Kim byli alchemicy?

Próby alchemików kończyły się niekiedy dość tragicznie. Starał się to uzmysłowić Pieter Brueghel Młodszy. Jak widać na poniższym obrazie, mąż rzekomo stara się przemienić (transmutować) jakiś metal w złoto. Oszust – udający nauczyciela – przekonuje rodzinę, że to się da zrobić. Żona nie ma już dla męża monet, które ten mógłby umieścić w naczyniu laboratoryjnym. W prawym górnym rogu obrazu widać projekcję tego, co czeka dzieci małżonków – przytułek. W dzisiejszych czasach przemiana (transmutacja) ołowiu w złoto jest wykonalna, ale zwyczajnie nieopłacalna. Ówczesnymi metodami nie było to możliwe.

Pieter Brueghel Młodszy „Alchemik”, ok. 1600 r. / DOMENA PUBLICZNA

Rycina 1

Współcześnie biotechnolodzy twierdzą, że z komórek skóry, np. keratynocytów, da się otrzymać komórki układu nerwowego np. neurony, a z komórek kości (osteoblastów) – komórki serca (kardiomiocyty) itp. Czy w związku z tym są oni alchemikami biologii? Czy mamią swoich inwestorów? Niektórzy takie zarzuty stawiali biotechnologom całkiem niedawno. Jakie bariery biotechnolodzy muszą pokonać, aby tego dokonać? Czy są to bariery równie trudne do pokonania, jak w czasie prób przemieniania (transmutacji) ołowiu w złoto?

Jakie bariery zabezpieczają przed przeobrażaniem się komórek jednego organu w komórki innego organu?

Wszystkie komórki w organizmie jednego człowieka mają ten sam genom (poza nielicznymi wyjątkami i abstrahuje się tutaj od komórek nowotworowych). Wydaje się więc, że nie powinno być wielkich problemów z przemianą komórki wątroby w komórkę skóry czy skóry w neuron (rozważając proces na tym poziomie sekwencji DNA). Wszystkie komórki mają pełen zestaw genów, pozwalających upostaciować się w dowolną komórkę organizmu. Jednak sekwencje DNA (genetyka) to nie wszystko. Wiele mechanizmów zapobiega takiej przemianie, przeobrażaniu się komórki w komórkę. Jeśli byłoby to możliwe, w naszych organizmach zapanowałby wielki chaos. Nagle w sercu pojawiłyby się komórki wątroby, a w mózgu – skóry. Pomimo więc, że w każdej komórce tego samego osobnika mamy ten sam genom (tę samą sekwencję DNA), komórki różnią się od siebie i istnieje bardzo wiele mechanizmów zapobiegających ich przemianie – przejściu fenotypowemu jednej komórki w drugą. Od czego zależy odmienny fenotyp komórek – ich odmienna budowa i funkcja, skoro wszystkie mają ten sam genom u jednego osobnika. W różnych komórkach ulegają ekspresji różne geny. W neuronie potrzebne do przewodnictwa, a w kardiomiocycie do kurczenia się. Dlaczego tak się dzieje? Decydują o tym najogólniej zjawiska epigenetyczne. Jedne fragmenty DNA w różnych komórkach (fibroblastach, neuronach, limfocytach itd.) są odkryte – dostępne dla maszynerii transkrypcyjnej (euchromatyna), a inne zakryte – niedostępne (heterochromatyna). Każda komórka ma swój wzorzec fragmentów DNA dostępnych i zakrytych dla maszynerii transkrypcyjnej. Ta dostępność lub jej brak zależy np. od metylacji DNA. Metylacja DNA jest modyfikacją bardzo trwałą. Nawet chromosomy (ich fragmenty) są inaczej położone w komórkach różnego typu. Te które są ukryte głębiej w jądrze nie są tak aktywne transkrypcyjnie (ich geny nie dochodzą do głosu), jak z tych chromosomów które są bliżej błony jądrowej. Z chromosomów bliżej błony jądrowej (czy ich fragmentów bliżej błony) łatwiej powstaje mRNA. Metylacja DNA czy położenie chromosomów w jądrze to więc przykłady różnic epigenetycznych, które zapobiegają spontanicznej czy przypadkowej przemianie jednej komórki w inną (np kardiomiocyta w komórkę wątroby). Właśnie zmiany w metylacji DNA, czy upakowania chromatyny, albo nawet położenia chromosomów w interfazowych jądrach komórkowych (jądra pomiędzy podziałami, mitozami) to zjawiska/procesy epigenetyczne. Różne rodzaje komórek mają charakterystyczne to wszystko, jak i inne wzorce epigenetyczne. DNA tych komórek ma taką samą sekwencję DNA, ale zachodzi w nich, w konsekwencji różnic epigenetycznych ekspresja innych genów. W komórkach kobiet jeden z chromosomów X jest tak ściśle upakowany, że transkrypcja w oparciu o jego DNA w ogóle nie jest możliwa. Proces który do tego prowadzi nazywa się lionizacją, a ten chromosom, który jest zlionizowany (zlyonizowany, zjawisko odkryła Mary F. Lyon) ciałkiem Barra. Czy wobec tego, próby zmieniania przez biotechnologów jednych komórek w inne, to zadanie tak samo beznadziejne, jak kiedyś zadanie alchemików? Okazuje się jednak, że nie. Chociaż można to zrobić raczej przez etap pośredni, wymagający otrzymania wszechstronnych komórek macierzystych, a nie bezpośrednio. Jak to jest możliwe i jak to się stało że biotechnolodzy przekonali świat, że nie są alchemikami, chociaż jeszcze dwadzieścia lat temu niektórzy coś takiego im zarzucali?

Obserwacje sugerujące, że można wymusić przeobrażenie komórki jednego typu w inną komórkę

Pierwsze zjawisko sugerujące, że jest to możliwe, zaobserwowano u płazów, takich jak salamandry czy aksolotle. U tych zwierząt możliwa jest bardzo sprawna regeneracja. Dochodzi do niej dzięki temu, że komórki dojrzałe – głównie fibroblasty – zachowują się tak, jakby „cofały się w rozwoju” do stanu komórki zarodkowej, czyli takiej, z której mogą powstać dowolne komórki organizmu. To dzięki temu, salamandrze odrośnie utracona kończyna. Zdolności regeneracyjne aksolotli są zadziwiające. Potrafią odtworzyć część mózgu. Jedno ze zjawisk, od którego to zależy, nie polega na bezpośrednim przejściu jednej komórki w drugą, ale na przejściu poprzez stan pośredni komórki macierzystej, czyli takiej, z której można otrzymywać różne komórki dojrzałe (poniżej opisano rodzaje komórek macierzystych). Procesowi temu towarzyszy proliferacja namnażania się komórek podobnych do zarodkowych (pluripotentnych komórek macierzystych). Dzięki temu w procesie odbudowy nie chodzi o przekładania cegieł (komórek) z jednej części organizmu salamandry w drugi i zmienianie jednego rodzaju w inny rodzaj cegieł, ale komórki z których powstają te cegły szybko się namnażają a potem dopiero do potrzebnych cegieł różnicują. Ludzie, czy ogólniej ssaki, nie mają niestety takich możliwości regeneracyjnych. Dlaczego ich nie mamy to temat na inny artykuł. Jednak kolejny sygnał, że bariery zabezpieczające przed przechodzeniem jednych komórek w inne nie są całkowicie szczelne, otrzymano w czasie badań ssaków. Wskazówka ta pojawiła się, kiedy próbowano klonować zwierzęta. Zauważono, że nawet u ssaków klonowanie jest możliwe. W czasie klonowania w komórce jajowej umieszcza się jądro komórkowe z komórki dojrzałej organizmu klonowanego. Mimo to (chociaż rzadko) proces klonowania udaje się nawet u ssaków (np. owca Dolly). Pojawia się tu jednak pytanie. Jak to jest możliwe, wobec tego, co opisano tu wcześniej? Przecież w trakcie klonowania w oocycie umieszcza się DNA z komórki dojrzałej – czyli takie, które jest zmienione chociażby metylacyjnie. Chromatyna jest upakowana, a chromosomy w jądrze interfazowym mają położenie charakterystyczne dla komórki dojrzałej, a nie zarodkowej. Generalnie to, co jest typowe dla komórek macierzystych zarodka, to generalne rozluźnienie chromatyny. DNA pobrane do klonowania to DNA jądrowe, konkretnej dojrzałej komórki, nie jest to DNA komórki zarodkowej w sensie jego statusu epigenetycznego. Co takiego znajduje się w oocycie, że taki proces klonowania i „odmłodzenia DNA” jest możliwy? 

Jak dokonano przeobrażenia komórek skóry czy osadu moczu w dowolne komórki człowieka?

Na powyższe pytanie – po eksperymentach prowadzonych metodą prób i błędów – próbowali odpowiedzieć Japończycy. Jeden z nich otrzymał nawet za te i późniejsze badania nagrodę Nobla. Japończycy doszli do wniosku, że oocyt nie może mieć jakiegoś magicznego sposobu „odmładzania DNA” komórki dojrzałej, tylko musi dysponować jakąś maszynerią, która to umożliwia. Wykorzystywali więc zestawy białek, działających w oocytach. Nie były to dowolne białka, ale tzw. czynniki transkrypcyjne. Stężenie tych białek podnosili w komórkach dojrzałych. Zmienili więc całkowicie podejście. To nie jądro (DNA) komórki dojrzałej umieszczali w oocycie, ale zwiększali stężenie wybranych białek, które działają w oocycie w komórkach dojrzałych. Zwiększania stężenia wybranych białek dokonali metodami inżynierii genetycznej. Po przetestowaniu dziesiątek zestawów białek, wyselekcjonowano zestaw czterech czynników transkrypcyjnych. Zestaw ten umożliwiał coś, co można porównać z „odmłodzeniem DNA” – zmienieniem np. jego statusu metylacyjnego z takiego obserwowanego w fibroblaście na taki, który występuje w komórce zarodkowej (pluripotentnej). Później okazało się, że ten zestaw czynników transkrypcyjnych inicjował tak poważne zmiany epigenetyczne, że po dłuższym czasie (miesiące) w komórkach żeńskich nawet ciałko Barra (zlionizowany chromosom X) ulegało reaktywacji transkrypcyjnej. „Udało się więc nawet odsupłać chromosom X zmieniony w ciałko Barra, chociaż ten był prawie tak zasupłany jak węzeł gordyjski”. Komórka dojrzała przyjmuje więc fenotyp/zdolności komórki zarodkowej. Proce lionizacji losowo wybranego chromosomu X kończy się na tym etapie zarodkowym, kiedy u człowieka występują około 64 komórki. W tym momencie istniejące komórki mogą zmienić się (zostać zróżnicowane) do właściwie dowolnej z ponad 200 typów komórek człowieka, ale nie mogą już być zalążkiem (różnicować się do) całego organizmu. Nie można więc powiedzieć, że komórka taka jak komórka wątroby, przeszła bezpośrednio w komórkę układu nerwowego w wyniku tego typu działań. Dzieje się to poprzez wykorzystanie etapu pośredniego, w którym pojawiła się wszechstronna komórka macierzysta. Opisany tu w uproszczeniu proces przeprowadzenia komórki dojrzałej w komórkę zarodkową (konkretnie indukowaną pluripotentną komórkę macierzystą) nazwano reprogramowaniem. W praktyce nie jest to literalnie cofanie się krok po kroku komórki do stanu zarodkowego, ale pewnego rodzaju reset epigenetyczny (zmiana statusu metylacyjnego DNA, upakowania chromatyny, położenia chromosomów w jądrze interfazowym itp). W procesie tym mogą być wykorzystane nawet komórki znajdujące się w osadzie moczu. Otwiera to oczywiście różne możliwości terapeutyczne. Dzięki temu, otrzymać można komórki autologiczne (od samego dawcy), przydatne w transplantologii. Komórki takie nie będą odrzucane, tak jak allogeniczne (od innego dawcy).

Rycina 2. Kolonia komórek iPSc otrzymana z komórek osadu moczu. Widoczna w mikroskopie fluorescencyjnym i po barwieniu immunocytochemicznym (ICC). Po zastosowaniu ICC widoczne są sygnały wynikające z obecności białek (OCT4, SOX-2) przeprowadzających (reprogramujących) komórki dojrzałe w komórki macierzyste (iPSc) i będących markerami komórek macierzystych. Z kolekcji zdjęć zespołu, w którym pracuje autor publikacji.

Więcej przykładowych wyników i wyjaśnień, chociażby w publikacji, której autor tego tekstu jest współautorem. W publikacji pokazano jak otrzymać pluripotentne komórki macierzyste z komórek skóry i osadu moczu. Generation of human iPSCs from cells of fibroblastic and epithelial origin by means of the oriP/EBNA-1 episomal reprogramming system | Stem Cell Research & Therapy | Full Text (biomedcentral.com). Próbuje się także prowadzić innego rodzaju przekształcenia różnych komórek w zupełnie inne. Odkryto inne sposoby reprogramowania komórek dojrzałych do indukowanych komórek pluripotentnych. Opisany tu proces reprogramowania komórek dojrzałych do indukowanych pluripotentnych komórek macierzystych jest jednak najlepiej poznany i dość skuteczny.

Podsumowanie

Porównanie przemienienia ołowiu w złoto do przemiany np. komórki nerwowej w komórkę wątroby jest bardzo luźne. Po pierwsze występuje w biologii bardzo specyficzny etap pośredni – komórka, z której można otrzymać dowolne komórki organizmu. Jest jeszcze jedna ważna różnica między biotechnologiczną a fizykochemiczną przemianą. Wydajność procesu przeprowadzania komórki dojrzałej w komórkę podobną do zarodkowej jest bardzo niska. Jest to mniej, niż promil komórek poddawanych wpływowi czynników transkrypcyjnych (komórek pobranych ze skóry czy z osadu moczu).Tylko że biotechnologowi to nie przeszkadza. Bo nawet jedna otrzymana komórka macierzysta (iPSc) namnaża się in vitro i tworzy łatwe do wyodrębnienia kolonie (rycina 2), a atom złota otrzymany za wielką cenę z atomu ołowiu namnażał się nie będzie. Czy biotechnolodzy są więc jak alchemicy z obrazu Pietera Brueghela Młodszego? Nie, biotechnolodzy nie kłamią, że z komórek dojrzałych (w tym z komórek osadu moczu) da się otrzymać komórki macierzyste, z których można właściwie później uzyskać dowolne komórki organizmu. Jakkolwiek otrzymywanie neuronów czy kardiomiocytów z komórek osadu moczu czy skóry, nawet z uwzględnieniem etapu pośredniego (komórek macierzystych iPSc), może zakrawać na coś nieprawdopodobnego, to robi się to już właściwie rutynowo. Proces ten powoli zaczyna znajdować zastosowanie w medycynie. Coraz trudniej jest w otaczającym nas świecie odróżnić obietnice bez pokrycia od tych, które zostaną zrealizowane.

Rodzaje komórek macierzystych u człowieka:

Totipotentne komórki macierzyste. Są to komórki, z których można otrzymać cały organizm. W przypadku człowieka są to komórki od zygoty do moruli. Zygota to jedna komórka. Morula to 16 komórek (blastomerów).

Pluripotentne komórki macierzyste. Są to komórki, które można zróżnicować do dowolnych komórek organizmu, ale nie można już otrzymać całego organizmu.

Multipotentne komórki macierzyste. Są to komórki, z których można otrzymać pewną grupę komórek dojrzałych. Przykładowo z hematopoetycznej komórki macierzystej można otrzymać komórki krwi. Z neuralnej komórki macierzystej można otrzymać głównie neurony, astrocyty i oligodendrocyty.