Różne typy komórek – powiedzmy serce, wątroba, krew i plemniki – posiadają cechy, które pomagają im wykonywać swoje unikalne zadania w organizmie. Ogólnie rzecz biorąc, te cechy są ustalone na stałe. Bez interwencji komórka serca nie przekształci się spontanicznie w komórkę wątroby.
Jednak naukowcy z University of Pennsylvania School of Veterinary Medicine, współpracując ze współpracownikami z University of Texas w San Antonio i Texas Biomedical Research Institute, skłonili komórki krwi marmozety do uzyskania elastyczności komórek macierzystych. Następnie skierowali te komórki macierzyste, aby przybrały cechy prekursorów plemników.
W czasopiśmie eLife opisują krok po kroku proces ponownego okablowania komórek. Odkrycia – pierwsze w przypadku marmozety, małej małpy – otwierają nowe możliwości badania biologii naczelnych i opracowywania nowych technologii wspomaganego rozrodu, takich jak gametogeneza in vitro, proces generowania komórek rozrodczych, plemników lub komórek jajowych w naczyniu laboratoryjnym, podobny do jak zapłodnienie in vitro wiąże się z powstaniem zarodka poza organizmem człowieka.
„Naukowcy wiedzą, jak wytwarzać funkcjonalne plemniki i komórki jajowe z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych u myszy, ale mysie komórki rozrodcze bardzo różnią się od ludzkich komórek rozrodczych” – mówi Kotaro Sasaki, adiunkt w Penn Vet. „Badając marmozety, których biologia bardziej przypomina naszą, możemy wypełnić lukę”.
Aby zrozumieć, jak wytwarzać komórki rozrodcze, naukowcy najpierw zbadali prekursory komórek rozrodczych z zarodków marmozet, które nigdy nie zostały dokładnie scharakteryzowane dla gatunku. Odkryli, że te komórki we wczesnym stadium, znane jako pierwotne komórki rozrodcze (PGC), zawierają pewne markery molekularne, które można śledzić w czasie. Przeprowadzenie sekwencjonowania RNA pojedynczych komórek na tych komórkach ujawniło, że PGCs wyrażają geny charakterystyczne dla komórek rozrodczych we wczesnym stadium oraz te związane z modyfikacjami epigenetycznymi, które regulują ekspresję genów. PGC nie powodowały jednak ekspresji genów, o których wiadomo, że są włączane później w procesie rozwoju komórek rozrodczych, kiedy komórki prekursorowe migrują do jajników lub jąder, aby zakończyć dojrzewanie.
Ich odkrycia były “zgodne z poglądem, że komórki rozrodcze marmozet przechodzą proces przeprogramowania”, mówi Sasaki, który “wyłącza” niektóre markery i pozwala PGC przejść przez etapy rozwoju komórek rozrodczych. Wzory, które naukowcy zaobserwowali w komórkach marmozety, bardzo przypominały to, co stwierdzono zarówno u ludzi, jak i innych gatunków małp, ale różniły się od tych u myszy, co jest kolejnym powodem, dla którego marmozeta może być cennym modelem do badań biologii reprodukcyjnej.
Dysponując tymi informacjami, zespół podjął próbę sztucznego odtworzenia procesu rozwoju w laboratorium. Pierwszy krok: przekształcenie komórek krwi w indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC), czyli komórki, które zachowują zdolność do tworzenia szeregu innych typów komórek.
„Mam duże doświadczenie w pracy z kulturami komórkowymi i indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi, ale ustanowienie stabilnej kultury dla komórek marmozet było trudną częścią badań” – mówi Yasunari Seita, badacz ze stopniem doktora w laboratorium Sasakiego i główny autor .
Po wielu próbach i błędach oraz zastosowaniu wniosków wyciągniętych z badań na myszach, ludziach i innych, Seita wpadł na strategię, która umożliwiła mu wygenerowanie i utrzymanie stabilnych kultur iPSC. Kluczem do sukcesu było dodanie inhibitora szlaku sygnałowego zarządzanego przez białko Wnt, które bierze udział w różnych funkcjach komórkowych, takich jak różnicowanie komórek.
Następnym krokiem było przejście od iPSC do prekursorów komórek rozrodczych. Po raz kolejny wiele eksperymentów poświęcono opracowaniu protokołu tej transformacji. Metoda, która działała najlepiej, polegała na dodaniu koktajlu czynników wzrostu, aby z powodzeniem skłonić 15-40% ich kultury do przyjęcia cech tych prekursorów komórek rozrodczych.
„Byliśmy podekscytowani widząc tę wydajność i byliśmy w stanie rozszerzyć nasze kultury, wielokrotnie je pasażując i obserwując ładny, wykładniczy wzrost” – mówi Sasaki. „Komórki zachowały kluczowe markery komórek zarodkowych, ale nie wykazywały ekspresji innych markerów związanych z migracją do gonad”.
Na końcowym etapie badań zespół badawczy nakłonił te hodowane w laboratorium komórki, aby przybrały cechy komórek rozrodczych w późniejszym stadium. W oparciu o metodę, którą Sasaki i współpracownicy ustalili wcześniej na komórkach ludzkich i opisali w artykule Nature Communications z 2020 r., przez miesiąc hodowali komórki z mysimi komórkami jąder. Rezultatem był pomyślny wzrost, w którym niektóre komórki zaczęły włączać geny związane z prekursorami plemników na późniejszym etapie.
Opracowywanie nowych podejść do badania marmozet powoduje, że zespoły Penn i University of Texas w San Antonio – a także ogólnie społeczność naukowa – wykorzystują gatunek jako ważny model badawczy. Na przykład marmozety mają funkcje poznawcze, które pod wieloma względami przypominają ludzkie, co może prowadzić do nowych spostrzeżeń w neuronauce.
Dla grupy Sasakiego, najbardziej zainteresowanej rozwojem układu rozrodczego, marmozety stanowią nową drogę do prowadzenia badań nad prawidłowym i nieprawidłowym rozwojem oraz płodnością.
„Kiedy myślisz o zastosowaniach klinicznych technologii wspomaganego rozrodu, takiej jak gametogeneza in vitro, może pojawić się wiele problemów etycznych, prawnych i związanych z bezpieczeństwem” – mówi Sasaki. „Zdecydowanie potrzebujemy dobrego modelu przedklinicznego do zbadania, zanim przejdziemy do tłumaczenia klinicznego na ludziach”.
Kotaro Sasaki jest adiunktem nauk biomedycznych w Szkole Medycyny Weterynaryjnej Uniwersytetu Pensylwanii.
Yasunari Seita jest pracownikiem naukowym ze stopniem doktora w Szkole Medycyny Weterynaryjnej w Penn.
Współautorami Sasakiego i Seity są Keren Cheng z Penn Vet; University of Texas w San Antonio John R. McCarrey, Nomesh Yadu, Isamar Santana Toro, Li-hua Yen, Sean Vargas, Christopher S. Navara i Brian P. Hermann; oraz Ian H. Cheeseman z Texas Biomedical Research Institute, Alec Bagwell i Corinna N. Ross. Seita i Cheng byli współpierwszymi autorami, a Sasaki, Navara i Hermann byli współautorami korespondującymi.
Badanie było wspierane przez Open Philanthropy Project (dotacje 197906 i 10080664), National Institutes of Health (dotacje DA054170, HD090007, OD011133 i MD007591) oraz National Science Foundation (dotacje 1337513 i 2018408).