Verschiedene Zelltypen – sagen wir, Herz-, Leber-, Blut- und Samenzellen – besitzen Eigenschaften, die ihnen helfen, ihre einzigartigen Aufgaben im Körper zu erfüllen. Im Allgemeinen sind diese Eigenschaften fest verdrahtet. Ohne Intervention verwandelt sich eine Herzzelle nicht spontan in eine Leberzelle.
Dennoch haben Forscher der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität von Pennsylvania in Zusammenarbeit mit Mitarbeitern der Universität von Texas in San Antonio und des Texas Biomedical Research Institute die Blutzellen der Weißbüschelaffen veranlasst, die Flexibilität von Stammzellen zu erlangen. Dann wiesen sie diese Stammzellen an, die Eigenschaften von Spermienvorläufern anzunehmen.
Im Tagebuch eLife, berichten sie über ihren schrittweisen Prozess der Neuverdrahtung von Zellen. Die Ergebnisse – die ersten beim Weißbüschelaffen, einem kleinen Affen – eröffnen neue Möglichkeiten für das Studium der Primatenbiologie und die Entwicklung neuartiger assistierter Reproduktionstechnologien wie z in-vitro Gametogenese, ein Prozess zur Erzeugung von Keimzellen, Spermien oder Eiern in einer Laborschale, ähnlich wie in-vitro Befruchtung beinhaltet die Erzeugung eines Embryos außerhalb des menschlichen Körpers.
„Wissenschaftler wissen, wie man funktionelle Spermien und Eizellen aus induzierten pluripotenten Stammzellen in Mäusen erzeugt, aber Keimzellen von Mäusen unterscheiden sich stark von menschlichen Keimzellen“, sagt Kotaro Sasaki, Assistenzprofessor bei Penn Vet. „Durch die Untersuchung von Weißbüschelaffen, deren Biologie der unseren ähnlicher ist, können wir die Lücke schließen.“
Um zu verstehen, wie Keimzellen erzeugt werden, untersuchten die Forscher zunächst Keimzellvorläufer aus Weißbüschelaffenembryos, die noch nie rigoros für die Art charakterisiert worden waren. Sie fanden heraus, dass diese frühen Zellen, bekannt als primordiale Keimzellen (PGCs), bestimmte molekulare Marker trugen, die im Laufe der Zeit verfolgt werden konnten. Die Durchführung einer Einzelzell-RNA-Sequenzierung an diesen Zellen ergab, dass PGCs Gene exprimierten, die für Keimzellen im Frühstadium charakteristisch sind, und solche, die mit epigenetischen Modifikationen zusammenhängen, die die Genexpression regulieren. PGCs exprimierten jedoch keine Gene, von denen bekannt ist, dass sie später im Prozess der Keimzellentwicklung angeschaltet werden, wenn Vorläuferzellen in die Eierstöcke oder Hoden wandern, um ihre Reifung abzuschließen.
Ihre Ergebnisse „stimmten mit der Vorstellung überein, dass Krallenaffen-Keimzellen einen Reprogrammierungsprozess durchlaufen“, sagt Sasaki, der bestimmte Marker „ausschaltet“ und es den PGCs ermöglicht, die Stadien der Keimzellentwicklung zu durchlaufen. Die Muster, die die Forscher in Seidenäffchenzellen beobachteten, ähnelten stark denen, die sowohl bei Menschen als auch bei anderen Affenarten gefunden wurden, unterschieden sich jedoch von denen von Mäusen, ein weiterer Grund, warum das Seidenäffchen ein wertvolles Modell für reproduktionsbiologische Studien sein könnte.
Mit diesen Informationen machte sich das Team daran, den Entwicklungsprozess im Labor künstlich nachzubilden. Der erste Schritt: Blutzellen in induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) umzuwandeln, Zellen, die die Fähigkeit behalten, eine Reihe anderer Zelltypen hervorzubringen.
„Ich habe viel Erfahrung in der Arbeit mit Zellkulturen und induzierten pluripotenten Stammzellen, aber der Aufbau einer stabilen Kultur für die Krallenaffenzellen war ein schwieriger Teil der Studie“, sagt Yasunari Seita, Postdoktorand in Sasakis Labor und Hauptautor .
Nach vielen Versuchen und Irrtümern und der Anwendung von Lehren aus Maus-, Menschen- und anderen Untersuchungen landete Seita auf einer Strategie, die es ihm ermöglichte, stabile Kulturen von iPSCs zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Ein Schlüssel zum Erfolg war die Zugabe eines Inhibitors des Signalwegs, der durch das Wnt-Protein gesteuert wird, das an einer Vielzahl von zellulären Funktionen wie der Zelldifferenzierung beteiligt ist.
Der nächste Schritt bestand darin, von iPSCs zu Keimzellvorläufern überzugehen. Wiederum wurden beträchtliche Experimente in die Entwicklung des Protokolls für diese Transformation investiert. Die Methode, die am besten funktionierte, bestand darin, einen Cocktail aus Wachstumsfaktoren hinzuzufügen, um erfolgreich zwischen 15 und 40 % ihrer Kultur dazu zu bringen, die Eigenschaften dieser Keimzellvorläufer anzunehmen.
„Wir waren begeistert von dieser Effizienz und konnten unsere Kulturen erweitern, sie mehrfach passieren und ein schönes, exponentielles Wachstum beobachten“, sagt Sasaki. „Die Zellen behielten wichtige Keimzellmarker bei, exprimierten jedoch keine anderen Marker, die mit der Migration zur Keimdrüse in Verbindung stehen.“
In einer letzten Phase der Studie brachte das Forschungsteam diese im Labor gezüchteten Zellen dazu, die Eigenschaften von Keimzellen im späteren Stadium anzunehmen. Basierend auf einer Methode, die Sasaki und Kollegen zuvor in menschlichen Zellen etabliert und in einem 2020 berichtet hatten Naturkommunikation Papier kultivierten sie die Zellen einen Monat lang mit Hodenzellen der Maus. Das Ergebnis war ein erfolgreiches Wachstum, bei dem einige Zellen begannen, Gene einzuschalten, die mit Spermienvorläufern im späteren Stadium assoziiert sind.
Die Entwicklung neuer Ansätze zur Erforschung des Weißbüschelaffen versetzt die Teams von Penn und der University of Texas in San Antonio in die Lage – sowie die wissenschaftliche Gemeinschaft im Allgemeinen –, die Art als wichtiges Forschungsmodell zu nutzen. Weißbüschelaffen beispielsweise haben kognitive Funktionen, die denen des Menschen in vielerlei Hinsicht ähneln, und könnten so zu neuen Erkenntnissen in den Neurowissenschaften führen.
Für Sasakis Gruppe, die am meisten an der Entwicklung des Fortpflanzungssystems interessiert ist, stellen Krallenaffen einen neuen Weg dar, um Studien zur normalen und abnormalen Entwicklung sowie zur Fruchtbarkeit fortzusetzen.
„Wenn Sie an die klinischen Anwendungen einer assistierten Reproduktionstechnologie denken, wie z in-vitro Gametogenese, gibt es eine Menge ethischer, rechtlicher und sicherheitstechnischer Bedenken, die auftreten könnten“, sagt Sasaki.
Kotaro Sasaki ist Assistenzprofessor für biomedizinische Wissenschaften an der University of Pennsylvania School of Veterinary Medicine.
Yasunari Seita ist Postdoktorandin an der School of Veterinary Medicine in Penn.
Die Co-Autoren von Sasaki und Seita sind Keren Cheng von Penn Vet; John R. McCarrey, Nomesh Yadu, Isamar Santana Toro, Li-hua Yen, Sean Vargas, Christopher S. Navara und Brian P. Hermann von der University of Texas in San Antonio; und Ian H. Cheeseman, Alec Bagwell und Corinna N. Ross vom Texas Biomedical Research Institute. Seita und Cheng waren Co-Erstautoren und Sasaki, Navara und Hermann waren Co-Korrespondenzautoren.
Die Studie wurde vom Open Philanthropy Project (Grants 197906 und 10080664), den National Institutes of Health (Grants DA054170, HD090007, OD011133 und MD007591) und der National Science Foundation (Grants 1337513 und 2018408) unterstützt.