Zelldifferenzierung

Zelldifferenzierung, auch Zellspezifizierung genannt , ist der Prozess, bei dem sich eine Stammzelle von einem Zelltyp in einen differenzierten Zelltyp umwandelt. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Üblicherweise differenziert sich die Zelle zu einem spezialisierteren Typ. Die Differenzierung findet mehrfach während der Entwicklung eines vielzelligen Organismus statt , von der einfachen Zygote bis zum komplexen System aus Geweben und Zelltypen. Auch im Erwachsenenalter setzt sich die Differenzierung fort, indem sich adulte Stammzellen teilen und bei der Gewebereparatur und dem normalen Zellumsatz vollständig differenzierte Tochterzellen bilden. Ein Teil der Differenzierung erfolgt als Reaktion auf Antigenexposition . Die Differenzierung verändert dramatisch die Größe, Form, das Membranpotenzial , die metabolische Aktivität und die Signalreaktivität einer Zelle. Diese Veränderungen beruhen größtenteils auf hochgradig kontrollierten Modifikationen der Genexpression und sind Gegenstand der Epigenetik . Mit wenigen Ausnahmen beinhaltet die Zelldifferenzierung fast nie eine Veränderung der DNA- Sequenz selbst. Die metabolische Zusammensetzung verändert sich jedoch dramatisch ^{[ 4 ].} Stammzellen zeichnen sich durch einen hohen Gehalt an Metaboliten mit stark ungesättigten Strukturen aus, deren Konzentrationen mit der Differenzierung abnehmen. Daher können verschiedene Zellen trotz gleichem Genom sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen .

Eine spezielle Form der Differenzierung, die sogenannte terminale Differenzierung , ist in einigen Geweben von Bedeutung, darunter im Nervensystem von Wirbeltieren , in der quergestreiften Muskulatur , in der Epidermis und im Darm. Während der terminalen Differenzierung verlässt eine ehemals teilungsfähige Vorläuferzelle den Zellzyklus endgültig, baut die Zellzyklusmaschinerie ab und exprimiert häufig eine Reihe von Genen, die für die endgültige Funktion der Zelle charakteristisch sind (z. B. Myosin und Aktin für eine Muskelzelle). Die Differenzierung kann nach der terminalen Differenzierung weitergehen, wenn sich die Kapazität und die Funktionen der Zelle weiterentwickeln.

Bei sich teilenden Zellen gibt es verschiedene Stufen der Zellpotenz , also der Fähigkeit einer Zelle, sich in andere Zelltypen zu differenzieren. Eine höhere Potenz bedeutet eine größere Anzahl an Zelltypen, aus denen sich Zellen entwickeln können. Eine Zelle, die sich in alle Zelltypen, einschließlich des Plazentagewebes, differenzieren kann, wird als totipotent bezeichnet . Bei Säugetieren sind nur die Zygote und die daraus hervorgehenden Blastomere totipotent, während bei Pflanzen viele differenzierte Zellen durch einfache Labormethoden totipotent werden können. Eine Zelle, die sich in alle Zelltypen des adulten Organismus differenzieren kann, wird als pluripotent bezeichnet. Solche Zellen werden bei höheren Pflanzen als meristematische Zellen und bei Tieren als embryonale Stammzellen bezeichnet , obwohl einige Arbeitsgruppen auch das Vorkommen adulter pluripotenter Zellen beschrieben haben. Die virale Expression der vier Transkriptionsfaktoren Oct4 , Sox2 , c-Myc und Klf4 ( Yamanaka-Faktoren ) reicht aus, um pluripotente (iPS-)Zellen aus adulten Fibroblasten zu erzeugen . ^{[ 5 ]} Eine multipotente Zelle ist eine Zelle, die sich in mehrere verschiedene, aber eng verwandte Zelltypen differenzieren kann. ^{[ 6 ]} Oligopotente Zellen sind in ihrer Differenzierung eingeschränkter als multipotente Zellen, können sich aber dennoch in wenige eng verwandte Zelltypen differenzieren. ^{[ 6 ]} Unipotente Zellen können sich schließlich nur in einen einzigen Zelltyp differenzieren, sind aber zur Selbsterneuerung fähig . ^{[ 6 ]} In der Zytopathologie wird der Differenzierungsgrad von Zellen als Maß für das Fortschreiten einer Krebserkrankung herangezogen . Der „ Grad “ ist ein Marker dafür, wie differenziert eine Zelle in einem Tumor ist. ^{[ 7 ]}

Der Säugetierkörper besteht aus drei grundlegenden Zellkategorien: Keimzellen , Körperzellen und Stammzellen . Jede der etwa 37,2 Billionen (3,72 × 10¹³ ⁾ Zellen eines erwachsenen Menschen besitzt ein oder mehrere eigene Kopien des Genoms , mit Ausnahme bestimmter Zelltypen wie beispielsweise roter Blutkörperchen , denen im voll differenzierten Zustand der Zellkern fehlt. Die meisten Zellen sind diploid ; sie besitzen zwei Kopien jedes Chromosoms . Diese Zellen, die sogenannten Körperzellen, bilden den größten Teil des menschlichen Körpers, beispielsweise Haut- und Muskelzellen. Zellen differenzieren sich, um sich auf unterschiedliche Funktionen zu spezialisieren. ^{[ 8 ]}

Keimbahnzellen sind alle Zelllinien, aus denen Gameten – Eizellen und Spermien – entstehen und die somit über Generationen hinweg kontinuierlich weitergegeben werden. Stammzellen hingegen besitzen die Fähigkeit, sich unbegrenzt zu teilen und spezialisierte Zellen hervorzubringen. Sie lassen sich am besten im Kontext der normalen menschlichen Entwicklung beschreiben. ^{[ 9 ]}

Die Entwicklung beginnt mit der Befruchtung einer Eizelle durch ein Spermium . Dabei entsteht eine einzelne Zelle, die das Potenzial besitzt, einen ganzen Organismus zu bilden. In den ersten Stunden nach der Befruchtung teilt sich diese Zelle in identische Zellen. Beim Menschen beginnen sich diese Zellen etwa vier Tage nach der Befruchtung und nach mehreren Zellteilungszyklen zu spezialisieren und bilden eine Hohlkugel aus Zellen, die Blastozyste genannt wird . ^{[ 10 ]} Die Blastozyste besitzt eine äußere Zellschicht. Im Inneren dieser Hohlkugel befindet sich ein Zellhaufen, die sogenannte innere Zellmasse . Aus den Zellen der inneren Zellmasse entwickeln sich nahezu alle Gewebe des menschlichen Körpers. Obwohl die Zellen der inneren Zellmasse praktisch jeden Zelltyp des menschlichen Körpers bilden können, können sie selbst keinen Organismus ausbilden. Diese Zellen werden als pluripotent bezeichnet . ^{[ 11 ]}

Pluripotente Stammzellen differenzieren sich weiter zu multipotenten Vorläuferzellen , aus denen dann funktionelle Zellen entstehen. Beispiele für Stamm- und Vorläuferzellen sind: ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

• Radiale Gliazellen (embryonale neuronale Stammzellen), aus denen im fetalen Gehirn durch Neurogenese exzitatorische Neuronen entstehen. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}
• Hämatopoetische Stammzellen (adulte Stammzellen) aus dem Knochenmark , aus denen rote Blutkörperchen, weiße Blutkörperchen und Blutplättchen entstehen.
• Mesenchymale Stammzellen (adulte Stammzellen) aus dem Knochenmark, aus denen Stromazellen, Fettzellen und verschiedene Arten von Knochenzellen entstehen.
• Epitheliale Stammzellen (Vorläuferzellen), aus denen die verschiedenen Arten von Hautzellen entstehen.
• Muskel -Satellitenzellen (Vorläuferzellen), die zur Differenzierung des Muskelgewebes beitragen .

Bei der Differenzierung der Blastomere von der einschichtigen Blastula zu den drei Keimblättern der Säugetiere – Ektoderm , Mesoderm und Endoderm (von außen nach innen) – entsteht ein durch Zelladhäsionsmoleküle aus den vier Aminosäuren Arginin , Glycin , Asparagin und Serin gesteuerter Differenzierungsweg. Aus dem Ektoderm entwickeln sich Haut und Nervensystem, aus dem Mesoderm Knochen und Muskelgewebe und aus dem Endoderm die inneren Organe.

Dedifferenzierung , auch Integration genannt, ist ein zellulärer Prozess, der bei basalen Lebensformen im Tierreich, wie Würmern und Amphibien, beobachtet wird . Dabei kehrt eine differenzierte Zelle in ein früheres Entwicklungsstadium zurück – üblicherweise im Rahmen eines Regenerationsprozesses . ^{[ 18 ] [ 19 ]} Auch in Pflanzenzellen findet Dedifferenzierung statt. ^{[ 20 ]} In Zellkulturen im Labor können Zellen zudem ihre Form verändern oder spezifische Eigenschaften wie die Proteinexpression verlieren – auch diese Prozesse werden als Dedifferenzierung bezeichnet. ^{[ 21 ]}

Einige vermuten, dass die Dedifferenzierung eine Abweichung ist, die wahrscheinlich zu Krebs führt , ^{[ 22 ]} , andere erklären sie als einen natürlichen Bestandteil der Immunantwort, der dem Menschen irgendwann in der Evolution verloren ging.

Das Molekül Reversin , ein Purinanalogon , induziert nachweislich die Dedifferenzierung von Myotuben . Diese deutlich dedifferenzierten Zellen – die nun im Wesentlichen als Stammzellen fungieren – können sich anschließend wieder zu Osteoblasten und Adipozyten differenzieren . ^{[ 23 ]}

Each specialized cell type in an organism expresses a subset of all the genes that constitute the genome of that species. Each cell type is defined by its particular pattern of regulated gene expression. Cell differentiation is thus a transition of a cell from one cell type to another and it involves a switch from one pattern of gene expression to another. Cellular differentiation during development can be understood as the result of a gene regulatory network. A regulatory gene and its cis-regulatory modules are nodes in a gene regulatory network; they receive input and create output elsewhere in the network.^[24] The systems biology approach to developmental biology emphasizes the importance of investigating how developmental mechanisms interact to produce predictable patterns (morphogenesis). However, recent research suggests there may be an alternative view. Based on stochastic gene expression, cellular differentiation is the result of a Darwinian selective process occurring among cells. In this frame, protein and gene networks are the result of cellular processes and not their cause.^[25]

Cellular differentiation is often controlled by cell signaling. Many of the signal molecules that convey information from cell to cell during the control of cellular differentiation are called growth factors. Although the details of specific signal transduction pathways vary, these pathways often share the following general steps. A ligand produced by one cell binds to a receptor in the extracellular region of another cell, inducing a conformational change in the receptor. The shape of the cytoplasmic domain of the receptor changes, and the receptor acquires enzymatic activity. The receptor then catalyzes reactions that phosphorylate other proteins, activating them. A cascade of phosphorylation reactions eventually activates a dormant transcription factor or cytoskeletal protein, thus contributing to the differentiation process in the target cell.^[26] Cells and tissues can vary in competence, their ability to respond to external signals.^[27]

Signalinduktion bezeichnet Kaskaden von Signalereignissen, bei denen eine Zelle oder ein Gewebe eine andere Zelle oder ein anderes Gewebe anweist, um dessen Entwicklung zu beeinflussen. ^{[ 27 ]} Yamamoto und Jeffery ^{[ 28 ]} untersuchten die Rolle der Linse bei der Augenbildung von Höhlen- und Oberflächenfischen – ein eindrucksvolles Beispiel für Signalinduktion. ^{[ 27 ]} Mithilfe reziproker Transplantationen fanden Yamamoto und Jeffery ^{[ 28 ]} heraus, dass die Linsenblase von Oberflächenfischen die Entwicklung anderer Augenteile bei Höhlen- und Oberflächenfischen induzieren kann, während die Linsenblase von Höhlenfischen dazu nicht in der Lage ist. ^{[ 27 ]}

Weitere wichtige Mechanismen fallen unter die Kategorie der asymmetrischen Zellteilungen , die Tochterzellen mit unterschiedlichen Entwicklungsschicksalen hervorbringen. Asymmetrische Zellteilungen können durch asymmetrisch exprimierte mütterliche zytoplasmatische Determinanten oder durch Signalgebung entstehen. ^{[ 27 ]} Beim erstgenannten Mechanismus entstehen während der Zytokinese unterschiedliche Tochterzellen aufgrund einer ungleichmäßigen Verteilung regulatorischer Moleküle in der Mutterzelle; das jeweils unterschiedliche Zytoplasma, das jede Tochterzelle erbt, führt zu einem jeweils eigenen Differenzierungsmuster. Ein gut untersuchtes Beispiel für Musterbildung durch asymmetrische Teilungen ist die Körperachsenbildung bei Drosophila . RNA- Moleküle sind ein wichtiger Typ intrazellulärer Differenzierungskontrollsignale. Die molekularen und genetischen Grundlagen asymmetrischer Zellteilungen wurden auch in Grünalgen der Gattung Volvox untersucht , einem Modellorganismus, der die Evolution von Einzellern zu Vielzellern erforscht. ^{[ 27 ]} Bei Volvox carteri teilen sich die 16 Zellen der vorderen Hemisphäre eines 32-zelligen Embryos asymmetrisch, wobei jede Zelle eine große und eine kleine Tochterzelle hervorbringt. Die Größe der Zelle nach Abschluss aller Zellteilungen bestimmt, ob sie sich zu einer spezialisierten Keimzelle oder einer somatischen Zelle entwickelt. ^{[ 27 ] [ 29 ]}

Während evolutionär konservierte molekulare Prozesse an den zellulären Mechanismen dieser Umschaltungen beteiligt sind, unterscheiden sie sich bei Tieren stark von den gut charakterisierten Genregulationsmechanismen von Bakterien und sogar von denen ihrer nächsten einzelligen Verwandten . ^{[ 30 ]} Insbesondere ist die Zelldifferenzierung bei Tieren stark von biomolekularen Kondensaten aus regulatorischen Proteinen und Enhancer -DNA-Sequenzen abhängig.

Da jede Zelle, unabhängig vom Zelltyp, dasselbe Genom besitzt, muss die Bestimmung des Zelltyps auf der Ebene der Genexpression erfolgen. Die Regulation der Genexpression kann zwar durch cis- und trans-regulatorische Elemente, einschließlich Promotoren und Enhancer eines Gens , erfolgen , doch stellt sich die Frage, wie dieses Expressionsmuster über zahlreiche Zellteilungsgenerationen hinweg erhalten bleibt . [ ^{31 ] Epigenetische} Prozesse spielen dabei eine entscheidende Rolle bei der Entscheidung, ob sich eine Stammzelle, eine Vorläuferzelle oder eine reife Zelle entwickelt . Dieser Abschnitt konzentriert sich hauptsächlich auf Säugetierstammzellen .

In der Systembiologie und der mathematischen Modellierung von Genregulationsnetzwerken wird vorhergesagt, dass die Zellschicksalsbestimmung bestimmte Dynamiken aufweist, wie z. B. Attraktorkonvergenz (der Attraktor kann ein Gleichgewichtspunkt, ein Grenzzyklus oder ein seltsamer Attraktor sein ) oder oszillatorische Prozesse. ^{[ 32 ]}

Die erste Frage, die sich stellt, betrifft das Ausmaß und die Komplexität der Rolle epigenetischer Prozesse bei der Bestimmung des Zellschicksals. Eine klare Antwort darauf liefert die 2011 von Lister et al. ^{[ 33 ]} veröffentlichte Arbeit über aberrante epigenomische Programmierung in induzierten pluripotenten Stammzellen des Menschen . Da induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) embryonale Stammzellen in ihren pluripotenten Eigenschaften nachahmen sollen , dürften nur wenige epigenetische Unterschiede zwischen ihnen bestehen. Um diese Annahme zu überprüfen, führten die Autoren eine Genomprofilierung der DNA-Methylierungsmuster in verschiedenen humanen embryonalen Stammzelllinien (ES-Zellen), iPS-Zellen und Progenitorzelllinien durch .

Weibliche Fettzellen , Lungenfibroblasten und Vorhautfibroblasten wurden mithilfe der Gene OCT4 , SOX2 , KLF4 und MYC in induzierte pluripotente Stammzellen ( iPS-Zellen) reprogrammiert . Die DNA-Methylierungsmuster in embryonalen Stammzellen (ES-Zellen), iPS-Zellen und somatischen Zellen wurden verglichen. Lister et al. beobachteten eine signifikante Ähnlichkeit der Methylierungsgrade zwischen embryonalen und induzierten pluripotenten Zellen. Etwa 80 % der CG-Dinukleotide in ES-Zellen und iPS-Zellen waren methyliert, während dies nur für 60 % der CG-Dinukleotide in somatischen Zellen zutraf. Darüber hinaus wiesen somatische Zellen minimale Cytosin-Methylierungsgrade in Nicht-CG-Dinukleotiden auf, während induzierte pluripotente Zellen ähnliche Methylierungsgrade wie embryonale Stammzellen (0,5–1,5 %) zeigten. Somit sind, im Einklang mit ihren jeweiligen Transkriptionsaktivitäten, ^{[ 33 ]} die DNA-Methylierungsmuster zumindest auf genomischer Ebene zwischen ESCs und iPSCs ähnlich.

Bei genauerer Untersuchung der Methylierungsmuster entdeckten die Autoren 1175 Regionen mit unterschiedlicher CG-Dinukleotid-Methylierung zwischen mindestens einer ES- oder iPS-Zelllinie. Der Vergleich dieser Regionen mit der Cytosin-Methylierung in den ursprünglichen somatischen Zellen ergab, dass 44–49 % der unterschiedlich methylierten Regionen die Methylierungsmuster der jeweiligen somatischen Vorläuferzellen widerspiegelten, während 51–56 % dieser Regionen sowohl von den Vorläufer- als auch von den embryonalen Zelllinien abwichen. Die in vitro induzierte Differenzierung von iPS-Zelllinien führte zur Weitergabe von 88 % bzw. 46 % der hyper- bzw. hypomethylierten, unterschiedlich methylierten Regionen.

Aus dieser Studie lassen sich zwei Schlussfolgerungen unmittelbar ziehen. Erstens spielen epigenetische Prozesse eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Zellschicksals , wie die ähnlichen Cytosin-Methylierungsgrade in induzierten pluripotenten Stammzellen und embryonalen Stammzellen zeigen, die mit ihren jeweiligen Transkriptionsmustern übereinstimmen . Zweitens sind die Mechanismen der Reprogrammierung (und damit auch der Differenzierung) sehr komplex und lassen sich nicht ohne Weiteres nachbilden, wie die signifikante Anzahl differentiell methylierter Regionen zwischen ES- und iPS-Zelllinien belegt. Nachdem diese beiden Punkte nun geklärt sind, können wir einige der epigenetischen Mechanismen untersuchen, die die Zelldifferenzierung regulieren sollen.

Drei Transkriptionsfaktoren, OCT4, SOX2 und NANOG – die ersten beiden werden zusammen mit Klf4 und c-Myc bei der Reprogrammierung induzierter pluripotenter Stammzellen (iPS-Zellen) verwendet – werden in undifferenzierten embryonalen Stammzellen stark exprimiert und sind für den Erhalt ihrer Pluripotenz notwendig . ^{[ 34 ]} Man geht davon aus, dass sie dies durch Veränderungen der Chromatin- Struktur, wie Histonmodifikation und DNA-Methylierung, erreichen, um die Transkription von Zielgenen einzuschränken oder zu ermöglichen. Obwohl sie stark exprimiert werden, benötigen ihre Konzentrationen ein präzises Gleichgewicht, um die Pluripotenz aufrechtzuerhalten. Eine Störung dieses Gleichgewichts fördert die Differenzierung in verschiedene Zelllinien, je nachdem, wie sich die Genexpressionsniveaus verändern. Es wurde gezeigt, dass die differentielle Regulation der Oct-4- und SOX2- Konzentrationen der Keimblattschicksalsbestimmung vorausgeht. ^{[ 35 ]} Erhöhte Oct4- und verringerte Sox2-Konzentrationen fördern ein mesendodermales Schicksal, wobei Oct4 aktiv Gene unterdrückt, die mit einem neuralen ektodermalen Schicksal assoziiert sind. Ebenso fördern erhöhte Sox2- und verringerte Oct4-Spiegel die Differenzierung in Richtung eines neuralen ektodermalen Schicksals, während Sox2 die Differenzierung in Richtung eines mesendodermalen Schicksals hemmt. Unabhängig von der Zelllinie, in die sich die Zellen differenzieren, wurde die Suppression von NANOG als notwendige Voraussetzung für die Differenzierung identifiziert. ^{[ 35 ]}

Im Bereich der Genstilllegung katalysiert der Polycomb-Repressionskomplex 2 (PRC2) , eine von zwei Klassen der Polycomb-Gruppe (PcG)-Proteinfamilie, die Di- und Trimethylierung von Histon H3 an Lysin 27 (H3K27me2/me3). ^{[ 34 ] [ 36 ] [ 37 ]} Durch Bindung an das H3K27me2/3-markierte Nukleosom katalysiert PRC1 (ebenfalls ein Komplex aus PcG-Familienproteinen) die Mono-Ubiquitinierung von Histon H2A an Lysin 119 (H2AK119Ub1), wodurch die Aktivität der RNA-Polymerase II blockiert und die Transkription unterdrückt wird. ^{[ 34 ]} PcG-Knockout-ES-Zellen differenzieren sich nicht effizient in die drei Keimblätter, und die Deletion der PRC1- und PRC2-Gene führt zu einer erhöhten Expression von linienassoziierten Genen und zu unplanmäßiger Differenzierung. ^{[ 34 ]} Vermutlich sind PcG-Komplexe für die transkriptionelle Unterdrückung von Differenzierungs- und Entwicklungs-fördernden Genen verantwortlich.

Alternativ werden PcG-Proteine ​​nach Erhalt von Differenzierungssignalen an die Promotoren von Pluripotenz-Transkriptionsfaktoren rekrutiert. PcG-defiziente ES-Zellen können zwar mit der Differenzierung beginnen, den differenzierten Phänotyp jedoch nicht aufrechterhalten. ^{[ 34 ]} Gleichzeitig werden Differenzierungs- und Entwicklungs-fördernde Gene durch Chromatinregulatoren der Trithorax-Gruppe (TrxG) aktiviert und verlieren ihre Repression. ^{[ 34 ] [ 37 ]} TrxG-Proteine ​​werden an Regionen hoher Transkriptionsaktivität rekrutiert, wo sie die Trimethylierung von Histon H3 Lysin 4 ( H3K4me3 ) katalysieren und die Genaktivierung durch Histonacetylierung fördern. ^{[ 37 ]} PcG- und TrxG-Komplexe konkurrieren direkt miteinander und wirken vermutlich funktionell antagonistisch. Sie bilden an Differenzierungs- und Entwicklungs-fördernden Loci eine sogenannte „bivalente Domäne“ und machen diese Gene empfindlich für eine schnelle Induktion oder Repression. ^{[ 38 ]}

Die Regulation der Genexpression erfolgt weiterhin durch DNA-Methylierung. Dabei bewirkt die DNA-Methyltransferase -vermittelte Methylierung von Cytosinresten in CpG-Dinukleotiden eine vererbbare Repression durch Kontrolle der DNA-Zugänglichkeit. ^{[ 38 ]} Die meisten CpG-Stellen in embryonalen Stammzellen sind unmethyliert und scheinen mit H3K4me3-tragenden Nukleosomen assoziiert zu sein. ^{[ 34 ]} Bei der Differenzierung werden einige wenige Gene, darunter OCT4 und NANOG, ^{[ 38 ]} methyliert und ihre Promotoren reprimiert, um ihre weitere Expression zu verhindern. Entsprechend treten embryonale Stammzellen mit DNA-Methylierungsdefizienz bei der Differenzierung in vitro rasch in die Apoptose ein . ^{[ 34 ]}

Obwohl die DNA-Sequenz der meisten Zellen eines Organismus identisch ist, unterscheiden sich die Bindungsmuster von Transkriptionsfaktoren und die entsprechenden Genexpressionsmuster. Unterschiede in der Transkriptionsfaktorbindung werden maßgeblich durch die Chromatinzugänglichkeit ihrer Bindungsstellen bestimmt, die durch Histonmodifikationen und/oder Pionierfaktoren beeinflusst wird. Insbesondere ist es wichtig zu wissen, ob ein Nukleosom eine bestimmte genomische Bindungsstelle bedeckt oder nicht. Dies lässt sich mittels Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP) nachweisen. ^{[ 39 ]}

Die Wechselwirkungen zwischen DNA und Nukleosomen lassen sich in zwei Zustände unterteilen: entweder in fest gebundene, transkriptionell inaktive DNA ( Heterochromatin ) oder in locker gebundene, meist, aber nicht immer transkriptionell aktive DNA ( Euchromatin ). Diese Veränderungen werden hauptsächlich durch die epigenetischen Prozesse der Histonmethylierung und -acetylierung sowie deren Umkehrprozesse, Demethylierung und Deacetylierung, verursacht. Die Effekte der Acetylierung und Deacetylierung sind besser vorhersagbar. Enzyme, sogenannte Histonacetyltransferasen bzw. Histondeacetylasen , fügen den positiv geladenen Lysinresten in Histonen eine Acetylgruppe hinzu bzw. entfernen diese. Die Acetylgruppe verhindert die Bindung von Lysin an das negativ geladene DNA-Rückgrat. Die Methylierung ist weniger eindeutig, da weder Methylierung noch Demethylierung konsistent mit Genaktivierung oder -repression korrelieren. Bestimmte Methylierungen können jedoch wiederholt Gene aktivieren oder reprimieren. Die Trimethylierung von Lysin 4 an Histon 3 (H3K4Me3) ist mit der Genaktivierung assoziiert, wohingegen die Trimethylierung von Lysin 27 an Histon 3 Gene reprimiert. ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]}

Während der Differenzierung verändern Stammzellen ihre Genexpressionsprofile. Jüngste Studien deuten auf eine Rolle der Nukleosomenpositionierung und Histonmodifikationen in diesem Prozess hin. ^{[ 43 ]} Dieser Prozess umfasst zwei Komponenten: die Abschaltung der Expression embryonaler Stammzellgene (ES-Zellen) und die Aktivierung von Zellschicksalsgenen. Es wird angenommen, dass die Lysin-spezifische Demethylase 1 ( KDM1A ) die Nutzung von Enhancer- Regionen von Pluripotenzgenen verhindert und dadurch deren Transkription hemmt. ^{[ 44 ]} Sie interagiert mit dem Mi-2/NuRD-Komplex (Nukleosomen-Remodellierung und Histon-Deacetylase) ^{[ 44 ]} , wodurch Methylierung und Acetylierung nicht als getrennte und sich gegenseitig ausschließende Prozesse, sondern als eng miteinander verknüpfte Prozesse auftreten.

Eine letzte Frage betrifft die Rolle der Zellsignalisierung bei der Beeinflussung epigenetischer Prozesse, die die Differenzierung steuern. Eine solche Rolle sollte existieren, da es naheliegend ist, dass extrinsische Signale zu epigenetischen Umstrukturierungen führen können, ebenso wie sie durch die Aktivierung oder Repression verschiedener Transkriptionsfaktoren Veränderungen der Genexpression bewirken können. Es liegen nur wenige direkte Daten zu den spezifischen Signalen vor, die das Epigenom beeinflussen , und der Großteil des aktuellen Wissens zu diesem Thema besteht aus Spekulationen über plausible Kandidaten für Regulatoren epigenetischer Umstrukturierungen. ^{[ 45 ]} Wir werden zunächst einige wichtige Kandidaten diskutieren, die vermutlich an der Induktion und Aufrechterhaltung sowohl embryonaler Stammzellen als auch ihrer differenzierten Nachkommen beteiligt sind, und uns dann einem Beispiel für spezifische Signalwege zuwenden, für die direktere Belege für ihre Rolle bei epigenetischen Veränderungen vorliegen.

Der erste wichtige Kandidat ist der Wnt-Signalweg . Dieser ist an allen Differenzierungsstadien beteiligt, und der Ligand Wnt3a kann die Überexpression von c-Myc bei der Erzeugung induzierter pluripotenter Stammzellen ersetzen. ^{[ 45 ]} Andererseits führt die Störung von β-Catenin , einer Komponente des Wnt-Signalwegs, zu einer verminderten Proliferation neuronaler Vorläuferzellen.

Wachstumsfaktoren bilden die zweite wichtige Gruppe von Kandidaten für epigenetische Regulatoren der Zelldifferenzierung. Diese Morphogene sind für die Entwicklung essenziell und umfassen Knochenmorphogenetische Proteine ​​(BMPs) , transformierende Wachstumsfaktoren (TGFs) und Fibroblasten-Wachstumsfaktoren (FGFs). Es wurde gezeigt, dass TGFs und FGFs die Expression von OCT4, SOX2 und NANOG durch nachgeschaltete Signalwege zu Smad- Proteinen aufrechterhalten. ^{[ 45 ]} Der Mangel an Wachstumsfaktoren fördert die Differenzierung von embryonalen Stammzellen (ESCs), während Gene mit bivalentem Chromatin in ihrer Transkription entweder restriktiver oder permissiver werden können. ^{[ 45 ]}

Mehrere andere Signalwege gelten ebenfalls als primäre Kandidaten. Zytokin- Leukämie-Inhibitionsfaktoren sind mit dem Erhalt des undifferenzierten Zustands von Maus-ES-Zellen assoziiert. Dies wird durch die Aktivierung des Jak-STAT3-Signalwegs erreicht, der sich als notwendig und ausreichend für die Aufrechterhaltung der Pluripotenz von Maus-ES-Zellen erwiesen hat. ^{[ 46 ]} Retinsäure kann die Differenzierung von humanen und Maus-ES-Zellen induzieren, ^{[ 45 ]} und die Notch-Signalgebung ist an der Proliferation und Selbsterneuerung von Stammzellen beteiligt. Schließlich fördert Sonic Hedgehog neben seiner Rolle als Morphogen die Differenzierung embryonaler Stammzellen und die Selbsterneuerung somatischer Stammzellen. ^{[ 45 ]}

Das Problem besteht natürlich darin, dass die Eignung dieser Signalwege primär auf ihrer Rolle in der Entwicklung und Zelldifferenzierung beruhte. Epigenetische Regulation ist zwar für die Zelldifferenzierung notwendig, aber keinesfalls hinreichend. Die direkte Modulation der Genexpression durch Modifikation von Transkriptionsfaktoren spielt eine Schlüsselrolle, die von vererbbaren epigenetischen Veränderungen unterschieden werden muss, welche selbst ohne die ursprünglichen Umweltsignale fortbestehen können. Bislang existieren nur wenige Beispiele für Signalwege, die zu epigenetischen Veränderungen führen und das Zellschicksal beeinflussen. Wir werden uns auf einen dieser Wege konzentrieren.

Die Expression von Shh (Sonic Hedgehog) steigert die Produktion von BMI1 , einer Komponente des PcG-Komplexes, der H3K27me3 erkennt . Dies geschieht Gli-abhängig, da Gli1 und Gli2 nachgeschaltete Effektoren des Hedgehog-Signalwegs sind . In Zellkulturen vermittelt Bmi1 die Fähigkeit des Hedgehog-Signalwegs, die Selbsterneuerung humaner Bruststammzellen zu fördern. ^{[ 47 ]} Sowohl bei Menschen als auch bei Mäusen wurde eine hohe Expression von Bmi1 in proliferierenden, unreifen Kleinhirnkörnerzellen nachgewiesen. Der Knockout von Bmi1 in Mäusen führte zu einer beeinträchtigten Kleinhirnentwicklung mit signifikanter Reduktion der postnatalen Hirnmasse sowie zu Anomalien in der motorischen Kontrolle und im Verhalten. ^{[ 48 ]} Eine weitere Studie zeigte eine signifikante Abnahme der Proliferation neuronaler Stammzellen bei gleichzeitig erhöhter Astrozytenproliferation in Bmi-Null-Mäusen. ^{[ 49 ]}

Ein alternatives Modell der Zelldifferenzierung während der Embryogenese besagt, dass die Positionsinformation auf mechanischen Signalen des Zytoskeletts mittels embryonaler Differenzierungswellen beruht . Dieses mechanische Signal wird dann epigenetisch über Signaltransduktionssysteme (zu denen spezifische Moleküle wie Wnt gehören) transduziert, was zu einer differenziellen Genexpression führt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Rolle der Signalübertragung bei der epigenetischen Steuerung des Zellschicksals bei Säugetieren weitgehend unbekannt ist, es gibt jedoch deutliche Beispiele, die auf die wahrscheinliche Existenz weiterer solcher Mechanismen hinweisen.

Um verschiedene Gewebe zu regenerieren, wandern adulte Stammzellen bekanntermaßen aus ihren Nischen ab, haften an neuen extrazellulären Matrizen (ECM) an und differenzieren sich. Die Duktilität dieser Mikroumgebungen ist für verschiedene Gewebetypen spezifisch. Die ECM, die Gehirn-, Muskel- und Knochengewebe umgibt, reicht von weich bis steif. Die Differenzierung der Stammzellen in diese Zelltypen wird nicht allein durch Chemokine und Zell-Zell-Kommunikation gesteuert. Die Elastizität der Mikroumgebung kann auch die Differenzierung mesenchymaler Stammzellen (MSCs, die im Knochenmark entstehen) beeinflussen. Werden MSCs auf Substrate mit der gleichen Steifigkeit wie die ECM von Gehirn, Muskeln und Knochen aufgebracht, nehmen sie die Eigenschaften dieser jeweiligen Zelltypen an. ^{[ 50 ]} Die Matrixerkennung erfordert, dass die Zelle an fokalen Adhäsionen gegen die Matrix zieht. Dies aktiviert einen zellulären Mechanotransduktor, der ein Signal generiert, um die zur Verformung der Matrix benötigte Kraft zu ermitteln. Um die Schlüsselfaktoren der Matrix-Elastizitäts-gesteuerten Differenzierung von MSCs zu identifizieren, wurden verschiedene Matrix-Mikroumgebungen simuliert. Aus diesen Experimenten wurde geschlossen, dass die fokalen Adhäsionen der MSCs als zelluläre Mechanotransduktoren fungieren, die Unterschiede in der Matrix-Elastizität wahrnehmen. Die nicht-muskulären Myosin-IIa- und -c-Isoformen erzeugen in der Zelle Kräfte, die zur Signalgebung früher Differenzierungsmarker führen. Nicht-muskuläres Myosin IIa erzeugt die geringste Kraft, die zu nicht-muskulärem Myosin IIc zunimmt. Es gibt auch zelluläre Faktoren, die nicht-muskuläres Myosin II hemmen, wie beispielsweise Blebbistatin . Dadurch wird die Zelle für die umgebende Matrix quasi blind. ^{[ 50 ]} Forschern ist es gelungen, Stammzell-ähnliche Eigenschaften in HEK-239-Zellen durch die Bereitstellung einer weichen Matrix ohne Verwendung von Diffusionsfaktoren zu induzieren. ^{[ 51 ]} Die Stammzelleigenschaften scheinen mit der Spannung im Aktinnetzwerk der Zellen zusammenzuhängen. Ein identifizierter Mechanismus für die Matrix-induzierte Differenzierung sind spannungsinduzierte Proteine, die das Chromatin als Reaktion auf mechanische Dehnung umstrukturieren. ^{[ 52 ]} Der RhoA-Signalweg ist ebenfalls an diesem Prozess beteiligt. ^{[ 53 ]}

Ein vermutlich holozoonartiges Protist , Bicellum brasieri , das aus zwei Zelltypen besteht und wahrscheinlich zu den Holozoen gehört, zeigt, dass die Evolution differenzierter Vielzelligkeit , möglicherweise, aber nicht notwendigerweise, in tierischen Abstammungslinien vor mindestens einer Milliarde Jahren und vermutlich hauptsächlich in Süßwasserseen und nicht im Ozean stattfand. ^{[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]}

• Interbilayer-Kräfte bei der Membranfusion
• Fusionsmechanismus
• Lipiddoppelschichtfusion
• Zell-Zell-Fusogene
• CAF-1
• Liste der aus den Keimblättern stammenden menschlichen Zelltypen