SUMMARY: Stem cells have the ability to self-renew, and give rise to one or more differentiated cell types. Embryonic stem cells can differentiate into all cell types of the body and have unlimited self-renewal capacity. Somatic stem cells are found in many adult tissues. They have an extensive but finite lifespan and can differentiate into a more restricted range of cell types. Increasing evidence indicates that the multilineage differentiation ability of stem cells is defined by the potential for expression of developmentally regulated transcription factors and of lineage specification genes. Gene expression, or as emphasized here, the potential for gene expression, is largely controlled by epigenetic modifications of DNA (DNA methylation) and chromatin (such as post-translational histone modifications) in the regulatory regions of specific genes. Epigenetic modifications can also influence the timing of DNA replication. We highlight here how mechanisms by which genes are poised for transcription in undifferentiated stem cells are being uncovered through the mapping of DNA methylation profiles on differentiation-regulated promoters and at the genome-wide level, histone modifications, and transcription factor binding. Epigenetic marks on developmentally regulated and lineage specification genes in stem cells seem to define a state of pluripotency.
Zusammenfassung: Epigenetische Basis für das Differenzierungspotential von mesenchymalen und embryonalen Stammzellen
Stammzellen haben die Fähigkeit zur Selbsterneuerung und bilden die Ausgangsbasis für einen oder mehrere differenzierte Zelltypen. Embryonale Stammzellen können in alle Zelltypen des Körpers differenzieren und haben eine unbegrenzte Selbsterneuerungskapazität. Somatische Stammzellen finden sich in vielen adulten Geweben. Sie haben eine lange, aber dennoch begrenzte Lebensdauer und können nur in ein bestimmtes Spektrum von Zelltypen differenzieren. Dafür dass die Multilineage-Differen-zierungsfähigkeit der Stammzellen bestimmt wird durch deren Potential, entwicklungsgemäß regulierte Transkriptionsfaktoren und Abstammungsspezifikationsgene zu exprimieren, gibt es einen zunehmende Zahl von Belegen. Genexpression bzw. das Potential zur Genexpression, wie es hier betont wird, wird hauptsächlich durch epigenetische Modifikationen der DNA (DNA-Methylierung) des Chromatins (z.B. posttranslationale Histonmodifikationen) in den Regulatorregionen von speziellen Genen gesteuert. Epigenetische Modifikationen können auch das Timing der DNA-Replikation beeinflussen. Der Fokus dieser Übersicht liegt darauf, wie Mechanismen, durch die Gene zur Transkription in undifferenzierte Stammzellen ausbalanciert werden, erkannt werden durch das Mapping von DNA-Methylierungsprofilen an differenzierungsregulierenden Promotern und auf genomweiter Ebene, Histonmodifikationen und Transkriptionsfaktorbindung. Epigenetische Marker auf entwicklungsgemäß regulierten und Abstammungsspezifikationsgenen in Stammzellen scheinen den Grad der Pluripotenz zu definieren.