Mecanismos de regulación de ARN pequeños en el desarrollo embrionario temprano.

La promesa de las células madre embrionarias (ES) en la medicina regenerativa se basa en su potencial para producir cada célula del cuerpo, una propiedad denominada pluripotencia. Todavía no entendemos completamente las moléculas que subyacen a la pluripotencia. Es esencial que lo hagamos para mejorar la generación y las pruebas de control de calidad de las células madre embrionarias. Un interesante trabajo reciente ha demostrado que las modificaciones en el genoma que no cambian la secuencia real del ADN, pero sí cambian la forma en que se presenta esa secuencia, son un componente central de la pluripotencia. Estas modificaciones se han denominado modificaciones epigenéticas porque no alteran el código genético subyacente. Específicamente, recientemente se demostró que estas modificaciones epigenéticas mantienen la capacidad de las células madre para proliferar y al mismo tiempo las preparan para diferenciarse en todos los tejidos del cuerpo. Lo hacen manteniendo desactivados los programas necesarios para la diferenciación en tejidos adultos, pero aún accesibles para su activación. El fracaso en el establecimiento y/o mantenimiento del programa epigenético correcto conduce a una disminución de la pluripotencia e incluso al riesgo de tumores. Lamentablemente, se sabe muy poco sobre cómo se establece y mantiene el programa epigenético de las células madre embrionarias. El propósito de esta subvención es comprender el papel de diferentes clases de pequeños ARN no codificantes en el desarrollo embrionario temprano y el establecimiento y mantenimiento del programa epigenético de las células ES. El año pasado descubrimos una diversidad de clases de ARN pequeños en células madre embrionarias, incluidos microARN canónicos, ARN en horquilla corta, mirtrones y ARNip endógenos (endo-siARN). Los tres primeros parecen ser subclases de microARN y probablemente actúan de manera similar para reprimir la producción de proteínas que alterarían las propiedades de las células ES. Por el contrario, se desconoce cómo actúan los endo-siRNA. En especies no mamíferas se ha demostrado que regulan el estado epigenético de la célula. Para determinar su función en las células ES, eliminamos los loci genéticos que las producen. Pronto probaremos qué funciones desempeñan en la función de las células ES, la constitución molecular de las células y las modificaciones epigenéticas del genoma. Al mismo tiempo que publicamos nuestro descubrimiento de endo-siRNA en células ES, otros dos grupos encontraron una gran población de endo-siRNA en óvulos no fertilizados (ovocitos). Para probar el papel de los endo-siRNA en los ovocitos, creamos dos mutantes, uno que elimina todos los microRNA y otro que elimina los microRNA y los endo-siRNA. Al comparar estos dos mutantes podemos inferir el papel de los endo-siRNA. Para nuestra sorpresa, los endo-siRNA parecen ser los pequeños actores centrales de ARN en los ovocitos. Aún más sorprendente es que toda la vía funcional del microARN parece estar silenciada en los ovocitos y en las primeras etapas del embrión. Predecimos que este silenciamiento de la función de miARN puede ser fundamental para el gran potencial de las células embrionarias tempranas. Ahora estamos trabajando para ver cómo se silencia la función de miRNA y luego determinaremos cómo dicha supresión influye en el potencial de desarrollo.

Para cumplir la promesa de las células madre pluripotentes, tanto embrionarias como pluripotentes inducidas, es esencial comprender completamente sus propiedades y cómo esas propiedades pueden manipularse para producir cualquier célula del cuerpo humano. La mejor manera de alcanzar ese objetivo es comprender las relaciones entre estas células que crecen en una placa de cultivo en el laboratorio y las células equivalentes en el embrión en desarrollo. Como trabajar con embriones humanos conlleva muchas preocupaciones éticas, una alternativa importante es el modelo de ratón. De hecho, mucho de lo que hemos aprendido en el modelo de ratón se ha confirmado posteriormente en humanos. Por lo tanto, utilizamos una combinación del modelo de ratón y células humanas para analizar las bases moleculares de la función de las células madre y la diferenciación hacia tejidos adultos. En particular, nos hemos centrado en una clase de moléculas llamadas ARN pequeños que sólo se descubrieron en la década de 1990 y se hicieron ampliamente apreciadas en la última década. Hay varias clases de estos pequeños ARN, dos de los cuales se centra en nuestro laboratorio: los microARN y los ARNip endógenos. Hemos descubierto que estos pequeños ARN son esenciales para el desarrollo normal de los mamíferos, el crecimiento y la diferenciación de las células madre. En el último año de esta subvención, hemos estado ampliando estos hallazgos analizando las funciones relativas de las dos clases de ARN pequeños y los ARN pequeños individuales dentro de esas clases que son responsables de funciones específicas. Recientemente descubrimos que los ARNip endógenos son absolutamente esenciales para la maduración de los ovocitos y, por tanto, son muy importantes en la fertilidad humana. Sin embargo, no sabemos cómo funcionan exactamente ni con qué otras moléculas interactúan, un nuevo enfoque que estamos siguiendo. También descubrimos que la función del microARN se silencia transitoriamente durante la maduración de los ovocitos y el desarrollo embrionario temprano. Este hallazgo fue sorprendente y sugiere que la supresión de miARN casi con certeza tiene un papel esencial en el desarrollo temprano. Hemos avanzado en la determinación del mecanismo de supresión, lo que nos permitirá comprender su papel. También estamos probando un papel potencial de la supresión de microARN en la producción eficiente de células madre pluripotentes de alta calidad. Además, hemos descubierto que los microARN desempeñan funciones importantes en los primeros eventos de diferenciación de las células madre embrionarias y su contraparte embrionaria, la transición de la masa celular interna al epiblasto. Estamos avanzando sobre qué microARN son responsables y cómo interactúan con el resto de moléculas de la célula. Finalmente, estamos analizando por primera vez el papel de los ARNip endógenos en las células madre embrionarias eliminándolos y determinando las consecuencias celulares. Se espera que esta investigación nos permita manipular más fácilmente los destinos celulares para producir células de alta calidad que podrían usarse para estudiar enfermedades de muchos tipos, así como para reintroducir tejido sano en pacientes con enfermedades degenerativas.

Para cumplir la promesa de las células madre pluripotentes, tanto embrionarias como pluripotentes inducidas, es esencial comprender completamente sus propiedades y cómo esas propiedades pueden manipularse para producir cualquier célula del cuerpo humano. La mejor manera de alcanzar ese objetivo es comprender las relaciones entre estas células que crecen en una placa de cultivo en el laboratorio y las células equivalentes en el embrión en desarrollo. Como trabajar con embriones humanos conlleva muchas preocupaciones éticas, una alternativa importante es el modelo de ratón. De hecho, mucho de lo que hemos aprendido en el modelo de ratón se ha confirmado posteriormente en humanos. Por lo tanto, utilizamos una combinación del modelo de ratón y células humanas para analizar las bases moleculares de la función de las células madre y la diferenciación hacia tejidos adultos. En particular, nos hemos centrado en una clase de moléculas llamadas ARN pequeños que sólo se descubrieron en la década de 1990 y se hicieron ampliamente apreciadas en la última década. Hay varias clases de estos pequeños ARN, dos de los cuales se centra en nuestro laboratorio: los microARN y los ARNip endógenos. Hemos descubierto que estos pequeños ARN son esenciales para el desarrollo normal de los mamíferos, el crecimiento y la diferenciación de las células madre. El año pasado, hemos estado siguiendo interesantes funciones de los ARNip endógenos en el desarrollo del óvulo. Estos pequeños ARN son esenciales para el crecimiento de un óvulo sano al controlar la distribución precisa del ADN. También descubrimos que la función del microARN se suprime activamente durante este importante período de tiempo. Hemos avanzado en el descubrimiento de las proteínas responsables de esta supresión. Creemos que estas proteínas nos darán pistas sobre cómo el óvulo prepara el genoma para producir las células que pueden reemplazar cualquier tejido de nuestro cuerpo. El microARN funciona por primera vez en el momento en que un embrión se implanta en el útero de la madre. Hemos descubierto que en esta etapa actúan dos grupos de microARN. Creemos que estos microARN específicos desempeñan funciones esenciales en la transición de las células que pueden producir todos los tejidos a un estado más especializado en el que solo pueden producir células específicas. Para probar esta idea, hemos creado células madre y ratones a los que se les eliminan estos miARN para ver cómo su pérdida influye en el potencial de desarrollo de la célula. De manera similar, estamos determinando las funciones de los ARNip endógenos en estas últimas etapas de desarrollo mediante la fabricación de ratones de los que se han eliminado. En conjunto, estos resultados están brindando conocimientos nuevos e importantes sobre el papel de los ARN pequeños en el desarrollo embrionario temprano. Se espera que esta investigación nos permita manipular más fácilmente los destinos celulares para producir células de alta calidad que podrían usarse para estudiar enfermedades de muchos tipos, así como para reintroducir tejido sano en pacientes con enfermedades degenerativas.

Para cumplir la promesa de las células madre pluripotentes, tanto embrionarias como pluripotentes inducidas, es esencial comprender completamente sus propiedades y cómo esas propiedades pueden manipularse para producir cualquier célula del cuerpo humano. La mejor manera de alcanzar ese objetivo es comprender las relaciones entre estas células que crecen en una placa de cultivo en el laboratorio y las células equivalentes en el embrión en desarrollo. Como trabajar con embriones humanos conlleva muchas preocupaciones éticas, una alternativa importante es el modelo de ratón. De hecho, mucho de lo que hemos aprendido en el modelo de ratón se ha confirmado posteriormente en humanos. Por lo tanto, utilizamos una combinación del modelo de ratón y células humanas para analizar las bases moleculares de la función de las células madre y la diferenciación hacia tejidos adultos. En particular, nos hemos centrado en una clase de moléculas llamadas ARN pequeños que sólo se descubrieron en la década de 1990 y se hicieron ampliamente apreciadas en la última década. Hay varias clases de estos pequeños ARN, dos de los cuales se centra en nuestro laboratorio: los microARN y los ARNip endógenos. Hemos descubierto que estos pequeños ARN son esenciales para el desarrollo normal de los mamíferos, el crecimiento y la diferenciación de las células madre. El año pasado, hemos estado investigando más profundamente el mecanismo por el cual el óvulo de los mamíferos suprime una de estas clases de ARN pequeños, los microARN, pero no la otra, los ARNip endógenos. También hemos estado estudiando cómo se utilizan los microARN poco después de la fertilización, primero para mantener la pluripotencia (la capacidad de producir todas las células del cuerpo) y luego para promover la diferenciación en lo que eventualmente se convertirá en todos los tejidos adultos. Comprender estos mecanismos debería permitirnos adoptarlos para manipular muchas células para que se conviertan en otros tipos de células mediante un proceso llamado reprogramación. La reprogramación es la piedra angular de la medicina regenerativa, ya que permite reemplazar los tejidos dañados. En otros experimentos, hemos investigado cómo interactúan los microARN con mecanismos moleculares adicionales en las células. En particular, hemos estado estudiando la asociación de microARN y cambios epigenéticos en las células. Comprender cómo funcionan juntos estos dos mecanismos mejorará nuestra capacidad de reprogramar células. Finalmente, continuamos abordando el papel de la otra clase de ARN pequeños, los ARNip endógenos. Estamos utilizando reporteros, manipulación genética y estrategias de rescate para descubrir los primeros ejemplos de interacciones endógenas entre ARNip y genes en mamíferos, centrándonos una vez más en el desarrollo embrionario temprano. En conjunto, estos resultados están brindando conocimientos nuevos e importantes sobre el papel de los ARN pequeños en el desarrollo embrionario temprano. Se espera que esta investigación nos permita manipular más fácilmente los destinos celulares para producir células de alta calidad que podrían usarse para estudiar enfermedades de muchos tipos, así como para reintroducir tejido sano en pacientes con enfermedades degenerativas.

Para cumplir la promesa de las células madre pluripotentes, tanto embrionarias como pluripotentes inducidas, es esencial comprender completamente sus propiedades y cómo esas propiedades pueden manipularse para producir cualquier célula del cuerpo humano. La mejor manera de alcanzar ese objetivo es comprender las relaciones entre estas células que crecen en una placa de cultivo en el laboratorio y las células equivalentes en el embrión en desarrollo. Como trabajar con embriones humanos conlleva muchas preocupaciones éticas, una alternativa importante es el modelo de ratón. De hecho, mucho de lo que hemos aprendido en el modelo de ratón se ha confirmado posteriormente en humanos. Por lo tanto, utilizamos una combinación del modelo de ratón y células humanas para analizar las bases moleculares de la función de las células madre y la diferenciación hacia tejidos adultos. En particular, nos hemos centrado en una clase de moléculas llamadas ARN pequeños que sólo se descubrieron en la década de 1990 y se hicieron ampliamente apreciadas en la última década. Hay varias clases de estos pequeños ARN, dos de los cuales se centra en nuestro laboratorio: los microARN y los ARNip endógenos. Hemos descubierto que estos pequeños ARN son esenciales para el desarrollo normal de los mamíferos, el crecimiento y la diferenciación de las células madre. El año pasado, logramos logros significativos en la comprensión de cómo los microARN influyen en lo que se convierten en las células y cómo se regulan los propios microARN durante las primeras fases de la especialización celular. Por ejemplo, hemos utilizado microARN para comprender cómo grupos de genes pueden funcionar juntos en redes para promover la desespecialización de células adultas en células madre embrionarias. También hemos utilizado los mismos microARN para subdividir los primeros eventos de diferenciación de células madre embrionarias, lo que nos permite seguir estos eventos tanto durante el desarrollo normal como durante la producción de células madre pluripotentes inducidas. De manera similar, utilizando herramientas genéticas, estamos comenzando a comprender la función de estos microARN en el contexto de todo el organismo, así como en la placa de cultivo. Finalmente, estamos utilizando estos microARN para analizar cómo se regulan los cambios en la estructura del ADN durante la diferenciación temprana, lo que conduce a perfiles moleculares únicos de los tipos de células en desarrollo. En conjunto, estos resultados están brindando conocimientos nuevos e importantes sobre el papel de los ARN pequeños en el desarrollo embrionario temprano. Se espera que esta investigación nos permita manipular más fácilmente los destinos celulares para producir células de alta calidad que podrían usarse para estudiar enfermedades de muchos tipos, así como para reintroducir tejido sano en pacientes con enfermedades degenerativas.

Para cumplir la promesa de las células madre pluripotentes, tanto embrionarias como pluripotentes inducidas, es esencial comprender completamente sus propiedades y cómo esas propiedades pueden manipularse para producir cualquier célula del cuerpo humano. La mejor manera de alcanzar ese objetivo es comprender las relaciones entre estas células que crecen en una placa de cultivo en el laboratorio y las células equivalentes en el embrión en desarrollo. Como trabajar con embriones humanos conlleva muchas preocupaciones éticas, una alternativa importante es el modelo de ratón. De hecho, mucho de lo que hemos aprendido en el modelo de ratón se ha confirmado posteriormente en humanos. Por lo tanto, utilizamos una combinación del modelo de ratón y células humanas para analizar las bases moleculares de la función de las células madre y la diferenciación hacia tejidos adultos. En particular, nos hemos centrado en una clase de moléculas llamadas ARN pequeños que sólo se descubrieron en la década de 1990 y se hicieron ampliamente apreciadas en la última década. Hay varias clases de estos pequeños ARN, dos de los cuales se centra en nuestro laboratorio: los microARN y los ARNip endógenos. Hemos descubierto que estos pequeños ARN son esenciales para el desarrollo normal de los mamíferos, el crecimiento y la diferenciación de las células madre. El año pasado, logramos grandes avances en dos frentes principales. Primero, analizamos el papel de una familia clave de miARN expresados ​​en embriones tempranos de mamíferos. Estos miARN se expresan en dos lugares diferentes del genoma, que se expresan en diferentes momentos y lugares. La eliminación de uno de estos dos loci da como resultado un defecto del tubo neural, un trastorno del desarrollo común en los seres humanos. Hemos analizado los mecanismos de este defecto proporcionando amplios conocimientos sobre cómo los genes y los procesos celulares funcionan juntos para formar un tubo neural adecuado. Estos conocimientos suponen un gran avance en nuestra comprensión de cómo pueden producirse los defectos del tubo neural en los seres humanos. En segundo lugar, al analizar la regulación de la expresión de las dos ubicaciones de miARN y, más ampliamente, los tipos de células que marcan, hemos logrado un avance importante en la comprensión de cómo se retiene el potencial de desarrollo de las células durante las primeras etapas del desarrollo embrionario. Hemos aprendido cómo los factores epigenéticos y los factores de transcripción trabajan juntos para garantizar que los genes, que deben activarse en etapas posteriores del desarrollo, lleguen a la línea de partida antes de que se abran las puertas. Sin esa “preparación” de los genes, estos no pueden activarse y, por tanto, el desarrollo no puede preceder. Es muy probable que mecanismos similares estén asociados con embarazos fallidos. Este trabajo concluye el período de financiación de esta subvención. Los numerosos descubrimientos que hemos realizado y publicado a lo largo de esta subvención deberían tener un profundo impacto en cómo podemos manipular las células para comprender y tratar una variedad de enfermedades.