Diseccionando los mecanismos moleculares de la reprogramación del destino celular

 

Silvia Velasco

Departamento de Biología, New York University, EE.UU.

Español

Estructura molecular de la cromatina. cuya configuración es crítica para la unión de factores de transcripción. Sha, K. and Boyer, L. A., stemBook 2009. CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).

Estructura molecular de la cromatina. cuya configuración es crítica para la unión de factores de transcripción. Sha, K. and Boyer, L. A., stemBook 2009. CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).

La expresión forzada de factores de transcripción durante la reprogramación celular directa está emergiendo como una herramienta poderosa para controlar de forma precisa el destino celular y obtener una variedad de tipos celulares con relevancia clínica que pueden ser utilizados para modelar las enfermedades in vitro, realizar rastreos químicos y en última instancia, llevar a cabo terapias celulares.

Sin embargo, los mecanismos moleculares que existen detrás de la reprogramación del destino celular siguen siendo principalmente desconocidos, lo que retrasa su utilización en el ámbito clínico. Durante la reprogramación directa, los factores de transcripción necesitan establecer una red transcripcional diferente, con el objetivo de determinar un nuevo destino celular. Diseccionar los mecanismos moleculares que intervienen en este cambio tan dramático es esencial para desarrollar estrategias de reprogramación directa con éxito.

Mazzoni y colaboradores han mostrado recientemente que las células madre pluripotenciales pueden ser reprogramadas rápida y eficientemente en neuronas motoras espinales, a través de la expresión inducida de los factores de transcripción Ngn2, Isl1 y Lhx3, conocidos como factores NIL (Mazzoni et al, 2013). Las neuronas reprogramadas por los factores NIL se parecen a las neuronas motoras generadas durante el desarrollo embrionario o por diferenciación in vitro, mediante la administración de señales de formación del patrón del desarrollo. Debido a su extrema eficiencia (por encima del 90%), la reprogramación NIL representa un sistema ideal para estudiar los mecanismos moleculares de la reprogramación del destino celular terminal.

Los investigadores estudiaron cómo actúan los factores NIL durante la reprogramación hacia neuronas motoras. Imagen: Pixabay.

Los investigadores estudiaron cómo actúan los factores NIL durante la reprogramación hacia neuronas motoras. Imagen: Pixabay.

Utilizando el rápido y eficiente protocolo de reprogramación con factores NIL nuestro grupo ha analizado cómo cambian el perfil de la cromatina, la expresión génica y la unión de factores de transcripción que participan en la reprogramación durante las 48 horas que los factores NIL requieren para inducir la formación de neuronas motoras post-mitóticas.

Interesantemente, encontramos que Ngn2 y el complejo formado por Isl1/Lhx3 se unen inicialmente a regiones diferentes del ADN. Conforme la diferenciación celular progresa, la unión de Isl1/Lhx3 se modifica, controlando la actividad reguladora de la región y el resultado transcripcional. Además, la inducción de los factores Ebf y Onecut por Ngn2 durante la reprogramación es necesaria para la unión de Isl1/Lhx3 a un conjunto de regiones reguladoras de las neuronas motoras que se activan de forma más tardía.

Estos resultados sugieren que la reprogramación directa de neuronas motoras con factores NIL es un proceso dinámico en múltiples pasos en el que los genes se activan de forma secuencial en una cascada transcripcional y factores de transcripción inducidos, como Ebf y Onecut, son necesarios para completar la especificación en neuronas motoras.

Referencia: Velasco S, et al. A Multi-step Transcriptional and Chromatin State Cascade Underlies Motor Neuron Programming from Embryonic Stem Cells. Cell Stem Cell. 2016 Dec 8. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.stem.2016.11.006.

Bibliografía: Mazzoni EO, et al. Synergistic binding of transcription factors to cell-specific enhancers programs motor neuron identity. Nat Neurosci. 2013 Sep;16(9):1219-27. doi: http:://dx.doi.org/10.1038/nn.3467

English

Dissecting the molecular mechanisms of cell fate programming

Estructura molecular de la cromatina. cuya configuración es crítica para la unión de factores de transcripción. Sha, K. and Boyer, L. A., stemBook 2009. CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).

Molecular structure of chromatin, critical for the transcription factors binding and regulation of gene expression. Image: Sha, K. and Boyer, L. A., stemBook 2009. CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).

The forced expression of transcription factors (TFs) during direct cell programming is emerging as a powerful tool to precisely control cell fate and to obtain a variety of clinically relevant cell types that can be used for in vitro disease modeling, chemical screens and ultimately cell based therapies. However, the molecular mechanisms behind cell fate programming are largely unknown, slowing down its translation to the clinic.

During direct programming, TFs need to establish a different transcriptional network, in order to determine a new cell fate. Dissecting the molecular mechanisms behind such dramatic change is essential to develop successful direct programming strategies.

Mazzoni et al. recently showed that pluripotent stem cells can be rapidly and efficiently programmed into spinal motor neurons through the induced expression of Ngn2, Isl1, and Lhx3 TFs (NIL factors) (Mazzoni et al., 2013). NIL-programmed neurons resemble motor neurons generated during embryonic development or by in vitro differentiation, through the application of developmental patterning signals. Due to its extreme efficiency (above 90%), NIL programming represents an ideal system to study the molecular mechanisms of terminal cell fate programming.

Los investigadores estudiaron cómo actúan los factores NIL durante la reprogramación hacia neuronas motoras. Imagen: Pixabay.

Expression of NIL factors program pluripotent stem cells into motor neurons. Image: Pixabay.

By using the fast and highly efficient NIL-programming protocol, we analyzed how the chromatin landscape, gene expression and programming TF binding change during the 48 hours required by NIL to induce postmitotic motor neurons.

Interestingly, we found that Ngn2 and Isl1/Lhx3 initially bind to distinct DNA regions. As cell differentiation progresses, Isl1/Lhx3 binding changes, controlling regulatory region activity and transcriptional output. Importantly, the induction of Ebf and Onecut TFs by Ngn2 during programming is required for Isl1/Lhx3 binding to a set of motor neuron regulatory regions that are lately activated.

These results suggest that motor neuron direct programming by NIL factors is a dynamic multi-step process in which genes are activated sequentially in a transcriptional cascade, and induced TFs, such as Ebf and Onecut, are required for complete motor neuron specification.

Bibliography: 

Velasco S, et al. A Multi-step Transcriptional and Chromatin State Cascade Underlies Motor Neuron Programming from Embryonic Stem Cells. Cell Stem Cell. 2016 Dec 8. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.stem.2016.11.006.

Mazzoni EO, et al. Synergistic binding of transcription factors to cell-specific enhancers programs motor neuron identity. Nat Neurosci. 2013 Sep;16(9):1219-27. doi: http:://dx.doi.org/10.1038/nn.3467

 

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