Nowe badania odkrywają ewolucyjne pochodzenie komórek macierzystych dzięki przełomowemu eksperymentowi, w wyniku którego z powodzeniem stworzono mysz przy użyciu starożytnych narzędzi genetycznych.
Opublikowano w Komunikacja przyrodniczamiędzynarodowy zespół naukowców osiągnął przełomowy kamień milowy: stworzenie mysich komórek macierzystych zdolnych do wytworzenia w pełni rozwiniętej myszy. Osiągnięto to przy użyciu narzędzi genetycznych pochodzących z organizmu jednokomórkowego, z którym mamy wspólnego przodka, starszego od zwierząt. Ten przełom nie tylko zmienia nasze rozumienie genetycznego pochodzenia komórek macierzystych, ale także oferuje nową perspektywę na ewolucyjne powiązania między zwierzętami i ich starożytnymi jednokomórkowymi krewnymi.
W eksperymencie, który brzmi jak science fiction, dr Alex de Mendoza z Queen Mary University of London współpracował z badaczami z Uniwersytetu w Hongkongu, aby wykorzystać gen znaleziony w choanoflagellatyjednokomórkowy organizm spokrewniony ze zwierzętami, do wytworzenia komórek macierzystych, które następnie wykorzystano do powstania żywej, oddychającej myszy.
Choanoflagellaty są najbliższymi żyjącymi krewnymi zwierząt, a ich genomy zawierają wersje genów Sox i POU, znanych z napędzania pluripotencji – potencjału komórkowego do przekształcenia się w dowolny typ komórki – w komórkach macierzystych ssaków. To nieoczekiwane odkrycie podważa wieloletnie przekonanie, że geny te wyewoluowały wyłącznie u zwierząt.
„Pomyślnie tworząc mysz przy użyciu narzędzi molekularnych pochodzących od naszych jednokomórkowych krewnych, jesteśmy świadkami niezwykłej ciągłości funkcji na przestrzeni prawie miliarda lat ewolucji” – powiedział dr de Mendoza. „Badanie sugeruje, że kluczowe geny zaangażowane w tworzenie komórek macierzystych mogły powstać znacznie wcześniej niż same komórki macierzyste, być może pomagając utorować drogę życiu wielokomórkowemu, które widzimy dzisiaj”.
Od krewnych jednokomórkowych do zastosowań wielokomórkowych
Nagroda Nobla w 2012 r. przyznana Shinyi Yamanace wykazała, że możliwe jest uzyskanie komórek macierzystych z „zróżnicowanych” komórek po prostu poprzez ekspresję czterech czynników, w tym genu Sox (Sox2) i POU (Oct4).
W ramach tych nowych badań, poprzez zestaw eksperymentów przeprowadzonych we współpracy z laboratorium dr Ralfa Jaucha na Uniwersytecie w Hongkongu / Centrum Translacyjnej Biologii Komórek Macierzystych, zespół wprowadził geny Sox choanoflagellate do komórek myszy, zastępując natywny gen Sox2, osiągając przeprogramowanie w kierunku stan pluripotencjalnych komórek macierzystych.
Aby potwierdzić skuteczność tych przeprogramowanych komórek, wstrzyknięto je do rozwijającego się zarodka myszy. Powstała chimeryczna mysz wykazywała cechy fizyczne zarówno zarodka dawcy, jak i komórek macierzystych wyhodowanych w laboratorium, takie jak czarne łaty na futrze i ciemne oczy, co potwierdza, że te starożytne geny odegrały kluczową rolę w dostosowaniu komórek macierzystych do rozwoju zwierzęcia.
Ewolucyjne korzenie maszyn komórek macierzystych
W badaniu śledzono, jak wczesne wersje białek Sox i POU wiążą się DNA i regulują inne geny, były wykorzystywane przez jednokomórkowych przodków do wykonywania funkcji, które później stały się integralną częścią tworzenia komórek macierzystych i rozwoju zwierząt. „Choanoflagellaty nie mają komórek macierzystych, są organizmami jednokomórkowymi, ale mają te geny, które prawdopodobnie kontrolują podstawowe procesy komórkowe, które zwierzęta wielokomórkowe prawdopodobnie później wykorzystały do budowy złożonych ciał” – wyjaśnił dr de Mendoza.
To nowatorskie spostrzeżenie podkreśla ewolucyjną wszechstronność narzędzi genetycznych i daje wgląd w to, jak wczesne formy życia mogły wykorzystywać podobne mechanizmy do napędzania specjalizacji komórkowej na długo przed powstaniem prawdziwych organizmów wielokomórkowych, a także na znaczenie recyklingu w ewolucji.
Odkrycie to ma implikacje wykraczające poza biologię ewolucyjną i potencjalnie może przyczynić się do nowych postępów w medycynie regeneracyjnej. Pogłębiając naszą wiedzę na temat ewolucji maszynerii komórek macierzystych, naukowcy mogą zidentyfikować nowe sposoby optymalizacji terapii komórkami macierzystymi i udoskonalenia technik przeprogramowania komórek w celu leczenia chorób lub naprawy uszkodzonych tkanek.
„Badanie starożytnych korzeni tych narzędzi genetycznych pozwala nam wprowadzać innowacje i uzyskać jaśniejszy obraz tego, jak można ulepszyć lub zoptymalizować mechanizmy pluripotencji” – powiedział dr Jauch, zauważając, że postęp może wyniknąć z eksperymentów z syntetycznymi wersjami tych genów, które mogłyby działać jeszcze lepiej niż rodzime geny zwierzęce w pewnych kontekstach.
Odniesienie: „Pojawienie się czynników transkrypcyjnych Sox i POU poprzedza powstanie zwierzęcych komórek macierzystych” autorstwa Ya Gao, Daisylyn Senna Tan, Mathias Girbig, Haoqing Hu, Xiaomin Zhou, Qianwen Xie, Shi Wing Yeung, Kin Shing Lee, Sik Yin Ho , Vlad Cojocaru, Jian Yan, Georg KA Hochberg, Alex de Mendoza i Ralf Jauch, 14 listopada 2024, Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-54152-x
