Un nuovo studio in Genetica della natura identifica una specifica popolazione di cellule staminali embrionali pluripotenti che possono riprogrammarsi in cellule simil-totipotenti in coltura. Inoltre, gli scienziati dell'Helmholtz Zentrum München e della Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) hanno identificato i colli di bottiglia e le cause di questa riprogrammazione.

La plasticità cellulare è la capacità di una cellula di produrre diversi tipi di cellule. Nelle prime fasi della vita, la singola cellula fecondata proveniente dall'ovulo materno e dallo sperma del padre è altamente plastico:darà origine a tutti i tipi di cellule del corpo. La plasticità cellulare è quindi essenziale per l'esistenza di organismi multicellulari come gli esseri umani.

La singola cellula fecondata si divide prima in due cellule (indicate come stadio di sviluppo a 2 cellule). La singola cellula e le due cellule che ne derivano, hanno il più alto livello di plasticità cellulare:sono totipotenti, il che significa che possono creare un organismo completo, compreso il tessuto placentare extra-embrionale. In contrasto, le cellule staminali embrionali sono pluripotenti, il che significa che possono produrre tutte le cellule dell'organismo, ma tipicamente non il tessuto extra-embrionale.

In una coltura di cellule staminali embrionali (ES), una piccola popolazione (circa l'1%) si trasforma spontaneamente in cellule simili alle cellule totipotenti dell'embrione a 2 cellule. Queste cellule sono chiamate cellule simili a 2 cellule (2CLC). In questo studio, Il team della Prof.ssa Dott.ssa Maria Elena Torres-Padilla ha deciso di determinare la natura molecolare specifica di queste cellule e scoprire come si sono formate. Torres-Padilla è direttore dell'Istituto di epigenetica e cellule staminali (IES) presso l'Helmholtz Zentrum München e professore di biologia delle cellule staminali presso l'LMU. L'obiettivo del team era acquisire informazioni sulle caratteristiche molecolari della totipotenza e capire come possono verificarsi cambiamenti nella plasticità cellulare. Il loro obiettivo finale è capire come "si comportano" queste cellule simili a totipotenti in modo che possano manipolarle, e generarli in vitro.

Il team ha iniziato confrontando i geni espressi nelle cellule ES con quelli espressi nei 2CLC. Per fare questo hanno usato cellule ES che esprimono una proteina fluorescente verde quando le cellule iniziano a esprimere il gene MERVL. "MERVL è un retrotrasposone espresso in cellule simili a 2 cellule" spiega Diego Rodriguez-Terrones, un dottorato di ricerca studente del laboratorio Torres-Padilla e co-autore del paper. "L'utilizzo di questa linea cellulare ci consente di separare le cellule simili a 2 cellule dalle cellule ES nella coltura raccogliendo le cellule verdi che sono entrate nello stato simile a 2 cellule. Quindi confrontiamo i geni espressi in entrambi i tipi di cellule", aggiunge. . Questa analisi del trascrittoma di una singola cellula, seguita da analisi computazionali, ha consentito al team di identificare i profili di espressione genica delle cellule nel processo di passaggio dalle cellule ES ai 2CLC.

Hanno scoperto che durante il periodo di transizione, le cellule esprimono quantità crescenti di un gene che codifica per il fattore di trascrizione Zscan4. Hanno sviluppato la loro linea di reporter per essere anche in grado di esprimere una proteina fluorescente rossa quando viene espresso Zscan4. L'imaging delle cellule vive ha confermato che la maggior parte delle cellule è diventata rossa (positiva Zscan4) prima di diventare verde (cellule simili a 2 cellule positive MERVL). "Questa osservazione, combinato con i dati trascrittomici, ci ha detto che le cellule passano attraverso uno stato intermedio prima di diventare cellule simili a 2 cellule", ha detto Maria Elena Torres-Padilla. "Sulla base di questi cambiamenti apparentemente ordinati nell'espressione genica, volevamo scoprire cosa potrebbe guidare l'emergere dello stato simile a 2 celle. Queste informazioni sarebbero cruciali per approfondire le nostre conoscenze sui regolatori chiave della plasticità cellulare".

Con l'obiettivo di identificare regolatori della cromatina in grado di promuovere la riprogrammazione cellulare, il team ha eseguito uno schermo siRNA, in cui l'espressione di oltre 1000 geni è stata compromessa per vedere come è stata influenzata l'aspetto di 2CLC. "I risultati di questo schermo sono stati straordinari, perché abbiamo identificato molte nuove proteine ​​che regolano l'emergere di 2CLC" ha affermato il dott. Xavier Gaume, co-primo autore del paper e postdoc nel laboratorio Torres-Padilla. Di particolare interesse è stata l'osservazione che la riduzione dei livelli di uno specifico fattore della cromatina (Ep400/Tip60), si traduce in più 2CLC. Poiché Ep400/Tip60 è coinvolto nella compattazione della cromatina, questa osservazione identifica un legame interessante tra "apertura" della cromatina con una maggiore potenza.