Entdifferenzierung - Dedifferentiation
Dedifferenzierung (ausgesprochen dē-ˌdi-fə-ˌren-chē-ˈā-shən) ist ein vorübergehender Prozess, durch den Zellen weniger spezialisiert werden und zu einem früheren Zellzustand innerhalb derselben Abstammungslinie zurückkehren . Dies deutet auf eine Zunahme in einer Zelle Potenz , was bedeutet , dass nach der Entdifferenzierung, Zellen die Fähigkeit besitzen , in mehr Zelltypen redifferenzieren als zuvor. Dies steht im Gegensatz zur Differenzierung , bei der in einer Zelle Unterschiede in der Genexpression , Morphologie oder Physiologie auftreten, wodurch ihre Funktion zunehmend spezialisiert wird.
Der bei der Dedifferenzierung beobachtete Verlust der Spezialisierung kann durch Veränderungen der Genexpression, Physiologie, Funktion, proliferativen Aktivität oder Morphologie festgestellt werden. Während sie im Labor durch Prozesse wie die direkte Reprogrammierung und die Produktion von induzierten pluripotenten Stammzellen induziert werden kann , gibt es auch endogene Dedifferenzierungsprozesse als Bestandteil von Wundheilungsmechanismen .
Geschichte
Hinweise auf Dedifferenzierung finden sich bereits 1915, wo Charles Manning Child die Dedifferenzierung als „Rückkehr oder Annäherung an den embryonalen oder undifferenzierten Zustand“ beschrieb. Während sich Mannings Forschung auf Pflanzen bezog, trug sie dazu bei, die Grundlage für unser modernes Verständnis von Dedifferenzierung und Zellplastizität zu schaffen. Genauso wie Pflanzenzellen auf eine Verletzung reagieren, indem sie durch Dedifferenzierung eine Kallusbildung durchlaufen, dedifferenzieren einige Tiermodelle ihre Zellen, um nach einer Gliedmaßenamputation Blastem zu bilden , die Pflanzenkallus analog sind.
In den 1940er Jahren schuf CH Waddington die „Epigenetic Landscape“, eine schematische Darstellung des Zellschicksals von weniger differenzierten zu differenzierteren Zelltypen. Hier wird das Konzept einer sich bergab durch verschiedene Wege bewegenden Murmel verwendet, um die Zellentscheidung und die Zellpotenz darzustellen und so zu visualisieren, wie Zellen verschiedene Differenzierungswege einschlagen können, um einen Endzustand zu erreichen. Entdifferenzierung würde dadurch dargestellt, dass sich die Murmel auf den bereits eingeschlagenen Wegen bergauf bewegt, bis sie sich irgendwo über der am stärksten bergab gelegenen Stelle niederlässt.
In unserem modernen Verständnis von Dedifferenzierung bleiben einige Kontroversen bei der Definition der Grenzen ihrer Definition bestehen. Einige behaupten, dass die Dedifferenzierung strikt auf dieselbe Zelllinie beschränkt ist, von der sie abgeleitet ist. Andere sagen jedoch, dass es verwendet werden kann, um eine allgemeine Zunahme der Zellpotenz zu beschreiben.
Mechanismen
Der Mechanismus, durch den die Dedifferenzierung auftritt, wurde nicht vollständig beleuchtet. Die unten diskutierten Wege stehen bei einigen Arten in engem Zusammenhang mit der Dedifferenzierung und Regeneration. Da nicht ein Weg aufgeklärt wurde, der für alle Dedifferenzierung und Regeneration notwendig ist, ist es möglich, dass der Mechanismus bei verschiedenen Spezies unterschiedlich funktioniert.
Beobachtete Dedifferenzierungsmarker
Bei der Dedifferenzierung spielen Gene, die sich in der extrazellulären Matrix befinden, eine wichtige Rolle. Zum Beispiel hat MMP, die Matrix-Metalloproteinase, eine hochregulierte Aktivität während der frühen Stadien der Gliedmaßenregeneration gezeigt. Matrix-Metalloproteinasen sind für den Abbau von Nicht-Matrix- und Matrixproteinen verantwortlich. MMP baut Proteine in der extrazellulären Matrix [1] einer Zelle ab, was zur Destabilisierung der differenzierten Zellidentität führt.
Die zur Darstellung der Dedifferenzierung ausgewählten Marker können sich jedoch je nach untersuchtem Gewebe- und Zelltyp unterscheiden. In Myotuben von Mäusen ist die Dedifferenzierung beispielsweise durch eine verminderte Expression von Myogenin gekennzeichnet , einem Protein, das in differenzierten Myotuben vorhanden ist.
Beteiligte Pfade
Einige der Wege , die Interaktion in Dedifferenzierung gezeigt haben , sind MSX1 , Notch 1 , BMP und Wnt / β-Catenin.
MSx1 [2] , ein Gen , das ein Mitglied der homeobox ist [3] Familie, codiert ein transkriptionalen Repressor , die eine Differenzierung verhindern in epithelialen und mesenchymalen [4] Vorläuferzelltypen. Dieser Repressor wäre in der Lage, Zellen während der Entwicklung undifferenziert zu halten. Reduzierte Spiegel der Msx1-Expression führten dazu, dass die Schwänze der Kaulquappen nicht regenerieren konnten.
Knochenmorphogene Proteine (BMP [5] ) sind eine Gruppe von Signalmolekülen, die in vielen Systemen an Wachstum und Entwicklung beteiligt sind, einschließlich Knochen, Embryogenese [6] und Homöostase [7] . Es hat sich gezeigt, dass der BMP-Weg für die Dedifferenzierung und Regeneration bei Kaulquappen notwendig ist. Die Herunterregulierung des BMP-Signalwegs führte zu einer Herunterregulierung von MSx1, was zu keiner Regeneration in der Kaulquappe führte. Sobald die BMP-Expression wiederhergestellt war, wurde auch die Msx1-Expression wiederhergestellt und die Regeneration schritt voran.19 Ähnliche Studien haben ähnliche Ergebnisse bei der Regeneration der Fingerspitzen der Maus gezeigt.
Der Notch1 [8] -Weg hat seine Bedeutung für die Regeneration von Froschkaulquappenschwänzen gezeigt. Notch1 ist ein Gen der Notch-Proteinfamilie. Notch-Proteine sind Teil eines interzellulären Signalwegs, der für die Regulierung der Interaktionen zwischen physikalisch nebeneinander liegenden Zellen verantwortlich ist, indem sie an andere Notch-Proteine binden. Eine verringerte Notch1-Expression führte zu keiner Kaulquappenschwanzregeneration, und eine induzierte Notch1-Expression konnte die Schwanzregeneration in Form von Chorda und Rückenmark teilweise retten (aber sehr wenig Muskulatur).
Darüber hinaus hat die Aktivierung von Wnt / Beta-Catenin vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf ihre Beteiligung an der Dedifferenzierung gezeigt. Sowohl in einer humanen Epithelzelltransplantation in Mäuse als auch in einem In-vitro-Epithelzellmodell wurde festgestellt, dass der aktivierte kanonische Wnt -Signalweg für die Dedifferenzierung notwendig ist. In Verbindung mit Nanog induzierte der kanonische Wnt- Weg auch eine partielle Dedifferenzierung in Zebrafisch-Endothelzellen, was an einer Zunahme des Wiedereintritts in den Zellzyklus und einem Verlust der Zelladhäsion zu erkennen ist .
Plastizität
Zellplastizität [9] ist die Idee, dass Zellen Phänotypen als Reaktion auf Umwelteinflüsse ändern können. Im Zusammenhang mit der Regeneration ist dieser Umwelthinweis eine Schädigung oder Verletzung einer Gliedmaße. Die Zellplastizität ist eng mit der Dedifferenzierung verbunden, da dies impliziert, dass eine Zelle mit „Plastizität“ dedifferenzieren kann, um den Phänotyp zu ändern. Die Zellplastizität legt nahe, dass Zellen den Phänotyp geringfügig ändern können; nicht vollständig entdifferenzieren, um eine bessere Funktion zu erfüllen. Ein starkes Beispiel dafür ist die Linsenregeneration [10] beim Molch.
Wirbeltiere
In verschiedenen Wirbeltiermodellen, die verwendet wurden, um das Zellverhalten während der Wundheilung zu untersuchen , spiegelt sich die Dedifferenzierung durchweg in Veränderungen der Genexpression, Morphologie und proliferativen Aktivität wider, die sie von ihrem zuvor terminal differenzierten Zustand unterscheiden.
Zebrafisch ( Danio rerio )
Es wurde festgestellt, dass Kardiomyozyten von Zebrafischen nach einer Verletzung die Fähigkeit haben, sich zu differenzieren und sich anschließend als Wundheilungsreaktion schnell zu vermehren . Insbesondere Resektion von bis zu 20% des Zebrabärbling Ventrikel Regenerate über die Proliferation von bereits differenzierten Kardiomyozyten . Die Dedifferenzierung der Kardiomyozyten wird durch Ablösung von anderen Zellen sowie durch Veränderungen in der Morphologie beobachtet.
Mäuse
In Maus- Myotubes wurde eine Dedifferenzierung durch die Suppression von zwei Tumorsuppressorgenen induziert, die für das Retinoblastomprotein und das alternative Leserasterprotein kodieren . Diese murinen primären Myotubenzellen zeigten dann eine Abnahme der differenzierten Kardiomyozyten-Genexpression, eine Zunahme der Proliferation und eine Veränderung der Morphologie. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Schwann-Zellen der Maus die Fähigkeit zur Differenzierung besitzen, wenn der Ras/Raf/ERK-Weg aktiviert wird. In dieser Studie blockiert die Zugabe von Ras die Differenzierung von Schwann-Zellen und induziert eine Dedifferenzierung. Eine Abnahme der Genexpression von Schwann-Zellen markiert diesen Übergang. Nach der Dedifferenzierung können neue Zellen erzeugt werden, indem sie wieder in den Zellzyklus eintreten und sich vermehren und dann erneut differenzieren, um die Mäuseneuronen zu myelinisieren .
Urodelen
Salamander, einschließlich Molche und Axolotl , sind Arten mit den bekanntesten regenerativen Fähigkeiten.
Erwachsene Molche können Gliedmaßen, Schwanz, Ober- und Unterkiefer, Rückenmark, Netzhaut, Linsen, Sehnerven, Darm und einen Teil ihrer Herzkammer regenerieren. Axolotl haben die gleichen Fähigkeiten, retten die Netzhaut und die Linse. Diese Tiere sind für das Studium der Entdifferenzierung wichtig, da sie die Entdifferenzierung nutzen, um neue Vorläuferzellen zu erzeugen . Dies unterscheidet sich von der Regeneration bei Säugetieren, da Säugetiere bereits vorhandene Stammzellen verwenden , um verlorenes Gewebe zu ersetzen. Die Dedifferenzierung beim Molch tritt 4–5 Tage nach der Amputation der Gliedmaßen auf und ist durch einen Wiedereintritt in den Zellzyklus und eine Herunterregulierung von Differenzierungsmarkern gekennzeichnet. Die Zelldifferenzierung wird dadurch bestimmt, welche Gene die Zelle exprimiert, und eine Herunterregulierung dieser Expression würde zu einer weniger oder "un" differenzierten Zelle führen. Der Wiedereintritt in den Zellzyklus ermöglicht es der Zelle, die Mitose zu durchlaufen und sich zu teilen, um mehr Zellen zu bilden, die in der Lage sind, neues Gewebe bereitzustellen. Es wurde beobachtet, dass Actinomycin D die Dedifferenzierung bei Molchen verhindert
Wirbellosen
Bei den meisten wirbellosen Tieren findet man seltener Beispiele für Dedifferenzierung (aufgrund mangelnder Regenerationsfähigkeit). Dieses kurze Beispiel skizziert die Dedifferenzierung bei einer wirbellosen Spezies und beinhaltet interessanterweise den Msx-Weg, wie oben im Abschnitt zu den Mechanismen beschrieben.
Lanzett
Nach Amputation, lancelet tails geheilt und ein geformtes Blastem [11] Struktur, Dedifferenzierung von Zellen darauf hindeutet , für Dosen Regeneration Lanzettfischchen vorzubereiten regenerieren anterioren und posterioren Strukturen, einschließlich Neuralrohr , Chorda , fin und Muskel Blastem die ausdrückt , gebildet wird PAX3 und PAX7 , die mit der Aktivierung von Muskelstammzellen verbunden ist. Dieses spezifische wirbellose Modell scheint in seinen Dedifferenzierungsfähigkeiten mit Größe und Alter eingeschränkt zu sein. Je älter und größer das Tier ist, desto weniger eignet es sich zur Entdifferenzierung [12] .
Andere Begriffe im Zusammenhang mit Dedifferenzierung
Anaplasie
Anaplasie ist definiert als Zellen in einem undifferenzierten Zustand und wird oft mit Krebs in Verbindung gebracht . Dieser Verlust von Markern oder Morphologie für reife Zellen kann oft auf Dedifferenzierung zurückzuführen sein, wird jedoch manchmal verwendet, um sich auf Zellen mit unvollständiger Differenzierung zu beziehen, die eine große Vielfalt in Größe und Form aufweisen. Während seine Definition mit Dedifferenzierung verbunden werden kann, wird es häufiger als ein Verlust der Differenzierung wahrgenommen, der zu einer abnormalen Zellaktivität führt, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Tumorgenese . Dedifferenzierung wird jedoch oft als Rückfall auf einen anderen Zelltyp zu regenerativen Zwecken wahrgenommen. In anaplastischen Zellen kommt es häufig zu einer Zunahme der Proliferation und einer abnormalen Zellorganisation, Eigenschaften, die auch in dedifferenzierten Zellen vorhanden sind.
Undifferenzierung
Undifferenzierte Zellen haben die Differenzierung oder Spezialisierung nicht abgeschlossen, wodurch ihre Zellpotenz beibehalten wurde und sie oft stark proliferativ sind. Dies ist oft der letzte Zellzustand, nachdem der Dedifferenzierungsprozess abgeschlossen und aufrechterhalten wurde, da die Zellen weniger spezialisiert werden.
Metaplasie
Metaplasie [13] ist keine andere Definition von Dedifferenzierung, aber die beiden Wörter haben sehr ähnliche Implikationen für Zellen. Metaplasie bezeichnet den Wechsel von einem vollständig differenzierten Zelltyp zu einem anderen. Dies impliziert, dass sich die Zelle an Umweltreize anpassen kann und dass es möglich ist, embryologische Verpflichtungen in Form von Differenzierung umzukehren. Die Idee der Metaplasie hängt von der Fähigkeit einer Zelle ab, sich zu entdifferenzieren. Diese Definition ist wichtig, wenn die Dedifferenzierung diskutiert wird, da sich die beiden Konzepte stark überschneiden, so dass Metaplasie auf Dedifferenzierung beruhen kann oder ähnliche Wege teilen kann. Metaplasie ist jedoch enger mit Transdifferenzierung ausgerichtet , da Metaplasie sich eher auf die Idee eines phänotypischen Übergangs bezieht.
Transdifferenzierung
Transdifferenzierung [14] bezieht sich auf die Umwandlung eines zellulären Phänotyps in einen anderen. Dieser Satz definiert den Überblick darüber, was Dedifferenzierung zum Zellschicksal beiträgt; Erstens bringt die Dedifferenzierung die Zelle zurück in die epigenetische Landschaft, und dann kann die Zelle ein neues Tal hinunter „rollen“ und so zu einem neuen Phänotyp redifferenzieren. Dieser ganze Prozess des Wandels des Zellschicksals von seinem ursprünglichen zu einem neuen Schicksal ist Transdifferenzierung. Es gibt jedoch auch eine zweite Definition der Transdifferenzierung, bei der Zellen direkt in einen neuen Zelltyp induziert werden können, ohne dass eine Dedifferenzierung als Zwischenschritt erforderlich ist.
Aktuelle Forschung und zukünftige Implikationen
Derzeit werden Studien und Experimente durchgeführt, um die dedifferenzierungsähnlichen Fähigkeiten in Säugerzellen zu testen, mit der Hoffnung, dass diese Informationen einen besseren Einblick in mögliche regenerative Fähigkeiten bei Säugetieren geben können. Die Entdifferenzierung könnte Innovationen in der regenerativen Medizin auslösen, da sie darauf hindeutet, dass die eigenen Zellen das Zellschicksal verändern können, wodurch immunologische Reaktionsrisiken aus der Behandlung mit allogenen Zellen oder Zellen, die genetisch nicht mit dem Patienten übereinstimmen , beseitigt würden . Ein Konzept, das für Säugetiere erforscht wurde, ist das der induzierbaren Dedifferenzierung , die Zellen, die nicht natürlich dedifferenzieren, in einen pluripotenten oder Vorläufer-ähnlichen Zustand zurückversetzen würde . Dies wird erreicht, indem die entsprechenden Transkriptionsfaktoren in der Zelle exprimiert und andere unterdrückt werden. Weitere Informationen hierzu sowie zu den möglichen Risiken finden Sie hier [15] .