Hypotes om odödlig DNA-sträng

den odödliga DNA-strängen föreslogs 1975 av John Cairns som en mekanism för vuxna stamceller för att minimera mutationer i deras genom . Denna hypotes föreslår att i stället för att segregera sitt DNA under mitos på ett slumpmässigt sätt delar vuxna stamceller sitt DNA asymmetriskt och behåller en distinkt malluppsättning av DNA-strängar (föräldrasträngar) i varje division. Genom att behålla samma uppsättning av mall-DNA-strängar skulle vuxna stamceller överföra mutationer som härrör från fel i DNA-replikation till icke-stamcellsdöttrar som snart differentierar terminalt (avslutar mitotiska delningar och blir en funktionell cell). Att vidarebefordra dessa replikeringsfel skulle göra det möjligt för vuxna stamceller att minska sin ansamling av mutationer som kan leda till allvarliga genetiska störningar som cancer .

är det fortfarande kontroversiellt om det är en mekanism som verkar i vuxna stamceller in vivo .

Metoder

Två huvudanalyser används för att detektera odödlig DNA-strängsegregering: märkningsretention och märkningsfrisättning puls/chase-analyser.

I märkningsretentionsanalysen är målet att markera "odödliga" eller föräldrarnas DNA-strängar med en DNA-märkning som tritierat tymidin eller bromodeoxiuridin (BrdU). Dessa typer av DNA-märkningar kommer att införlivas i det nysyntetiserade DNA:t från delande celler under S-fasen . En puls av DNA-märkning ges till vuxna stamceller under förhållanden där de ännu inte har avgränsat en odödlig DNA-sträng. Under dessa tillstånd delar sig de vuxna stamcellerna antingen symmetriskt (med varje delning bestäms alltså en ny "odödlig" sträng och i minst en av stamcellerna kommer den odödliga DNA-strängen att vara märkt med DNA-märkning), eller den vuxna stammen celler har ännu inte fastställts (sålunda delar deras prekursorer sig symmetriskt, och när de väl differentierar sig till vuxna stamceller och väljer en "odödlig" sträng kommer den "odödliga strängen" redan att ha markerats). Experimentellt genomgår vuxna stamceller symmetriska delningar under tillväxt och efter sårläkning och är ännu inte fastställda vid neonatala stadier. När den odödliga DNA-strängen är märkt och den vuxna stamcellen har börjat eller återupptagit asymmetriska delningar, jagas DNA-märkningen ut. I symmetriska divisioner (de flesta mitotiska celler) segregeras DNA slumpmässigt och DNA-märkningen kommer att spädas ut till nivåer under detektion efter fem divisioner. Om emellertid celler använder en odödlig DNA-strängmekanism, kommer allt märkt DNA att fortsätta att samsegregeras med den vuxna stamcellen, och efter fem (eller fler) divisioner kommer fortfarande att detekteras inom den vuxna stamcellen. Dessa celler kallas ibland label-retaining celler (LRC).

I etikettfrisättningsanalysen är målet att markera det nysyntetiserade DNA som normalt skickas vidare till dottercellen (icke-stamcellen). En puls av DNA-märkning ges till vuxna stamceller under förhållanden där de delar sig asymmetriskt. Under förhållanden med homeostas bör vuxna stamceller dela sig asymmetriskt så att samma antal vuxna stamceller bibehålls i vävnadsfacket. Efter att ha pulsat tillräckligt länge för att märka allt nyreplicerat DNA, jagas DNA-märkningen ut (varje DNA-replikation innehåller nu omärkta nukleotider) och de vuxna stamcellerna analyseras för förlust av DNA-märkningen efter två celldelningar. Om celler använder en slumpmässig segregeringsmekanism, bör tillräckligt med DNA-märkning finnas kvar i cellen för att kunna detekteras. Men om de vuxna stamcellerna använder en odödlig DNA-strängmekanism, är de skyldiga att behålla det omärkta "odödliga" DNA:t och kommer att frigöra allt nysyntetiserat märkt DNA till sina differentierande dotterceller i två divisioner.

Vissa forskare har kombinerat de två metoderna, genom att först använda en DNA-märkning för att märka de odödliga strängarna, låta vuxna stamceller börja dela sig asymmetriskt, och sedan använda en annan DNA-märkning för att märka det nysyntetiserade DNA:t. Således kommer de vuxna stamcellerna att behålla en DNA-märkning och släppa den andra inom två divisioner.

Bevis

Bevis för hypotesen om odödliga DNA-strängar har hittats i olika system. En av de tidigaste studierna av Karl Lark et al. demonstrerade samsegregering av DNA i cellerna i växtrotspetsar. Plantrotspetsar märkta med tritierat tymidin tenderade att segregera deras märkta DNA till samma dottercell. Även om inte allt märkt DNA segregerades till samma dotter, motsvarade mängden tymidinmärkt DNA som sågs i dottern med mindre märkning den mängd som skulle ha uppstått från syster-kromatidutbyte. Senare studier av Christopher Potten et al. (2002), med hjälp av puls-/jaktexperiment med tritierat tymidin, fann de långvariga märkningskvarhållande celler i tunntarmskrypterna hos neonatala möss. Dessa forskare antog att långvarig inkorporering av tritierat tymidin inträffade eftersom neonatala möss har outvecklade tunntarm, och att pulserande tritierat tymidin strax efter mössens födelse möjliggjorde att det "odödliga" DNA från vuxna stamceller kunde märkas under deras bildande. Dessa långtidsceller visades vara aktivt cyklande, vilket visades genom inkorporering och frisättning av BrdU.

Eftersom dessa celler cyklade men fortsatte att innehålla BrdU-märkningen i sitt DNA, resonerade forskarna att de måste separera sitt DNA med hjälp av en odödlig DNA-strängmekanism. Joshua Merok et al. från James Sherleys labb konstruerade däggdjursceller med en inducerbar p53- gen som kontrollerar asymmetriska divisioner. BrdU puls/chase-experiment med dessa celler visade att kromosomer segregerade icke-slumpmässigt endast när cellerna inducerades att dela sig asymmetriskt som vuxna stamceller. Dessa asymmetriskt delande celler ger en in vitro- modell för demonstration och undersökning av odödliga strängmekanismer.

Forskare har strävat efter att visa att denna odödliga DNA-strängmekanism existerar in vivo i andra typer av vuxna stamceller. År 1996 publicerade Nik Zeps det första dokumentet som visade att etikettkvarhållande celler fanns i möss bröstkörtel och detta bekräftades 2005 av Gilbert Smith som också publicerade bevis för att en undergrupp av musbröstepitelceller kunde behålla DNA-märkning och släppa DNA-märkning i en sätt som överensstämmer med den odödliga DNA-strängmekanismen. Strax efter visade forskare från Derek van der Kooys laboratorium att möss har neurala stamceller som håller sig BrdU och fortsätter att vara mitotiskt aktiva. Asymmetrisk segregering av DNA visades med hjälp av realtidsavbildning av celler i kultur. År 2006 presenterade forskare i Shahragim Tajbakhshs labb bevis på att muskelsatellitceller, som föreslås vara vuxna stamceller i skelettmuskeln , uppvisade asymmetrisk segregation av BrdU-märkt DNA när de sätts i odling. De hade också bevis som visade att BrdU-frisättningskinetik överensstämmer med en odödlig DNA-strängmekanism fungerade in vivo , med användning av unga möss och möss med muskelregenerering inducerad genom frysning.

Dessa experiment som stöder hypotesen om den odödliga strängen är dock inte avgörande. Medan Lark-experimenten visade co-segregation, kan co-segregationen ha varit en artefakt av strålning från tritium. Även om Potten identifierade de cyklande, etikettbevarande cellerna som vuxna stamceller, är dessa celler svåra att entydigt identifiera som vuxna stamceller. Medan de konstruerade cellerna ger en elegant modell för samsegregering av kromosomer, gjordes studier med dessa celler in vitro med konstruerade celler. Vissa funktioner kanske inte finns in vivo eller kan vara frånvarande in vitro . I maj 2007 upptäcktes bevis till stöd för teorin om Immortal DNA Strand av Michael Conboy et al., med användning av muskelstam/satellitcellmodellen under vävnadsregenerering, där det finns en enorm celldelning under en relativt kort tidsperiod. Genom att använda två BrdU-analoger för att märka mall och nysyntetiserade DNA-strängar såg de att ungefär hälften av de delande cellerna i regenererande muskler sorterade det äldre "odödliga" DNA:t till en dottercell och det yngre DNA:t till den andra. I enlighet med stamcellshypotesen ärvde den mer odifferentierade dottern typiskt kromatiderna med det äldre DNA:t, medan den mer differentierade dottern ärvde det yngre DNA:t.

Experimentella bevis mot hypotesen om den odödliga strängen är sparsamma. I en studie inkorporerade forskare tritierat tymidin i delande murina epidermala basalceller. De följde frisättningen av tritierat tymidin efter olika jaktperioder, men frisättningsmönstret överensstämde inte med hypotesen om den odödliga strängen. Även om de hittade etikettbehållande celler, var de inte i det förmodade stamcellsfacket. Med ökande tidslängder för jaktperioderna var dessa etikettkvarhållande celler belägna längre från det förmodade stamcellsfacket, vilket tyder på att de etikettkvarhållande cellerna hade flyttats. Det har dock visat sig svårt att hitta avgörande bevis mot hypotesen om den odödliga strängen.

Ytterligare modeller

Efter att Cairns först föreslog den odödliga DNA-strängmekanismen, har teorin genomgått flera uppdaterade förbättringar.

2002 föreslog han att förutom att använda odödliga DNA-strängmekanismer för att segregera DNA, när de odödliga DNA-strängarna från vuxna stamceller skadas, kommer de att välja att dö (apoptosera) istället för att använda DNA-reparationsmekanismer som normalt används i icke -stamceller.

Emmanuel David Tannenbaum och James Sherley utvecklade en kvantitativ modell som beskriver hur reparation av punktmutationer kan skilja sig åt i vuxna stamceller. De fann att i vuxna stamceller var reparationen mest effektiv om de använde en odödlig DNA-strängmekanism för att segregera DNA, snarare än en slumpmässig segregeringsmekanism. Denna metod skulle vara fördelaktig eftersom den undviker att felaktigt fixera DNA-mutationer i båda DNA-strängarna och föröka mutationen.

Mekanismer

Det fullständiga beviset på ett koncept kräver i allmänhet en rimlig mekanism som kan förmedla effekten. Även om det är kontroversiellt, finns det ett förslag att detta kan tillhandahållas av Dynein Motor. Detta dokument åtföljs av en kommentar som sammanfattar resultaten och bakgrunden.

Detta arbete har dock högt respekterade biologer bland sina belackare, vilket exemplifieras av ytterligare en kommentar på en artikel av samma författare från 2006. Författarna har motbevisat kritiken.

Se även

• Telomer