2012-ben az orvosi Nobel-díjat Sir John Bertrand
Gurdon angol biológus és Jamanaka Sinja (Shinya Yamanaka) japán
orvos kapta, azon kutatásaiknak elismeréseként, amelyek az érett
sejtek pluripotens sejtekké való visszaprogramozására irányultak. A
két kutató ugyan teljesen más irányból közelítve, de azt
bizonyította, hogy az érett testi sejtek visszaalakíthatóak olyan
őssejtekké, amelyekből a test valamennyi szövete kialakítható.
Eredményeik forradalmasították a sejtek és szervezetek fejlődéséről
szóló ismereteket.
A történet az 1960-as évek elején kezdődött, amikor
az Oxfordi Egyetem ma nyolcvanéves kutatója, John B. Gurdon béka
petesejtek sejtmagjait a béka érett testi sejtjeinek magjával
helyettesítette (Gurdon, 1962; Gurdon et al., 1958). Magát a
magátültetés technikáját, szintén békasejtek felhasználásával Robert
Briggs és Thomas J. King fejlesztette ki 1952-ben, ám nekik nem
sikerült életképes embriókat előállítaniuk, igaz, nem petesejteket
használtak (Briggs et al., 1952). A tudomány akkori állása alapján
tehát nem volt várható, hogy ezekből a „hibrid” sejtekből élőlények
fejlődjenek, már a szövetkezdemények megjelenése is kérdéses volt. A
módosított petesejtekből azonban először normális, kopoltyús
ebihalak nőttek ki, amelyek azután a hagyományos módon átalakultak
kifejlett, tüdővel lélegző békává, és több évig éltek anélkül, hogy
bármilyen rendellenességet mutattak volna. Tehát nemcsak az
igazolódott, hogy az érett, testi sejt DNS-e minden olyan
információval rendelkezik, amelyre a béka valamennyi sejtjének
szüksége van, hanem a teljes fejlődési program is újra lejátszható
ennek az információnak az alapján. Így Gurdon elsőként mutatta ki,
hogy a szöveti sejtek specializálódása visszafordítható, és
kidolgozta az állatok klónozásának alapjait (ezt a kifejezést előtte
csak növények szaporításával kapcsolatban használták). A kísérletek
természetesen heves vitákat váltottak ki, és csak 1975-ben sikerült
igazolni, hogy bizonyítottan terminálisan differenciálódott sejtek
magjával is elvégezhető a magátültetés, és az így létrehozott
őssejtekből is életképes utódok jönnek létre (Wabl et al., 1975).
Több mint harminc év telt el Gurdon korszakalkotó
kísérlete után, mire az első emlőssejteken végzett hasonló
kísérletek sikerrel jártak. Elsőként Ian Wilmutnak és munkatársainak
sikerült 1996-ban klónozott emlősállatot létrehozniuk úgy, hogy egy
felnőtt birka bőrsejtjének magját egy magjától megfosztott birka
petesejtbe ültették át. Az életképes utód, a világhírű Dolly bárány,
genetikailag azonos volt a bőrsejtet biztosító „donor” állattal.
Habár a módszer nem nélkülözi a technikai
kihívásokat, a következő évtizedben több állatfaj esetében sikerült
életképes egyedeket létrehozni. Jelenleg huszonkét állatfaj,
túlnyomórészt emlős fajok esetében számoltak be sikeres klónozásról.
A klónozás célja a fejlődésbiológiai kutatásokon kívül a
veszélyeztetett állatfajok megóvása (pl. vadmacska, farkas), illetve
állatnemesítés (pl. szarvasmarha, ló, kutya) is lehet. Ugyanakkor
persze az emberek félelme is megerősödött a tulajdonképpen
lehetséges, de szerencsére mindenhol a világon tiltott emberi
klónozás esetleges következményeivel kapcsolatban.
Jamanaka Sinja, a másik Nobel-díjas, csak
nemrégiben, 2006-ban tette közzé azt a felfedezését, hogy az egér
érett, szöveti sejtjeit petesejtek jelenléte és felhasználása
nélkül, genetikai módszerekkel vissza lehet programozni mindentudó,
pluripotens őssejtekké. Kutatásait az embrionális őssejtekkel
kapcsolatos kutatások készítették elő (amelyekért 2007-ben Mario R.
Capecchi, Sir Martin J. Evans és Oliver Smithies már Nobel-díjat
kapott). Az első embrionális őssejtvonalat hólyagcsíra állapotú
egérembrióból hozták létre, több mint negyedszázada. Azóta kiderült,
hogy az emlősök, így az ember korai embrióiból is kinyerhetők
pluripotens őssejtek, amelyek tenyészthetők, és belőlük a szervezet
minden sejttípusa (kivéve a magzatburok sejtjeit) létrehozhatók. Az
első humán embrionális (HuES) őssejtvonalat 1998-ban hozták létre.
Az embrionális őssejtek óriási lehetőségeket kínálnak a biológiai és
az orvosi kutatásokban, de alkalmazásukkal kapcsolatban mind
technikailag, mind etikailag komoly gondok is jelentkeztek.
Jamanaka először egérsejteken (Takahashi et al.,
2006), majd egy éven belül emberi sejteken is sikerrel alkalmazott
(Takahashi et al., 2007) módszerének lényege, hogy néhány speciális
gén bejuttatásával az érett bőrsejtekből indukált pluripotens
őssejtek (iPSC) hozhatók létre. Kiindulásként huszonnégy olyan
transzkripciós faktor génjét alkalmazta, amelyekről az embrionális
őssejtkutatások alapján kiderült, hogy pluripotens őssejt állapotban
legjellemzőbben kifejeződő gének. Feltételezhető volt, hogy ezek a
transzkripciós faktorok meghatározó szerepet játszanak az
őssejtállapot fenntartásában. A bevitt gének számának fokozatos
csökkentésével Jamanaka kísérleteiben igazolta, hogy elég négy
transzkripciós faktor génjét kifejeztetni – ezek az ún.
Jamanaka-faktorok: Oct4, Sox2, Myc és Klf4 – és az így létrehozott
őssejtek, az embrionális őssejtekhez hasonlóan, képesek a test
valamennyi sejttípusává fejlődni, azaz pluripotens állapotba
kerülnek.
Az eljárás olyan hatékonynak bizonyult, hogy ma már
a módszerváltozatok egész tárháza áll rendelkezésre iPS-sejtek
létrehozására attól függően, hogy a hatékonyság, a biztonság vagy
tudományos ismeretek bővítése a cél (Lowry et al., 2008;
Mostoslavsky, 2012).
Az alkalmazott gének száma és minősége
változtatható – humán sejtek esetében például gyakran beviszik még a
Lin28 gént is, ha a hatékonyságot kívánják növelni. Nagyon érdekes
tudományos kérdés, hogy hány gén termékére van szükség, hogy a
visszaprogramozás megtörténjen (jelenleg úgy tűnik, hogy az Oct4
elengedhetetlen).
A génbeviteli módszerek megválasztása is a céltól
függ: viszonylag gyors és hatékony a retrovírusos génbevitel,
ugyanakkor transzpozon felhasználásával el is lehet távolítani a
bevitt géneket a sikeres átprogramozás után. Ezen utóbbi kísérletek
rámutattak, hogy a gének időleges, tranziens jelenléte is elég a
visszaprogramozás megvalósulásához, és egyre több publikáció
születik nem integrálódó vektorokkal vagy a gének fehérjetermékeivel
történő iPS-sejt-készítésről is.
A visszaprogramozni kívánt szomatikus sejtek is
nagyon sokfélék lehetnek, a klasszikusan használt bőrsejtektől a
köldökzsinórvér mononukleáris sejtjein át a vizeletben található
epitél jellegű sejtekig. Elsődleges megfontolás, hogy a mintavétel
ne legyen invazív. Ugyanakkor a kísérletekből jól leszűrhető
eredmény, hogy az éretlenebb szomatikus sejtek jobban
visszaalakíthatók pluripotenssé. Nagyon fontos terület a
|
|
betegségmodellezés betegekből nyert mintákból, de a
tumorok kialakulásának megértésére irányuló
daganatsejt-átprogramozás is.
Az iPS-sejtek esetében nem merülnek fel az
embrionális őssejtekkel kapcsolatos etikai problémák, ugyanakkor az
ilyen őssejtek az emberi fejlődés embrionális szakaszának
modellezésére, illetve a sejtterápiás kutatások számára is
sejtforrásként szolgálnak. Az orvosi kutatások és a gyógyítás már
részben megvalósuló nagy ígérete, hogy beteg emberektől nyert
(ős)sejtek segítségével a betegséget hordozó szövetek hozhatók
létre, amelyeken célzott gyógyszerek próbálhatók ki. Reményeink
szerint a betegségekben jelentkező súlyos szövetkárosodások a saját
sejtekből létrehozott őssejtekkel, az immunrendszer védekezése
nélkül válnak helyreállíthatóvá.
*
Hogyan is foglalhatnánk össze röviden a 2012-ben Nobel-díjat érdemlő
kutatásokat? Alig hihető lényegük az, hogy amennyiben egy már érett,
differenciálódott állati vagy emberi testi sejt
„visszaprogramozható” mindentudó, szaknyelven „pluripotens”
őssejtté, akkor gyakorlatilag megvalósul az egyedi élőlények
„halhatatlansága”. Egy már érett szervezetből szöveti sejtek
nyerhetőek, majd azok visszaalakíthatók egy alapvetően azonos
genetikai információt hordozó teljes élőlénnyé. Ez a vészesen hangzó
„klónozás” gyakorlati alapja, de egyben az őssejtkutatás hatalmas
lépése is.
A kitüntetettek munkája megváltoztatta a sejtek
éréséről, specializálódásáról és fejlődési lehetőségeiről alkotott
képet. Az éretlenből érett sejtté válás folyamatát korábban
véglegesnek, visszafordíthatatlannak hitték – ma már tudjuk, hogy az
érett sejtnek nem kell feltétlenül az elért specializálódott
állapotban maradnia. A két díjazottnak köszönhetően újraírták a
tankönyveket, és új kutatási területek nyíltak meg. Az emberi sejtek
újraprogramozásával új lehetőségek tárultak fel a betegségek
tanulmányozására, valamint a diagnosztikai és terápiás módszerek
fejlesztésére.
Rövid életrajzok:
John Bernard Gurdon 1933-ban született Nagy-Britanniában,
doktorátusát Oxfordban szerezte 1960-ban, ezután az amerikai
California Institute of Technology posztdoktoraként kutatott, majd
visszatért az Egyesült Királyságba, a Cambridge-i Egyetemre, ahol a
Magdalene College professzora volt 1995 és 2002 között. Az 1995-ben
lovaggá ütött kutató jelenleg ugyanott, a róla elnevezett Gurdon
Intézet munkatársa. Gurdon úttörő kutatásokat végzett az
mRNS-átírással kapcsolatban is (Gurdon et al., 1971; Laskey et al.,
1972), az utóbbi években pedig a visszaprogramozás mechanizmusának
kutatásával foglalkozik (Hur et al., 1991; Miyamoto et al., 2012;
Pasque et al., 2011), szintén kiemelkedő eredménnyel (190
publikáció, több mint 10 000 hivatkozás, H-index: 64). A kitűnő
humorérzékkel rendelkező tudós bekeretezve őrzi azt a jelentést,
amelyben a tudományos pályára teljesen alkalmatlannak minősítették
(1949, Eton College), és saját bevallása szerint sikertelen
kísérletek után gyakran gondol rá, hogy esetleg mégis igazuk volt.
Jamanaka Sinja (Shinya Yamanaka) 1962-ben született Oszakában
– pontosan abban az évben, amikor Gurdon magátültetéses
visszaprogramozási kísérleteivel tudományos meglepetést és áttörést
okozott. Orvosi diplomáját a Kobei Egyetemen, 1987-ben szerezte, és
mivel sebészként nem mutatott különösebb tehetséget, a kutatómunka
felé fordult érdeklődése. PhD-dolgozatát 1993-ban, az Oszakai
Egyetemen védte meg, hosszabb ideig kutatott a Gladstone
Institutes-ban (San Francisco). Jelenleg a Kiotói Egyetem
professzora, ahol az elmúlt évben egy új kutatóintézetet nyitottak
meg, nagyrészt a Jamanaka által irányított őssejtkutatás hátterének
biztosítására. Jamanaka 146 publikációt tett közzé, munkáira több
mint 17 000 hivatkozás történt, H-indexe 38. Elkötelezettsége a
gyógyítás iránt megmaradt, legfőbb céljának az indukált pluripotens
sejtek felhasználását tekinti a gyógyászatban. Érdekes megjegyezni,
hogy 2012-ben jótékonysági célból kétszer is lefutotta a maratoni
távot. 2009-ben a két kutató együtt nyerte el a Nobel-díj
előszobájaként emlegetett Lasker-díjat.
Kulcsszavak: Nobel-díj 2012, őssejtkutatás, sejtmagátültetés,
visszaprogramozás, indukált pluripotens őssejtek (IPS-sejtek)
IRODALOM
Briggs, R. – King, T. J. (1952):
Transplantation of Living Nuclei from Blastula Cells Into Enucleated
Frogs’ Eggs. Proceedings of the National Academy of Sciences of the
USA. 38, 5, 455–463.
Gurdon, J. B. (1962): Adult Frogs Derived
from the Nuclei of Single Somatic Cells. Developmental Biology. 4,
256–273.
Gurdon, J. B. – Elsdale, T. R. –
Fischberg, M. (1958): Sexually Mature Individuals of Xenopus Laevis
from the Transplantation of Single Somatic Nuclei. Nature. 182,
4627, 64–65.
Gurdon, J. B. – Lane, C. D. – Woodland, H.
R. et al. (1971): Use of Frog Eggs and Oocytes for the Study of
Messenger Rna and Its Translation in Living Cells. Nature. 233,
5316, 177–182.
Hur, W. – Ahn, S. K. – Lee, S. H. et al.
(1991): Cutaneous Reaction Induced by Retained Bee Stinger. The
Journal of Dermatology. 18, 12, 736–739.
Laskey, R. A. – Gurdon, J. B. – Crawford,
L. V. (1972): Translation of Encephalomyocarditis Viral RNA in
Oocytes of Xenopus Laevis. Proceedings of the National Academy of
Sciences of the USA. 69, 12, 3665–3669.
Lowry, W. E. – Plath, K. (2008): The Many
Ways to Make an IPS Cell. Nature Biotechnology. 26, 11, 1246–1248.
Miyamoto, K. – Gurdon, J. B. (2012):
Transcriptional Regulation and Nuclear Reprogramming: Roles of
Nuclear Actin and Actin-Binding Proteins. Cellular & Molecular
Life Sciences. 29 Dec. Ahead of print
Mostoslavsky, G. (2012): Concise Review:
The Magic Act of Generating Induced Pluripotent Stem Cells: Many
Rabbits in the Hat. Stem Cells. 30, 1, 28–32.
Pasque, V. – Jullien, J. – Miyamoto, K. et
al. (2011): Epigenetic Factors Influencing Resistance to Nuclear
Reprogramming. Trends in Genetics. 27, 12, 516–525.
Takahashi, K. – Tanabe, K. – Ohnuki, M. et
al. (2007): Induction of Pluripotent Stem Cells from Adult Human
Fibroblasts by Defined Factors. Cell. 131, 5, 861–872.
Takahashi, K. – Yamanaka, S. (2006):
Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult
Fibroblast Cultures by Defined Factors. Cell. 126, 4, 663–676.
Wabl, M. R. – Brun, R. B. – Du Pasquier,
L. (1975): Lymphocytes of the Toad Xenopus Laevis Have the Gene Set
for Promoting Tadpole Development. Science. 190, 4221, 1310–1312.
|
|