NAGRODANOBLA W 2012 ROKU ZA ODKRYCIA DOWODZĄCE, ŻE DOJRZAŁE KOMÓRKI MOGĄ BYĆ PRZEPROGRAMOWANE W MACIERZYSTE KOMÓRKI PLURIPOTENTNE THE NOBLE PRIZE 2012 FOR THE DISCOVERY THAT MATURE CELLS CAN BE REPROGRAMMED TO BECOME PLURIPOTENT Marta Piątek * Politechnika Wrocławska, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Katedra Inżynierii Biomedycznej, 50-370 Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27 * e-mail: marta.piatek@pwr.edu.pl STRESZCZENIE W 2012 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyna lub fizjologia otrzymali Brytyjczyk John Gurdon oraz Japończyk Shinya Yamanaka za udowodnienie, iż dojrzałe komórki mogą być przeprogramowane w komórki macierzyste pluripotentne. J. Gurdon w 1962 roku wysnuł teorię, iż możliwe jest cofanie czasu. Wykazał, że wykorzystując czynniki znajdujące się w cytoplazmie komórki jajowej możliwe jest przekształcenie genomu komórki somatycznej do stadium niemal identycznego z zarodkowym. Z kolei Shinya Yamanaka zmodyfikował mysie fibroblasty poprzez wprowadzenie do ich jąder 4 genów. Podobne badania przeprowadził na ludzkich komórkach, udowadniając, iż możliwe jest odmładzanie dojrzałych i wyspecjalizowanych komórek człowieka. Takie przeprogramowane komórki macierzyste nazwał indukowanymi komórkami pluripotentnymi (ips). Słowa kluczowe: indukowane komórki macierzyste, medycyna regeneracyjna, Nagroda Nobla ABSTRACT The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2012 was jointly awarded to John Gurdon and Shinya Yamanaka for the discovery that mature cells can be reprogrammed to become pluripotent. In 1962, John Gurdon radically changed this view by demonstrating that the nucleus from a differentiated frog intestinal epithelial cell was capable of generating a fully functional tadpole upon transplantation to an enucleated egg. This discovery shattered the dogma that cellular differentiation could only be a unidirectional process. In 2006, by an astonishingly simple procedure, Shinya Yamanaka proved that introduction of a small set of transcription factors into a differentiated cell was sufficient to revert the cell to a pluripotent state. The resulting cells were called induced pluripotent stem cells. Keywords: induced pluripotent stem cells, regenerative medicine, Nobel Prize Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 21, nr 1, 2015 59
1. Wstęp W 2012 roku Komitet Noblowski uhonorował pracę 79-letniego J. Gordona oraz 40-letniego S. Yamanaki. Naukowcy nie współpracowali ze sobą. Brytyjczyk pracował na Uniwersytecie w Cambridge, natomiast Japończyk był związany zawodowo z Uniwersytetem w Kioto. Obaj naukowcy zajmowali się badaniem mechanizmów różnicowania komórek. 2. Odkrycia dowodzące, że dojrzałe komórki mogą być przeprogramowane w macierzyste komórki pluripotentne Komórki macierzyste są elementami o dwóch wyjątkowych właściwościach. Mają zdolność do potencjalnie nieograniczonej liczby podziałów oraz pod wpływem odpowiednich bodźców różnicują się do innych typów komórek [1]. Wyróżnia się cztery typy komórek macierzystych sklasyfikowanych ze względu na zdolność do różnicowania: totipotentne przekształcające się do każdego typu komórek, także tych budujących łożysko; pluripotentne różnicujące się do dowolnego typu komórek dorosłego organizmu; multipotentne przeobrażające się jedynie do kilku typów komórek o podobnych właściwościach i pochodzeniu embrionalnym; unipotentne przeradzające się tylko w jeden typ komórek. Ponadto dokonuje się podziału komórek macierzystych uwzględniając ich pochodzenie. Rozróżnia się dwie grupy: embrionalne komórki macierzyste totipotentne wywodzące się z kilkukomórkowego embrionu lub pluripotentne pobierane z blastocysty; somatyczne komórki macierzyste znajdujące się w tkankach dorosłych organizmów (multipotentne lub unipotentne). Od wielu lat prowadzone są badania nad komórkami macierzystymi oraz ich zastosowaniem w terapii wielu poważnych schorzeń. Ze względu na możliwość różnicowania najbardziej pożądanym ich rodzajem są komórki pluripotentne. Niestety, można je pozyskiwać jedynie z ludzkich zarodków, dlatego tego typu badania wiążą się z problemami natury etycznej. Ponadto stosowanie embrionalnych komórek macierzystych może skutkować powstawaniem potworniaków, tj. nowotworów będących efektem braku kontroli nad różnicowaniem się komórek pluripotentnych. Badania laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny lub fizjologii z 2012 roku umożliwiły generowanie pluripotentnych komórek macierzystych z innych źródeł niż ludzki embrion. Przełomowy eksperyment J. Gurdona schematycznie zaprezentowano na rysunku 1. Doświadczenie składało się z kilku etapów. W początkowej fazie eksperymentu wykorzystując promieniowanie UV zniszczył jądro komórki jajowej żaby (etap 1). Następnie umieścił w niej jądro z dojrzałej komórki pobranej z nabłonka budującego jelito kijanki (etap 2). Eksperyment przeprowadzono na dużej grupie komórek. Z większości zmodyfikowanych komórek jajowych nie rozwinęły się kijanki, jednak z niewielkiej części komórek udało się wyhodować normalne kijanki (etap 3). Zatem J. Gurdon udowodnił, iż komórkę somatyczną można cofnąć w rozwoju do stanu niemal identycznego z zarodkowym stosując czynniki znajdujące się w cytoplazmie komórki jajowej [2]. Rys. 1. Schemat eksperymentu przeprowadzonego przez J. Gurdona [3] Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 21, nr 1, 2015 60
Początkowo wyniki badań Johna Gurdona zostały przejęte sceptycznie, jednak po kilkunastu latach zaczęto wykorzystywać tę technikę do klonowania ssaków. Drugi z naukowców badał w jaki sposób przebiega proces różnicowania komórek macierzystych. Zaobserwował, iż istnieją geny odpowiedzialne za sterowanie tym procesem. Na rysunku 2 pokazano schemat eksperymentu przeprowadzonego przez S. Yamanakę w 2006 roku [4]. Doświadczenie polegało na wprowadzeniu 4 genów regulujących rozwój komórek macierzystych (1) do fibroblastów pobranych od myszy (2). Komórki te zostały przekształcone do pluripotentnych komórek macierzystych (3), które mogą rozwinąć się do dowolnego typu komórek dorosłego organizmu. Te sztucznie wygenerowane komórki macierzyste zostały nazwane indukowanymi komórkami pluripotentnymi. S. Yamanaka wykazał, że modyfikując jedynie cztery geny możliwe jest przekształcenie dojrzałej komórki do ips, a następnie do komórki dowolnego typu. W 2007 roku S. Yamanaka przeprowadził podobny eksperyment, tym razem wykorzystując ludzkie komórki. Rys. 2. Schemat eksperymentu przeprowadzonego przez S. Yamanakę [3] W przeciwieństwie do J. Gurdona, badania Japończyka zostały przyjęte entuzjastycznie. Odrzucono wątpliwości etyczne związane z wykorzystywaniem komórek macierzystych, ponieważ pokazano, iż do naprawy zniszczonych fragmentów organizmu nie trzeba używać komórek pobranych z zarodka. Kolejną zaletą komórek ips jest brak problemów związanych z odrzuceniem narządu powstałego z indukowanych komórek pluripotentnych, gdyż występuje całkowita zgodność tkankowa pomiędzy biorcą a wytworzonym organem. Właściwość ta była niemożliwa do osiągnięcia w przypadku wykorzystywania komórek embrionalnych, przez co biorca zobowiązany był do stosowania leków zapobiegających odrzuceniu przeszczepionego narządu. Niestety technika przeprogramowywania komórek ma dwie wady. Pierwsza związana jest z brakiem kontroli nad sposobem podziału komórek, co może skutkować powstawaniem nowotworów. Natomiast druga wada wynika z trudności w uzyskaniu niektórych komórek spowodowanych niedostateczną wiedzą na temat kontroli wzrostu (rozmiar, kształt, unaczynienie, unerwienie). 3. Sylwetki noblistów John Gurdon urodził się 02.10.1933 w Dippenhall w Wielkiej Brytanii. W wieku 23 lat ukończył studia na kierunku zoologia na Uniwersytecie Oxfordzkim. Na tej samej uczelni w 1960 roku uzyskał tytuł doktora z embriologii. Następnie odbył staż podoktorski w Kalifornijskim Instytucie Technologicznym (Caltech). W 1972 roku powrócił na Uniwersytet w Cambrige. Obecnie pracuje w nazwanym swoim imieniem Instytucie Gurdona będącym częścią Cambridge i nadal prowadzi badania nad mechanizmami różnicowania komórek. W 1995 roku Królowa Elżbieta II nadała Johnowi Gurdonowi tytuł szlachecki [5]. Brytyjski badacz jest autorem ponad 200 prac naukowych. Najważniejsza z nich: Developmental Capacity of Nuclei Taken from Intestinal Epithelium Cells of Feeding Tadpoles, została opublikowana Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 21, nr 1, 2015 61
w 1962 roku w Journal of Embryology and Experimental Morphology [2]. Za wyniki badań przedstawione w tej publikacji otrzymał Nagrodę Nobla. Sinya Yamanaka urodził się 04.09.1962 w Osace w Japonii. W 1987 roku ukończył studia medyczne na Uniwersytecie w Kobe. Przez kolejne dwa lata odbywał staż na oddziale chirurgii ortopedycznej szpitala w Osace. W 1993 roku uzyskał tytuł doktora w dziedzinie farmakologii na Uniwersytecie w Osace. Następnie odbył staż podoktorski w Instytucie Chorób Krążenia w San Francisco. Dopiero pod koniec lat 90 zaprzestał praktyki lekarskiej na rzecz pracy naukowej. W latach 1999 2004 związany był z Uniwersytetem w Ikoma. Natomiast od 2004 roku pracę badawczą kontynuuje na Uniwersytecie w Kioto [6]. Yamanaka w trakcie swojej dość krótkiej kariery naukowej opublikował imponującą liczbę artykułów jest autorem lub współautorem ponad 500 prac. Najważniejsza z nich Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors ukazała się w 2006 roku w Cell [4]. Za wyniki zaprezentowane w tym artykule został uhonorowany Nagrodą Nobla. Obaj naukowcy są laureatami wielu prestiżowych nagród, między innymi Nagrody Wolfa oraz Nagrody Alberta Laskera za badania podstawowe w dziedzinie medycyny. 4. Podsumowanie Odkrycia dokonane przez J. Gurdona i S. Yamanakę zrewolucjonizowały badania nad komórkami macierzystymi. Zastosowanie przeprogramowywania dorosłych komórek do postaci pluripotentnych komórek macierzystych pozwala uniknąć problemów etycznych związanych z wykorzystywaniem komórek embrionalnych. Badania laureatów Nagrody Nobla przyczyniły się do rozwoju medycyny regeneracyjnej. Ten dział medycyny opiera się między innymi na leczeniu poprzez zastępowanie chorych, nieprawidłowo funkcjonujących komórek, młodymi i zdrowymi komórkami. Najbardziej oczywistym zastosowaniem indukowanych komórek pluripotentnych jest tworzenie elementów zastępczych dla niesprawnych narządów ludzkiego organizmu[7]. Dzięki temu w niedalekiej przyszłości możliwe będzie tworzenie sztucznych narządów oraz zastępowanie nimi nieprawidłowo funkcjonujących organów. Zastosowanie pluripotentnych komórek macierzystych zapewnia eliminację przyczyn choroby, a nie tylko jej objawów. Na rysunku 3 zilustrowano możliwości wykorzystania procesu przeprogramowywania dojrzałych komórek do uzyskiwania ips różnicujących się do dowolnego typu komórek. Rys. 3. Różnicowanie indukowanych komórek pluripotentnych [7] Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 21, nr 1, 2015 62
Ponadto komórki ips mogą być wykorzystywane do oceny skuteczności i toksyczności farmakoterapii oraz modelowania i dokładnego poznania mechanizmów patologicznych prowadzących do powstania chorób. LITERATURA [1] M. Sikora, W. Olszewski: Komórki macierzyste biologia i zastosowanie terapeutyczne, Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej, vol. 58, 2004, s. 202 208. [2] J. Gurdon: Developmental Capacity of Nuclei Taken from Intestinal Epithelium Cells of Feeding Tadpoles, Journal of Embryology and Experimental Morphology, vol. 10, 1962, s. 622 640. [3] The 2012 Nobel Prize in Physiology or Medicine Advanced Information, Nobelprize.org. Nobel Media AB, 2014: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/advanced.html [dostęp uzyskano: 04.02.2015]. [4] K. Takahashi, S. Yamanaka: Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors, Cell, vol. 126, 2006, s. 663 676. [5] Sir John B. Gurdon Biographical, Nobelprize.org. Nobel Media AB, 2014: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/gurdon-bio.html [dostęp uzyskano: 04.02.2015]. [6] Shinya Yamanaka Biographical, Nobelprize.org. Nobel Media AB: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/yamanaka-bio.html [dostęp uzyskano: 04.02.2015]. [7] G. Amabile, A. Meissner: Induced pluripotent stem cells: current progress and potential for regenerative medicine, Trends in Molecular Medicine, vol. 15, 2009, s. 59 68. otrzymano / submitted: 09.02.2015 zaakceptowano / accepted: 20.03.2015 Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 21, nr 1, 2015 63