Primäre menschliche Hepatozyten stellen ein gut etabliertes Werkzeug in Pharmakologie und Toxikologie dar. Eine Limitierung besteht jedoch in der Verfügbarkeit, da primäre Hepatozyten aus chirurgisch entferntem Lebergewebe gewonnen werden müssen. Eine attraktive Alternative besteht daher darin, iPS-Zellen in Hepatozyten-ähnliche Zellen zu reprogrammieren. Dies bietet die Möglichkeit, eine unbegrenzte Menge an menschlichen Hepatozyten zu generieren und außerdem mit diesen Zellen in vitro Systeme menschlicher Krankheiten zu etablieren. Allerdings ermöglichen die zur Zeit verfügbaren Differenzierungsprotokolle für iPS-Zellen noch nicht die Generierung voll differenzierter Hepatozyten. Diese Einschränkung erklärt, warum zum Beispiel pharmazeutische Unternehmen heute noch primäre Hepatozyten Stammzell-abgeleiteten Hepatozyten-ähnliche Zellen (HLC) vorziehen. Daher zielt das aktuelle Projekt darauf ab, die zur Zeit verfügbaren Differenzierungsprotokolle für iPS-Zell abgeleitete HLC zu verbessern. Hierzu wird eine kürzlich von den Antragstellern etablierte Technik der Modellierung genetischer Netzwerke eingesetzt werden (Godoy et al., 2015). In dieser Studie haben wir die transkriptionellen Kontrollfaktoren identifiziert, welche dafür verantwortlich sind, daß auch die besten zur Zeit verfügbaren HLC noch deutlich von primären humanen Hepatozyten abweichen. Diese aus genomweiten Analysen abgeleiteten Daten werden uns als Blaupause dienen, um mittels gezielter Interventionen den Differenzierungszustand der HLCs zu verbessern.

Das Gesamtziel von Teilprojekt 3 (TP 3) besteht darin, durch die Beeinflussung transkriptioneller Netzwerke die Differenzierung von menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) zu Hepatozyten zu verbessern. Hierzu werden mit Systemanalyse der Einzelzelldaten der hiPSC Differenzierung in Hepatozyten-ähnliche Zell-Subpopulationen (HLCs) vollständig und unvollständig differenzierte Zellen identifiziert.

Primäre menschliche Hepatozyten stellen ein gut etabliertes Werkzeug in Pharmakologie und Toxikologie dar. Eine Limitierung besteht jedoch in der Verfügbarkeit, da primäre Hepatozyten aus chirurgisch entferntem Lebergewebe gewonnen werden müssen. Eine attraktive Alternative besteht daher darin, induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) in Hepatozyten-ähnliche Zellen zu reprogrammieren. Dies bietet die Möglichkeit, eine unbegrenzte Menge an menschlichen Hepatozyten zu generieren. Diese Zellen können sehr gut genutzt werden, um in vitro-Systeme menschlicher Krankheiten zu etablieren. Allerdings ermöglichen die zur Zeit verfügbaren Differenzierungsprotokolle für iPS-Zellen noch nicht die Generierung voll differenzierter Hepatozyten. Diese Einschränkung erklärt, warum zum Beispiel pharmazeutische Unternehmen heute noch primäre Hepatozyten Stammzell-abgeleiteten HLC vorziehen. Daher zielt dieses Projekt darauf ab, die zur Zeit verfügbaren Differenzierungsprotokolle für iPS-Zell abgeleitete Hepatozyten-ähnliche Zellen (HLC) zu verbessern. Hierzu wird eine kürzlich etablierte Technik der Modellierung genetischer Netzwerke eingesetzt werden (Godoy et al., 2015). In dieser Studie wurden die transkriptionellen Kontrollfaktoren identifiziert, welche dafür verantwortlich sind, dass auch die besten zur Zeit verfügbaren HLC noch deutlich von primären humanen Hepatozyten abweichen. Diese aus genomweiten Analysen abgeleiteten Daten werden als Blaupause dienen, um mittels gezielter Interventionen den Differenzierungszustand der HLCs zu verbessern.

Epigenetische Daten eignen sich hervorragend, um Prozesse der Programmierung von Stammzellen in differenzierte Zellen molekular zu verfolgen. In Teilprojekt 2 werden genomweite Expression- und Epigenom-Profile von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs), von hieraus generierten Hepatozyten ähnlichen Zellen (HLCs) und primären Hepatocyten produziert. Es sollen epigenetische Veränderungen in Verbindung mit regulatorischen Veränderungen im Verlauf der (unvollständigen) Differenzierung erfasst und bioinformatisch ausgewertet werden. Neben genomweiten Transkriptomen in hiPSCs, HLCs und primären menschlichen Hepatocytes werden ausgesuchte epigenetische Modifikationen der gleichen Zellen mit Hilfe der Methoden ChIP-Seq und ATACseq generiert. Für die Analysen werden zudem Daten (primärer Hepatozyten) und Werkzeuge des Deutschen Epigenomprojektes DEEP genutzt. Ziel der Analysen ist es, molekulare Signaturen zu identifizieren, die zu einer verbesserten Reprogrammierung und Differenzierungseffizienz von iPSCs in HLCs führen.