14 listopada 2012

W młodej cytoplazmie młode jądro

Prof. dr hab. med. Wiesław Wiktor Jędrzejczak
Nagrodę Nobla
w dziedzinie fizjologii
i medycyny za rok 2012
otrzymali John B. Gurdon
i Shinya Yamanaka

Jak wiadomo, komórki składają się z jądra i cytoplazmy. Za komórkową głowę powszechnie uważa się jądro, w którym znajduje się materiał genetyczny, czyli DNA. To, co jest w cytoplazmie, powstaje na matrycy zapisów w tym materiale i wydawać by się mogło, że cytoplazma jest całkowicie podporządkowana jądru. No, może z wyjątkiem mitochondrium, które ma własny, oddzielny materiał genetyczny (zawsze dziedziczony po matce). Ale oczywiście nigdy nie jest tak, że na początku istnieje samo jądro, które wytwarza sobie cytoplazmę z pojedynczych substratów: aminokwasów, cukrów i tłuszczów. Powstająca komórka potomna przejmuje jedno i drugie od komórki rodzicielskiej.
W każdym z nas wszystkie komórki mają taki sam genom, ale bardzo się różnią między sobą: komórki włosów wyglądają zupełnie inaczej niż komórki krwi. Ta różnorodność wyglądu i funkcji dotyczy kilkuset różnych rodzajów komórek. W poszczególnych rodzajach komórek jedne geny ulegają aktywacji, a inne zahamowaniu i dlatego różnie wygląda ich cytoplazma. Jądro więc wpływa na to, czym jest i jak wygląda cytoplazma, ale pozostaje pytanie, czy cytoplazma też wpływa na jądro. Aby na to pytanie odpowiedzieć, trzeba komórki pozamieniać jądrami i zobaczyć, co się stanie.

Niełatwo wziąć pojedynczą komórkę, usunąć z niej jądro, a następnie wprowadzić tam jądro z innej. Komórki są na ogół bardzo małe i taka manipulacja jest technicznie bardzo trudna. Chyba że chodzi o naprawdę dużą komórkę. Taką np. jak skrzek (czyli zapłodniona komórka jajowa) żaby. Historia zaczęła się w latach 50. ubiegłego wieku (dokładnie 60 lat temu, to jest w roku 1952), kiedy Robert Briggs i Thomas J. King z Instytutu Fox Chase w Filadelfii wyjęli jądro z komórki żabiej blastuli i przetransferowali je do zapłodnionej komórki jajowej żaby, i ostatecznie uzyskali kijankę posiadającą cechy odpowiadające przeniesionemu jądru. Taki był początek nowej technologii – technologii transferu jądra (ang. nuclear transfer). Zwykła żaba była jednak bardzo niewygodnym modelem do tych badań, gdyż rozmnaża się tylko o jednej porze roku, a badania trzeba prowadzić ciągle. I oczywiście chodzi o to, aby próbować transferować jądra z komórek dorosłych żab. Ten problem rozwiązał John B. Gurdon, który zwrócił uwagę na żabę południowoafrykańską Xenopus levis. Ją można rozmnażać i następnie badać jej skrzek przez cały rok. Dzięki temu John B. Gurdon zbadał i opracował podstawowe zagadnienia związane z transferem jądra. Dziesięć lat później po odkryciach Briggsa i Kinga (w 1962 r.) uzyskał żabę z zarodka, który powstał po transferze do komórki jajowej jądra z komórki jelita, a więc komórki znacznie starszej niż pochodząca z blastuli. Potem udowodnił, że za odprogramowanie jądra komórki zróżnicowanej w jakimś kierunku odpowiedzialna jest cytoplazma. Tym samym potwierdził tezę, że „w młodej cytoplazmie odmłodzone jądro”. Briggs zmarł w 1983 r., a King w 2000. Najmłodszy z nich, Gurdon, w bieżącym roku odbierze Nagrodę Nobla.
Ktoś się żachnie: Nobel za żabę? Tak, gdyż ta właśnie technologia, technologia transferu jądra, umożliwiła klonowanie ssaków, najpierw powstanie słynnej owieczki Dolly, a następnie klonowanych ssaków wielu innych gatunków. Czyli klonowanie reprodukcyjne. Wprowadziła też w stan amoku różnych fanatyków religijnych, gdyż potencjalnie umożliwia także klonowanie człowieka. Spieszę uspokoić: siłą gatunku ludzkiego nie jest jednorodność, lecz odwrotnie – różnorodność. Nie klony, lecz mieszańce. Klony nie mają szans z mieszańcami. Ale technologia transferu jądra umożliwiła także klonowanie terapeutyczne, potrzebne tzw. medycynie regeneracyjnej. Jej celem jest leczenie różnych schorzeń, spowodowanych ubytkiem komórkowym, za pomocą transplantacji odpowiednich komórek macierzystych, czyli wyjściowych dla tych komórek, których u danego chorego brakuje: nerwowych, mięśniowych, krwiotwórczych itd. Takie komórki bardzo trudno uzyskać, a poza tym muszą być zgodne tkankowo, czyli zgodne w układzie HLA. Zwykle nie można ich uzyskać od samego chorego, gdyż z racji wieku zanikły, a uzyskane od innych (młodszych) osób będą różne tkankowo. Z kolei liczba różnych kombinacji cech tego układu to kilka miliardów i bardzo trudno znaleźć inną osobę całkowicie zgodną w HLA, w dodatku ona też będzie dorosła i uboga w komórki macierzyste. Najlepszym rozwiązaniem byłoby wytworzenie komórek macierzystych zgodnych tkankowo drogą transferu jądra od dojrzałej komórki chorego do cytoplazmy komórki zarodkowej. Obecnie medycyna dysponuje liniami ludzkich zarodkowych komórek macierzystych. Proste zaadaptowanie technik Gurdona nie przyniosło jednak powodzenia.
W międzyczasie stało się wiadome, że za włączanie i wyłączanie genów są odpowiedzialne inne geny, tzw. geny regulacyjne, które kodują białka będące czynnikami transkrypcyjnymi. Czynniki transkrypcyjne pod wpływem określonych bodźców, np. cytokin, rozwijają helisę DNA w określonych miejscach i umożliwiają transkrypcję znajdujących się w tych miejscach genów. Czyli w pewnym sensie one włączają lub, jeśli ich nie ma, wyłączają określone geny kodujące białka czynności komórki, a więc np. gen kodujący łańcuch hemoglobiny w krwinkach czerwonych. Pozostało określić, które z genów czynników transkrypcyjnych muszą być włączone, aby komórka była wielopotencjalna, aby była macierzysta. Zrobił to metodą prób i błędów Shinya Yamanaka ze współpracownikami z Uniwersytetu w Kyoto. W 2006 r. okazało się, że wystarczą cztery takie geny: OCT4, SOX-2, c-MYC i KLF4. Wprowadzenie ich do dojrzałych komórek powoduje odprogramowanie i powstanie komórek wielopotencjalnych. Tak uzyskanym komórkom nadano nazwę wzbudzonych wielopotencjalnych komórek macierzystych (iPS cells, ang. induced pluripotential stem cells).
Z kolei z nich można uzyskiwać różne bardziej ukierunkowane komórki macierzyste i to komórki swoiste dla danego pacjenta. Inaczej mówiąc, zabieg wygląda w ten sposób, że pobiera się od dorosłego osobnika komórki i wprowadza do nich wymienione cztery geny. Wówczas niektóre przypominają komórki zarodkowe i można je teraz próbować zmusić do zróżnicowania w określonym, pożądanym kierunku.
Metoda ta ma co najmniej trzy zastosowania: po pierwsze lecznicze – do wykorzystania w medycynie regeneracyjnej, po drugie – do badania leków. Po trzecie wreszcie pozwala opracować nowe modele niezbędne do badania chorób człowieka, gdyż da się unieśmiertelnić dla celów badania komórki od chorych na bardzo rzadkie choroby (obecnie trzeba bardzo długo czekać na następny przypadek). Gurdon jest człowiekiem osiemdziesięcioletnim, ale 30 lat młodszy Yamanaka może jeszcze bardzo wiele zdziałać. Największy problem praktyczny polega na tym, że dziś do transferu tych genów wykorzystuje się nośniki (wektory) będące zmodyfikowanymi wirusami. To w zastosowaniu klinicznym grozi wyrwaniem się spod kontroli i wywołaniem zmian nowotworowych. Konieczne jest zatem znalezienie innego sposobu równie skutecznego transferu genów albo bardziej skutecznej kontroli nad tymi wirusami. Poza tym należy wypracować metody generowania z komórek iPS potrzebnych tkankowo swoistych komórek macierzystych w ilościach niezbędnych klinicznie, a więc miliardowych. To na razie pieśń przyszłości.

Archiwum

Okręgowa Izba Lekarska w Warszawie im. prof. Jana Nielubowicza