Cruciaal ‘verkeerslicht’ in differentiatie darmcellen geïdentificeerd

De verschillende celtypen van de menselijke darm ontwikkelen zich uit stamcellen door differentiatie. Onderzoekers van de Organoid groep (Hubrecht Instituut), het Prinses Máxima Centrum en de Universiteit Maastricht hebben darm-organoïden gebruikt om een systematische CRISPR-screening uit te voeren van 1800 menselijke transcriptiefactoren en identificeerden ZNF800 als een belangrijke regulator van de differentiatie van een specifiek darmceltype, de entero-endocriene cellen. De resultaten van het onderzoek zijn op 26 oktober 2023 gepubliceerd in Science en kunnen bijdragen aan het begrijpen van darmziekten en hormoonstoornissen, evenals de ontwikkeling van de alvleesklier en diabetes.

De menselijke darm bevat verschillende celtypen, elk met specifieke functies. Deze celtypen komen allemaal voort uit de stamcellen van de darm: cellen die nog niet gespecialiseerd zijn, maar de potentie hebben om functioneel gespecialiseerde cellen te worden. Belangrijke celtypen van de darm zijn enterocyten, die verantwoordelijk zijn voor de opname van voedingsstoffen, slijmbekercellen, die slijm produceren, Paneth-cellen, die antimicrobiële peptiden afscheiden, en entero-endocriene cellen (EEC’s), die verschillende hormonen produceren. De hormonen die door de EEC’s worden geproduceerd reguleren spijsverteringsprocessen, zoals de opname van voedingsstoffen, de eetlust en het glucosemetabolisme. In deze studie onderzochten onderzoekers van de Organoid groep hoe EEC’s gevormd worden vanuit stamcellen via een proces dat differentiatie wordt genoemd. Hiervoor gebruikten ze darm-organoïden: in het laboratorium gekweekte mini-organen die de vorm en functie van de echte darm nabootsen.

Verkeerslichten in stamcellen

De differentiatie van stamcellen tot specifieke celtypen vindt plaats door middel van genregulatie: het ‘aan’ en ‘uit’ zetten van genen in het DNA van de cellen. Eiwitten die transcriptiefactoren worden genoemd spelen een belangrijke rol bij genregulatie, omdat het hun taak is om genen aan en uit te zetten. Eerste auteur Lin Lin legt uit: “Je kunt het vergelijken met een druk kruispunt waar verschillende wegen naar verschillende bestemmingen leiden. De voertuigen op de wegen symboliseren verschillende celtypen. De transcriptiefactoren werken als verkeerslichten op de kruispunten en bepalen of cellen een bepaalde richting op kunnen om gespecialiseerde cellen te worden. In onze studie hebben we gebruikgemaakt van CRISPR, een techniek waarmee je aanpassingen aan genen kunt doen, om ons heel specifiek te richten op individuele transcriptiefactoren. Hiermee zet je als het ware de ‘verkeerslichten’ aan of uit. Op deze manier wilden we het ingewikkelde signaleringssysteem blootleggen dat cellen langs hun vooraf bepaalde routes stuurt, zoals verkeerslichten de beweging van voertuigen in een drukke stad regelen.”

Microscopische afbeelding van menselijke darm-organoïden met en zonder ZNF800. — Menselijke darm-organoïden met (links) en zonder (rechts) de transcriptiefactor ZNF800. Links tonen wildtype (ongewijzigde) darm-organoïden de aanwezigheid van slijmbekercellen (groen), entero-endocriene cellen (EEC’s; magenta) en hier en daar een Paneth-cel (rood). Rechts is het aantal EEC’s significant toegenomen na uitschakeling van ZNF800, wat aantoont dat ZNF800 de differentiatie van stamcellen tot EEC's onderdrukt. Credit: Lin Lin. Copyright: Hubrecht Instituut.

ZNF800 als ‘hoofdrepressor’

De onderzoekers gebruikten CRISPR om een systematische screening uit te voeren van het volledige repertoire van menselijke transcriptiefactoren, dat 1800 genen omvat, om factoren te vinden die betrokken zijn bij de differentiatie van stamcellen tot EEC’s. “Door alle mogelijke ‘verkeerslichten’ te screenen, hebben we specifieke factoren geïdentificeerd die een cruciale rol spelen bij beslissingen over het lot van de cellen. Sommige van deze factoren fungeerden als groen licht en bevorderden dus de activering van genen die cellen naar een bepaalde bestemming leiden, terwijl andere als rood licht fungeerden en bepaalde genexpressies onderdrukten, waardoor cellen op andere paden werden gebracht”, vertelt Lin. Het team identificeerde ZNF800 als een cruciale transcriptiefactor bij het bepalen van de balans tussen EEC’s en andere celtypen in de darmen. “De aanwezigheid van ZNF800 werkt als een rood licht op de ontwikkeling van EEC’s: toen we het ZNF800-‘verkeerslicht’ uitschakelden, zagen we een significante vertienvoudiging van EEC’s in de organoïden. Tegelijkertijd werden andere darmceltypen, zoals slijmbekercellen en Paneth-cellen, onderdrukt”, legt Lin uit. De onderzoekers toonden ook aan dat ZNF800 de expressie controleert van andere transcriptiefactoren die betrokken zijn bij EEC-differentiatie, zoals NEUROG3, INSM1, SOX4 en PAX4. Lin: “De regulatie van differentiatie werkt op een hiërarchische manier, waarbij bepaalde transcriptiefactoren fungeren als hoofdregulatoren en andere als effectoren verder onderaan de hiërarchie. We hebben aangetoond dat ZNF800 fungeert als ‘hoofdrepressor’, wat betekent dat het andere transcriptiefactoren beïnvloedt en uiteindelijk de EEC-differentiatie remt.”

Klinische implicaties

De ontdekkingen van Lin en haar collega’s kunnen gevolgen hebben voor het begrijpen van darmziekten en hormoonstoornissen. “Onze bevindingen bieden cruciale inzichten in de moleculaire mechanismen die het lot van menselijke darmcellen bepalen, wat essentieel is voor het begrijpen van deze aandoeningen en uiteindelijk voor het ontwikkelen van behandelingen”, zegt Lin. Het feit dat ZNF800 andere transcriptiefactoren zoals PAX4 en NEUROG3 bleek te beïnvloeden, suggereert dat er ook implicaties kunnen zijn voor diabetesonderzoek. “Deze transcriptiefactoren zijn cruciaal voor de regulatie van de bètacellen die insuline produceren in de alvleesklier, waardoor de mogelijkheid bestaat dat ZNF800 ook een rol speelt bij de ontwikkeling van de alvleesklier en diabetes”, concludeert Lin.

Publicatie

Unbiased transcription factor CRISPR screen identifies ZNF800 as master repressor of enteroendocrine differentiation. Lin Lin, Jeff DeMartino, Daisong Wang, Gijs J.F. van Son, Reinier van der Linden, Harry Begthel, Jeroen Korving, Amanda Andersson-Rolf, Stieneke van den Brink, Carmen Lopez-Iglesias, Willine J. van de Wetering, Aleksandra Balwierz, Thanasis Margaritis, Marc van de Wetering, Peter J. Peters, Jarno Drost, Johan H. van Es en Hans Clevers. Science, 2023.

Hans Clevers is adviseur/gastonderzoeker bij het Hubrecht Institute voor Ontwikkelingsbiologie en Stamcelonderzoek (KNAW) en bij het Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie. Hij is hoogleraar Moleculaire Genetica bij de Universiteit Utrecht en Oncode Investigator. Hans Clevers is sinds maart 2022 Head of pharma Research and Early Development (pRed) bij Roche. In het verleden is hij directeur/president geweest van het Hubrecht Instituut, de KNAW en het Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie.