Het onderzoek van Marcos Simões-Costa zou kunnen leiden tot nieuwe behandelingen voor verschillende ziekten, waaronder kanker.
Marcos Simões-Costa groeide op in Brazilië en bezocht vaak de boerderij van zijn grootouders in de Amazone. Die onderdompeling in de natuur – krijsende toekans en zo – wekte zijn fascinatie voor wetenschap en evolutie. Maar een video van een zich ontwikkelend embryo, getoond in zijn middelbare school wetenschapsklasse, bevestigde zijn verlangen om ontwikkelingsbioloog te worden.
“Het is zo’n mooi proces”, zegt hij. “Ik was altijd al bezig met tekenen en kunst, en het was heel visueel – de vormen van het embryo veranderen, het feit dat je met één cel begint en de complexiteit neemt toe. Ik ben gewoon verdwaald in die video.”
Tegenwoordig eert Simões-Costa, van de Harvard Medical School en het Boston Children’s Hospital, zijn jongere zelf door te ontrafelen hoe het embryo zich ontwikkelt. Hij bestudeert de embryo’s en stamcellen van vogels en muizen om erachter te komen hoe netwerken van genen en de elementen die ze aansturen de identiteit van cellen beïnvloeden. Het werk zou kunnen leiden tot nieuwe behandelingen voor verschillende ziekten, waaronder kanker.
“Het embryo is onze beste leermeester”, zegt hij.
Opvallend onderzoek
Simões-Costa richt zich op de neurale lijstcellen van het embryo, een populatie van stamcellen die zich vormen in het zich ontwikkelende centrale zenuwstelsel. De cellen migreren naar andere delen van het embryo en geven aanleiding tot veel verschillende celtypen, van de botcellen van het gezicht tot spiercellen tot hersen- en zenuwcellen.
Wetenschappers hebben zich jarenlang afgevraagd waarom neurale topcellen in het schedelgebied van het embryo, ondanks dat ze zo op elkaar lijken, bot en kraakbeen kunnen vormen, terwijl die in het rompgebied dat ook niet kunnen. Als postdoc bij Caltech bestudeerde Simões-Costa de cascade van moleculen die bepalen hoe genen tot expressie worden gebracht in elk celtype. Met zijn adviseur, ontwikkelingsbioloog Marianne Bronner, identificeerde hij transcriptiefactoren – eiwitten die genen aan en uit kunnen zetten – die alleen in schedelcellen aanwezig waren. Door de genen voor die eiwitten in stamcellen te transplanteren, kregen de cellen het vermogen om kraakbeen en bot te creëren.
Nu in zijn eigen laboratorium blijft hij uitzoeken hoe dit enorme regulerende netwerk de specialisatie van cellen beïnvloedt. Zijn team reconstrueerde hoe de volledige set genetische instructies van neurale lijstcellen, of het genoom, vouwt tot een compacte, 3D-vorm. De onderzoekers identificeerden korte DNA-sequenties, versterkers genaamd, die zich in verre gebieden van het genoom bevinden, maar dicht bij de belangrijkste genen komen wanneer het genoom vouwt. Deze versterkers werken met transcriptiefactoren en andere regulerende elementen om genactiviteit te controleren.
Simões-Costa gebruikt ook neurale lijstcellen om een vreemd gedrag op te helderen dat wordt gedeeld door kankercellen en sommige embryonale cellen. Deze cellen produceren anaëroob energie, zonder zuurstof, zelfs als er zuurstof aanwezig is. Dit metabolische proces, dat het Warburg-effect wordt genoemd, is uitgebreid bestudeerd in kankercellen, maar de functie ervan bleef onduidelijk.
Door experimenten die het metabolisme van neurale lijstcellen manipuleren, ontdekte het team van Simões-Costa dat het Warburg-effect nodig is om de cellen tijdens de vroege ontwikkeling te laten bewegen. Het mechanisme, dat uitgeschakeld moet blijven in niet-embryonale cellen, wordt op de een of andere manier “gereactiveerd in volwassen cellen in de context van kanker, waardoor die cellen meer migrerend en invasiever worden”, zegt Simões-Costa.
“Hij is een van de weinige mensen waar echt naar wordt gekeken” [this process in neural crest cells] op moleculair niveau en een diepe duik gedaan in de onderliggende mechanismen”, zegt Bronner.
Het slim combineren van klassieke embryologische methoden met de nieuwste genomische technologieën om fundamentele vragen in de ontwikkelingsbiologie aan te pakken, is wat Simões-Costa speciaal maakt, zegt Kelly Liu, ontwikkelingsbioloog aan de Cornell University. Hij wil niet alleen begrijpen wat individuele genen doen, maar ook hoe ze werken op systeemniveau, zegt ze.
Wat is het volgende
Hoe vertelt de genetische blauwdruk cellen waar ze zich in het embryo bevinden en wat ze zouden moeten doen? Hoe kapen kankercellen het Warburg-effect en kan begrip van dat proces leiden tot nieuwe behandelingen? Dit zijn enkele van de vragen die Simões-Costa hierna wil aanpakken.
“Het is 20 jaar geleden dat het Human Genome Project tot een einde kwam”, zegt hij, verwijzend naar de enorme inspanning om het menselijke genetische instructieboek te lezen. “Maar er zit nog zoveel mysterie in de genetische code.”
Die mysteries, plus een diepe passie voor laboratoriumwerk, voeden het onderzoek van Simões-Costa. “Als ik op de bank zit, ben ik het gelukkigst”, zegt hij. Hij vergelijkt het delicate ambacht van het uitvoeren van nauwkeurige operaties aan weefsels en cellen met meditatie. “Het wordt niet oud.”
Wil je iemand nomineren voor de volgende SN 10 lijst? Stuur hun naam, affiliatie en een paar zinnen over hen en hun werk naar sn10@sciencenews.org.
