Solucionar el problema con las células madre pluripotentes inducidas

hLas células madre embrionarias humanas (ESC), derivadas de la masa celular interna del blastocisto antes de su unión al útero, pueden diferenciarse en múltiples tipos de células. Debido al debate ético que rodea su uso en la investigación, los científicos han desarrollado estrategias para generar un tipo diferente de células pluripotentes: las células madre pluripotentes inducidas (iPSC). Al inducir la expresión de cuatro factores de transcripción específicos, los investigadores reprogramar células diferenciadas para generar iPSC que pueden dar lugar a diferentes tipos de células.¹

“Se podrían tomar células de la piel de alguien con un trastorno genético particular y [from these cells] en un plato, generar iPSC humanas que luego se pueden diferenciar en los tipos de células relevantes para ese trastorno”, dijo Ryan Lister, experto en iPSC humanas de la Universidad de Australia Occidental. Los investigadores pueden cultivar estas células diferenciadas para estudiar modelos de enfermedades, buscar medicamentos para reparar mutaciones o remediar disfunciones celulares en células de pacientes.

Además de su pluripotencia, las iPSC y las ESC son similares en otros aspectos, como su morfología y marcador de pluripotencia expresión.^2,3 Sin embargo, difieren significativamente entre sí. funcionalmente y epigenéticamentelo que limita el uso potencial de las iPSC en la investigación.^4,5 Los investigadores descubrieron previamente que las iPSC retienen memoria de las células de las que provienen en forma de marcas epigenéticas, como la metilación del ADN y las modificaciones de histonas, y tienden a diferenciarse en células que están estrechamente relacionadas con ese tipo de célula original.⁶ Las ESC no tienen este problema y se diferencian de las iPSC en sus estados de metilación, pero se desconoce cómo surgen estas diferencias epigenéticas en las iPSC. En su reciente Naturaleza En este artículo, un grupo de investigadores liderados por Lister y José Polo, experto en epigenética de la Universidad de Adelaida, exploraron cómo estos cambios epigenéticos surgen en las iPSC durante la reprogramación, lo que los llevó a desarrollar una estrategia que podría prevenir estas anomalías epigenéticas.⁷

Para determinar cuándo ocurren cambios epigenéticos durante la reprogramación, los investigadores utilizaron dos condiciones de cultivo diferentes para convertir fibroblastos humanos en iPSC. Estas condiciones produjeron células que estaban en un estado “preparado” altamente metilado o en un estado “ingenuo” con baja metilación. Las células madre pluripotentes vírgenes y preparadas difieren en sus características de crecimiento y su capacidad para dar lugar a diferentes tipos de células somáticas. A medida que avanzaba la reprogramación, el equipo de Lister y Polo aislaba lotes de células cada pocos días. Luego perfilaron su estado de metilación del ADN a lo largo del tiempo mediante la secuenciación con bisulfito de todo el genoma. Descubrieron que la metilación del ADN apareció antes en las iPSC vírgenes, mientras que en las iPSC preparadas, las aberraciones epigenéticas surgieron a mitad de camino de la reprogramación.

Para ver si estas anomalías epigenéticas podían evitarse, Lister y Polo desarrollaron un nuevo protocolo llamado tratamiento nativo transitorio (TNT), en el que después de una semana de reprogramación cultivaron fibroblastos en condiciones naïve durante 5 días para permitir que se produjera la desmetilación y luego cambiaron. a medios imprimados regulares para completar la transición a iPSC. Los investigadores descubrieron que las iPSC generadas de esta manera no sólo eran morfológica y molecularmente similares a las ESC, sino que también tenían aberraciones epigenéticas mínimas y no sobreexpresaban elementos transponibles, que son capaces de saltar en el genoma y causar mutaciones genéticas. La reprogramación de TNT también produjo iPSC con la capacidad de diferenciarse en una gran cantidad de tipos de células, incluido el endodermo, las neuronas corticales, las células del músculo esquelético y las células epiteliales del pulmón. En particular, podrían diferenciarse en células madre neurales con una eficiencia similar a la de las ESC.

Los investigadores también descubrieron que las marcas epigenéticas en las iPSC existían principalmente en grandes regiones genómicas unidas a la membrana nuclear. Para una reprogramación adecuada, estas regiones deben alejarse de la membrana, pero un subconjunto de estas regiones permanece adherida y no se corrige con el protocolo de reprogramación tradicional. “Cuando los sometemos a [TNT]planteamos la hipótesis de que estos subconjuntos se alejan de la envoltura nuclear [and correctly reset]”, explicó Líster. Él cree que es por eso que su equipo produjo iPSC que eran similares a los ESC.

“Un paso importante en este estudio es que caracterizaron los problemas con las células madre inducidas y encontraron una solución. Pero será necesario replicar los resultados”, afirmó Gabriele Stocco, epigenetista de la Universidad de Trieste, que no participó en este trabajo. También queda por ver si la reprogramación de TNT puede corregir aberraciones epigenéticas en varios tipos de células. Con más estudios, los investigadores creen que este protocolo será aplicable en muchas aplicaciones terapéuticas y podría ser útil para otras que estudien la memoria epigenética.

Referencias:

1. Zakrzewski W, et al. Células madre: pasado, presente y futuro. Tratamiento de células madre. 2019;10(1):68.
2. Okita K, et al. Generación de células madre pluripotentes inducidas con competencia en línea germinal. Naturaleza. 2007;448(7151):313-317.
3. Wernig M, et al. Reprogramación in vitro de fibroblastos en un estado pluripotente similar a una célula ES. Naturaleza. 2007;448(7151):318-324.
4. Polo JM, et al. El tipo de origen celular influye en las propiedades moleculares y funcionales de las células madre pluripotentes inducidas por ratones. Biotecnología Nat. 2010;28(8):848-855.
5. Kim K, et al. Memoria epigenética en células madre pluripotentes inducidas.. Naturaleza. 2010;467(7313):285-290.
6. Nukaya D, et al. Expresión génica preferencial y memoria epigenética de células madre pluripotentes inducidas derivadas del páncreas de ratón.. Genes Células. 2015;20(5):367-381
7. Buckberry S, et al. La reprogramación ingenua transitoria corrige las células hiPS funcional y epigenéticamente. Naturaleza. 2023;620(7975):863-872