Moleculaire morsecode in stamcellen codeert voor differentiatie-informatie – ScienceDaily

Tijdens hun ontwikkeling tot een laat embryo doorlopen stamcellen een reeks ontwikkelingsstappen. De overgang tussen deze stappen wordt gecontroleerd door signaalmoleculen die worden uitgewisseld tussen naburige cellen. Fibroblastgroeifactor 4 (FGF4) is een van de belangrijkste signalen tijdens de vroege embryonale ontwikkeling van zoogdieren. Wanneer de cel het herkent, wordt deze informatie verwerkt door een netwerk van signaaleiwitten, waardoor een cellulaire respons ontstaat. De belangrijkste netwerkspelers, hun rol en interacties zijn nu bekend, maar er is weinig bekend over signaaldynamiek. Maar wat betekent dynamiek eigenlijk, en waarom is dynamiek belangrijk?

Dynamiek bepaalt het lot van de cel

In het kindervoorbeeld van het belang van dynamiek bij signaaltransductie, wekken twee verschillende moleculaire signalen verschillende cellulaire reacties op – differentiatie en groei van cellen – ondanks het gebruik van hetzelfde signaaltransductienetwerk. Dit is mogelijk omdat de dynamiek waarmee het signaaltransductiesysteem wordt geactiveerd specifiek is voor beide moleculaire signalen: terwijl de ene het systeem voor een korte tijd activeert, wat leidt tot celgroei, activeert de ander hetzelfde systeem voor een langere periode met differentiatie tot gevolg. Signaaldynamiek is dus duidelijk belangrijk voor het bepalen van het lot van de cel. Veel onderzoeken tot nu toe konden echter alleen rekening houden met een vrij langzame dynamiek die zich gedurende uren ontvouwde en die in alle cellen hetzelfde was; Ze waren blind voor de snelle dynamiek, vooral als ze verschilden tussen stamcellen in hetzelfde gerecht.

ERK-activiteit pulseert elke zes tot zeven minuten

Teams rond Christian Schrotter en Louis Morelli hebben nu een beter begrip kunnen krijgen van de dynamiek van snelle signalering in stamcellen. Door een fluorescerende sensor in levende stamcellen te plaatsen, kunnen wetenschappers de activiteit van het belangrijkste signaaleiwit ERK in realtime meten. ERK-activiteit is belangrijk voor het vertalen van moleculaire signalen naar een genetische respons en dus voor het reguleren van stamceldifferentiatie. “Het meten van ERK-activiteit in afzonderlijke stamcellen op korte tijdschaal is experimenteel erg moeilijk en is nog niet eerder op deze manier gedaan. Voor het eerst kunnen we waarnemen dat ERK-activiteit elke zes tot zeven minuten pulseert, sneller dan vergelijkbare signalen hebben eerder in andere celsystemen. In afzonderlijke cellen kwamen de pulsen vaak regelmatig na elkaar voor, maar de pulspatronen waren opvallend verschillend tussen individuele cellen”, zegt Christian Schrotter. De onderzoekers konden ook opmerken dat naarmate het FGF4-signaal toenam, het aantal pulsen toenam wanneer er veel cellen werden verzameld, hoewel de duur van enkele pulsen niet veranderde met FGF4.

Multidisciplinaire aanpak – transcontinentale samenwerking

“Dit soort gegevens en de rol ervan in cellulaire signalering is moeilijk uit te leggen. En dat is het punt waar onze expertise begon”, zegt Luis Morelli, langdurige samenwerkingspartner en groepsleider bij IbioBa, een partnerinstituut van de Max Planck Society . “We moesten een nieuwe theoretische benadering ontwikkelen om dynamiek in een tijdreeks te beschrijven. Door dit te doen, zagen we dat de duur van een gepulseerd interval informatie kan coderen, waar we pulsen en stiltes kunnen vinden. We noemen dit nieuwe dynamische kenmerk intermitterende oscillaties .”

“Schommelingen zijn een steeds bekender kenmerk van signaalprocessen. We veronderstellen dat de intermitterende oscillaties die we in stamcellen hebben gevonden, fungeren als een soort morsecode die differentiatie-informatie codeert. Vermoedelijk is het de omschakeling van puls naar stilte die een cruciale rol. De vraag nu, wat vertelt het ons? De dynamiek van signaalregulatie in stamcellen? Hoe kunnen cellen oscillaties lezen en hoe beïnvloeden ze het celgedrag? Ik ben ervan overtuigd dat een nauwe samenwerking tussen experimentatoren en theoretici nodig is om ooit de oorsprong en functies van deze nieuwe dimensie in de stamcelbiologie te ontrafelen”, zegt Christian Schroer.

Bron verhaal:

Materialen Introductie van Max Planck Instituut voor Moleculaire Fysiologie. Opmerking: inhoud kan worden aangepast aan stijl en lengte.