Zeitschrift für Physikalische Chemie und Biophysik
Offener Zugang
ISSN: 2161-0398
ISSN: 2161-0398
Etsuro Ito, Wen-Li Hsu und Tohru Yoshioka
Die Mechanismen der Bildung embryonaler Stammzellen (ES) und der Befruchtung von Eizellen wurden untersucht, ohne die Wechselwirkungen dieser Zelltypen zu untersuchen, möglicherweise weil die Ähnlichkeiten zwischen ES-Zellen und befruchteten Eizellen, insbesondere das Fehlen einer Kalziumsignalisierung, nicht berücksichtigt wurden. Hier vereinen wir die verschiedenen Konzepte, die separat entwickelt wurden, so dass ES-Zellen und befruchtete Eizellen dasselbe Schicksal haben (d. h. zu somatischen Zellen werden). Wir diskutieren das Konzept der Veränderungen der Wassereigenschaften im Zytoplasma, die zusammen mit dem Zellzyklus auftreten, das ursprünglich im Bereich der Biophysik eingeführt wurde. Unter diesem Gesichtspunkt sind die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen ES-Zellen und befruchteten Eizellen verständlich, und die Veränderungen der Wassereigenschaften helfen zu erklären, warum ES-Zellen nach einem neuen Stimulus wie einer Säurebehandlung Pluripotenz aufweisen können, wie es bei befruchteten Eizellen der Fall ist. Obokata et al. entdeckten kürzlich eine Abkürzung zur Erzeugung pluripotenter Stammzellen, die sie „stimulus-triggered acquire of pluripotency (STAP)“-Zellen aus somatischen Zellen bei vorübergehender Stimulation mit niedrigem pH-Wert nannten [1]. Dieser Bericht hatte einen erheblichen Einfluss auf viele Entwicklungsbiologen und Kliniker, da die Behandlung mit niedrigem pH-Wert ein unerwartet einfacher Weg zu sein schien, somatische Zellen in pluripotente embryonale Stammzellen (ES) umzuwandeln [2].
Allerdings überrascht diese Methode die Biophysiker nicht, da mehrere Arten von Zellstress eine Eizellen-Aktivierung in Verbindung mit einem vorübergehenden Anstieg des Ca2+-Spiegels auslösen, wie z. B. die Veränderung des zytoplasmatischen pH-Werts durch die Anwendung von NH4Cl und/oder CO2 oder auch das mechanische Einstechen mit einer Nadel [3]. Im Jahr 2002 berichteten Burdon et al., dass die pluripotenten Epiblastenzellen aus einer längeren Kultur von ES-Zellen gewonnen wurden [4]. ES-Zellen haben einen ungewöhnlichen Zellzyklus, bei dem die G1-Phase, die bei anderen Zelltypen abläuft, reduziert ist [5]. Solche Merkmale von ES-Zellen hängen mit den deregulierten Eigenschaften der Proliferation von Tumorzellen zusammen. Anders als diese Zelltypen beginnt auch eine befruchtete Eizelle ihren eigenen Zellzyklus mit Ca2+-Schwingungen [6]. Diese Ca2+-Schwingung kann durch ein Ein- oder Zwei-Calcium-Pool-Modell mit positiver Rückkopplung von erhöhtem Ca2+ und Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) während der Anstiegsphase jedes Ca2+-Anstiegs erklärt werden. Es ist daher vernünftig anzunehmen, dass der Zellzyklus der Taktgeber für die Ca2+-Schwingung sowohl in kultivierten ES-Zellen in vitro als auch für die zirkadianen Calciumrhythmen in den somatischen Zellen des Körpers ist, die ebenfalls mit einer langsamen Frequenz der Ca2+-Schwingung von 1 Zyklus/Tag verbunden sind [7].
Die Eigenschaftsänderungen des Wasserzustands in der Zelle sind ein weiteres kritisches Thema. Mantré beschrieb, dass der Wasserzustand in den somatischen Zellen des Körpers geordnet strukturiertes gebundenes Wasser (wie Eis) aufweist, während ES-Zellen sowie Krebszellen freies (normales) Wasser in den Phasen G1 und G2 haben [8]. Nur Protonen, keine anderen Ionen, können sich auf der Oberfläche gebundenen Wassers bewegen, während sich in freiem Wasser alle Arten von Ionen (einschließlich Protonen) durch Diffusion bewegen können. In diesem Übersichtsartikel beschreiben wir die Unterschiede zwischen somatischen Zellen und ES-Zellen in Bezug auf die Protonensignalisierung, die die Ca2+-Schwingung reguliert, und die Änderung der Wassereigenschaften im Zusammenhang mit dem Zellzyklus. Die Protonensignalisierung spielt eine entscheidende Rolle bei der nuklearen Umprogrammierung in das pluripotente Stadium.