Wetenschappers identificeren gen dat cruciaal is voor normale ontwikkeling van longen en hersenen

Wetenschappers identificeren gen dat cruciaal is voor normale ontwikkeling van longen en hersenen

Ontdekking kan leiden tot nieuwe manieren om beschadigd longweefsel te vervangen door stamcellen

LA JOLLA, CA - Wetenschappers van het Salk Institute for Biological Studies hebben een gen geïdentificeerd dat cellen vertelt om meerdere cilia te ontwikkelen, kleine haarachtige structuren die vloeistoffen door de longen en hersenen verplaatsen. De bevinding kan wetenschappers helpen nieuwe therapieën te ontwikkelen die stamcellen gebruiken om beschadigd weefsel in de longen en andere organen te vervangen.

"Cellen met meerdere cilia spelen een aantal belangrijke rollen, waaronder het verplaatsen van vloeistoffen door de luchtwegen, de hersenen en het ruggenmerg", zegt Christopher R. Kintner, een professor in Salk's Laboratorium voor moleculaire neurobiologie, die het onderzoek leidde. "Het kennen van het gen dat cellen instrueert om meerdere cilia te ontwikkelen, helpt ons te begrijpen hoe we stamcellen kunnen overhalen om zich te ontwikkelen tot dit type cel, die we vervolgens kunnen gebruiken om beschadigd weefsel te herstellen."

De Salk-onderzoekers ontdekten het master-gen dat cellen vertelt om meerdere haarachtige cilia te ontwikkelen, zoals die in roze te zien zijn in dit valsgekleurde elektronenmicroscoopbeeld van het oppervlak van een kikkerembryo.

Afbeelding: met dank aan het Salk Institute for Biological Studies; Chris Kintner, Molecular Neurobiology Laboratory, en Matthew Joens en James Fitzpatrick, Waitt Advanced Biophotonics Center

De bevindingen van het onderzoek, dat werd ondersteund door de National Institutes of Health en Salk's Innovation Grants Program, werden gepubliceerd in het online nummer van 8 januari van Natuur celbiologie.

Kintner en zijn medewerker, Jennifer Stubbs, een wetenschapper nu bij Pathway Genomics, een biotechbedrijf in San Diego, samen met Eszter Vladar, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Jeffery Axelrod, aan de Stanford University School of Medicine, deden hun ontdekking door aanvankelijk te bestuderen de embryo's van Afrikaanse klauwkikkers (Xenopus laevis).

Multiciliate cellen vormen zich aan de buitenkant van de embryo's, waardoor ze gemakkelijk te bestuderen zijn, en de genetische mechanismen die de kikkercellen aansturen om meerdere cilia te ontwikkelen, zijn waarschijnlijk vergelijkbaar met die van mensen.

Mensen en andere organismen erfden cilia van onze eencellige oervoorouders die deze kloppende structuren gebruikten als een vorm van voortstuwing. De meeste cellen in ons lichaam projecteren een enkele, niet-bewegende cilium die wordt gebruikt als een kleine antenne voor het detecteren van chemische en fysieke prikkels. Maar bepaalde gespecialiseerde weefsels hebben cellen nodig met 100 tot 200 bewegende cilia die samen slaan om vloeistoffen door het lichaam te verplaatsen.

Deze cellen helpen bij het duwen van cerebrospinale vloeistof door de hersenen en het ruggenmerg, waardoor deze vloeistof kan circuleren en aanvullen. In het ademhalingssysteem duwen de cilia slijm dat stof, ziekteverwekkers en ander vreemd materiaal van de longen naar de luchtpijp opsluit, waardoor infecties worden voorkomen.

In een eerdere studie, gepubliceerd in Nature Geneticsidentificeerden Kintner en Stubbs een eiwit, FoxJ1, dat de vorming van een enkele bewegende cilium bevorderde. Wat onduidelijk bleef, is hoe bepaalde cellen FoxJ1 activeren op een manier die leidt tot de vorming van honderden beweeglijke cilia per cel.

In hun nieuwe studie identificeerden Kintner en zijn medewerkers een gen dat een tweede eiwit produceert, dat ze "multicilin" noemden, dat cellen vertelt om meerdere cilia te ontwikkelen. Wanneer cellen worden blootgesteld aan multiciline, worden hun genetische mechanismen voor het ontwikkelen van meerdere cilia geactiveerd. In een zich ontwikkelend embryo instrueert het eiwit bepaalde stamcellen die de longen, nieren en huid zullen bekleden om zich te ontwikkelen tot multiciliate cellen.

Toen de onderzoekers de werking van multicilin remden, konden de huid en nier van de kikkers geen multiciliate cellen vormen. De wetenschappers ontdekten ook dat multicilin zowel noodzakelijk als voldoende is om de ontwikkeling van meerdere cilia in cellen die de luchtwegen van muizen bekleden te instrueren.

"Dit betekent dat multicilin de ontwikkeling van deze cellen in een aantal verschillende organen stuurt", zegt Kintner. "Hoe multiciliate cellen zich ontwikkelen was een mysterie, maar dit vult een groot stuk van de puzzel."

Kintner merkt op dat patiënten met luchtwegaandoeningen zoals chronisch astma, emfyseem en cystische fibrose vaak lijden aan longinfecties, die het gevolg kunnen zijn van schade aan de trilharencellen die beschermend slijm uit de luchtwegen verwijderen. In de toekomst zouden stamceltherapieën die beschadigde cellen kunnen vervangen door nieuwe cellen met trilharen, maar eerst moeten wetenschappers weten hoe ze stamcellen langs een pad naar multiciliate cellen kunnen leiden.

"Onze bevindingen suggereren dat multicilin centraal zou kunnen staan ​​in het differentiëren van stamcellen in vervangende cellen", zegt Kintner. "Het is een noodzakelijke stap in het ontwikkelen van dergelijke therapieën."

Voor informatie over de commercialisering van deze technologie kunt u contact opnemen met:

Paul Roben
Directeur, bedrijfsontwikkeling
Salk Institute for Biological Studies
10010 Noord Torrey Pines Road
La Jolla, CA 92037
Tel: 858.453.4100, x 1223

Over het Salk Instituut voor Biologische Studies:
Het Salk Institute for Biological Studies is een van 's werelds meest vooraanstaande instellingen voor fundamenteel onderzoek, waar internationaal gerenommeerde faculteiten fundamentele levenswetenschappelijke vragen onderzoeken in een unieke, collaboratieve en creatieve omgeving. Salk-wetenschappers zijn zowel gericht op ontdekking als op het begeleiden van toekomstige generaties onderzoekers en leveren baanbrekende bijdragen aan ons begrip van kanker, veroudering, Alzheimer, diabetes en infectieziekten door neurowetenschappen, genetica, cel- en plantenbiologie en aanverwante disciplines te bestuderen.

Faculteitsprestaties zijn erkend met tal van onderscheidingen, waaronder Nobelprijzen en lidmaatschappen van de National Academy of Sciences. Het instituut, opgericht in 1960 door poliovaccinpionier Jonas Salk, MD, is een onafhankelijke non-profitorganisatie en architectonisch monument.