Universiteit Leiden

nl en

Biofysici zien hoe stamcellen beslissingen maken

Embryonische stamcellen hebben het opmerkelijke vermogen om zich door te ontwikkelen tot elk type cel. Tijdens hun metamorfose richting bijvoorbeeld een lever- of hartcel, moeten ze steeds weer kiezen tussen verschillende ontwikkelingspaden. Hoe ze deze beslissingen maken is grotendeels onbekend. Een internationaal team van biofysici heeft nu in weergaloos detail het besluitvormingsproces in kaart gebracht, waarbij ze toekijken terwijl de cellen hun keuzes bepalen. Publicatie in Nature Communications op 23 oktober.

Embryonische stamcellen houden een grote belofte in voor medische toepassingen, zoals reparatie van beschadigd weefsel of gepersonaliseerde medicijntesten. Voor deze toepassingen moeten stamcellen transformeren in perfect gedefinieerde volwassen celtypes, maar dat is nog erg lastig. Vaker wel dan niet ontwikkelt een populatie stamcellen zich tot verschillende soorten cellen, waarmee het biomedische toepassingen dwars zit. Als je bijvoorbeeld een medicijn test op giftigheid voor de lever, mogen er geen niercellen in het sample zitten. Om het rijpingsproces beter te begrijpen en te sturen, heeft een team van wetenschappers uit Leiden, Utrecht en Boston nu het pad in kaart gebracht van stamcel tot volwassen celtype, voor elke cel apart.

RNA-sequencing

Leids natuurkundige Stefan Semrau en zijn collega’s hebben een revolutionair nieuwe methode toegepast op embryonische stamcellen: single-cell RNA-sequencing. Deze techniek heeft het vermogen om het aantal en de sequentie van RNA-moleculen te meten in individuele cellen. De samenstelling van RNA-moleculen is typerend voor elk celtype—een genetisch visitekaartje. Genen die belangrijk zijn in een bepaald celtype worden gerepresenteerd door vele RNA-moleculen, terwijl andere genen inactief blijven.

Opsplitsing

Met gebruik van RNA-sequencing vond het team een ingewikkeld dynamisch patroon. Toen ze stamcellen behandelden met retinezuur—een belangrijk signaalmolecuul—reageerden alle stamcellen oorspronkelijk op dezelfde manier. Maar na 24 uur splitste de populatie zich op in twee groepen. Die situatie bleef onveranderd tot aan het einde van het vierdaagse experiment. Met andere woorden: de stamcellen kozen tussen twee verschillende celtypes. Het experiment onthulde welke eiwitten betrokken zijn bij het proces, wat helpt bij ons begrip van het besluitvormingsproces van cellen op moleculair niveau.

De nieuwe sequencing-methode is ook een belangrijke stap richting ons begrip van de ontwikkeling van een embryo. De opsplitsing van een oorspronkelijk homogene populatie vormt namelijk het fundamentele mechanisme achter de creatie van alle celtypes vanuit één enkele bevruchte eicel.

Publicatie

Stefan Semrau, Johanna Goldmann, Magali Soumillon, Tarjei S. Mikkelsen, Rudolf Jaenisch & Alexander van Oudenaarden, ‘Dynamics of lineage commitment revealed by single-cell transcriptomics of differentiating embryonic stem cells’, Nature Communications

Credit header image: Nissim Benvenisty

Deze microscopische afbeelding laat RNA-moleculen zien die zichtbaar zijn gemaakt via fluorescentie. De RNA-moleculen zie je in groen en paars, en horen respectievelijk bij de genen Gata6 en Pax6, die een belangrijke rol spelen in het besluitvormingsproces.