Απλά κυκλώματα γονιδίων υποδεικνύουν πώς τα βλαστοκύτταρα βρίσκουν νέες ταυτότητες

Το ανθρώπινο σώμα περιέχει περισσότερους από 200 τύπους κυττάρων σύμφωνα με τις περισσότερες εκτιμήσεις, όλα προερχόμενα από ένα μόνο γονιμοποιημένο ωάριο. Τα ατρακτοειδή κύτταρα του δέρματος, οι διακλαδιζόμενοι νευρώνες, τα παχουλά λιποκύτταρα, οι εξαιρετικά ευαίσθητες ράβδοι και οι κώνοι του ματιού - όλα αυτά είναι προϊόντα μιας μακράς διαδικασίας ανάπτυξης, κατά την οποία οι φυσικές τους μορφές αλλοιώθηκαν πέρα ​​από την αναγνώριση. Με λίγες εξαιρέσεις, ωστόσο, όλα αυτά τα κύτταρα φέρουν τα ίδια γονίδια με αυτό το γονιμοποιημένο ωάριο. Το μόνο πράγμα που αλλάζει από κύτταρο σε κύτταρο είναι ποια γονίδια είναι ενεργά.

Πώς όμως τα γενετικά πανομοιότυπα κύτταρα μετατρέπονται σε διαφορετικές ταυτότητες; Τι συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο για να μετατραπούν τα βλαστοκύτταρα σε κύτταρα δέρματος και γιατί παραμένουν έτσι αντί να μεταμορφώνονται σε μυς ή λίπος;

Οι ερευνητές προσπάθησαν να απαντήσουν σε τέτοια ερωτήματα, τα οποία σχετίζονται με την ανάπτυξη όλων των πολύπλοκων οργανισμών, είτε πρόκειται για φυτά μουστάρδας, σαρανταποδαρούσες ή μπλε φάλαινες. Οι πρώτες απόπειρες γενετικών μοντέλων στερούνταν πάντα σημαντικών πτυχών αυτού που έβλεπαν οι βιολόγοι στη φύση — και μια απλότητα που θα τους επέτρεπε να κλιμακωθούν για να καθορίσουν πλήθος τυχών κυττάρων.

Τώρα, μια ομάδα βιολόγων στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια με υπόβαθρο στη φυσική έχουν αναφέρει στο Science ότι έχουν επινοήσει ένα απλό δίκτυο γονιδίων που προκαλεί εκπληκτικά πολύπλοκες, ρεαλιστικές συμπεριφορές. Θα μπορούσε να αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόοδο στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η φύση λέει στα κύτταρα να διαφοροποιούνται.

Με την εισαγωγή ενός μικρού αριθμού τροποποιημένων γονιδίων στα κύτταρα και την εφαρμογή των σωστών χημικών ενδείξεων, οι ερευνητές μπόρεσαν να κατευθύνουν τα κύτταρα σε επτά διαφορετικές σταθερές καταστάσεις, καθεμία από τις οποίες διακρίνεται στο μικροσκόπιο με διαφορετικό λαμπερό χρώμα. Τα κύτταρα εμφάνισαν βασικές ιδιότητες που σχετίζονται με διαφοροποιημένα κύτταρα. Για παράδειγμα, ήταν σταθερά δεσμευμένοι να είναι ένας τύπος κυττάρου, αλλά εμφάνιζαν επίσης μια «μνήμη» της προηγούμενης δραστηριότητάς τους που επηρέασε τις αντιδράσεις τους στις νέες συνθήκες.

Τα μαθηματικά μοντέλα υποδεικνύουν ότι με λίγα ακόμη γονίδια, ίσως είναι δυνατό να οριστούν εκατοντάδες κυτταρικές ταυτότητες, περισσότερες από αρκετές για να εποικιστούν οι ιστοί πολύπλοκων οργανισμών. Είναι ένα εύρημα που ανοίγει την πόρτα σε πειράματα που θα μπορούσαν να μας φέρουν πιο κοντά στην κατανόηση του πώς, πριν από αιώνες, κατασκευάστηκε το σύστημα που μας χτίζει.

Τα όρια της αμοιβαίας καταστολής

Οι αναπτυξιακοί βιολόγοι έχουν φωτίσει πολλά σημεία αιχμής και χημικά σήματα που ωθούν τα κύτταρα να ακολουθήσουν το ένα ή το άλλο αναπτυξιακό μονοπάτι μελετώντας φυσικά κύτταρα. Αλλά οι ερευνητές στον τομέα της συνθετικής βιολογίας συχνά ακολουθούν μια άλλη προσέγγιση, εξήγησε ο Michael Elowitz, καθηγητής βιολογίας και βιομηχανικής στο Caltech και συγγραφέας της νέας εργασίας:Κατασκευάζουν ένα σύστημα ελέγχου της μοίρας των κυττάρων από την αρχή για να δουν τι μπορεί να πει μας σχετικά με το τι απαιτούν τέτοια συστήματα.

Πριν από περισσότερα από 20 χρόνια, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης με επικεφαλής τον Τζέιμς Κόλινς έκαναν ένα σημαντικό βήμα προς αυτή την κατεύθυνση. Σε μια Φύση χαρτί, περιέγραψαν ένα κύκλωμα ελέγχου τεχνητών κυψελών που είχαν εισαγάγει στην Escherichia coli βακτήρια. Το κύκλωμα θα μπορούσε να αναστρέψει τα κελιά μεταξύ δύο καταστάσεων. Τα τροποποιημένα κύτταρα έλαμπαν πράσινα όσο ένα γονίδιο που κατέστειλε την παραγωγή της φθορίζουσας χρωστικής ήταν απενεργοποιημένο. Ωστόσο, εάν οι επιστήμονες πρόσθεταν μία χημική ουσία στο διάλυμα καλλιέργειας του κυττάρου, το γονίδιο καταστολέα ενεργοποιήθηκε και το χρώμα εξαφανίστηκε. Μια δόση άλλης χημικής ουσίας ανέστρεψε τη διαδικασία αναγκάζοντας έναν δεύτερο καταστολέα σε δράση, επαναφέροντας το πράσινο πίσω.

Αυτές οι δύο καταστάσεις ήταν σταθερές:Μέχρι να προστεθεί μια χημική ουσία για να προκαλέσει μια αλλαγή, ένα κύτταρο παρέμενε είτε λαμπερό είτε σκοτεινό. Αυτή η σταθερότητα υπενθύμισε τη συμπεριφορά των κυττάρων στη φύση των οποίων η μοίρα καθορίζεται μόνιμα από χημικές εντολές που εκδίδονται κατά την ανάπτυξη. Το κλειδί για το σύστημα ελέγχου ήταν ότι οι δύο καταστολείς καταστέλλουν ο ένας τον άλλον — όταν ο ένας ήταν ανοδικός, ο άλλος ήταν αδρανής.

Αυτό το είδος αμοιβαίας καταστολής ήταν κεντρικό στα περισσότερα συστήματα ελέγχου κυττάρων που έχουν επινοήσει οι βιολόγοι από το πείραμα του Κόλινς. Ένα κομψό παράδειγμα είναι ένα σύστημα που σχεδιάστηκε από τον Xiao Wang, αναπληρωτή καθηγητή βιοϊατρικής μηχανικής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, και τους συναδέλφους του, που παρουσιάστηκε σε μια εργασία του 2017. Χρησιμοποιώντας δύο αλληλοκατασταλτικούς παράγοντες μεταγραφής και δύο γονίδια που ενεργοποιήθηκαν, δημιούργησαν ένα σύστημα ικανό να βάλει E. coli σε τέσσερις διαφορετικές καταστάσεις.

Η αμοιβαία καταστολή, ωστόσο, μπορεί να είναι πολύπλοκη για να κλιμακωθεί. Μπορείτε να δημιουργήσετε επιπλέον σταθερές καταστάσεις προσθέτοντας περισσότερα γονίδια, αλλά κάθε γονίδιο πρέπει στη συνέχεια να αναστέλλει όλα τα άλλα. Μια τέτοια προσέγγιση φαινόταν δυσκίνητη ακόμη και για φιλόδοξα πειράματα συνθετικής βιολογίας, και η φύση σαφώς δεν μπορούσε να βασιστεί σε ένα τόσο εύθραυστο σύστημα για να κατευθύνει την ανάπτυξη των κυττάρων στους οργανισμούς.

Εύκαμπτο, προσαρμόσιμο και στιβαρό

Όταν ο Elowitz συζήτησε αυτό το πρόβλημα με τον Ronghui Zhu, έναν μεταπτυχιακό φοιτητή στο εργαστήριό του, αναρωτήθηκαν αν θα μπορούσε να υπάρξει ένας απλούστερος τρόπος για να κλιμακωθεί. «Μια θεμελιώδης ιδιότητα του φυσικού συστήματος είναι ότι είναι επεκτάσιμο. Αυτή ήταν, νομίζω, μια βασική ιδέα», είπε ο Έλοβιτς. "Χρειάζεστε ένα σχέδιο που [δεν απαιτεί] ότι κάθε φορά που προσθέτετε κάτι, πρέπει να ανασχεδιάζετε όλα όσα έχουν ήδη τοποθετηθεί."

Αναζήτησαν μια λύση στη φύση, όπου οι πρωτεΐνες του παράγοντα μεταγραφής έχουν δει να συνδέονται μεταξύ τους σε ζεύγη ή διμερή. Ένας παράγοντας μεταγραφής μερικές φορές συνδέεται με ένα αντίγραφο του εαυτού του και μερικές φορές με έναν εντελώς διαφορετικό παράγοντα. Αυτό που συνδέεται μπορεί να αλλάξει ριζικά τις ικανότητες ενός παράγοντα, επιτρέποντάς του να ενεργοποιήσει νέα γονίδια ή να τον απενεργοποιήσει εντελώς. Οι μεταθέσεις αυτών των ζευγών σχηματίζουν ένα δίκτυο πιθανών καταστάσεων για ένα κελί.

Έτσι, ο Elowitz και ο Zhu επεξεργάστηκαν τα μαθηματικά περιγράφοντας ένα σύστημα στο οποίο ζεύγη μεταγραφικών παραγόντων που αναστέλλουν και προάγουν ο ένας τον άλλον θα μπορούσαν να ελέγχουν την κατάσταση των κυττάρων. Στο νέο τους σύστημα, κάθε γονίδιο παράγει μια πρωτεΐνη παράγοντα μεταγραφής. Αυτές οι πρωτεΐνες συνδέονται μεταξύ τους ως διμερή για να ασκήσουν ένα αποτέλεσμα. Εάν δύο αντίγραφα του ίδιου παράγοντα συνδέονται μεταξύ τους, το προκύπτον «ομοδιμερές» διεγείρει περαιτέρω παραγωγή πρωτεΐνης από το γονίδιο - ένας βρόχος θετικής ανάδρασης. Ωστόσο, εάν ένας παράγοντας συνδέεται με διαφορετικό παράγοντα για να σχηματίσει ένα "ετεροδιμερές", ο παράγοντας μεταγραφής είναι ανενεργός.

Αυτό που είναι έξυπνο σχετικά με αυτή τη διάταξη είναι ότι μόλις καθοριστεί η δραστηριότητα ή η αδράνεια ενός γονιδίου μεταγραφικού παράγοντα, τείνει να παραμείνει έτσι. Οι ακριβείς ποσότητες διαφορετικών συνδυασμών διμερών μπορούν να ρυθμιστούν με ακρίβεια για να παράγουν οποιοδήποτε επιθυμητό πρότυπο γονιδιακής δραστηριότητας. Σημαντικές περιβαλλοντικές αλλαγές που επηρεάζουν τη σταθερότητα των παραγόντων μεταγραφής μπορούν να μεταφέρουν ένα κελί από τη μια κατάσταση στην άλλη, αλλά οι τυχαίες μικρές αλλαγές αποτρέπονται. Αυτό καθιστά το σύστημα ελέγχου ευέλικτο, προσαρμόσιμο και στιβαρό.

Πολύ αργότερα, οι Elowitz, Zhu και η ομάδα τους αποφάσισαν να δουν αν θα μπορούσαν πραγματικά να το κατασκευάσουν σε κύτταρα θηλαστικών, μια αλλαγή από τα συστήματα άλλων εργαστηρίων που κατασκευάστηκαν κυρίως στο E. coli . Βασιζόμενοι σε μια εργαλειοθήκη συστατικών παραγόντων μεταγραφής που συναρμολογήθηκαν από τους συναδέλφους τους, σχεδίασαν δύο που ήταν ενεργά ως ομοδιμερή αλλά ανενεργά ως ετεροδιμερή. Το μοντέλο πρότεινε ότι ένα σύστημα ελέγχου που χτίστηκε γύρω από αυτά θα μπορούσε να βάλει τα κύτταρα σε τρεις διακριτές καταστάσεις:μία στην οποία ήταν ενεργό μόνο το πρώτο γονίδιο, μία στην οποία ήταν ενεργό μόνο το δεύτερο γονίδιο και μία στην οποία ήταν ενεργά και τα δύο. Ποια κατάσταση θα επικρατούσε θα εξαρτιόταν από τη σταθερότητα των πρωτεϊνών του παράγοντα και από το πόσο πιθανό ήταν να συνδεθούν μεταξύ τους. "Ο σχεδιασμός σας δίνει συνδυαστικό έλεγχο και επίσης επιτρέπει σε μια κατάσταση να καταστείλει τις άλλες καταστάσεις", είπε ο Zhu.

Φυσικά, το μόντελινγκ είναι ένα πράγμα. Το να κάνεις κάτι να λειτουργεί σε ένα ζωντανό κύτταρο είναι άλλο. «Αν κάνετε πολλή μαθηματική μοντελοποίηση της βιολογίας, γνωρίζετε πάντα ότι τα μοντέλα είναι μια πολύ πρόχειρη προσέγγιση με αυτό που συμβαίνει σε πολλές περιπτώσεις και είναι συχνά δύσκολο να τα κάνετε προβλέψιμα», είπε ο Έλοβιτς. Η ομάδα εξεπλάγη, λοιπόν, όταν ο Zhu εισήγαγε τα γονίδια για την αρχική δοκιμή σε κύτταρα χάμστερ και τα κύτταρα μεταμορφώθηκαν υπάκουα σε ένα ζωγραφικό σχέδιο πράσινου, κόκκινου και κίτρινου. Το σύστημα, το οποίο ονόμασαν MultiFate, φαινόταν να λειτουργεί.

Για να δουν αν θα κλιμακωθεί όπως προέβλεπε το μοντέλο, πρόσθεσαν έναν τρίτο παράγοντα μεταγραφής, ο οποίος ανέβασε τον αναμενόμενο αριθμό καταστάσεων σε επτά. Τα κύτταρα ανέπτυξαν υποχρεωτικά ένα καλειδοσκόπιο επτά αποχρώσεων. Αν έμεναν ανενόχλητοι, οι πολιτείες παρέμειναν για περισσότερο από ένα μήνα, απηχώντας τη σταθερότητα ενός φυσικού συστήματος.

Οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης πώς τα κύτταρα ανταποκρίθηκαν στην αλλαγή. Μεταβάλλοντας τη συγκέντρωση μιας χημικής ουσίας στο περιβάλλον των κυττάρων, θα μπορούσαν να αποσταθεροποιήσουν τις πρωτεΐνες του παράγοντα μεταγραφής. όπως προβλεπόταν, αυτό έκανε τα κύτταρα να μετακινούνται μεταξύ των καταστάσεων. Περιέργως, όμως, οι αποκρίσεις των κατασκευασμένων κυψελών διαμορφώθηκαν εν μέρει από την ιστορία τους. Άλλαξαν καταστάσεις όταν η συγκέντρωση του χημικού παράγοντα πήγαινε από υψηλή σε χαμηλή — αλλά όταν η συγκέντρωση αυξήθηκε ξανά, δεν επανήλθαν απλώς.

Αυτή η συμπεριφορική ασυμμετρία έχει έναν παραλληλισμό στη φύση, όπου τα κύτταρα που ζουν σε μια εποχή σπανιότητας, για παράδειγμα, μπορεί να παραμένουν σε μόνιμη κατάσταση συσσώρευσης ενέργειας. Η επαναφορά του περιβάλλοντος δεν εξαλείφει την εμπειρία του κελιού.

Περπάτημα μέσα από το κυτταρικό τοπίο

«Είναι εξαιρετικά έξυπνο», είπε ο Ahmad Khalil, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης, ο οποίος συνέγραψε ένα σχόλιο σχετικά με την εργασία Elowitz και Zhu για την Science . "[Δείχνει] πώς μπορείτε να περπατήσετε μέσα από αυτό το τοπίο - να αναδιαμορφώσετε αυτό το τοπίο - διαφορετικών καταστάσεων αυξάνοντας ή μειώνοντας απλώς τη σταθερότητα της πρωτεΐνης."

Αυτό είναι ένα βαθύ επίτευγμα, γιατί όποια διαδικασία οδήγησε στην πολυπλοκότητα των τεράστιων πολυκύτταρων οργανισμών σήμερα πρέπει να ξεκίνησε πολύ απλά και πολύ πιθανόν να βασιζόταν σε κάτι βασικό και μεταβλητό όπως η σταθερότητα της πρωτεΐνης. Το σύστημα που περιέγραψαν οι Elowitz και Zhu υποδηλώνει ότι τέτοιες αρχές θα ήταν επαρκείς για να δημιουργήσουν τη μεγάλη ποικιλία που βλέπουμε στη φύση.

Wang, ο οποίος ανέπτυξε το E. coli σύστημα με τέσσερις σταθερές καταστάσεις, πιστεύει ότι είναι ενδεικτικό ότι η μοντελοποίηση των ερευνητών βασίστηκε στη μη γραμμική δυναμική, έναν κλάδο των μαθηματικών που ασχολείται με συστήματα που συχνά έχουν πολύπλοκα, εκπληκτικά αποτελέσματα. «Ολόκληρο το δίκτυο γονιδιακής ρύθμισης είναι ένα μη γραμμικό δίκτυο», είπε. Και ενώ η μη γραμμικότητα μπορεί συχνά να οδηγήσει σε χάος, στη βιολογία συνήθως δεν το κάνει. "Έτσι πρέπει να υπάρχει κάτι άλλο εκεί μέσα, μερικές βαθιές, βαθιές αρχές και κανόνες για να γίνει το πράγμα τόσο περίπλοκο αλλά και τόσο ισχυρό."

«Θεωρητικά, εάν έχετε ένα κύριο δίκτυο οκτώ παραγόντων μεταγραφής, έχετε τον βασικό μηχανισμό για να έχετε όλες τις δυνατότητες να σχηματίσετε ένα ανθρώπινο σώμα», πρόσθεσε ο Wang. Πράγματι, οι Elowitz και Zhu έγραψαν στην εργασία τους MultiFate ότι με μόλις 11 μεταγραφικούς παράγοντες, θα πρέπει να είναι δυνατή η παραγωγή περισσότερων από 1.000 σταθερών καταστάσεων.

«Στα χαρτιά είναι πολύ επεκτάσιμο», είπε ο Wang. «Αλλά όταν κλιμακώνεστε, πρέπει να είστε προσεκτικοί. Στη βιολογία υπάρχουν τόσα πολλά που είναι άγνωστα. Μπορεί να δούμε κάτι που δεν περιμένουμε."

Στο μέλλον, υπέθεσε ο Khalil, οι ερευνητές θα μπορούσαν να ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν το σύστημα MultiFate για να ελέγξουν πραγματικές πτυχές της ανάπτυξης και της αλλαγής ενός κυττάρου, και όχι μόνο το χρώμα του. Ίσως τα κύτταρα που εισάγονται σε ασθενείς θα μπορούσαν να κατασκευαστούν ώστε να ανταποκρίνονται στο περιβάλλον τους ακολουθώντας επιθυμητές αναπτυξιακές διαδρομές. Εάν αισθάνονταν καρκίνο, για παράδειγμα, μπορεί να αναπτυχθούν με διαγνωστικά ή θεραπευτικά χρήσιμο τρόπο. «Είναι μια πολύ ωραία ιδέα», είπε.

Για τον Elowitz, το σύστημα είναι μια πύλη για να κατανοήσει κανείς τις παραξενιές της βιολογίας ως κάτι περισσότερο από μια απλή μηχανή Rube Goldberg. Τα ιδιότροπα μηχανήματα του καλλιτέχνη, τα οποία εκτελούσαν απλές εργασίες με τον μέγιστο αριθμό βημάτων, ήταν «η τέλεια ενσάρκωση του ανεξέλικτου σχεδίου», είπε — κάτι που κάνει αυτό που πρέπει να κάνει, αλλά τίποτα άλλο.

«Τα φυσικά συστήματα… μπορεί να φαίνονται έτσι επιφανειακά επειδή δεν καταλαβαίνουμε πλήρως τι συμβαίνει», είπε. "Μόλις καταλάβουμε τον σωστό τρόπο να το δούμε, μπορούμε να το εκτιμήσουμε ως απλό σχέδιο."