Der Transkriptionsfaktor Nanog spielt eine entscheidende Rolle bei der Selbsterneuerung von Stammzellen. Unklar war bisher, wie seine Menge in den Zellen geregelt wird. Forscher des Helmholtz Zentrums München und der Technischen Universität München berichten nun gemeinsam mit Kollegen der ETH Zürich in ‚Cell Systems‘: je mehr Nanog vorhanden ist, desto weniger wird nachproduziert. Das Protein Nanog* ist jedem Stammzellforscher ein Begriff, denn es sorgt dafür, dass sich diese Alleskönner immer wieder erneuern.

Kontrovers diskutiert wurde bis jetzt, wie die Menge an Nanog in der Zelle kontrolliert wird. „Bisher galt oft das Dogma, dass Nanog sich selbst aktiviert, um die Pluripotenz in embryonalen Stammzellen aufrecht zu erhalten“, erklärt Dr. Carsten Marr. Er leitet die Arbeitsgruppe Quantitative Single Cell Dynamics am Institute of Computational Biology (ICB) des Helmholtz Zentrums München. Zusammen mit Kollegen der ETH Zürich haben er und sein Team einen Algorithmus namens STILT (Stochastic Inference on Lineage Trees) entwickelt, der diese Annahme nun widerlegt.

STILT generiert simulierte Proteinexpression sich teilender Zellen basierend auf gemessenen Daten und einem dynamischen Modell.  Quelle: Helmholtz Zentrum MünchenSTILT generiert simulierte Proteinexpression sich teilender Zellen basierend auf gemessenen Daten und einem dynamischen Modell. Quelle: Helmholtz Zentrum München

Mit STILT werteten die Wissenschaftler (bereits 2015 erhobene) zeitaufgelöste Proteinexpressionsdaten von einzelnen Zellen aus, in denen sich Nanog durch Fusion mit einem Fluoreszenzprotein nachweisen ließ. „Die so gemessene Dynamik von Nanog haben wir mit drei verschiedenen Modellen verglichen. Die Herausforderung war dabei zum einen der quantitative Vergleich der Modelle, zum anderen die Berücksichtigung von Zellteilungen der Stammzellen im Algorithmus “, so Erstautor Justin Feigelman, der als Postdoc vom Helmholtz Zentrum München an die ETH Zürich gewechselt war. „Die Ergebnisse zeigen für Nanog einen sogenannten negativen Feedback-Loop: Das bedeutet je mehr Nanog in den Zellen vorhanden ist, desto weniger wird nachproduziert.“

 

Aus dem Rechner in die Petrischale übertragbar

Um diese Ergebnisse zu überprüfen, berechneten die Wissenschaftler, was passieren würde, wenn sie die Produktion von Nanog in der Petrischale künstlich erhöhen würden. „Tatsächlich konnten wir die von STILT erhobene Hypothese anschließend in einem Zellkultur-Experiment mit erhöhtem Nanog bestätigen“, erklärt Studienleiter Marr.

Die Autoren Dr. Justin Feigelman und Dr. Carsten Marr Quelle: Helmholtz Zentrum MünchenDie Autoren Dr. Justin Feigelman und Dr. Carsten Marr Quelle: Helmholtz Zentrum München

Durch ihre Forschung versprechen sich die Wissenschaftler ein besseres Verständnis für die Erneuerung von Stammzellen und hoffen diese dadurch in Zukunft gezielter für medizinische Anwendungen nutzbar machen zu können. „Zudem werden wir STILT in Zukunft auch auf andere zeitaufgelöste Einzelzell-Daten anwenden und dadurch Einsichten in die zugrundeliegenden molekularen Genregulations-Mechanismen erhalten“, erklärt Marr.

Die Software STILT ist für andere Wissenschaftler frei verfügbar im Netz: www.imsb.ethz.ch/research/claassen/Software/stilt---stochastic-inference-on-lineage-trees.html

Weitere Informationen

* Der Name ist abgeleitet von Tír na nÓg, laut einer irischen Sage das „Land der ewigen Jugend“. Nanog ist unter anderem verantwortlich für die Pluripotenz: also die Fähigkeit von Stammzellen, sich in nahezu alle Zelltypen weiterzuentwickeln.

Hintergrund:
Die Daten wurden im Rahmen einer bereits veröffentlichten Studie aus dem Jahr 2015 anhand tausender Einzelzellen erhoben (Filipczyk et al., 2015, Nature Cell Biology). Schon damals konnten die Wissenschaftler vom ICB unerwartete Rückschlüsse auf das Regulationsnetzwerk rund um Nanog ziehen. http://www.helmholtz-muenchen.de/presse-medien/pressemitteilungen/2015/pressemitteilung/article/27689/index.html

Original-Publikation:
Feigelman, J. et al. (2016): Exact Bayesian lineage tree-based inference identifies Nanog negative autoregulation in mouse embryonic stem cells. Cell Systems, doi: 10.1016/j.cels.2016.11.001
http://dx.doi.org/10.1016/j.cels.2016.11.001

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