Nieuwe doorbraak in het begrijpen hoe het verwijderen van bepaalde genen kan leiden tot de groei van kanker

Nieuwe doorbraak in het begrijpen hoe het verwijderen van bepaalde genen kan leiden tot de groei van kanker

Genetische mutaties veroorzaken kanker. Sommige mutaties veranderen de genetische code, andere komen voort uit het verwijderen van sleutelgenen.

Bij het La Jolla Instituut voor Immunologie (LJI) hebben onderzoekers een grote doorbraak bereikt in het begrijpen hoe het verwijderen van de genen die coderen voor TET-eiwitten kan leiden tot de groei van kanker. Hun nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Communications, is de eerste die de onmiddellijke gevolgen aantoont van het verwijderen van alle drie de TET-familiegenen in embryonale stamcellen van muizen.

Met behulp van dit muismodel ontdekten onderzoekers dat TET-eiwitten cruciaal zijn om ervoor te zorgen dat het proces van cel- en DNA-replicatie soepel verloopt. Zonder TET-eiwitten gaan belangrijke genen verloren, wat leidt tot mutaties of aneuploïdieën (an-new-trick-dees).

Aneuploïdieën zijn gevallen waarin op grote schaal genetisch materiaal wordt toegevoegd of verwijderd. Cellen met aneuploïdieën missen niet slechts één gen. In plaats daarvan gaan genen op een heel chromosoom verloren.

Aneuploïdieën zijn een veelvoorkomend kenmerk van kankercellen.”

Hugo Sepulveda, Ph.D., postdoctoraal onderzoeker bij LJI

Het blootleggen van dit directe verband tussen TET-functieverlies en aneuploïdieën is een belangrijke ontdekking op het gebied van de celbiologie en geeft onderzoekers een idee hoe ze genen kunnen vinden die de ontwikkeling van kanker ondersteunen. “We kunnen nu de mechanismen achter de ontwikkeling van aneuploïdie begrijpen, hoewel we niet kunnen zeggen dat deze veranderingen altijd plaatsvinden via dezelfde genen in andere celtypen”, zegt LJI postdoctoraal onderzoeker Hugo Sepulveda, Ph.D.

Sepulveda leidde het onderzoek samen met voormalig LJI-postdoctoraal collega Romain Georges, Ph.D., die het muismodel creëerde en de stamcellen voor het project afleidde. LJI-professor Anjana Rao, Ph.D., was senior auteur van het onderzoek.

Wat zijn TET-eiwitten?

Als onderzoeker aan Harvard ontdekte Rao, samen met Mamta Tahiliani, Ph.D., en L. Aravind, Ph.D., de TET-eiwitfamilie. Hun werk heeft sindsdien aangetoond dat TET-eiwitten sleutelspelers zijn in de celgroei en -ontwikkeling. TET-eiwitten kunnen beschermen tegen kankerverwekkende mutaties en zelfs tegen ontstekingen en hart- en vaatziekten. TET-eiwitten spelen zo'n belangrijke rol in cellen omdat ze de DNA-methylatie beïnvloeden, een proces dat de manier verandert waarop DNA wordt gelezen en genen tot expressie worden gebracht.

Rao's werk was vooral belangrijk voor het begrijpen van de TET-functie in immuuncellen zoals T-cellen, B-cellen en myeloïde cellen. "Dr. Rao liet zien dat elke keer dat je een TET-gen in deze cellen verwijdert, je de ontwikkeling van een ander agressief type kanker ziet", zegt Sepulveda.

Naarmate dit onderzoek vorderde, merkte het LJI-team iets vreemds op: cellen met ontbrekende of beschadigde TET-eiwitten zijn ook vatbaar voor aneuploïdie. Hier was nog een verband tussen TET-eiwitten en kanker.

Cellen met TET-functieverlies waren gevoelig voor aneuploïdie, en kankercellen waren gevoelig voor aneuploïdie. Maar wat komt eerst? Leidt functieverlies bij TET tot aneuploïdie en kanker, of is het andersom?

Een spannende ontdekking

Om kanker beter te begrijpen, wendden Georges en Sepulveda zich tot embryonale stamcellen van muizen als model. Deze cellen waren van nature bereid zich snel te delen, maar waren niet vatbaar voor het ontwikkelen van kanker. De onderzoekers moesten kijken hoe het verwijderen van TET-eiwitten de boel zou kunnen opschudden.

Georges, Sepulveda en hun collega's ontdekten herhaaldelijk dat cellen met TET-deletie driemaal vaker aneuploïdieën ontwikkelden dan normale cellen. Deze gemodificeerde cellen verloren zeer snel en willekeurig genen. De wetenschappers konden de effecten zien in zeer vroege embryo’s, die uit slechts acht cellen bestonden.

“Dit bewees dat de TET-verwijdering een direct effect had op aneuploïdieën”, zegt Sepulveda. “Het was heel spannend en nog nooit eerder vertoond.”

Vervolgens wendden de onderzoekers zich tot een sequentietechniek genaamd RNA-seq om te zien hoe de TET-deletie andere genen beïnvloedde. Ze zagen een “downregulatie” of uitschakeling van bepaalde genen die verband houden met cel- en DNA-replicatie. Deze bevinding suggereerde dat TET-verwijdering een grote klap was voor een systeem dat normale celdeling handhaaft.

Dus welke genen zijn de schuldige?

De TET-deletie in embryonale stamcellen van muizen lijkt het grootste effect te hebben op een gen genaamd Khdc3, dat deel uitmaakte van een systeem of complex dat eerder werd onderzocht vanwege zijn activiteit bij het ondersteunen van de eiceldeling. Dit complex is niet goed bestudeerd, maar het was bekend dat Khdc3 belangrijk was bij het handhaven van de genoomstabiliteit in eicellen vóór en na de bevruchting, evenals in de vroege stadia van de embryonale ontwikkeling.

Toen de onderzoekers de KHDC3-eiwitfunctie in deze cellen herstelden, waren ze verrast om te zien dat de genoomstabiliteit ook terugkeerde. De aneuploïdie was omgekeerd. Het complex waar Khdc3 deel van uitmaakt heeft zijn werk weer gedaan.

De nieuwe studie onthulde twee belangrijke feiten over TET-functieverlies. Ten eerste is dit TET-functieverlies een directe oorzaak van de aneuploïdieën die verband houden met kanker, omdat het resulteerde in verminderde Khdc3-expressie. Ten tweede beïnvloedt dit functieverlies van TET in embryonale stamcellen de stabiliteit van het genoom via een KHDC3-bevattend complex.

Sepulveda wijst erop dat bekend is dat het Khdc3-complex alleen actief is in de vroege embryonale ontwikkeling en in embryonale stamcellen. Dit betekent dat zelfs als aneuploïdieën worden waargenomen bij TET-deficiënte kankers, wetenschappers nog steeds moeten bepalen of deze kankers KHDC3 opreguleren (de meeste kankers hebben de neiging om embryonale genen op te reguleren) en, als dat zo is, of de aneuploïdieën die ze ontwikkelen veroorzaakt worden door een afwijkende KHDC3-functie.

In het bijzonder worden aneuploïdieën waargenomen bij talrijke kankers waarbij TET's niet zijn gemuteerd, maar deze kankers kunnen de TET-functie hebben verloren als gevolg van metabole stoornissen.

“Genoominstabiliteit in kankercellen zou kunnen optreden door andere genen dan Khdc3, maar door een soortgelijk regulerend mechanisme dat ook veranderingen in DNA-methylatiepatronen met zich meebrengt”, zegt Sepulveda. “Of TET-geassocieerde kankers aneuploïdieën ontwikkelen door andere genen dan Khdc3 te ontregelen, is nog steeds een open vraag.”

In de toekomst hoopt Sepulveda precies te ontdekken hoe het Khdc3-complex de genoomstabiliteit stroomafwaarts van TET-eiwitten in embryonale stamcellen bevordert.

Bron:

La Jolla Instituut voor Immunologie

Referentie:

Georges, RO, et al. (2022) Acute deletie van TET-enzymen leidt tot aneuploïdie in embryonale stamcellen van muizen door verminderde expressie van Khdc3. Communicatie over de natuur. doi.org/10.1038/s41467-022-33742-7.

.