Kun hedelmöittynyt munasolu alkaa kehittyä, tulevan yksilön muodostava solurykelmä eli sisäsolumassa säilyttää monikykyisen kantasolupotentiaalin ensimmäisten viikkojen ajan. Käytännössä jokaisella tämän rykelmän soluista on siis kyky muodostaa kokonainen uusi yksilö ja kaikkia niitä satoja eri solutyyppejä, joita ihminen kehossaan tarvitsee. Tähän varhaisalkion kantasolujen monikykyisyyteen perustuu kantasoluhoitojen käyttöpotentiaali.
Gastrulaatio on alkionkehityksen ratkaiseva vaihe, jossa tämä monikykyisyys menetetään, kun alkiokerrokset (ektodermi, mesodermi ja endodermi) sekä kehittyvän kehon kuusi koordinaattia (ylä- ja alaruumis, selkä- ja vatsapuoli sekä vasen ja oikea puoli) muodostuvat. Gastrulaatioita usein kutsutaankin elämän tärkeimmäksi etapiksi, ja suuri osa varhaisista keskenmenoista johtuu gastrulaation epäonnistumisesta.
Helsingin yliopiston ja yhdysvaltalaisen National Institutes of Health (NIH) -tutkimusinstituutin tutkijat havaitsivat tutkimuksessaan, että yksi alkiokerroksista, ektodermi, ei menetäkään gastrulaatiossa monikykyisyyttään. Se selittää myös kehitysbiologien pitkäaikaisen kysymyksen siitä, miten alkionkehityksessä ektodermistä irtoavalla hermostopienalla on niin poikkeuksellisen monikykyinen kantasolupotentiaali.
Hermostopienasta muodostuu gastrulaation jälkeen valtavasti soluja kehon eri osiin. Hermostopienaperäisiin kudoksiin lukeutuvat muun muassa ihon pigmentti ja koko ääreishermosto, kasvojen ja kaulan alueen luut, sydämen osia ja useita hormonaalisia solutyyppejä – käytännössä siis solutyyppejä, joiden ei pitäisi olla mahdollista muodostua yhdestä ja samasta alkiokerroksesta.
– Tuloksemme tuovat uutta tietoa käsitykseemme alkionkehityksen tapahtumaketjun kulusta. Tulokset osoittavat, että monikykyisten kantasolujen tuottamiseen tarvittavien kantasolugeenien ilmentymisvaihe jatkuu koko ektodermissä lähes siihen asti, kunnes keskushermoston muodostava hermostoputki on valmistunut. Tulokset kertovat myös ektodermissä kehittyvien kudostyyppien erilaistumisprosessin paljon suuremmasta plastisuudesta kuin mitä aiemmin on ymmärretty, tutkimusryhmän vetäjä ja nykyään NIH-instituutin Neural Crest Development and Disease -yksikön johtajana toimiva Laura Kerosuo kertoo.
Löydöksen takana tutkijoiden kehittämä kuvantamistekniikka
Yhden solun tarkkuudella analysoitava korkean resoluution kuvantamistekniikka auttoi tutkijoita pääsemään uuden tiedon lähteille.
Tutkimusryhmä on aiemmin kehittänyt tämän useiden geenien ilmentymisen yhtäaikaiseen kuvantamiseen perustuvan tekniikan, jota he muokkasivat eteenpäin tätä tutkimusta varten. Modifioinnin avulla he pystyisivät näkemään tutkimuksessa, missä kantasoluvaiheiset yksittäiset solut sijaitsevat alkiossa eri kehitysvaiheissa, kun gastrulaatio on tapahtunut.
– Tämän tarkan ja tehokkaan menetelmän avulla soluprofiilit tunnistetaan omalla paikallaan alkuperäiskudoksessa. Menetelmää voi soveltaa mihin tahansa kysymykseen, kuten esimerkiksi vertailuun sairaan ja terveen kudoksen välillä, Helsingin yliopiston väitöskirjatutkija Ceren Pajanoja sanoo.
Uusi tieto auttaa ymmärtämään useita sairauksia paremmin
Hermostopienaperäiset sairaudet kattavat noin neljänneksen kaikista synnynnäisistä kehityshäiriöistä. Tutkimuksesta saatava uusi tieto auttaa ymmärtämään hermostopienaperäisten tautien syntymekanismeja ja tunnistamaan niitä aiheuttavia geenivirheitä jo alkuraskaudessa. Tutkimus voi myös auttaa kehittämään korjaavia hoitomuotoja, joita voitaisiin soveltaa tulevaisuudessa jo raskausaikana sikiölle.
Hermostopienaperäisiin syöpiin kuuluvat muun muassa melanooma ja pikkulapsilla todettava, monesti kuolemaan johtava neuroblastooma, jota Kerosuon tutkimusryhmä myös tutkii hermostopienan kehityksen näkökulmasta.
– Vasta viime aikoina on ymmärretty, miten tärkeää on tuntea syövän alkuperäiskudoksen normaalin kehityksen vaiheet, jotta saadaan selville, mikä syövän aktivoituessa on mennyt pieleen, hän kertoo.
Hermostopienaperäisten solutyyppien erilaistamistekniikoista toivotaan myös apua kantasolutekniikoihin perustuviin kudosten korjaushoitoihin tulevaisuudessa.
Tutkimus on julkaistu Nature Communications -tiedelehdessä, ja tutkimus on osa väitöskirjatutkija Ceren Pajanojan Helsingin yliopiston lääketieteellisessä tiedekunnassa Biokemian ja kehitysbiologian osastolla tehtävää väitöskirjaa. Tutkimukseen on saatu rahoitusta Suomen Akatemialta, Sigrid Juséliuksen säätiöltä, Lasten syöpäsäätiö Väreeltä, Emil Aaltosen säätiöltä ja National Institute of Dental and Craniofacial Research Intramural Research Program (NIH/NIDCR) -tutkimusinstituutilta.
Alkuperäinen artikkeli: Pajanoja C., Hsin J., Olinger B., Schiffmacher A., Yazejian R., Abrams S., Dapkunas A., Zainul Z., Doyle A., Martin D., Kerosuo L. Maintenance of pluripotency-like signature in the entire ectoderm leads to neural crest stem cell potential. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-41384-6
Lisätietoja:
Laura Kerosuo, FT, tutkimusryhmän johtaja, Helsingin yliopiston kantasolu- ja kehitysbiologian dosentti sekä National Institutes of Health -instituutin Neural Crest Development and Disease -yksikön johtaja, Yhdysvallat
laura.kerosuo@nih.gov
Twitter (X): @KerosuoLab
Ceren Pajanoja, väitöskirjatutkija, Biokemian ja kehitysbiologian osasto, lääketieteellinen tiedekunta, Helsingin yliopisto
ceren.pajanoja@helsinki.fi