Tożsamość komórki i przeprogramowanie

Fakty Przeprogramowanie

Nasze ciało zawiera kilkaset różnych typów wyspecjalizowanych komórek. Każda komórka posiada swoiste cechy, które umożliwiają jej wykonywanie właściwych dla jej typu zadań, mimo że wszystkie komórki w naszym ciele posiadają te same geny – tą samą biologiczną „instrukcję obsługi”. Co więc odróżnia poszczególne typy komórek od siebie? Czy możemy kontrolować lub zmieniać tożsamość komórki? Jak mogłoby to nam pomóc przy rozwoju nowych metod leczenia?

Co odróżnia komórkę skóry od komórki krwi?

Wyspecjalizowane komórki w naszym ciele, takie jak komórki krwi, skóry lub mięśni, tworzą się z komórek macierzystych. Te komórki macierzyste mogą produkować więcej kopii podobnych do siebie (samoodnowa), lub przekształcać się (różnicować) w komórki wyspecjalizowane, które tworzą określoną tkankę. Na przykład komórki macierzyste skóry mogą różnicować się i rozwijać w wyspecjalizowane komórki skóry; komórki macierzyste krwi mogę wytworzyć wyspecjalizowane komórki krwi.. 

Różnicowanie z komórek macierzystych do w pełni wyspecjalizowanych komórek zawiera wiele etapów przekształcania się. Kiedy komórka zajdzie już daleko w procesie różnicowania, musi przekształcić się w komórkę określonej tkanki i ostatecznie w wyspecjalizowaną komórkę. Tak więc komórka, której została początkowo przypisana przynależność do komórek krwi, ostatecznie może wyspecjalizować się i przekształcić w białą krwinkę (leukocyt) lub czerwoną krwinkę (erytrocyt) z bardzo różnym zestawem funkcji. Raz wyspecjalizowana komórka nie przekształca się więcej w komórkę serca, mózgu lub inną komórkę tak długo jak przebywa w swoim normalnym otoczeniu (w tym przypadku krwi). Może jedynie wykształcić cechy i zdolności komórki krwi, ale nie te charakterystyczne dla komórki serca pomimo, że każda komórka w naszym ciele posiada ten sam zestaw genów, czyli zestaw instrukcji na wszystko co komórka mogłaby potencjalnie robić. Jaka jest więc różnica pomiędzy komórką wyspecjalizowaną, a innymi komórkami?

Nie wszystkie geny w komórce są aktywne. Białka zwane czynnikami transkrypcyjnymi współdziałają z genami w celu ich włączenia lub wyłączenia lub zmniejszenia bądź zwiększenia ich aktywności w komórce. Geny włączone to geny które ulegają ekspresji, ponieważ używane są przez komórkę jako matryca do produkcji odpowiedniego białka.

Tak więc, pomimo że komórka serca posiada takie same geny jak biała krwinka, ekspresji ulegają jedynie geny związane z funkcjami komórki serca. Te procesy muszą być precyzyjnie kontrolowane w naszym ciele tak, aby komórka, która weszła na daną drogę różnicowania się, nigdy nie zmieniła kierunku. Jednakże w teorii nieaktywne geny, które mogłyby wytworzyć powiedzmy komórkę serca, mogłyby być sztucznie aktywowane w białej krwince – dając komórce krwi nową tożsamość i nowe właściwości komórki serca. Ekscytujące nowe badania nad metodą zwaną przeprogramowanie komórki bazują na tym pojęciu.

Podsumowując, komórka otrzymuje tożsamość, ponieważ geny potrzebne do specyficznych funkcji danej komórki ulegają ekspresji, a geny potrzebne dla innych typów komórek nie są aktywowane. To jest ważne nie tylko podczas rozwoju komórki, kiedy po raz pierwszy komórka uzyskuje swoją tożsamość, ale również później, aby utrzymać odpowiednie funkcje dojrzałej komórki.

Tożsamość komórki jest definiowana poprzez ekspresję lub aktywność pewnych genów w jej DNA, a w konsekwencji produkowanie odpowiednich białek. Taki wzór ekspresji podlega skomplikowanej sekwencji procesów podczas rozwoju komórki, gdzie czas i ilość produkowanych białek jest niezwykle istotna. Przeznaczenie komórki, aby stać się komórką o określonej tożsamości (wyspecjalizowaniu), nazywane jest przez naukowców losem komórki. Los komórki określany jest przez podstawowe procesy takie jak wzrost, współdziałanie z innymi komórkami, środowisko (tkanka) w którym komórka się znajduje oraz migracja. To wszystko może ulec zmianie.

Hand-drawn illustration Przykładem może być opracowanie przez Thomas’a Graf i jego zespół naukowców w Hiszpanii metod zmiany tożsamości zróżnicowanych komórek krwi. Użyli oni dojrzałych komórek krwi zwanych komórkami B i przekształcili je w inny typ komórek krwi zwany makrofagami. Komórki B są istotnymi członkami systemu odpornościowego i chronią organizm ludzki poprzez produkcję przeciwciał przeciw intruzom, takim jak bakterie czy wirusy. Należą one do rodziny komórek związanych z linią limfoidalną. Makrofagi z kolei wywodzą się innej rodziny komórkowej – linii mieloidalnej – i są wszechstronnymi komórkami obronnymi, które trawią intruzów powodujących choroby, aktywują inne komórki immunologiczne, a także pomagają w naprawie tkanek. Graf i jego zespół odkryli, że mogą użyć czynników transkrypcyjnych, które kierują losem komórki podczas normalnego rozwoju wyspecjalizowanej komórki w inny sposób: do przekształcenia w pełni rozwiniętych komórek B w makrofagi. Poprzez wstawienie czynnika transkrypcyjnego, który jest istotny dla rozwoju makrofagów, do komórek B, naukowcy zdołali nadać tym komórkom nową tożsamość. W odpowiedzi na dodanie tego czynnika transkrypcyjnego geny i białka, które normalnie są w komórkach B, zostały wyłączone, a inne geny specyficzne dla makrofagów zostały włączone, skutecznie zmieniając tożsamość komórek. Technika, której użyli, nazywana jest przeprogramowaniem jednego typu komórek w inny, lub „transdyferencjacją”.

Wyniki uzyskane przez Graf’a bazowały na odkryciach innych grup naukowych, które wyznaczyły szlaki do manipulowania tożsamością komórki. Można zaliczyć do nich wczesne badania nad klonowaniem, a także odkrycie możliwości przekształcenia fibroblastów (jednego z typów komórek skóry) w komórki mięśniowe. Badania Graf’a i innych pokazały, że komórki mogą być przekształcane pomiędzy blisko spokrewnionymi typami takimi jak różne typy komórek krwi. Obecnie dalsze badania prowadzone przez wiele grup naukowców pokazują, że nawet dalej spokrewnione komórki z różnych tkanek mogą być przekształcane nawzajem. Niektórzy naukowcy sugerują, że każda wyspecjalizowana komórka może być przekształcona w dowolną inną komórkę, jeśli odpowiednie ‘czynniki przeprogramowujące’ (odpowiednie geny lub białka) zostaną określone. Nie wiemy jeszcze czy transdyferencjacja zmienia tożsamość komórki całkowicie i bezbłędnie we wszystkich przypadkach.

Odkąd powstała dziedzina  medycyny regeneracyjnej, naukowcy poszukują możliwości produkowania wyspecjalizowanych typów komórek potrzebnych do leczenia różnych schorzeń, a także dróg do zastąpienia tych komórek lub naprawienia ich w organizmie gdy zostają zniszczone lub utracone. Poprzez poznanie mechanizmów kontrolowania i zmieniania tożsamości komórek w laboratorium zdobywamy potężne narzędzie do:

Hand-drawn illustration of drug testing

  • Badania chorób i ich wpływu na różne typy komórek
  • Testowania i rozwijania leków, które korygują te niepożądane zmiany
  • Ostatecznie produkowania komórek w laboratorium i zastępowania utraconych lub zniszczonych komórek w ciele.

Odkrycie w 2006 roku, że w pełni wyspecjalizowana komórka dorosłego człowieka może być przekształcona w komórki podobne do embrionalnych komórek macierzystych (zwanych komórkami iPS) otworzyło drogę do ekscytujących nowych możliwości produkowania w laboratorium wyspecjalizowanych komórek w ramach zapotrzebowania. To z kolei dostarcza cennych narzędzi do modelowania chorób poprzez tworzenie w laboratorium wyspecjalizowanych komórek posiadających określony defekt i użycie ich do badania choroby lub do poszukiwania nowych leków. Przeprogramowanie komórek danej linii, czyli transdyferencjacja, z jednego wyspecjalizowanego typu komórki w inny, oferuje dodatkową ścieżkę w kierunku możliwości stworzenia komórek ‘a la carte’ (na zamówienie) do badań medycznych lub przyszłych terapii. Te techniki nie zostały jeszcze użyte w celu opracowania terapii dla pacjentów, ale naukowcy rozpoczynają badania nad ich potencjałem w leczeniu.

Hand-drawn illustration of cell reprogrammingPrzykładowo w 2011 roku grupa pod przewodnictwem Malin Parmar zdołała przeprogramować  komórki skóry w neurony produkujące dopaminę. Jest to o tyle znaczące, że neurony produkujące dopaminę są tym typem neuronów, który jest tracony w chorobie Parkinson’a. Wcześniej grupa ta używała embrionalnych komórek macierzystych do wytworzenia komórek produkujących dopaminę, a technika przeprogramowania dostarczyła kolejnej możliwości produkowania tych komórek w warunkach laboratoryjnych. Zespół zaczął również badać to, czy można pominąć etap hodowania komórek i przekształcić je bez izolowania komórek z organizmu. Od tego czasu udało im się przeprogramować komórki glejowe (rodzaj komórek, które nie są typu nerwowego, ale występują w mózgu) w funkcjonalne neurony bezpośrednio w ciele żywych zwierząt (in vivo). Ta technika jest ciągle daleko od wprowadzenia do klinik, ale zespół Parmar w elegancki sposób zademonstrował, że możliwe jest przekształcenie komórek bez konieczności ich wcześniejszego izolowania i manipulowania w laboratorium.

Te prace badawcze są ciągle w początkowych stadiach i potrzeba więcej badań, aby określić czy przeprogramowanie losu komórki może dostarczyć bezpiecznej metody leczenia pacjentów. Jednak te wczesne badania otworzyły wiele nowych możliwości, aby pewnego dnia pacjenci mogli otrzymać pomoc od komórek pochodzących z ich własnego ciała.

Hand-drawn illustration of 'Reprogramming Cells for Dummies' book'

Podobnie jak z wieloma nowymi odkryciami naukowymi niezbędny jest czas, aby technologie umożliwiające przeprogramowanie wykazały swój potencjał. Pomimo niesamowitego postępu, który już nastąpił, wiele istotnych wyzwań czeka na rozwiązanie. Obecnie  dwie nowe techniki są równolegle rozwijane – technologia iPS i transdyferencjacja. Obie wymagają jeszcze dopracowania i wystandardyzowania pomiędzy różnymi laboratoriami. Wydajne, powtarzalne i pozbawione ryzyka metody muszą zostać opracowane dla każdego typu wyspecjalizowanych komórek które chcemy wytworzyć.

Wydajność i dokładność wyników musi także zostać określona na każdym etapie po transplantacji komórek do organizmu zwierząt lub pacjentów, a także kliniczne procedury muszą zostać opracowane, aby lekarze mogli stosować te nowe techniki w sposób bezpieczny i wydajny. Naukowcy są optymistami i wierzą, że wraz z lepszym zrozumieniem molekularnych podstaw przeprogramowania będą mogli rozwiązać większość obecnych przeszkód. Jak tylko iPS i transdyferencjacja zostaną rozwinięte i lepiej zrozumiane, zwiększą się także możliwości ich użycia w leczeniu. Najprawdopodobniej wyniki dalszych badań wykażą, że jedna z tych technik będzie stosowana częściej niż druga, lub obie techniki mogą znaleźć zastosowanie w leczeniu różnych typów schorzeń lub tworzenia poszczególnych typów komórek. Z czasem badania nad komórkami macierzystymi będą w stanie dostarczyć spersonalizowanych terapii, które ostatecznie rozwiążą problem braku organów czy odrzutów przeszczepów i całkiem możliwe, że zaoferują również terapie na obecnie nieuleczalne choroby degeneracyjne.

Broszura została opracowana przez Christine Weber, zrecenzowana przez Austin Smith i edytowana przez Emma Kemp i Jan Barfoot.

Tłumaczenie na język polski: Mieszko Wilk.

Recenzja w języku polskim: Karolina Punovuori.

Tytułowe zdjęcie przeprogramowanych komórek skóry dzięki uprzejmości Malin Parmar, Lund University. Ręczne ilustracje wykonane przez Vanessa de Mello, University of Aberdeen. Ilustracje z filmu Los Komórek wykonane przez Sergi Esgleas. Zdjęcia z mikroskopu fluorescencyjnego przedstawiające komórki B i makrofagi użyto za zgodą Thomas’a Graf, Centre for Genomic Regulation, Barcelona.