal transdifferentiering af fibroblaster. Når fremmede molekyler kommer ind i celler, skal man tage hensyn til de mulige ulemper og potentiale for at forårsage tumorøs vækst. Integrering af virale vektorer har chancen for at forårsage mutationer, når de indsættes i genomet. En metode til at omgå dette er at afskære den virale vektor, når omprogrammering er sket, et eksempel er Cre-Lox-rekombination Ikke-integrerende vektorer har andre spørgsmål vedrørende effektivitet ved omprogrammering og også fjernelse af vektoren. Andre metoder er relativt nye felter, og der er meget tilbage at opdage.

Pluripotent omprogrammering

  • Næsten alle faktorer, der omprogrammerer celler til pluripotens, er blevet opdaget og kan vende en lang række celler tilbage til inducerede pluripotente stamceller (iPSC'er) . Imidlertid er mange af de omprogrammeringsfaktorer, der kan ændre en celles slægt, ikke blevet opdaget, og disse faktorer gælder kun for den specifikke slægt.
  • Slutprodukterne af transdifferentierede celler kan bruges til kliniske undersøgelser, men iPSC'er skal differentieres.
  • Det kan blive muligt i fremtiden at anvende transdifferentiering in vivo, hvorimod pluripotent omprogrammering kan forårsage teratomer in vivo.
  • Transdifferentierede celler vil kræve færre epigenetiske mærker for at blive nulstillet, hvorimod pluripotent omprogrammering kræver, at næsten alle fjernes, hvilket kan blive et problem under redifferentiering.
  • Transdifferentiering er rettet mod at bevæge sig mellem lignende slægter, hvorimod pluripotent omprogrammering har ubegrænset potentiale.
  • Pluripotente celler er i stand til selvfornyelse og går ofte igennem mange cellepassager, hvilket øger chancen for at akkumulere mutationer. Cellekultur kan også favorisere celler, der er tilpasset til at overleve under disse betingelser, i modsætning til inde i en organisme. Transdifferentiering kræver færre cellepassager og ville reducere chancen for mutationer.
  • Transdifferentiering kan også være meget mere effektiv end omprogrammering af pluripotens på grund af det ekstra trin, der er involveret i sidstnævnte proces.
  • Både pluripotente og transdifferentierede celler bruger voksne celler, og derfor er startceller meget tilgængelige, hvorimod humane embryonale stamceller kræver, at man navigerer i lovlige smuthuller og dykker ned i moralen i stamcelleforskningsdebatten.

Se også

Referencer