Las células madre embrionarias (ES) tienen la notable capacidad de diferenciarse en todas las células del cuerpo. Durante el desarrollo normal, las elecciones de diferenciación de las células embrionarias están influenciadas por factores extracelulares. El objetivo de esta subvención es comprender cómo estas señales extrínsecas guían a las células ES hacia vías de diferenciación, en particular hacia el endodermo. El linaje endodérmico es el tejido precursor del páncreas y las células de los islotes pancreáticos que producen insulina. Nos centramos en la capacidad de las proteínas Wnt para controlar cómo se diferencian las células ES, ya que son potentes reguladores del desarrollo embrionario. Nuestros laboratorios tienen la capacidad única de utilizar proteínas Wnt activas para estudiar cómo actúan directamente sobre las células ES. Durante el año pasado se lograron avances sustanciales. El laboratorio de Nusse ha demostrado que la autorrenovación de células madre embrionarias, tanto humanas como de ratón, depende de señales Wnt extrínsecas. Este hallazgo tiene consecuencias importantes para la aplicación clínica y el trasplante de células ES, ya que sugiere que el antagonismo de la vía Wnt obligará a todas las células pluripotentes a diferenciarse, eliminando así su potencial tumorigénico. En segundo lugar, estos resultados sugieren que los Wnts actuarían para promover el establecimiento de nuevas células ES. De hecho, hemos podido establecer fácilmente varias líneas ES nuevas a partir de varias cepas de ratones diferentes. Durante el próximo año, también intentaremos derivar nuevas células ES humanas basadas en esta tecnología. El grupo Wong utiliza métodos bioinformáticos para analizar la diferenciación de las células ES. Han desarrollado nuevos métodos y programas informáticos para analizar datos de expresión génica a partir de nuevas tecnologías. El laboratorio de Kim ha desarrollado un nuevo clon ES, hS17-90, que se diferencia en endodermo y caracteriza el perfil de expresión génica de nuevas células ES. Estos resultados pueden conducir a un protocolo perfeccionado para inducir la diferenciación endodérmica y pancreática de las células ES. Los tres grupos han incursionado en esta área de investigación y colaboran activamente en base a intereses mutuos y tecnologías complementarias.
Período de información:
Los estudiantes de Year 3
Una cuestión central en la biología de las células madre embrionarias humanas es cómo se puede controlar el estado de diferenciación de las células. Para resolver este problema será necesario abordar numerosas cuestiones. Entre ellos se encuentran definir condiciones y factores que promueven la diferenciación de células ES humanas en linajes particulares; e identificar etapas intermedias del compromiso del destino. Hemos planteado la hipótesis de que los mejores factores candidatos son aquellos que regulan las decisiones sobre el destino celular en embriones normales y en esta subvención probamos esta hipótesis directamente. Estudiamos la función de estas moléculas de señalización del desarrollo en las decisiones que toman las células madre embrionarias durante la diferenciación. Las señales se denominan Wnts, moléculas que se sabe que desempeñan múltiples funciones durante la embriogénesis. En una línea de investigación, estamos interesados en generar nuevas células ES humanas utilizando proteínas Wnt. Hemos avanzado hacia ese objetivo a medida que se ha establecido una nueva línea con características de células ES auténticas. Entre las opciones de destino celular en las que nos centramos se encuentran aquellas que dan como resultado la generación de endodermo, el tejido precursor de las células beta pancreáticas productoras de insulina. Durante este trabajo, hemos podido aislar directamente células endodérmicas utilizando nuevos marcadores de superficie celular. También identificamos condiciones de cultivo celular que permiten que las células aisladas con FACS reanuden la diferenciación hacia células que expresan marcadores del epitelio hepático y intestinal. Estas condiciones incluyen la exposición de células en etapas tempranas a proteínas Wnt purificadas. Hasta donde sabemos, este restablecimiento del desarrollo por una progenie aislada de hESC similar a un endodermo no se ha descrito previamente. También demostramos que la expresión de un subconjunto de proteínas de superficie identificadas en nuestros estudios de hESC se mantuvo en el epitelio pancreático fetal humano nativo, lo que demuestra la utilidad de nuestro sistema para modelar el desarrollo de órganos humanos. Un nuevo hallazgo inesperado es que la formación de células precursoras del corazón a partir de células ES también está bajo el control de señales Wnt, lo que nos permite diseñar un nuevo protocolo para generar estas importantes células en cultivo. En una línea de trabajo complementaria, basada en la comprensión de que la genómica avanzada y los métodos computacionales son esenciales para comprender la diferenciación de las células ES humanas, hemos desarrollado nuevas herramientas para analizar la actividad transcripcional en las células ES humanas. Por lo tanto, hemos logrado avances significativos en el logro de nuestros objetivos iniciales y ahora podemos, basándose en el uso de factores de crecimiento Wnt, dirigir las células ES humanas a lo largo de varias vías de desarrollo importantes. Entre los criterios de valoración de diferenciación se encuentran dos, el mesodermo cardíaco y el endodermo, que pueden resultar relevantes en el uso de células ES humanas con fines clínicos.
Período de información:
Los estudiantes de Year 4
Una cuestión central en la biología de las células madre embrionarias humanas es cómo se puede controlar el estado de diferenciación de las células. Para resolver este problema será necesario abordar numerosas cuestiones. Entre ellos se encuentran definir condiciones y factores que promueven la diferenciación de células ES humanas en linajes particulares; e identificar etapas intermedias del compromiso del destino. Hemos planteado la hipótesis de que los mejores factores candidatos son aquellos que regulan las decisiones sobre el destino celular en embriones normales y en esta subvención probamos esta hipótesis directamente. Abordamos la función de estas moléculas de señalización del desarrollo en las decisiones que toman las células madre embrionarias durante la diferenciación. Las señales se denominan Wnts, moléculas que se sabe que desempeñan múltiples funciones durante la embriogénesis. En una línea de investigación, estamos interesados en generar nuevas células ES humanas utilizando proteínas Wnt. Entre las opciones de destino celular en las que nos centramos se encuentran aquellas que dan como resultado la generación de endodermo, el tejido precursor de las células beta pancreáticas productoras de insulina. Durante este trabajo, hemos podido aislar directamente células endodérmicas utilizando nuevos marcadores de superficie celular. También identificamos condiciones de cultivo celular que permiten que las células aisladas con FACS reanuden la diferenciación hacia células que expresan marcadores del epitelio hepático y intestinal. Estas condiciones incluyen la exposición de células en etapas tempranas a proteínas Wnt purificadas. Hasta donde sabemos, este restablecimiento del desarrollo por una progenie aislada de hESC similar a un endodermo no se ha descrito previamente. También demostramos que la expresión de un subconjunto de proteínas de superficie identificadas en nuestros estudios de hESC se mantuvo en el tejido pancreático humano, lo que demuestra la utilidad de nuestro sistema para modelar el desarrollo de órganos humanos. Un nuevo hallazgo inesperado es que la formación de células precursoras del corazón a partir de células ES también está bajo el control de señales Wnt, lo que nos permite diseñar un nuevo protocolo para generar estas importantes células en cultivo. En una línea de trabajo complementaria, basada en la comprensión de que la genómica avanzada y los métodos computacionales son esenciales para comprender la diferenciación de las células ES humanas, hemos desarrollado nuevas herramientas para analizar la actividad transcripcional en las células ES humanas. En un trabajo paralelo, descubrimos que la proteína Wnt puede mantener el potencial de desarrollo de las células ES de ratón, sirviendo como modelo para las células ES humanas. Por lo tanto, hemos logrado avances significativos en el logro de nuestros objetivos iniciales y ahora podemos, basándose en el uso de factores de crecimiento Wnt, dirigir las células ES humanas a lo largo de varias vías de desarrollo importantes. Entre los criterios de valoración de diferenciación se encuentran dos, el mesodermo cardíaco y el endodermo, que pueden resultar relevantes en el uso de células ES humanas con fines clínicos.
Detalles de la solicitud de subvención
Titulo de la aplicación:
Guiando el programa de desarrollo de células madre embrionarias humanas mediante factores Wnt aislados
Resumen público:
Al igual que las células de un embrión humano, las células madre embrionarias tienen el potencial de dar origen a todos los tipos de células y tejidos del cuerpo humano. Por eso es una perspectiva interesante utilizar estas células en la reparación de tejidos. Pero para hacerlo, debemos entender cómo podemos guiar la diferenciación de las células madre. Por ejemplo, si uno quiere utilizar células madre para reemplazar células defectuosas productoras de insulina en el páncreas, tenemos que aprender cómo podemos convertir las células madre en células pancreáticas, o al menos en precursoras de células pancreáticas. Entonces la pregunta es: ¿en qué se diferencian las células de un embrión entre sí? La investigación realizada en animales ha demostrado que existen proteínas de señalización que instruyen a las células a cambiar de un tipo a otro. Un grupo importante de estas proteínas de señalización son las Wnts. Estudiados en nuestro laboratorio durante mucho tiempo, los Wnts son poderosos factores de diferenciación. Para utilizar proteínas Wnt como factores en condiciones controladas, es necesario poder aislarlas. Este ha sido un problema importante en el pasado, pero lo hemos solucionado recientemente. Por lo tanto, ahora estamos en condiciones de probar cómo las proteínas Wnt, cuando se añaden a las células madre, cambian el estado de diferenciación de las células y nuestros resultados preliminares indican que, de hecho, existen consecuencias significativas. Una segunda pregunta que queremos abordar es cómo podemos reconocer las etapas intermedias en la diferenciación de las células madre. Pasar de una célula madre a una célula pancreática productora de insulina es un proceso gradual, que sigue una hoja de ruta donde conocemos el principio y el final, pero no los pasos intermedios. Tenemos la intención de realizar experimentos con chips genéticos para trazar esos pasos y mapear las rutas que siguen las células madre hasta llegar a las células descendientes diferenciadas. Finalmente, centraremos nuestra investigación en promover la diferenciación de células madre en endodermo, un tejido que es el precursor del desarrollo del páncreas. Esperamos que esta investigación contribuya significativamente a nuestros conocimientos sobre el comportamiento de las células madre, pero también genere nuevas herramientas para mejorar el uso de células madre para la medicina regenerativa.
Declaración de beneficio para California:
Esta investigación conducirá a nuevas herramientas para controlar las vías de diferenciación de las células madre embrionarias humanas. Más específicamente, el trabajo tiene como objetivo generar una clase importante de factores de diferenciación, los Wnts, que se sabe que influyen en cómo se diferencian las células de un embrión. A pesar del potencial de las Wnts en la investigación con células madre, su uso práctico ha sido limitado porque las proteínas eran difíciles de purificar. Nuestro laboratorio ha resuelto este problema y, por lo tanto, exploraremos su uso. Nuestros experimentos incluirán agregar factores a las células madre y probar cómo se diferencian, en particular en endodermo, células que son precursoras directas del páncreas, el hígado, los pulmones y otros órganos de importancia médica. Como hemos hecho en el pasado, los productos del trabajo, incluidos los factores Wnt, se pondrán a disposición de otros investigadores. Este trabajo generará conocimientos biológicos fundamentales sobre cómo se diferencian las células madre. A su vez, este nuevo conocimiento debería acelerar los esfuerzos para utilizar HESC en la medicina regenerativa.
