Pokaż treść!

Prof. dr hab. Andrzej Krzysztof Tarkowski
“Omne virum ex ovo: tak, ale..”
wykład laureata
Jego Magnificencjo, Panie Rektorze!
Ich Magnificencje!
Wysoki Senacie!
Panie Dziekanie Wydziału Wojskowo-Lekarskiego!
Mój Promotorze, Panie Profesorze Hieronimie Bartel!
Drodzy Koledzy z mojego Macierzystego Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
Szanowni Państwo!
Jestem głęboko zaszczycony decyzją Wysokiego Senatu Uniwersytetu Medycznego w Łodzi
przyznania mi tytułu doktora honoris causa tej Uczelni. Jestem biologiem, ale specjalność, jaką od
50 lat się zajmuję – embriologia – jest jednym z przedmiotów wykładanych zawsze w uczelniach
medycznych. Poznanie rozwoju embrionalnego człowieka jest trudne i dawniej musiało polegać
jedynie na opisywaniu dość przypadkowo uzyskiwanego materiału, to znaczy płodów dotkniętych różnego rodzaju wadami rozwojowymi i w wyniku tych wad poronionych, lub – znacznie
rzadziej - płodów normalnych, ale poronionych w wyniku patologicznie przebiegającej ciąży
lub sztucznego jej przerwania. Współczesne techniki badawcze są naturalnie znacznie bardziej
wyrafinowane niż klasyczna anatomia rozwojowa i histologia; np. ultrasonografia pozwala śledzić
rozwój płodu w łonie matki i wykrywać niektóre wady rozwojowe, co w pewnych przypadkach
pozwala na ich skorygowanie jeszcze przed urodzeniem. Najwcześniejsze etapy rozwoju, od
zapłodnienia do zagnieżdżenia się zarodka w tkankach macicy, zostały ostatnio dobrze poznane
dzięki rozwojowi technik wspomaganego rozrodu. Naturalnie nie jest możliwe jakiekolwiek
eksperymentowanie na zarodkach ludzkich, a tylko eksperyment pozwala na wyjście poza opis
zjawisk i procesów i wyjaśnienie ich przyczyn oraz mechanizmów leżących u ich podłoża. W
tym miejscu badania embriologiczne prowadzone na zwierzętach stają się ważnym źródłem informacji, z którego należy w sposób krytyczny korzystać, pamiętając zarówno o podobieństwie
podstawowych procesów rozwojowych człowieka i innych ssaków, jak i o istotnych różnicach
gatunkowych. Dlatego związki uniwersyteckiego biologa-embriologa z kolegami z uczelni medycznej są łatwiejsze i bardziej naturalne niż w wielu innych specjalnościach. W konkretnym
przypadku tej Uczelni te związki sięgają połowy lat sześćdziesiątych, kiedy mój dzisiejszy Promotor, Pan Profesor Hieronim Bartel, jako bardzo młody jeszcze człowiek przyjeżdżał na seminaria
do naszego Zakładu Embriologii na Uniwersytecie Warszawskim. Tyle tytułem wstępu.
W moim dzisiejszym wykładzie chciałbym Państwu powiedzieć o niektórych badaniach,
których korzenie tkwią w embriologii eksperymentalnej ssaków, ale które obecnie często wspomagane są technikami genetyki molekularnej. Te badania budzą coraz większe zainteresowanie,
ale jednocześnie i zaniepokojenie społeczeństwa, ze względu na potencjalną możliwość prowadzenia ich na zarodkach ludzkich. Ponieważ niewątpliwym bohaterem tych badań jest komórka
jajowa, dlatego dzisiejszemu wykładowi nadałem tytuł:
Omne vivum ex ovo: tak, ale…….
William Harvey, angielski lekarz i badacz w dziele „Exercitationes de generatione animalium”,
72
KRONIKARZ
ogłoszonym w 1651 roku, wypowiedział pogląd na temat powstawania organizmów tkankowych,
znany najczęściej pod postacią zwięzłej łacińskiej sentencji „ Omne vivum ex ovo”. To twierdzenie
okazało się prawdziwe, chociaż w stosunku do ssaków, a więc i do człowieka, Harvey nie był
w stanie go udowodnić, ponieważ nie widział nigdy komórki jajowej tych organizmów.
Gdy organizmy tkankowe rozmnażają się płciowo, mogą uzyskać potomstwo tylko wykorzystując do tego celu komórkę jajową, tzn. jajo. Najczęściej w procesie rozmnażania płciowego
uczestniczy również męska komórka płciowa – plemnik, ale istnieją organizmy, które w pewnych
okresach rozmnażają się bez udziału plemnika - mówimy wówczas o partenogenezie lub dzieworództwie. Powstały w ten sposób organizm wyposażony jest tylko w geny matczyne. W tych
wyjątkowych przypadkach, teza Harveya jest jak najbardziej słuszna: to komórka jajowa, a nie
plemnik, jest konieczna, aby powstał osobnik nowej generacji.
W dzisiejszym wykładzie będę mówić wyłącznie o ssakach, a dokładnie o myszy, bo na tym
gatunku uprawiam embriologię eksperymentalną od 50 lat. Będę starał się pokazać, że chociaż
teza Harveya pozostaje nadal prawdziwa, to w laboratorium nowe osobniki mogą powstać
w sposób bardzo odbiegający od normalnego biegu rzeczy. Zasadnicza treść mojego wykładu
kryje się, zatem, za małym słówkiem „ALE”.
Na wstępie chciałbym przypomnieć, że w naturze nowe osobniki ssaków nie mogą powstać
na drodze partenogenezy. Do niedawna nie można ich było również uzyskać eksperymentalnie.
A więc w zasadzie nie, ale …. Powrócę do tego ‘ale’ za chwilę. Badania zapoczątkowane na
przełomie lat 60- i 70-tych, niezależnie w Zakładzie Embriologii Uniwersytetu Warszawskiego
i w Zakładzie Zoologii Uniwersytetu Oksfordzkiego, wykazały, że zarodki myszy powstałe
w wyniku sztucznej partenogenezy, rozwijają się początkowo normalnie, ale w stadium, w którym
zaczynają się kształtować zawiązki przyszłych narządów, obumierają. Te badania, oraz pewne
inne manipulacje genetyczne przeprowadzane na komórce jajowej, wykazały niezbicie, że normalny rozwój myszy możliwy jest tylko wtedy, gdy w genomie zarodka współwystępują geny
pochodzące zarówno od matki jak i od ojca. Samo podwojenie liczby chromosomów matczynych,
bądź ojcowskich, do normalnej liczby diploidalnej, nie zapewnia normalnego rozwoju. Te i inne
obserwacje doprowadziły do wykrycia zjawiska „imprintingu” genetycznego, czyli odmiennego
napiętnowania pewnych genów podczas powstawania jaj i plemników. To napiętnowanie wyraża
się później, tzn. podczas rozwoju embrionalnego, aktywnością lub brakiem aktywności tych
genów. Przypuszcza się, że takich genów ulegających „napiętnowaniu” podczas powstawania
komórek płciowych jest kilkadziesiąt. Ale okazało się, zresztą nie po raz pierwszy, że słynne
Orwellowskie zdanie w jego książce “Folwark zwierzęcy”„wszystkie zwierzęta są równe, ale
niektóre zwierzęta są równiejsze od innych”, jest ogólnie prawdziwe, zarówno w społecznościach
ludzkich, jak i w świecie genów. Stwierdzono bowiem, że niektóre z napiętnowanych genów są
ważniejsze od innych. W ubiegłym roku, zespół badaczy japońskich pod kierunkiem Tomohiro
Kono uzyskał mysz, która rozwinęła się z komórki jajowej, do której wprowadzono genetycznie zmodyfikowany genom pochodzący z drugiego oocytu, który jeszcze nie rozpoczął wzrostu
i w którym nie doszło jeszcze do napiętnowania określonej grupy genów. Modyfikacje polegały
na unieczynnieniu jednego genu (H19) i uaktywnieniu drugiego matczynego genu (Igf2 – kodującego insulinopodobny czynnik wzrostu II), który normalnie w zarodku nie funkcjonuje, ale
który w postaci funkcjonalnej znajduje się w genomie ojcowskim wprowadzanym przez plemnik.
Chociaż eksperymentatorzy nie regulowali w żaden sposób charakteru napiętnowania innych
genów z tej grupy, zmiana aktywności tylko dwóch z nich wystarczyła, aby skonstruowany w ten
sposób zarodek rozwinął się w normalną i płodną mysz. Tak więc, jeśli dokona się odpowiednich
modyfikacji w jednym z dwóch żeńskich genomów haploidalnych, to partenogeneza u ssaków
staje się możliwa. Panowie, płeć męska staje się coraz mniej potrzebna.
Kilka słów chciałbym teraz poświęcić faktowi, że w zapłodnionej komórce jajowej, czyli
w zygocie, tkwią ogromne możliwości rozwojowe, znacznie przekraczające jej zdolność rozwiKRONIKARZ
73
nięcia się w jednego osobnika, co jest najczęściej realizowane. O tych zwykle nie wykorzystywanych możliwościach świadczy, dobrze wszystkim znane, zjawisko bliźniąt jednojajowych u
człowieka. Częstość występowania jednojajowych trojaczków, czworaczków, a nawet pięcioraczków, jest nieporównanie rzadsza, ale świadczy o tym, że natura potrafi dokonywać niebywałych
eksperymentów, których my, embriologowie pracujący na zwierzętach, nie potrafimy jeszcze
powtórzyć. W pracy, którą przesłaliśmy kilka tygodni temu do druku, udało się nam uzyskać
mysie trojaczki, które uzyskaliśmy zresztą w inny sposób niż to się dzieje w naturze: zarodek
zbudowany z 8 komórek, rozdzieliliśmy na pojedyncze komórki i każdą z nich obudowaliśmy
komórkami pochodzącymi z zarodka tetraploidalnego, a więc mającego dwukrotnie większą
liczbę chromosomów niż normalny zarodek. Same zarodki tetraploidalne giną w czasie ciąży,
ale jeśli zespoli się je z zarodkiem diploidalnym (lub choćby z jedna komórką embrionalną, jak
w naszym doświadczeniu) to komórki tetraploidalne tworzą błony płodowe (i świetnie w nich
funkcjonują), a sam płód powstaje z komórki diploidalnej. Zastosowana metoda opiera się na
naszych dawnych badaniach z lat 70-dziesiątych, które dotyczyły eksperymentalnego otrzymywania zarodków tetraploidalnych i zarodków mozaikowych diploidalno<->tetraploidalnych.
Wykazaliśmy wówczas, że w takich zarodkach mozaikowych, komórki tetraploidalne są stopniowo eliminowane z ciała zarodka, ale pozostają w błonach płodowych. Tezę Harveya można
zatem rozszerzyć: nowy osobnik może powstać nawet tylko z części jaja. Czy ta część może
być mniejsza niż 1/8, tego jeszcze nie wiemy.
Niezależnie od sposobu ich powstania, bliźnięta jednojajowe (i naturalnie także trojaczki,
czworaczki, czy pięcioraczki) stanowią klon, czyli grupę osobników identycznych pod względem genetycznym, ponieważ wyposażone są w identyczny genom jądrowy, a co więcej, również
w identyczny genom mitochondrialny. Z ludzkimi klonami człowiek styka się zatem od początku
swego istnienia, i budzą one ogólną sympatię i przyjazne zainteresowanie. Ta sympatia nie obejmuje jednak eksperymentalnego uzyskiwania ludzkich klonów, czyli genetycznego powielania
dorosłych osób. O przeprowadzaniu tego typu eksperymentów na zwierzętach, opinia publiczna
dowiedziała się właściwie dopiero po urodzeniu się owcy Dolly. Takie doświadczenia rozpoczęto
naturalnie znacznie wcześniej, np. w naszym Zakładzie już w latach siedemdziesiątych, a obecnie
prowadzi się je w wielu laboratoriach na świecie na kilku gatunkach ssaków laboratoryjnych
i gospodarskich. Zaangażowani w te prace embriologowie i genetycy dobrze znają zarówno trudności związane z zabiegiem klonowania, jak i konsekwencje takiego niezwykłego pochodzenia,
jakie obserwuje się u wielu sklonowanych osobników. Dlatego należą oni do osób najbardziej
zdecydowanie wypowiadających się przeciwko podejmowaniu prób reprodukcyjnego klonowania człowieka. Istota tej procedury polega na usunięciu z niezapłodnionej komórki jajowej
jej jądra komórkowego i wprowadzenie do niej diploidalnego jądra pochodzącego z komórki
embrionalnej lub komórki pobranej z jakiejś tkanki dorosłego osobnika. Tak zoperowana komórka jajowa musi być sztucznie pobudzona do rozwoju, ponieważ w procedurze klonowania
plemnik nie występuje. Osobnik powstały w wyniku takiego zabiegu rozwija się z jaja, ale nie
jest to w pełni takie jajo, z którego normalnie rozwija się w wyniku zapłodnienia nowy osobnik.
Komórka jajowa oczekująca na wniknięcie plemnika jest bryłką cytoplazmy otoczonej błoną
komórkową i zawierającą haploidalną grupę chromosomów powstałą w wyniku skomplikowanego procesu mejozy. Mówiłem już wcześniej, że pewna liczba genów znajdujących się w tych
chromosomach uzyskała szczególne piętno, od którego będzie zależeć, czy ulegną one, czy też nie
ulegną ekspresji w zarodku powstałym po zapłodnieniu. W zabiegu klonowania te chromosomy
zostają usunięte i wykorzystana zostaje wyłącznie cytoplazmatyczna część komórki jajowej. Nie
jest więc to już w pełnym tego słowa znaczenia jajo, ovum, które miał na myśli Harvey. Ale jest
to w pewnym sensie ważniejsza część komórki jajowej. Jej jądro może zostać zastąpione przez
inne jądro komórkowe, ale cytoplazma żadnej innej komórki nie może zastąpić cytoplazmy
jaja. Jajo jest komórką zupełnie wyjątkową, ponieważ dzięki swojej organizacji strukturalnej
74
KRONIKARZ
oraz obecności i określonemu rozmieszczeniu w cytoplazmie różnych składników, umożliwia
rozpoczęcie rozwoju embrionalnego, to znaczy uporządkowanego w czasie i przestrzeni ciągu
przekształceń prowadzących ostatecznie do powstania osobnika nowej generacji. Jajo jest najważniejszą komórką organizmów tkankowych, mówiąc nieco poetycznie jest „królową-matką”
wszystkich komórek.
W przypadku klonowania osobnik powstaje z obcego jądra i cytoplazmatycznej części komórki
jajowej, a więc słuszność tezy Harveya przynajmniej częściowo zostaje zachowana. Ale teraz
przechodzę do omówienia jeszcze bardziej niezwykłej sytuacji: nowy osobnik może powstać
z zarodkowych komórek macierzystych. Czym są te komórki? Aby odpowiedzieć na to pytanie
konieczna jest znajomość kilku faktów dotyczących wczesnego rozwoju embrionalnego ssaków.
Zapłodniona komórka jajowa, tzw. zygota, dzieli się na potomne komórki: 2, 4, 8, 16 itd. W pewnym momencie, w takiej bryłce złożonej z kilkudziesięciu komórek pojawia się jamka i zarodek
przyjmuje postać pęcherzyka, który składa się z jednowarstwowej ścianki i podwieszonej na
jednym biegunie i skierowanej do światła jamki grupy komórek. Taki zarodek nazywamy blastocystą: jego ścianki utworzą w przyszłości kosmówkę i łożysko, natomiast właściwy zarodek
– przyszły płód i osobnik - powstanie z części komórek podwieszonych na jednym biegunie
blastocysty, czyli z tzw. węzła zarodkowego. W tym stadium zarodek zagnieżdża się w macicy.
Jeśli umieścimy go jednak w hodowli tkankowej, w warunkach uniemożliwiających, a w każdym
razie utrudniających różnicowanie komórkowe, to komórki węzła zarodkowego kontynuują
podziały komórkowe i tworzą populację niezróżnicowanych komórek, które nie wykształcają
normalnych struktur embrionalnych – to są właśnie zarodkowe komórki macierzyste. Komórki
te można wielokrotnie pasażować w hodowli tkankowej, można je zamrażać w temperaturze ciekłego azotu, i po dowolnym czasie odmrozić i dalej namnażać. Mają one zdolność różnicowania
się we wszystkie typy komórek występujące w ciele dorosłego osobnika. Budzą one tak wielkie
zainteresowanie, ponieważ teoretycznie mogłyby zostać wykorzystane w medycynie regeneracyjnej do naprawy wszelkich tkanek, które z takich lub innych powodów uległy zanikowi lub nie
funkcjonują prawidłowo. Jest tylko jeden szkopuł, a może nawet dwa. Aby nie ulec zniszczeniu
przez układ odpornościowy biorcy, komórki te powinny być genetycznie podobne do komórek
biorcy, przynajmniej pod względem genów zgodności tkankowej. Być może w przyszłości będzie
możliwe odpowiednie transformowanie genetyczne takich komórek pod kątem określonego biorcy. Chwilowo jednak najprostszym rozwiązaniem, ale wcale niełatwym, wydaje się uzyskanie
zarodka metodą klonowania z użyciem jądra komórkowego pochodzącego od potencjalnego
biorcy i w sposób, który omówiłem przed chwilą, wyhodowanie z niego zarodkowych komórek
macierzystych. Trzeba jeszcze opanować metody sterowania różnicowaniem komórkowym in
vitro tak, aby do biorcy zostały przeszczepione wyłącznie zróżnicowane komórki określonego
typu i aby nie znalazły się wśród nich niezróżnicowane komórki macierzyste, które mogłyby
w organizmie biorcy ulec niekontrolowanemu różnicowaniu w inne tkanki.
Drugi poważny szkopuł, który dotyczy naturalnie tylko zarodkowych komórek macierzystych
człowieka, a nie myszy i innych zwierząt, to konieczność skonstruowania zarodka „na zamówienie”, z pełną świadomością, że zostanie on użyty do otrzymania komórek macierzystych i to
w sposób, który uniemożliwi mu dalszy rozwój embrionalny, zakończony powstaniem nowej
istoty ludzkiej. Jest to szkopuł natury filozoficznej i etycznej, który sygnalizuję, ale któremu
w tym wykładzie nie zamierzam poświęcać uwagi, ograniczając się do wątku biologicznego.
To wszystko, co przed chwilą powiedziałem, było jedynie dygresją, która była konieczna do
wyjaśnienia pochodzenia i właściwości zarodkowych komórek macierzystych. W tym wykładzie
interesuje nas inne pytanie: czy z zarodkowych komórek macierzystych można uzyskać nowego
osobnika – dla pełnej jasności mysz, a nie człowieka. Odpowiedź na to pytanie jest twierdząca:
tak można. Kilkanaście albo kilka komórek (a znany jest przypadek, że nawet tylko jedną komórkę), trzeba wszczepić do jamki pęcherzykowatego zarodka, czyli blastocysty, ale zarodek ten
KRONIKARZ
75
musi być tetraploidalny. Mówiłem już wcześniej o podobnym doświadczeniu. W tak skonstruowanym zarodku chimerowym diploidalno<->tetraploidalnym komórki tetraploidalne utworzą
błony płodowe, a płód powstanie z diploidalnych zarodkowych komórek macierzystych. Czy
w tym przypadku teza Harveya przestaje już być prawdziwa? I tak i nie. Nowy osobnik powstał,
co prawda z zarodkowych komórek macierzystych, ale jego powstanie nie byłoby możliwe bez
komórek jajowych, a co więcej, nie jednej, ale aż dwóch. Z pierwszej powstaje drogą klonowania zarodek, z którego następnie otrzymuje się zarodkowe komórki macierzyste. Z drugiej
rozwija się po zapłodnieniu zarodek, który zostanie poddany zabiegowi tetraploidyzacji i do
którego zostaną następnie wszczepione zarodkowe komórki macierzyste. Nie, nie ma ucieczki
od komórki jajowej i nie można jej zastąpić żadną inną komórką. Jest to naprawdę wyjątkowa
komórka, która podobnie jak osobniki, a szczególnie osoby, w których te komórki powstają,
zasługuje na poświęcanie jej szczególnej uwagi. Panowie, chapeaux bas!
Prof. Andrzej Krzysztof Tarkowski
76
KRONIKARZ