Mechanisme Regulerend menselijk pluripotent stamcelmetabolisme aan het licht gebracht

Menselijke pluripotente stamcellen kunnen zich ontwikkelen tot elk celtype in het lichaam. Ze zijn sterk afhankelijk van suikerfermentatie of glycolyse om hun metabolische activiteiten aan te sturen. Ter vergelijking, volwassen cellen waartoe pluripotente stamcellen zich kunnen ontwikkelen, vertrouwen hoofdzakelijk op mitochondriën in cellen om zuurstof en suiker om te zetten in water en koolstofdioxide tijdens een proces met hoge energieproductie (oxidatieve fosforylering) voor hun metabole vereisten.
Tot nu toe is het onbekend gebleven hoe cellen tijdens de ontwikkeling van de ene vorm van energieproductie naar de andere gaan. UCLA-stamcelonderzoekers hebben echter een nieuwe bevinding ontdekt die een nieuw inzicht biedt in deze overgang die implicaties zou kunnen hebben voor het gebruik van deze cellen voor behandelingen in de kliniek. Het vier jaar durende onderzoek werd gepubliceerd in het nummer van 15 november van Het EMBO-dagboek, een peer-reviewed tijdschrift van de European Molecular Biology Organization.
Onderzoekers geloofden (voornamelijk gebaseerd op visuele verschijning) dat pluripotente stamcellen bestonden uit inactieve en onontwikkelde mitochondriën. Mitochondriën zijn krachtcentra van de cel die de energiecellen verschaffen die nodig zijn om te delen, te bewegen.
Er werd verondersteld dat mitochondriën in stamcellen niet konden ademen, of zuurstof en suiker omzetten in koolstofdioxide en water met de productie van energie. Daarom verwachtten de onderzoekers dat mitochondriën gerijpt en ook het vermogen kregen om te ademen tijdens de overgang van pluripotente stamcellen naar verschillende cellen in het lichaam in de loop van de tijd.
Dr. Michael Teitall, een onderzoeker bij het Eli en Edythe Broad Centre of Regenerative Medicine and Stem Cell Research aan de UCLA en een professor in kindergeneeskunde, pathologie en laboratoriumgeneeskunde en bio-ingenieur, samen met Carla Koehler, een UCLA hoogleraar scheikunde en biochemie, gevonden dat hoewel pluripotente stamcellen extreem weinig energie produceren, ze op ongeveer dezelfde niveaus als andere cellen in het lichaam ademen, waardoor het zuurstof- en suikerconsumptie van de energieproductie wordt losgemaakt.
In plaats van het verwachte resultaat van de onderzoekers dat mitochondria gerijpt zijn met celdifferentiatie, hebben ze een mechanisme blootgelegd waarmee de stamcellen omgezet zijn van glucosefermentatie naar zuurstofafhankelijke ademhaling om hun volledige vermogen om celtypes na celdeling te produceren te bereiken.
Studie senior auteur Teitell uitgelegd:

"Er wordt veel aandacht besteed aan de rol van het metabolisme in pluripotente stamcellen voor het maken van goed gedifferentieerde cellijnen voor onderzoek en potentiële klinische toepassingen.
De eerste vraag die aan ons onderzoek ten grondslag lag, was of het metabolisme in pluripotente stamcellen en kankercellen, die ook sterk afhankelijk zijn van glycolyse, moleculair vergelijkbaar was. Deze vraag leidde ons naar de details van energieopwekking door mitochondriën in pluripotente stamcellen. "

Cellen genereren op de eerste plaats energie in de vorm van ATP, door gebruik te maken van ademhaling, waarbij de cel zuurstof en suiker verbruikt om water en kooldioxide te maken om celfuncties te versterken, of door glucoseopname en fermentatie in het cytoplasma. Het team verwachtte dat pluripotente stamcellen niet in staat waren om te ademen vanwege eerdere meldingen van de schaarste aan mitochondriën en het onvolwassen uiterlijk.
Ze ontdekten dat de moleculaire complexen die verantwoordelijk waren voor de ademhaling (elektronentransportketen) in de mitochondria van pluripotente stamcellen werkten, en dat de cellen in plaats daarvan afhankelijk waren van glycolyse voor het genereren van energie. De onderzoekers gaan ervan uit dat er tijdens de werking van de elektronentransportketen een of meer onbekende regulatoren waren die de stamcellen niet hielpen te ademen.
Jin Zhang, een afgestudeerde student en eerste auteur van het onderzoek, ontdekte dat een eiwit dat ontkoppelingseiwit 2 (UCP2) wordt genoemd, in de pluripotente stamcellen tot uiting kwam. Verder ontdekte hij dat UCP2 beluchtende respiratiesubstraten die werden verkregen uit glucose belet toegang te krijgen tot de mitochondriën, in plaats daarvan voorkwam UCP2 de pluripotente stamcellen naar de glycolytische en biosynthese routes die zich in het cytoplasma bevinden, waardoor hun vermogen om te ademen wordt voorkomen als een techniek voor het produceren van energie.
Omdat de stamcellen werden aangedreven om zich te ontwikkelen tot rijpe celtypen, werd de UCP2-expressie geblokkeerd, waardoor ademhalingssubstraten de mitochondriën konden binnendringen om energie te produceren, waardoor de pluripotente stamcellen van glycolyse werden omgezet in oxidatieve fosforylering.

Het team ontdekte dat door het manipuleren van UCP2-expressie om het in differentiërende cellen ingeschakeld te houden, de pluripotente rijping van stamcellen werd gestoord. Deze ontdekking kan deze stamcellen ongeschikt maken voor klinisch gebruik. Daarnaast benadrukt deze bevinding het belang van een goed functionerend metabolisme voor het produceren van veilige, hoogwaardige cellen.
Het team verifieerde deze ontdekkingen in zowel menselijke embryonale stamcellen als in geïnduceerde pluripotente stamcellen, die volgroeide lichaamscellen zijn die genetisch zijn gemodificeerd om dezelfde eigenschappen en capaciteiten te hebben als de pluripotente embryonale stamcellen.
Teitell, legde uit:

"Een belangrijke vraag die zich tijdens het onderzoek ontwikkelde, was of het het proces was van pluripotente stamceldifferentiatie dat het patroon van het metabolisme veranderde, of veranderde het metabolisme het differentiatieproces, een typische kip, of -de-ei vraag.
We hebben UCP2 tot overexpressie gebracht in de stamcellen en laten zien dat metabolismepatronen zijn veranderd voordat markers van pluripotent van celrijping veranderden, wat aangeeft dat veranderingen in metabolisme veranderingen in differentiatie beïnvloeden en niet andersom, althans voor UCP2.
Dit was belangrijk om oorzakelijkheid te tonen voor metabole veranderingen in het proces van celdifferentiatie.Het laat echter nog steeds de belangrijkste vraag open hoe het manipuleren van het celmetabolisme de celdifferentiatie bestuurt, een vraag waar we hard aan werken. "

Teitell zei dat, aangezien het metabolisme in pluripotente stamcellen sterk lijkt op kankercellen, de ontdekkingen van dit onderzoek mogelijk kunnen worden gebruikt om UCP2 te richten op kwaadaardige tumoren die het tot expressie brengen, waarvan er verschillende zijn. Het blokkeren van UCP2 kan annuleercellen ertoe aanzetten om in te ademen, wat hun vermogen om snel te groeien kan verzwakken.
Het onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door het California Institute for Regenerative Medicine, en Eli en Edythe Broad Centre voor Regeneratieve Geneeskunde en Stem Cell Research training, de National Institutes of Health en het National Center for Research Resources.
Geschreven door Grace Rattue