Kopiering af DNA svækker cellernes identitet

I årtier har forskere lært at styre stamcellers udvikling til andre celletyper: neuroner med forgrenede udløbere, blodcellernes karakteristiske røde skiver eller hjertemuskelceller med deres lange, trådformede struktur.

Siden 2006 har de også kunnet gøre det modsatte: føre modne celler tilbage til en stamcelletilstand med tilsyneladende ubegrænset potentiale. Men af grunde, som forskerne endnu ikke fuldt ud forstår, sker denne type identitetsskifte kun i forbindelse med perioder med DNA-replikation.

“Celledeling ser ud til at være noget, cellerne skal igennem for at kunne ændre, hvilken type celle de er,” forklarer Kathleen Stewart-Morgan, biolog ved Københavns Universitet, som forsker i epigenetisk omprogrammering.

Nu mener forskere fra Københavns Universitet og Danish Cancer Institute at have fundet en forklaring: Umiddelbart efter DNA-replikationen bliver det nyorganiserede kromatin kortvarigt usædvanligt tilgængeligt. Det betyder, at det molekylære maskineri, som styrer genaktiviteten, lettere kan få adgang til DNA’et. Resultatet er et kort tidsvindue, hvor cellens identitet ser ud til at være lettere at omskrive.

Det maskineri, der pakker DNA’et sammen igen efter kopieringen, ser ud til at arbejde hurtigt, men ikke helt præcist. Det efterlader midlertidigt vigtige regulatoriske områder af arvemassen mere tilgængelige.

Ved at skelne mellem nyligt replikeret DNA og ældre DNA kunne forskerne direkte undersøge, om selve replikationen bidrager til at drive ændringer i cellers identitet – og sammenligne kromatinets tilgængelighed før og efter replikationen i de samme celler.

Resultaterne, som er offentliggjort i Stem Cell Reports, kan hjælpe forskere med at forbedre metoder til at omdanne modne celler som hud- eller hårceller tilbage til stamceller. Arbejdet kan også kaste nyt lys over, hvordan ukontrolleret replikation ændrer cellers identitet i kræft.

Sådan pakker celler deres DNA om

Hver eneste celle i menneskekroppen – fra de lysfølsomme stavceller i nethinden til smagsløgene på tungen – bygger på den samme genetiske opskrift.

“DNA’et i de celler er det samme. Det, der er forskelligt, er, hvilke gener der er aktive,” siger medforfatter Kathleen Stewart-Morgan.

Forskellen skyldes epigenomet – et system af mikroskopiske kemiske mærker, som fungerer som bogmærker i cellens opskriftsbog og angiver, hvilke instruktioner der skal læses, og hvilke der skal forblive lukkede.

Nogle af disse epigenetiske mærker kan nedarves, men epigenomet ændrer sig også som reaktion på omgivelserne, for eksempel ved fødevaremangel. Alligevel ved forskerne stadig ikke præcist, hvornår DNA bliver tilgængeligt nok til, at sådanne ændringer kan finde sted.

“DNA ligger ikke frit i cellekernen. Det er pakket ind i kromatin, som er den samlede betegnelse for DNA og de proteiner, der er bundet til det,” forklarer Stewart-Morgan. “Den indpakning beskytter DNA’et og hjælper med at forhindre skader.”

I kromatinet er DNA-strengene viklet tæt omkring proteiner kaldet histoner – lidt som tråd omkring en spole. Medforfatter Anja Groth, molekylærbiolog ved Københavns Universitet, har gennem flere årtier undersøgt, hvordan kromatin pakkes ud og sammen igen under DNA-replikationen.

“Replikationsmaskineriet skal først skille de to strenge i DNA-dobbelthelixen ad for at kunne lave en ny kopi,” siger Groth. “Når det sker, bliver histonerne midlertidigt skubbet væk og derefter genbrugt på det nykopierede DNA.”

Når kopieringen er afsluttet, skal det nye DNA hurtigt pakkes ind igen. Det sker ved, at friske histoner strømmer til og i hast bliver placeret omkring de nye DNA-strenge.

“Vi ved fra tidligere studier – både vores egne og andres – at dette kromatin godt kan se kompakt ud, men at det i virkeligheden er langt mere uordnet,” siger Groth. “Den uorden kan gøre det lettere for regulatoriske proteiner at få adgang til DNA’et.”

Noget gammelt, noget nykopieret

Da dette hastigt sammenpakkede kromatin er relativt uordnet, formodede forskerne, at cellerne kortvarigt kunne blive mere modtagelige for ændringer i deres identitet.

For at teste denne hypotese havde forskerne brug for en metode til at skelne mellem nyligt replikeret kromatin og ældre kromatin for at måle, hvor let regulatoriske proteiner kunne få adgang til forskellige DNA-sekvenser for at aktivere eller deaktivere gener.

“Cellerne vokser i en skål. Ud over de fire DNA-baser – A, C, G og T – tilføjer vi en kemisk analog, der ligner thymidin, T'et i ACGT, men som ikke er thymidin,” forklarer Stewart-Morgan.

Da cellerne kopierede deres DNA, inkorporerede de nyproducerede DNA-strenge det falske thymidin, mens det ældre DNA bevarede den naturlige version. Det gjorde det muligt for forskerne at skelne mellem nyligt kopieret DNA og allerede eksisterende DNA.

“Det gav os en helt ny indgang til spørgsmålet, og det er det egentlige fremskridt i studiet,” siger Stewart-Morgan. “Den metode var ikke tilgængelig før.”

Stamceller, saks og et afgørende bevis

I en teknik kaldet repli-ATAC-seq, som Stewart-Morgan og Groth først præsenterede i en artikel fra 2019, klipper et enzym de DNA-strækninger ud, der er eksponeret i forskellige faser af cellecyklussen.

“Det forsøger helt upartisk bare at klippe alt, hvad det kan finde,” siger Stewart-Morgan.

Forskere kan derefter sekventere disse små DNA-stykker for at se, hvilke dele af genomet der var fysisk eksponeret og tilgængelige inde i cellen.

Undersøgelsen af disse små udskårne sektioner afslørede et tydeligt mønster: De strækninger af kromatin, der blev mere tilgængelige under replikationen, var gentagne gange knyttet til gener, der er involveret i ændringer af cellers identitet.

“Vi ved fra en lang række korrelationsstudier, at disse regioner er starten på gener og enhancerregioner – DNA-strækninger, der hjælper med at kontrollere, om gener er aktive eller inaktive,” siger Stewart-Morgan.

Omprogrammering fanger celler midt i kopieringen

Men hvad med den anden retning – cellulær omprogrammering?

Forskerne kiggede på Yamanaka-faktor-omprogrammering, en Nobelprisvindende protokol udviklet af en forsker ved Kyoto Universitet i 2006. Yamanaka-faktor-omprogrammering kan omdanne almindelige hud- eller hårceller til stamceller ved hjælp af specifikke transkriptionsfaktorer – proteiner, der slukker for gener knyttet til cellens nuværende identitet og reaktiverer gener, der normalt kun er aktive i embryoner.

Yamanaka-faktor-omprogrammering er generelt en to-ugers proces, siger forskerne.

“Heldigvis fangede vi et tidspunkt tidligt i forløbet,” tilføjer Stewart-Morgan. “Det blev lidt af en smoking gun.”

“Efter 12 timer lignede det ikke-replikerede kromatin stadig de oprindelige celler,” siger Stewart-Morgan. “Men det replikerede kromatin havde allerede skiftet mod en mere stamcellelignende tilstand.”

Forskellen viste sig inden for det samme omprogrammeringseksperiment, hvilket styrkede sammenhængen mellem replikation og identitetsændring.

Da forskerne blokerede replikationen, forsvandt både ændringerne i tilgængeligheden og skiftet mod omprogrammering.

“Det var den egentlige demonstration af, at selve replikationen skaber denne mulighed for omprogrammering,” siger Stewart-Morgan.

Målingerne af tilgængeligheden, de afstamningsrelaterede regioner og eksperimenterne med blokering af replikationen pegede alle i retning af den samme konklusion.

“Replikation baner vejen for bindingen af disse centrale transkriptionsfaktorer,” tilføjer Groth. “Hvis replikationen ikke finder sted, fjerner man effekten.”

Når celler skifter identitet

Stewart-Morgan og Groth mener, at resultaterne kan hjælpe forskere med bedre at kontrollere, hvordan celler ændrer identitet – et langvarigt mål inden for regenerativ medicin.

“Der er også virkelig interessant nyt arbejde med delvis omprogrammering, hvor celler skubbes delvist tilbage mod en yngre tilstand uden helt at miste deres identitet,” forklarer Groth.

Men at være for letsindig med at fremme celledeling kan have sine egne konsekvenser, såsom den løbske cellevækst, man ser ved kræft, advarer hun.

På samme måde kan disse erfaringer potentielt anvendes på sygdomme, der er drevet af ukontrolleret celledeling, herunder kræft, siger forskerne.

“Når man først har forstået, hvilken proces der fungerer som en slags portvagt, kan man begynde at overveje: ’Er der noget, vi kan gribe ind i og manipulere for at ændre det og måske skabe større tilgængelighed efter replikationen?’” siger Groth.

“Det handler ikke kun om at styre, om cellerne deler sig, men potentielt også om at manipulere selve replikationen,” konkluderer Groth.