Regulierende Faktoren der Zelldifferenzierung

An der Differenzierung sind sowohl intrazelluläre Transkriptionsfaktoren als auch extrazelluläre Signalwege beteiligt. In der frühen Embryogenese von Säugetieren differenzieren sich die Zellen der inneren Zellmasse (ICM) der Blastozyste entweder zum Epiblast oder zum primitiven Endoderm (PrE). Zu Beginn ko-exprimieren einzelne ICM-Zellen die für die Differenzierung benötigten Transkriptionsfaktoren, danach erfolgt entsprechend den extrazellulären Signalen die Spezifizierung der Expressionsmuster.

Die EU-finanzierte Projekt CELLSTATETRANSITIONS (Capturing transition states associated with lineage decisions in the early mouse embryo) untersuchte diese Ereignisse nun an einem Gewebekulturmodell von Maus-ESC genauer. Die Forscher generierten Zelllinien mit Doxycyclin-induzierbaren Genen, die fluoreszenzmarkierte GATA-Transkriptionsfaktoren exprimieren. Diese DNA-bindenden Proteine steuern Differenzierungsprozesse in der Zelle, indem sie die Transkription aktivieren oder unterdrücken. Das Projekt untersuchte die Interaktion zwischen Transkriptionsregulation und einem Signalweg, an dem Fibroblasten-Wachstumsfaktoren (FGF) und Mitogen-aktivierte Proteinkinasen (MAPK) beteiligt sind.

CELLSTATETRANSITIONS zeigte, dass über die Konzentration des GATA-Faktors in einer Zelle eine PrE-ähnliche Differenzierung eingeleitet wird. Mittels Zeitraffer-Bildgebung wurden die fluoreszenzmarkierten GATA-Faktoren in einzelnen Zellen dargestellt und anschließend Differenzierungsmarker immunhistochemisch eingefärbt. Dabei stellte sich heraus, dass die Expression des GATA-Faktors einen bestimmten Schwellenwert überschreiten muss, damit eine PrE-Differenzierung in der Zelle stattfindet. Differenzierungsexperimente mit unterschiedlichem Signalpegel ergaben, dass der FGF/MAPK-Signalweg die Anzahl der sich differenzierenden Zellen beeinflusst, indem er den Schwellenwert der GATA-Faktoren festsetzt.

Das Projekt zeigte, dass der Anteil an Zellen, die sich entlang der PrE-Zelllinie differenzieren, sowohl durch Expression der Transkriptionsfaktoren als auch die Signalsteuerung reguliert wird. Das Team entwickelte ein einfaches mathematisches Modell der Ereignisse, die die Differenzierung beeinflussen, und validierte es durch Vergleiche simulierter Expressionsdynamik mit experimentell ermittelten Prozessen. Die drei wissenschaftlichen Publikationen, die aus diesen Studien hervorgingen, beschreiben ein neues Prinzip der Signalgebung bei der Differenzierung, mit dem die Anzahl der Zellen reguliert wird, die sich zu einer bestimmten Linie differenzieren. Neben neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen leistete das Projekt Pionierarbeit im Bereich des mehrfarbigen Live Cell Imaging, mit dem die Struktur von Genregulationsnetzwerken aufgezeigt werden kann.