Krevní kmenové buňky využívají chromatin-remodelační faktory ve specifických procesech: příběh o Smarca5
Krvetvorba vzniká z kmenových buněk, ve kterých dojde ke značným změnám v expresi stovek genů. Výzkum na transgenních myších odhalil, že na rozdíl od jiných krevních buněk, jsou to právě lymfocyty, jež vyžadují vysoký stupeň přestavby jaderného chromatinu. Turkova a spol. ukázali, že enzym pro přetváření chromatinu známý jako Smarca5 má značně specifické funkce při časném vzniku a vývoj lymfocytů v kmenových buňkách, což posouvá naše znalosti k vývoji terapeutických strategií u poruch krvetvorby.
Tvorba krevních buněk závisí na koordinované regulaci genové exprese, načasování buněčného cyklu a potlačení nesprávných procesů apoptózou. Jako každá kmenová buňka se i krvetvorná kmenová buňka zabývá rovnováhou mezi kmenovostí a diferenciací, ale také kvantitativními požadavky na produkci různých prvků v určitých fázích vývoje a během každodenních situací, které mohou zahrnovat krvácení nebo infekce. Různá rozhodnutí v buněčném jádře kmenových buněk souvisejí se strukturou DNA, která je zabalena do klubka histonových bílkovin. Různé kritické sekvence musí být zpřístupněny, a to se děje pomocí enzymatického motoru, který s vynaložením energie uvolňuje DNA z histonového oktameru, nazývaného nukleozom, a vytváří tak oblast volně přístupné DNA, zatímco jiné nepotřebné sekvence DNA jsou smotány jako nit na cívce. Rozvolnění vlákna DNA z nukleozómu se nazývá remodelací chromatinu. Obecně se má za to, že kmenové buňky mají velmi omezenou genovou expresi a replikaci, a proto nás zajímalo, jak jsou jednotlivé krevní podtypy závislé na funkci enzymatického motoru remodelace chromatinu v kmenových buňkách během jejich časné diferenciace. Konkrétně jsme testovali jaderný chromatin remodelační enzym ISWI ATPázu SMARCA5 (SNF2H) v procesu vývoje lymfocytů, erytrocytů a dalších krevních buněk.
Tento typ projektu zahrnuje myší transgenní modely, které jsme postupně vyvinuli během posledních 20 let. Naše laboratorní skupina se projektu ujala kolem roku 2005 v Praze, ale kořeny sahají až do roku 1998, kdy jsme naklonovali myší mRNA pro Smarca5 a zjistili, že Smarca5 je velmi důležitá pro tvorbu krve. V roce 2003 jsme společně s Artem Skoultchim (Albert Einstein College of Medicine, Bronx, NY) publikovali myší knockout pro Smarca5, který ukázal jeho nepostradatelnost pro časný embryonální vývoj. Další výzkum vedl k vývoji myšího modelu podmíněné inaktivace Smarca5, který prokázal význam Smarca5 pro vývoj hematopoetických kmenových buněk, lymfoidních buněk a erytroidních buněk.
Jakmile jsme vyčerpali experimentální možnosti vytvořeného myšího knockoutu, rozhodli jsme se vytvořit podmíněný transgenní model pro Smarca5. Publikace, která nyní vychází v Communications Biology, zahrnuje první výsledky s transgenem pro lidský SMARCA5 s názvem: Differential requirements for Smarca5 expression during hematopoietic stem cell commitment. Pozorovali jsme, že transgenní alela poskytuje pouze asi 10 % exprese normální alely. Proto jsme zkřížili transgenní model s předchozím modelem s knockoutovanou alelou, abychom vytvořili sadu supermodelů s různými úrovněmi exprese Smarca5. Ukázali jsme však, že hypomorfní (produkující nižší hladiny proteinu) alela SMARCA5 (S5tg) je plně funkční a může v závislosti na dávce zachránit fenotypy inaktivace genu v předchozích projektech, tj. defekty ve vývoji lymfocytů a myelocytů. Také váže všechny kanonické komplexy Smarca5, které byly postupně objeveny. Pokud ddosáhneme nízké úrovně Smarca5 v kmenových buňkách, vidíme, že progenitory vstupující do lymfoidního T a B vývoje jsou nejcitlivější na redukci Smarca5, zatímco ostatní progenitory jsou ovlivněny méně a či vůbec (viz obrázek a legenda).
Abychom podpořili naši hypotézu, že úroveň exprese SMARCA5 má přímý vliv na vývoj z kmenové buňky, použili jsme experiment kompetitivní transplantace transgenních a normálních kmenových buněk do normálních, ale i transgenních příjemců. Oba tyto experimenty potvrdily naši hypotézu, že je to především vývoj lymfocytů, který je silně závislý na hladině Smarca5, a že defekt má původ v kmenových buňkách. Nízké hladiny SMARCA5 zvyšují přístupnost niky kostní dřeně pro zdravé kmenové buňky. Transgenní hematopoetické kmenové buňky nebyly schopny produkovat lymfocyty, což naznačuje, že tyto rané lymfoidní progenitory jsou nejcitlivější na dostatečné hladiny SMARCA5. Myslíte si, že to je konec příběhu? Ale kdepak. Naše současné výsledky ukazují, že Smarca5 je skutečně velmi důležitým faktorem, který ovlivňuje život nádorových kmenových buněk. Proto se také zaměřujeme na otázku, jak se těchto nádorových kmenových buněk účinně zbavit, a jedním z mechanismů je zaměřit se v tomto ohledu na biologii Smarca5.
Autoři: Tereza Turková a Tomáš Stopka (1. lékařská fakulta Univerzity Karlovy / BIOCEV)
Publikace: Turkova, T., Kokavec, J., Zikmund, T. et al. Differential requirements for Smarca5 expression during hematopoietic stem cell commitment. Commun Biol 7, 244 (2024). https://doi.org/10.1038/s42003-024-05917-z
