Illustration d’une cellule souche pluripotente induite.
Des chercheurs ont identifié les facteurs nécessaires à la génération de cellules souches naïves par reprogrammation.
Des chercheurs du programme de recherche sur l’épigénétique de l’Institut Babraham ont pu en apprendre davantage sur la reprogrammation des cellules souches naïves à la suite d’un écran fonctionnel à l’échelle du génome. Leur recherche, publiée aujourd’hui dans Science Advancesdécrit les régulateurs critiques de la reprogrammation et offre des possibilités de générer des cellules souches naïves pluripotentes humaines de manière plus efficace et plus rapide.
Les cellules souches pluripotentes humaines (CSP) sont un outil utile pour les chercheurs qui étudient comment les cellules se spécialisent pour fabriquer chaque tissu de notre corps. Elles existent dans deux états différents, primé et naïf. Les deux types de CSP peuvent s’auto-renouveler et se différencier en de nouveaux types de cellules, mais elles ont des fonctions et des caractéristiques moléculaires distinctes.
Le chef du groupe, Peter Rugg-Gunn, a expliqué l’importance de ces cellules : “Les CSP humaines à l’état naïf reproduisent les principales caractéristiques moléculaires et cellulaires des cellules d’un embryon au stade de la préimplantation. Il est important de noter que lorsque les CSP naïves sont encouragées à s’auto-organiser dans des conditions particulières, elles forment des structures qui ressemblent à un stade précoce du développement du blastocyste. En cultivant ces cellules en laboratoire, nous pouvons en apprendre davantage sur les événements clés qui se produisent au cours du développement humain, et elles peuvent être utilisées en médecine personnalisée. Mais nous devons créer des populations de cellules souches stables et de haute qualité pour pouvoir mener nos expériences.”
Les images de microscopie immunofluorescente montrent la morphologie différente des cellules souches pluripotentes reprogrammées (orange) et des cellules qui n’ont pas été reprogrammées (violet). Crédit : Adam Bendall, doctorant, The Babraham Institute.
Les cellules souches pluripotentes sont formées soit à partir d’embryons, soit en utilisant des méthodes récompensées par le prix Nobel pour supprimer l’identité cellulaire de cellules spécialisées. La majorité des expériences de reprogrammation génèrent des CSP amorcées, dont le développement est plus avancé que celui des CSP naïves. Les CSP naïves peuvent être collectées directement à partir d’embryons humains préimplantatoires ou, plus souvent, les chercheurs exposent les CSP amorcées à des conditions qui les amènent à devenir des CSP naïves. Les méthodes de reprogrammation existantes étaient inefficaces et lentes, empêchant les chercheurs de produire rapidement le nombre de cellules souches de haute qualité dont ils avaient besoin.
Adam Bendall, doctorant et chercheur principal de l’étude, a déclaré : “On savait très peu de choses sur les facteurs génétiques et épigénétiques nécessaires à la reprogrammation des cellules naïves, et ce manque de connaissances limitait la conception des conditions de reprogrammation.”
La faible efficacité de la reprogrammation naïve suggère la présence de barrières qui limitent les cellules à atteindre l’état naïf. Adam et ses collègues se sont penchés sur ces obstacles en réalisant un crible génétique à grande échelle pour identifier les gènes qui entravent et favorisent la reprogrammation. Ils ont pu identifier un grand nombre de gènes qui jouent un rôle crucial dans la programmation des CSP naïves et qui n’avaient pas été associés au processus auparavant.
L’équipe s’est concentrée sur un complexe épigénétique en particulier, le complexe PRC1. 3, qui régule l’expression des gènes sans modifier le DNA sequence, and which they found to be essential for the formation of naïve PSCs. Without this complex, the cells undergoing reprogramming become a completely different type of cell rather than naïve PSCs. This suggests that the activity of PRC1.3 could encourage more cells to reprogram properly, in effect lowering the barrier.
After identifying factors that promote reprogramming, the researchers also looked at factors that impede reprogramming, exemplified in their study by an epigenetic protein called HDAC2. Dr. Amanda Collier, first author on the paper, explained: “Excitingly, when we inhibited one of these factors using selective chemicals, then naïve PSC reprogramming occurred more efficiently and rapidly. We’re able to look at it from both sides; we can remove the barriers and introduce the factors that push cells towards state change.”
Not only does this research improve scientists’ ability to produce human naïve PSCs, it provides details on the molecular events that occur during the cell state transition itself, some of which are conserved in developmental regulation in human embryos.
The Rugg-Gunn lab are putting together the pieces of a bigger puzzle — the best understanding of the formation and control of naïve stem cells. Their previous research has identified molecular factors that help to maintain cells in a naïve stage. Group leader, Peter Rugg-Gunn said: “By building up our tools for manipulating pluripotent stem cells, we can spend more time asking important questions about the pre-implantation embryo. In the longer term, further improvements in working with naïve PSCs might open up the possibility for using these cells in personalized disease models or cell therapies, although this will require more research on how to differentiate naïve PSCs into specialized cell types.”
Reference: “Genome-wide screening identifies Polycomb repressive complex 1.3 as an essential regulator of human naïve pluripotent cell reprogramming” by Amanda J. Collier, Adam Bendall, Charlene Fabian, Andrew A. Malcolm, Katarzyna Tilgner, Claudia I. Semprich, Katarzyna Wojdyla, Paola Serena Nisi, Kamal Kishore, Valar Nila Roamio Franklin, Bahar Mirshekar-Syahkal, Clive D’Santos, Kathrin Plath, Kosuke Yusa and Peter J. Rugg-Gunn, 25 March 2022, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abk0013
