nagrodanobla w 2012 roku za odkrycia dowodzące, że dojrzałe

Listy do redakcji / Letters to Editor
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: [email protected]
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
Listy do redakcji / Letters to Editor
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
Listy do redakcji / Letters to Editor
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
Listy do redakcji / Letters to Editor
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
Listy do redakcji / Letters to Editor
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]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
M. Sikora, W. Olszewski: Komórki macierzyste – biologia i zastosowanie terapeutyczne, Postępy Higieny i Medycyny
Doświadczalnej, vol. 58, 2004, s. 202–208.
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.
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].
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.
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].
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].
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