43.4:

43.4: תכנות מחדש של תאי Somatic ל-iPS

JoVE Core
Cell Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Cell Biology

Somatic to iPS Cell Reprogramming

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Previous Video

43.2: Maintenance of the ES Cell State

Next Video

43.5: Chromatin Modification in iPS Cells

2,209 Views

•

01:29 min

•

April 30, 2023

Overview

תכנות מחדש משנה את ביטוי הגנים בתאים סומטיים, והופך אותם לתאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים (iPS) במשך מספר דורות. מדענים יכולים לתכנת מחדש תאים על ידי החדרת גנים לארבעה גורמי שעתוק – Oct4, Sox2, Klf4 ו-c-Myc (OSKM) בשיטות ויראליות או לא ויראליות. גורמים אלה ידועים גם בשם גורמי יאמאנאקה על שם שיניה יאמאנאקה, שיצר לראשונה תאי iPS באמצעות תאי עור עכבר. יאמאנאקה זכה בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה בשנת 2012 על תגלית זו.

הביטוי של גורמי OSKM מביא למספר שינויים תאיים בשלבים שונים. שלב החניכה מוריד את הרגולציה של גנים ספציפיים לתא הסומטי, מעלה את רמת הגנים המעורבים בהתרבות ומפעיל מחדש את הטלומראז. תאים כגון פיברובלסטים עוברים מעבר מזנכימלי לאפיתל, שם הם רוכשים קוטביות אפיקלית-בסיסית ומבטאים סמני תאי אפיתל, כגון קדהרין, וימנטינים וצמתים הדוקים. שלב הביניים כולל הפעלה של גנים הדרושים לפלוריפוטנציה. תאים שעוברים תכנות מחדש משתמשים בגליקוליזה בעדיפות על פני זרחן חמצוני לייצור ATP. שינוי זה מתרחש מכיוון שגורמי תכנות מחדש הופכים את המיטוכונדריה המוארכים לכדוריים, עם מעט מאוד משברים. שלב ההתבגרות גורם לשינויים אפיגנטיים ולעיצוב מחדש של השלד הציטו-שלד.

כל תהליך התכנות מחדש משנה את הביטוי של כ-1500 גנים. לאחר תכנות מחדש, פחות מ -1% מהתאים הופכים פלוריפוטנטים. ניתן להגדיל אחוז זה על ידי שינוי מבנה הכרומטין, דיכוי ביטוי חלבונים, כגון p53, המקדמים הזדקנות תאים, ודיכוי מסלולי איתות או אנזימים המהווים מחסומים לתכנות מחדש.

Transcript

ניתן לתכנת מחדש תאים סומטיים על ידי החדרה מלאכותית של גנים לארבעה גורמי שעתוק – Oct4, Sox2, Klf4 ו-c-Myc. גנים אלה מועברים בנפרד לתאים באמצעות וקטורים נגיפיים.

כאשר הגנים משתלבים בגנום, גורמי שעתוק אלה באים לידי ביטוי. הם משנים עוד יותר את דפוס ביטוי הגנים של התא כדי להפעיל את צמיחת התא, לשנות את חילוף החומרים ולעצב מחדש את השלד הציטולוגי.

c-Myc מפעיל גנים כדי לקדם התפשטות תאים; הוא גם עוזר לארגן מחדש את הכרומטין כדי לאפשר לשלושת גורמי השעתוק האחרים לקשור ולווסת גנים הדרושים לפלוריפוטנציה.

Klf4 יוצר קומפלקס עם Oct4 ו-Sox2 כדי להפעיל את הביטוי של ננוג – גורם שעתוק הנדרש להתחדשות עצמית. בנוסף, Klf4 מדכא גנים ספציפיים המעורבים בהזדקנות התא, ושומר עוד יותר על פלוריפוטנטיות.

Oct4, Sox2 ו-Nanog הם גורמי השעתוק המרכזיים המווסתים יותר מ-300 גנים, כולל אלה האחראים לשינויים מטבוליים וארגון מחדש של השלד הציטו-שלד – אירועים שהופכים תאים במשך כמה דורות לתאים פלוריפוטנטים.

Key Terms and definitions

Reprogramming - A process that alters gene expression in cells, changing their identity.
Somatic cells - Body cells that are not involved in reproduction.
Induced Pluripotent Stem (iPS) cells - Somatic cells transformed via reprogramming to pluripotent state.
OSKM factors - Key transcription factors used in reprogramming: Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc.
Yamanaka factors - Another name for OSKM factors, named after the scientist, Shinya Yamanaka.

Learning Objectives

Define Reprogramming – Explain what it is (e.g., Changing gene expression to alter cell identity).
Contrast Somatic cells vs iPS cells – Showing key differences (e.g., their roles and capabilities).
Explore examples of key reprogramming factors – OSKM/Yamanaka factors (e.g., their role in inducing pluripotency).
Explain the process of cell reprogramming – Discuss the phases and mechanism of this transformation.
Apply knowledge of reprogramming in a cellular context – Understand how it affects cellular functions, gene expression, etc.

Questions that this video will help you answer

What is reprogramming and how does it transform somatic cells into iPS cells?
What are Yamanaka/OSKM factors and how do their roles differ?
Why is Shinya Yamanaka significant to the field of reprogramming?

This video is also useful for

Life Science Students – Understanding reprogramming helps grasp the basis of cellular transformation
Biotechnology Educators – Provides a clear framework for teaching the topic of cellular reprogramming
Genetic Researchers – The concept is central to many modern genetic modification studies
Medical Science Enthusiasts – Offers insights into how cellular transformation could potentially revolutionize medical treatments.