Induzierte Pluripotenz und Reprogrammierung

Wie differenzierte Zellen durch definierte Faktoren in einen pluripotenten Zustand zurückversetzt werden können und was dies über die Reversibilität der Zellidentität aussagt.

Definition

Reprogrammierung ist die experimentelle Umwandlung einer Zelle von einem differenzierten Zustand in einen anderen oder zurück in einen weniger differenzierten Zustand; induzierte Pluripotenz ist die spezifische Reprogrammierung einer differenzierten Zelle in einen pluripotenten Zustand durch die Einführung eines definierten Satzes von Regulationsfaktoren.

Scope

Dieses Thema behandelt die zelluläre Reprogrammierung: Kerntransfer, die Induktion von Pluripotenz durch definierte Transkriptionsfaktoren und die direkte Umwandlung (Transdifferenzierung) zwischen Zelltypen. Es werden die Implikationen der Reprogrammierung für das Verständnis der Aufrechterhaltung der Zellidentität und für die Generierung patientenspezifischer Zellen behandelt, wobei Anwendungen eher als Bedeutung denn als Anleitung dargestellt werden.

Core questions

• Wie kann eine differenzierte Zelle in einen pluripotenten Zustand zurückversetzt werden?
• Welche Faktoren sind ausreichend, um Pluripotenz zu induzieren?
• Kann ein differenzierter Zelltyp direkt in einen anderen umgewandelt werden?
• Was verrät die Reprogrammierung darüber, wie die Zellidentität aufrechterhalten wird?

Key concepts

• Kerntransfer
• Induzierte pluripotente Stammzellen
• Definierte Reprogrammierungsfaktoren
• Direkte Umwandlung (Transdifferenzierung)
• Reversibilität der Zellidentität

Key theories

Transkriptionsfaktor-gesteuerte Reprogrammierung

Die Einführung einer definierten Kombination von Transkriptionsfaktoren kann das differenzierte Programm einer Zelle außer Kraft setzen und sie in die Pluripotenz zurückversetzen, was zeigt, dass die Identität aktiv durch regulatorische Inputs aufrechterhalten wird und nicht durch irreversible genetische Veränderungen festgelegt ist.

Mechanisms

Frühe Hinweise darauf, dass die Zellidentität reversibel ist, stammten aus dem Kerntransfer, bei dem ein differenzierter Kern, der in eine Eizelle eingebracht wurde, die Entwicklung unterstützen konnte, was zeigt, dass das Genom intakt bleibt. Die Reprogrammierung zur Pluripotenz wird durch die erzwungene Expression einer kleinen Gruppe von Transkriptionsfaktoren erreicht, die das Pluripotenznetzwerk reaktivieren und die Chromatin- und Genexpressionszustände zurücksetzen; die resultierenden induzierten pluripotenten Zellen ähneln embryonalen Stammzellen. Bei der direkten Umwandlung werden für eine differenzierte Linie charakteristische Faktoren in einen anderen Zelltyp eingebracht, um dessen Identität zu ändern, ohne einen pluripotenten Zustand zu durchlaufen. Diese Prozesse zeigen, dass der differenzierte Zustand ein regulatorisches Gleichgewicht ist, das durch definierte Inputs verschoben werden kann.

Clinical relevance

Die Reprogrammierung ermöglicht die Generierung patientenspezifischer Zellen für die Krankheitsmodellierung, Medikamententests und potenzielle Zelltherapien und bietet ein Werkzeug, um zu untersuchen, wie die Zellidentität etabliert wird. Dieser Eintrag dient der Bildung und bietet keine medizinische Beratung.

History

Kerntransfer-Experimente zeigten, dass ein differenzierter Kern das volle Entwicklungspotenzial behält. Darauf aufbauend eröffnete der Nachweis, dass definierte Transkriptionsfaktoren Pluripotenz in differenzierten Zellen induzieren können, ein neues Feld und wurde zusammen mit der früheren Kerntransferarbeit mit einem Nobelpreis gewürdigt.

Key figures

• Shinya Yamanaka
• John Gurdon

Seminal works

• takahashi2006
• gilbert2016

Frequently asked questions

Was sind induzierte pluripotente Stammzellen?

Es handelt sich um differenzierte Zellen, wie z. B. Hautzellen, die durch die Einführung eines definierten Satzes von Transkriptionsfaktoren in einen pluripotenten Zustand zurückversetzt wurden – fähig, viele Zelltypen zu bilden.

Verändert die Reprogrammierung die DNA einer Zelle?

Nein. Die Reprogrammierung verändert, welche Gene aktiv sind, indem sie regulatorische und Chromatinzustände zurücksetzt; die zugrunde liegende DNA-Sequenz bleibt gleich, weshalb der Prozess reversibel ist.