UZ Brussel-VUB - Genexpressie in humane pre-implantatie embryo’s en embryonale stamcellen: karakterisatie van de humane totipotente cel

Genexpressie in humane pre-implantatie embryo’s
en embryonale stamcellen: karakterisatie
van de humane totipotente cel

Projectleider: Dr. wet. Hilde van de Velde

Doctoraal onderzoekster: Greet Caufmann
Promotors: André Van Steirteghem en Inge Liebaers

steun van FWO en OZR

Relevante publicaties: klik hier.

De pre-implantatie periode is een cruciale fase in de voortplanting van de mens gedurende dewelke het embryo zich voorbereidt op de innesteling in de baarmoeder. Tijdens deze 5-daagse periode ondergaat de bevruchte eicel een aantal delingen die leiden tot de vorming van een blastocyst.

Een blastocyst bestaat uit twee soorten cellen:

de totipotente of ongedifferentieerde kiemknopcellen die in vivo het eigenlijke embryo vormen en die in vitro kunnen uitgroeien tot humane embryonale stamcellen; en
de gedifferentieerde trofectodermcellen die in vivo nodig zijn voor de innesteling en die later de placenta vormen.

Een groot deel van de humane embryo's nestelt zich niet in in de baarmoeder. Verschillende factoren - onder meer genetische - kunnen hier de oorzaak van zijn.

Een genoom is de verzameling van alle genen. Genen zijn stukjes DNA die onze cellen gebruiken als basis voor de aanmaak van eiwitten, die op hun beurt de eigenschappen van een cel bepalen. De weg van een gen naar een eiwit noemt men expressie.

Het pre-implantatie embryo beschikt over twee bronnen van genetische informatie: het moederlijk genoom en het embryonaal genoom. Het moederlijk genoom is het genoom van de onbevruchte eicel en controleert de eerste twee dagen van de pre-implantatieontwikkeling. Het embryonaal genoom omvat het genetisch materiaal van de eicel en de spermacel (gameten). Het wordt over het algemeen geactiveerd op de derde dag van de pre-implantatieontwikkeling.

Om ethische en praktische redenen is het onderzoek naar de expressie van genen in humane pre-implantatie-embryo's is beperkt Als gevolg daarvan worden al te vaak besluiten uit diermodellen naar de mens geëxtrapoleerd. In het onderzoekscentrum Reproductie en Genetica kunnen patiënten toestemming geven om gameten en embryo's die niet in aanmerking komen voor terugplaatsing in de baarmoeder of voor invriezing, te gebruiken voor wetenschappelijk onderzoek. Tevens beschikt ons onderzoekscentrum over een stamcellabo waar al verschillende humane embryonale stamcellijnen gemaakt werden (Mateizel et al., 2005). Op die manier beschikken we over humane gameten, embryo's en stamcellen waarin we de expressie van genen kunnen bestuderen.

Zo hebben we de expressie van het aan fertiliteit gerelateerde gen DAZL, dat noodzakelijk is voor de ontwikkeling van de gameten bij mens en dier, onderzocht. Onze resultaten toonden aan dat DAZL niet enkel in gameten en stamcellen tot expressie komt - wat reeds bekend was - maar ook tijdens alle stadia van de pre-implantatieontwikkeling (Cauffman et al., 2005a). In het bijzonder tijdens de derde dag van ontwikkeling werden grote verschillen in expressie vastgesteld, en dat zowel tussen de cellen van éénzelfde embryo als tussen de embryo's onderling. Die verschillen weerspiegelen duidelijk de overgang van het moederlijk naar het embryonaal genoom.

In blastocysten bleek de expressie van DAZL gerelateerd te zijn aan de kwaliteit. In blastocysten met een goede morfologie komt DAZL tot expressie in de kiemknop en het trofectoderm. Aangezien het trofectoderm nooit gameten kan vormen, heeft DAZL mogelijk nog een andere functie buiten de ontwikkeling van de gameten.

Een ander gen waarvan we de expressie onderzocht hebben is OCT-4. OCT-4 wordt aangenomen als zijnde de merker voor ongedifferentieerde cellen en dus een stamcelmerker. Dat berust enerzijds vooral op studies bij de muis waarbij dit bewezen werd en anderzijds op het feit dat de expressie van OCT-4 noodzakelijk is om humane stamcellen in een ongedifferentieerde staat te houden.

Uit ons onderzoek is gebleken:

dat OCT-4 later dan verwacht uitgedrukt wordt door het embryo, namelijk op de vierde dag van de pre-implantatieontwikkeling, en
dat de expressie van OCT-4 in de mens niet beperkt is tot de ongedifferentieerde cellen, omdat OCT-4 ook tot expressie komt in het trofectoderm en in in-vitro gedifferentieerde humane embryonale stamcellen (Cauffman et al., 2005b).

OCT-4 is m.a.w. onterecht uit het muismodel geëxtrapoleerd als specifieke merker voor de ongedifferentieerde status.

Een bijkomend verschil tussen muis en humaan OCT-4 is dat in de mens twee vormen van OCT-4 bestaan (OCT-3A en OCT-3B) en in de muis maar één. Recent onderzoek heeft uitgewezen dat er verschillen zijn in expressie tussen OCT-3A en OCT-3B (Cauffman et al., in voorbereiding).

Naast OCT-4 zijn er heel wat andere merkers die regelmatig gebruikt worden om humane embryonale stamcellen te karakteriseren zoals NANOG, SOX-2, REX-1, ... . De meeste van deze stamcelmerkers werden eveneens uit het muismodel geëxtrapoleerd naar de mens. Uit recent onderzoek blijkt nochtans dat er op het niveau van de genexpressie belangrijke verschillen bestaan tussen de muis en de mens. Nader onderzoek van die merkers bij de mens is dus zeker aangewezen.

Wanneer zou blijken dat één van de merkers exclusief uitgedrukt wordt in ongedifferentieerde cellen, dan kan die gebruikt worden om te onderzoeken of alle cellen van het vroege pre-implantatie embryo ongedifferentieerd of totipotent zijn.

Relevante publicaties

Mateizel I, De Temmerman N, Ullmann U, Cauffman G, Sermon K, Van de Velde H, De Rycke M, Degreef E, Devroey P, Liebaers I and Van Steirteghem A (2005) Derivation of human embryonic stem cell lines from embryos obtained after IVF and after PGD for monogenic disorders. Hum Reprod Doi:10.1093/humrep/dei345.
Cauffman G, Van de Velde H, Liebaers I and Van Steirteghem A (2005a) DAZL expression in human oocytes, preimplantation embryos and embryonic stem cells. Mol Hum Reprod 11, 405-411.
Cauffman G, Van de Velde H, Liebaers I and Van Steirteghem A (2005b) OCT-4 mRNA and protein expression during human preimplantation development. Mol Hum Reprod 11, 173-181.
Cauffman G, Liebaers I, Van Steirteghem A and Van de Velde H. OCT-4 splice variants show different expression patterns in human embryonic stem cells and preimplantation embryos. In voorbereiding.