mikor sejtmagátültetéses újraprogramozásról, vagy még inkább a köznyelvben használatos klónozásról esik szó, a többség az első emlős klónra, Dolly bárányra gondol, amelynek létrehozását 1997-ben adta hírül Ian Wilmut és kutatócsoportja, a skóciai Roslin Intézetből (Wilmut et al., 1997). Habár valóban Dolly volt az első felnőtt testi sejtből, azaz már differenciálódott sejtből létrehozott klónozott állat, maga a sejtek átprogramozása és a sejtmagátültetési kísérletek sora nem 1997-ben és nem Dollyval kezdődött. Sőt mi több, a sejtek átprogramozása nem kizárólag sejtmagátültetéssel valósítható meg.

Mit is jelent a sejtmagátültetés
és átprogramozás valójában?

Az egyed fejlődése a megtermékenyüléstől a kifejlett állapotig létezésünk egyik központi és legbonyolultabb kérdése. Képességeink és betegségeink számos esetben már a korai egyedfejlődés során eldőlnek (Developmental Origins of Health and Disease – DOHaD). Ennek a folyamatnak egyik központi biológiai kérdése a sejtek fejlődési potenciálja, plaszticitása és differenciálódási képessége, vagyis más szavakkal élve az a tulajdonság, hogy egy sejt milyen sejtekké képes „átalakulni”. Mielőtt azonban történeti áttekintést adnánk e terület eredményeiről és fejlődéséről, feltétlenül meg kell határoznunk néhány fogalmat. Az első mindjárt a klón fogalma, amelyet Herbert J. Webber amerikai botanikus alkotott meg 1903-ban. Klónnak tekintjük az ugyanazon egyedtől (őstől) származó, ivartalan szaporítás által létrehozott, genetikailag azonos élőlények összességét (populációját). Mindez azt jelenti, hogy több, a növénynemesítésben és ‑termesztésben már nagyon régen ismert és alkalmazott szaporítási mód szintén klónozásnak tekintendő. Az eljárás tehát csak az állatvilágban és különösképpen a gerincesek, illetve emlősök esetén tekintendő új eljárásnak. Ebben az értelemben az identikus (egypetés, monozigotikus vagy embriófelezéssel létrehozott) ikrek szintén klónoknak tekinthetők, mivel genetikailag azonos egyedekről van szó. Itt mindjárt egy megjegyzést is kell tennünk, miszerint a sejtmagátültetéssel létrehozott egyedek e meghatározás szerint nem 100%-os „klónok” – a köztudattal ellentétben –, ugyanis nem teljesen azonosak genetikailag, hiszen kizárólag azok sejtmagban örökített, ún. nukleáris DNS-tartalma megegyező, a citoplazmában található ún. mitokondriális DNS a recipiens petesejt, nem pedig a donorsejt mitokondriális DNS-ét tartalmazza. Így a sejtmagátültetéssel létrehozott egyedek több tulajdonságban is eltérhetnek egymástól, az identikus ikrekkel szemben, akik valódi klónjai egymásnak.

Újraprogramozás vagy átprogramozás alatt azt a folyamatot értjük, amikor egy sejt DNS-állománya korábban, az egyedfejlődés során kialakult és rögzült, ún. epigenetikai kódot „elveszíti” – teljes egészében vagy túlnyomó részben. Ennek eredményeként a létrejövő, immár újraprogramozott sejt fejlődési potenciálja kitágul, egy olyan stádiumba kerül, amelyből – eredeti programjától eltérően – számos fejlődési irányba képes alakulni. Így például a sejtmagátültetéses újraprogramozás során egy testi – vagyis már differenciálódott – sejt sejtmagját helyezik egy olyan petesejt citoplazmájába, amelyet előzőleg saját sejtmagjától megfosztottak, vagyis enukleáltak. A befogadó petesejt citoplazmáját és sejtmagját azután fuzionáltatva és különböző kezeléseket alkalmazva „újraindítják”, és osztódó embriót hoznak létre. Amennyiben az embriókat recipiens nőstényekbe ültetik, egy már differenciálódott sejt újraprogramozása révén egy teljes embrionális fejlődési program zajlik le, és létrejön egy teljes élőlény, a kiindulási sejtmagdonor egyed „klónja”.

A sejtmagátültetés története
a békák szemszögéből

A klónozás tudománytörténeti áttekintésekor tehát jóval a Dolly előtti időkre kell visszanyúlnunk. A sort talán a messzi távolban, 1892-ben¹ Hans A. E. Driesch német biológus és filozófus nevével és kísérleteivel érdemes kezdeni. Driesch tengeri sünök embrióit „darabolva” jutott embriológiai kísérletei során arra a következtetésre, hogy a korai két–négysejtes embrionális állapot során az embriót alkotó sejtek, az ún. blasztomerek fejlődési potenciája azonos, bármelyik képes egy teljes – bár méretben az eredetitől kissé eltérő –, normális, ún. pluteus lárva létrehozására. Nyolcsejtes embriók blasztomerjeinek izolálásakor mindez már nem mind a nyolc blasztomer esetén volt elmondható, de azok között is volt olyan, amely normális lárvát képzett. Ezen kísérleteket később Hans Spemann is igazolta 1902-ben, gőteembriók darabolása során – gyermeke hajszálát használva „késként” – identikus egyedeket hozva létre, egyúttal kidolgozva a mikrosebészet alapjait. Később, 1928-ban Spemann már végzett sejtmagátültetéses klónozást gőteembriókon: egy 16-sejtes embrió egyik sejtjének sejtmagját helyezve egy sejtmagjától megfosztott, még egysejtes gőte-„embrióba”, amely azután normális gőtévé fejlődött. Későbbi fejlődésbiológiai elméletéért 1935-ben Spemann élettudományi Nobel-díjat kapott.

A sejtmagátültetés területén a következő jelentős állomást Robert Briggs és Thomas King szisztematikus kísérletei jelentették az 50-es években. Kidolgozták és tökéletesítették a békapete – északi leopárdbéka (Rana pipiens) – in vitro aktiválását és enukleálását, majd 1952-ben bizonyították, hogy blasztula stádiumú embrió sejtjeit nukleuszdonorként használva életképes békák állíthatók elő sejtmagátültetéssel. Későbbi tanulmányukban (1956) azonban arról számoltak be, hogy a későbbi embrionális állapotokból származó sejtmagdonorok alkalmazása esetén azok fejlődési potenciálja drasztikusan csökken, majd az ún. farokbimbós ebihal állapottól meg is szűnik, ebben a stádiumban már kizárólag az ivarsejt prekurzorokra korlátozódik. Ezen kísérleteikből azt a következtetést vonták le, hogy az embriogenezis során a determináció előrehaladtával minden sejt elveszíti „teljes” differenciációs képességét, az csak a korai embriogenezis során van meg.

A terület jelentős előrelépését azután John B. Gurdon karmosbékákon (Xenopus) a 60-as és 70-es években végzett kísérletei hozták meg. Gurdon kísérleteiben szintén arra a következtetésre jutott, hogy az embrióból izolált sejtek fejlődési potenciája egyre csökken, minél későbbi fejlődési stádiumban kerül izolálásra az adott donor sejtmag, azonban néhány „kivételt” e szabály alól is talált. Ebihalak bélhámsejtjeit használva sejtmagdonorként, képes volt lárva, majd kifejlett békává fejlődő egyedet előállítani sejtmagátültetéssel (1. ábra). Kísérleteiben a sorozatban végzett, ún. többgenerációs klónozást is megalkotta, amikor az első sejtmagátültetés során fejlődésnek induló embriók sejtjeit blasztula stádiumban újra sejtmagdonorként használta egy második sejtmagátültetésben. Ezzel a módszerrel jelentős hatékonyságnövekedést ért el a klónok fejlődésében. A befogadó megtermékenyítetlen petesejtet UV sugárzással kezelte a DNS roncsolására, aktiválta, majd ezekbe ültette a donor sejtmagokat. Kísérletei során genetikai színmarkert is alkalmazott, ugyanis a sejtmagdonorok albínó szülőktől származtak, melyeket vad-típusú és -színezetű Xenopus petesejtbe ültetett be. Mindazonáltal felnőtt karmosbékák lábából izolált epitheliális tenyészetekből kiindulva csupán a neurális cső formálódásáig fejlődni képes embriókat tudott előállítani, amelyek a gasztruláció kezdeti szakaszában elpusztultak. Többgenerációs sejtmagátültetést alkalmazva a fejlődés a még nem táplálkozó ebihal stádiumig jutott, azonban életképes karmosbéka nem fejlődött a kísérletekből. Kísérletei azért jelentenek áttörést, annak ellenére, hogy csak a korai stádiumokból sikerült életképes kifejlett egyedeket előállítania, mert bizonyította, hogy egy differenciálódott sejt magja még mindig komoly differenciálódási potenciállal bír, az embrionális fejlődés során az elköteleződés – vagyis szöveti differenciálódás – nem jelenti a sejtmag fejlődési potenciájának megszűnését. Elképzelése szerint ez a képesség a differenciáció során nem megszűnik, hanem csupán korlátozódik, és ha ismerjük ennek módját, akkor a „korlátozó tényezők feloldásával” a teljes differenciációs képesség újra nyitottá válik. Ma már tudjuk, hogy mindez azt jelenti, hogy minden eukarióta sejt tartalmazza és hordozza a teljes fejlődési programhoz szükséges genetikai információt. John Gurdon főként ezen eredményeiért és az e kutatásokra épülő további fejlődésbiológiai elméletéért (Gurdon, 2006) érdemelte ki 2012-ben az orvosi Nobel-díjat, megosztva a tudományterület egy másik jeles képviselőjével, Jamanaka Sinjával (Shinya Yamanaka).

Említést kell még tennünk a halakon végzett sejtmagátültetési kísérletekről, amelyeket a 60-as években Tung Ti Csou (Di-Zhou Tong, T. C.Tung) kínai professzor és munkatársai végeztek több pontyfajon. Nevéhez nemcsak az első klónozott hal, hanem az interspecifikus halkónok létrehozása is köthető, ezzel jelentős előrehaladást érve el a halembriológia területén (Zhu – Sun, 2000).

Dolly és története

Azonban ha nem ugrunk mindjárt ennyire előre a 2012-es orvosi Nobel-díjig, hanem a 80-as éveknél folytatjuk tudománytörténeti áttekintésünket, akkor a kísérletek sorát Steen Willadsen dán kutató eredményeivel kell folytatnunk. Habár a sejtmagátültetéses klónozás kétéltűekben elért sikerei igen kecsegtetőek voltak, emlősökön éppen ennek ellenkezője volt elmondható. A kísérletek sorra kudarcot vallottak. Elsőként csupán 1986-ban sikerült Willadsennek és kollégáinak emlősöket klónozniuk: 8–16 sejtes juhembriók blasztomerjeinek sejtmagját használva, enukleált juh petesejtekbe ültették azokat, és nyertek életképes utódokat. Az áttörés ellenére ez az eredmény nem kapott nagy publicitást, noha a módszer szarvasmarha-tenyésztésben való mezőgazdasági alkalmazására kezdetben több cég is alakult, igaz e cégek többsége a technikai és biológia nehézségek – a borjak magzati túlnövekedése és az ezzel járó császármetszés – miatt pár év alatt felhagytak az eljárással. 1995-ben azután újabb fontos eredmény látott napvilágot: megszületett Megan és Morag, a két, embrionális sejttenyészetből sejtmagátültetéssel létrehozott juh. Előállításukat Keith Campbel, Sir Ian Wilmut sejtciklus szabályozási felismerései és William Ritchie technikai fejlesztései tették lehetővé egy skóciai kutatócsoportban, ahol mindössze egy évvel később Dolly, az első felnőtt testi sejtből klónozott emlős is a világra jött. A sejtenyészetet eredetileg juh embrionális őssejtek (Embryonic Stem Cell – ESC) alapítására hozták létre, azonban a hólyagcsíra (blasztociszta) stádiumú embriókból izolált embrionális sejtekből nem sikerült őssejtvonalakat izolálni, azok a tenyésztés során elpusztultak, vagy differenciálódtak. Azonban a blasztocisztákból nyert „differenciálódott” sejtizolátumokat kiválóan lehetett sejtmagdonorként alkalmazni a klónozási kísérletekben. Annak ellenére, hogy Megan és Morag embrionális donorsejt eredetűek, a kísérlet bizonyította, hogy in vitro tenyésztett sejtekből is lehet sejtmagátültetéssel emlősöket „klónozni”. A média azonban ezt az eredményt sem „vette észre” a klónozás története során.

Igazi és immár mindenki által ismert publicitást Dolly születése kapott. Dolly létrehozása abban az értelemben volt valóban áttörés, hogy immár felnőtt egyed testi sejtjéből sikerült sejtmagátültetéssel genetikailag azonos utódot előállítani. Ezzel 1996-ban végérvényesen megdőlni látszott az a dogma, miszerint a „végdifferenciálódott” testi sejtek már nem képesek a teljes egyedfejlődésre. A sejtmagdonorként szolgáló sejt egy Finn Dorset fajtájú juh emlőszövetének tenyészetéből származott, míg a citoplazmadonor a Scottish Blackface fajta enukleált petesejtje volt (2. ábra). Dolly születése kapcsán hihetetlen hevességű vita lángolt fel nemcsak tudományos szempontból, a tudományos kísérlet minden egyes mozzanatának górcső alá vétele által, de a kísérletek etikai vonatkozásait tekintve is. A médianyilvánosság immár olyan aspektusokat is a látótérbe hozott, amelyek korábban csak a science-fiction művek olvasótábora számára voltak érdekesek vagy hihetőek – különös tekintettel az emberek klónozásának lehetőségére. Azonban, ahogy mondani szokás, „a szellem kiszabadult a palackból”, és hihetetlen iramú fejlődést eredményezett a sejtmagátültetés, genetikai újraprogramozás, valamint az ehhez kapcsolódó etika tudományterületein. Ma már azt is elmondhatjuk, hogy igen kevés kivételtől eltekintve ez a fejlődés mindeddig jó irányba haladt, és nem a felelőtlen, szenzációhajhász és önjelölt, kutatónak éppen nem nevezhető egyének ámokfutása jellemezte.

Pandora szelencéje

Dolly születése után alig egy évvel már a genetikailag módosított sejtekből sejtmagátültetéssel létrehozott juhok, Polly és Molly születéséről értesültünk. A sejtmagátültetés önmagában nem jár a genetikai anyag örökletes módosításával, ám Polly és Molly nemcsak klónozott, de egyben transzgenikus állatok is voltak, ugyanis a fibroblaszt-tenyészetbe előzőleg a humán 9-es véralvadás faktor génjét ültették be a kutatók, s ezen ún. transzgenikus sejteket használták sejtmagdonorként a kísérletekben. Ugyanebben az évben, 1997-ben² született meg Gene, az első transzgenikus magzati fibroblaszt sejtből klónozott szarvasmarha, Neti és Ditto, az első embrionális sejtekből klónozott rhesus makákók (Macaca mulatta) és Cumulina, az első kumulusz (petesejtet övező testi sejt típus) sejtből klónozott laboregér is. 1998-ban pedig világot láttak az első felnőtt testi sejtből klónozott szarvasmarhák, Noto és Kaga is. Vagyis alig két év kellett ahhoz, hogy független laboratóriumok a korábban elképzelhetetlennek tartott újraprogramozást több emlősfajon és sejttípusból is bizonyítsák. Ezek az eredmények egyértelműen bizonyították, hogy minden sejt genetikai anyaga tartalmazza az információt, ami egy faj teljes egyedfejlődéséhez szükséges, a sejtmagátültetéses klónozási technológia pedig képes a már differenciálódott sejteket olyan állapotba juttatni, hogy ez a program aktiválódjon, és létrejöjjön a teljes organizmus.

Ahogy azt időrendi táblázatunk mutatja, szarvasmarha, kecske, juh, disznó, öszvér, ló és teve is szerepel a sejtmagátültetéssel klónozott haszonállatok listáján, azonban a hobbiállatok és veszélyeztetett fajok vagy vadon élő állatok esetén is egyre nő a sor, ahol sikerrel alkalmazták a technológiát (1. táblázat). Mindez egészen új alkalmazási területet és távlatokat nyitott a sejtmagátültetés alkalmazásában. Itt kell megjegyeznünk, hogy a korlát, amely a sikerrel klónozott fajok számának további növekedése előtt áll, nem elsősorban a sejtmagátültetés valamiféle „fajspecifikus” kivitelezhetőségén múlik, inkább az egyes fajok szaporodásbiológiai és embriológiai paraméterei ismeretének hiányával hozható összefüggésbe. Lefordítva: ahhoz, hogy egy adott faj egyedeit sikerrel klónozhassuk, megfelelő mélységben kell ismernünk az adott faj szaporodásbiológiáját, valamint a petesejtkinyerés és in vitro embriótenyésztés, majd recipiensbe való visszaültetés paramétereit. Sokszor tehát egy-egy vadon élő faj vagy veszélyeztetett faj sejtmagátültetéses klónozása ott ütközik nehézségbe, hogy számos szaporodásbiológiai kutatást is el kell végezni azelőtt, mielőtt magát a sejtmagátültetést végre lehetne hajtani.

Talán éppen ezért nyert teret, elsőként a veszélyeztetett fajok klónozása érdekében, a fajok közötti, ún. interspecifikus sejtmagátültetés is (interspecific somatic cell nuclear transfer – iSCNT). Az eljárás során a sejtmagdonor a klónozni kívánt állat valamilyen sejtenyészetéből, míg a citoplazma egy közeli rokon faj petesejtjéből származik. Ilyenkor általában a klónozott embriók beültetése is – a beültetés körülményessége miatt – a petesejtdonor fajban történik. Habár az eljárás egyszerűen hangzik, mégis közismert, hogy az egymással szaporodóképes hibridet nem alkotó emlős fajok között a „kereszt”-megtermékenyítés nem eredményez életképes embriót, az vagy a korai osztódás vagy az implantáció során elpusztul. Így tehát már elméleti alapon is igen csekély azon fajok száma, amelyek szóba jöhetnek egy fajok közötti program során egymás citoplazmadonorjaiként. Mindannak ellenére, hogy az elmúlt évtizedben igen intenzív kutatás zajlott ezen a területen is, és több mint harminc, különböző fajok közötti „hibrid klón” kialakítására történt próbálkozás, ezek közül csupán hét eredményezett utódot. A sikeres kísérletekben szarvasmarha (B. taurus) recipiens petesejtet használva gaur (B. gaurus), banteng (B. javanicus), jak (B. grunniens) és zebu (B. indicus) interspecifikus klónjait sikerült előállítani. Ezenkívül házimacska- (F. catus) petesejteket használva vadmacska- (F. silvestris), juh- (O. aries) petesejteket használva muflon (O. orientalis musimon), valamint kutya (C. lupus familiaris) petesejtjeit használva prérifarkas (C. latrans) interspecifikus sejtmagátültetése vezetett csupán sikerre (Beyhan et al., 2007; Hwang et al., 2012). Meg kell említenünk azonban egy további irányvonalat is a fajok közötti sejtmagátültetés területén, ez pedig nem más, mint a terápiás célú humán klónozás területe, ahol a humán petesejtek alkalmazásának „kiküszöbölésére” merült fel a fajok közötti klónozás alkalmazása. Itt elsősorban nyúl, szarvasmarha, sertés és főemlősök szerepeltek a listán, azonban mindegyik elvégzett kísérlet újabb és újabb problémákat vetett fel, amelyek megoldására jelenleg nincs megnyugtató mód, így ezen eljárások jövője erősen kérdéses, különösképpen az iPS-technológia (lásd később) megjelenését követően, amely egyben okafogyottá is tette a próbálkozásokat.

A sejtmagátültetéses klónozás alaptechnológiája nem sokat változott a kezdetek óta. Minden faj esetén egy donorsejt sejtmagjának preparálásával és egy megtermékenyítetlen petesejt – esetleg zigóta, vagyis a még nem osztódott, korai egysejtes embrió – enukleálásával, majd e két komponens valamilyen módszerrel történő összeolvasztásával és/vagy aktiválásával folytatódik. Az osztódásnak induló embriók azután – fajonként eltérő időpontban – recipiens nőstényekbe kerülnek embrióbeültetéssel. A valódi különbségek az egyes technikai lépések kivitelezésében keresendők (mint például időzítés, oldatok összetétele, enukleálás vagy a fuzionáltatás mikéntje stb.), amelyek egyrészt a módszer hatékonyságának javítása érdekében történtek, másrészt az egyes fajok speciális embrionális és/vagy hormonális karakteréhez igyekeznek mindinkább hasonlítani, ezzel is biztosítva a nagyobb hatékonyságot. A sejtmagátültetéses klónozás technológiai változásait több kiváló tanulmány is feldolgozta, mind magyar (Dinnyés, 2004; Solti, 2004), mind pedig angol nyelven (Wakayama, 2007; Dinnyés et al., 2008; Wilmut et al., 2002, 2008); a terjedelmi korlátok miatt itt mi ennek részleteit nem ismertetjük.

Ki kell térnünk azonban még egy nagyon fontos momentumra, amely az őssejtkutatást érinti. Ez pedig nem más, mint a sejtmagátültetéssel nyert embrionális őssejtek megjelenése. Az embrionális őssejtekről e kötet későbbi tanulmányai részletesen írnak majd, így itt csak a klónozott embriókból előállított embrionális őssejtek jelentőségére térnénk ki. Az embrionális őssejtek blasztociszta stádiumú embriók ún. belső sejtcsomójából (Inner cell mass – ICM) izolált pluripotens sejtek (a fogalom magyarázatát lásd később). Ezek az őssejtek optimális in vitro körülmények között korlátlan ideig fenntarthatók, azonban mind in vitro – Petri-csészében – mind pedig in vivo – recipiens embrióba ültetve és kimérákat létrehozva – körülmények között képesek differenciálódásra, a szervezet összes sejttípusának létrehozására. Jelentőségük a célzott genetikai módosítás és terápiás célú szövetregeneráltatás terén egyaránt nagyon jelentős. E sejtek izolálása azonban számos faj esetén igen bonyolult és nagyon alacsony hatékonysággal működő módszer. Megfigyelték azonban, hogy sejtmagátültetéssel létrehozott embriók blasztocisztáit felhasználva azokból nagyobb hatékonysággal lehet embrionális őssejteket előállítani. Ezek az ún. klónozott embrionális őssejtek, mások (Brambrink et al., 2006; Wakayama et al., 2006) és saját (Kobolák et al., 2012a; Kobolák et al., 2012b) állatkísérletes eredményeink szerint, nem térnek el tulajdonságaikban a hagyományos, megtermékenyítéssel nyert blasztocisztákból izolált sejtvonalaktól. A technológia humán vonatkozása azért nagyon jelentős, mert ez az ún. terápiás célú klónozás nem más, mint egy differenciálódott testi sejt pluripotens őssejtté történő alakítása. Vagyis egyedi, személyre szabott őssejtek létrehozása is lehetséges anélkül, hogy humán embriókat kellene felhasználni az embrionális őssejtek létrehozására. Ezzel az eljárással testi sejtekből kiindulva, „csupán” megtermékenyítetlen petesejtekre van szükség embriók helyett az őssejtek előállításához. A továbbiakban látni fogjuk, hogy az átprogramozás azonban már nem csak sejtmagátültetéssel valósítható meg, így az oly sok etikai problémát is felvető embrionális eredetű őssejtek és a klónozás technológiája is megkerülhető.

Újraprogramozás sejtmagátültetés nélkül

Tudománytörténeti összefoglalónkban nem kisebb feladatra vállalkoztunk, mint hogy bemutassuk a sejtmagátültetéssel történő újraprogramozáson kívüli sejtújraprogramozási módszerek fejlődésének mérföldköveit is. Ezelőtt azonban még néhány fogalmat feltétlenül tisztáznunk kell, habár e kötet további tanulmányai bőséges magyarázattal szolgálnak majd az őssejtek és pluripotencia kérdéskörét illetően, a téma legfontosabb fogalmait a 2. táblázatban foglaltuk össze. Ahhoz azonban, hogy e terület eredményeit értékelhessük, meg kell adnunk a pluripotencia definícióját. Pluripotencia alatt a sejtek azon tulajdonságát értjük, hogy képesek korlátlan számú osztódásra, miközben egy időben képesek önmaguk reprodukálására és differenciálódott utódsejtek létrehozására is (aszinkron sejtosztódás), és képesek – bizonyos körülmények között és szignálok hatására – bármilyen sejt és szövet létrehozására, ide értve mindhárom csíralemez (ekto-, mezo- és endoderma) sejtjeit és az ivarsejteket is. Más szóval egy sejtet akkor nevezünk pluripotens őssejtnek, ha az a teljes egyedfejlődési program „lefuttatására” képes. Tehát nem csak DNS-tartalmában hordozza azt, hiszen azt az előbbiekben a sejtmagátültetés kapcsán már tisztáztuk, hogy ez az információ minden eukarióta sejt sajátja, hanem az információ olyan „epigenetikai” státusban is van, hogy az kifejeződésre is jut.

Sejtkivonatok alkalmazása

Az egyik ilyen lehetőséget az egyes sejtek extraktumainak alkalmazása jelenti, amikor valamely sejt – általában őssejt vagy karcinómasejtek – valamilyen technológiával – általában homogenizálás, centrifugálás és szűrés – készített kivonatait használva az átalakítandó sejtekhez adjuk a kivonatot. A kivonatban található molekulák – elsősorban fehérjék és más makromolekulák – azután a recipiens sejtekben olyan változást idéznek elő, amely aktivizálja az ún. pluripotens állapot fennmaradásáért felelős genetikai programot, ezzel olyan, pluripotens vagy ahhoz közeli állapotú utódsejtek jönnek létre a tenyészetben, amelyek azután az amúgy őssejtekre jellemző differenciációs és fejlődési potenciállal rendelkeznek (Taranger et al., 2005; Collas – Taranger 2006). Philippe Collas és munkacsoportja 2005-ös és későbbi kísérleteinek bírálói azt kifogásolják, hogy az átprogramozás sikere nagyban függ a kiindulási sejtpopulációtól, amelyből az extraktum kinyerésre kerül, így az újraprogramozás sikere és hatékonysága is kérdéses, kísérletenként eltérő lehet. Az extraktum igen csekély mennyisége is hatalmas kiindulási sejtpopulációt, méghozzá embrionális őssejteket igényel, ami nagyon költségessé teszi az eljárást. A módszer sikere sok kiindulási tényező változásától függ, és nem minden faj és sejttípus esetén működik, továbbá a teljes genomra kiterjedő újraprogramozás bizonyítékai nem meggyőzőek. Ezért ezen eljárások alkalmazása nem nyert valódi teret az átprogramozásban.

Sejtfúzió embrionális őssejtekkel

Pluripotens sejteket – embrionális karcinóma, ivari őssejtek vagy embrionális őssejtek – differenciálódott testi sejtekkel fuzionáltatva, a kiindulási őssejtekre „hasonlító” pluripotens hibrid sejteket lehet létrehozni (fusion-mediated reprogramming – FMR). Ezen utódsejtek azonban 4n kromoszómakészletűek, vagyis tetraploidok. A tetraploid sejtekből specifikus módon ugyan lehetséges nagyobb kromoszómarészletek eltávolítása, azonban ez instabillá teheti a sejteket. A hatékony „diploidizálás” nem megoldott. További probléma a sejtfúzió alacsony hatékonysága, így ígéretes mivolta ellenére ezen eljárás sem hordoz terápiás potenciált (Gan et al., 2007) (3. ábra).

Indukált átprogramozás

Az őssejtkutatás fejlődése, új őssejttípusok felfedezése, így például a humán embrionális őssejtek izolálása 1998-ban (Thomson et al., 1998), az ún. epiblaszt őssejtek (EpiSC) (Brons et al., 2007; Tesar et al., 2007), vagy a multipotens felnőtt spermatogónium őssejtek (multipotent adult spermatogonial stem cells – MASCs) (Seandel et al., 2007) izolálása olyan összehasonlító vizsgálatokat tett lehetővé, amelyek révén az őssejtek tulajdonságainak és a pluripotencia mibenlétének egészen új aspektusai láthattak napvilágot. A különböző pluripotens és multipotens sejtvonalak karakterizálása, tenyésztési paramétereik vizsgálata és összehasonlítása vezetett azután ahhoz a felismeréshez, hogy a humán embrionális őssejtek (hESC), az epiblaszt őssejtek (EpiSC) és spermatogónium őssejtek (MASCs) jobban hasonlítanak egymásra, mint az egér embrionális őssejtekre (mESC). Mindez felvetette annak lehetőségét, hogy a humán ESC-sejtek inkább epiblaszt eredetűek, nem pedig ICM-eredetűek, mint az egérsejtek. Mindez azt is jelenti, hogy e három őssejtfajta a pluripotencia más szintjén áll, mint az egér ESC-sejtek. Ezek az eredmények egy egészen új gondolat megszületéséhez vezettek, miszerint a pluripotencia megfelelő faktorok aktiválása révén „előidézhető” lenne. Ennek vizsgálatára 2006-ban a most Nobel-díjat kapott Jamanaka és kollégája, Takahasi Kazutosi (Kazutoshi Takahashi) újszerű kísérlettel álltak elő. Rendszerükben négy gént, a pluripotencia fenntartásáért felelősnek tartott ún. kulcsgéneket, név szerint Oct4, Sox2, valamint két onkogént, a Klf4 és c-myc géneket juttatták be fibroblaszt – embrionális és felnőtt – sejtekbe transzdukcióval. Ezt követően a sikerrel transzdukált klónokban az Oct4 egyik targetgénjének, az Fbx15 gén aktiválódását keresve pluripotens sejtpopulációt hoztak létre, amelyet indukált pluripotens őssejteknek (induced pluripotens stem) vagy iPS-sejteknek neveztek el (Takahashi – Yamanaka, 2006) (3. ábra). Sejtjeik pluripotens stádiuma a virális promóterről átíródó transzkriptumok jelenlétét követelte meg, az endogén Oct4 és Nanog gének vagy nem is expresszáltak, vagy azok promotereinek aktivitása nagyon alacsony maradt. Amikor az előzőekkel azonos módon végzett transzdukció után az Oc4-et endogén expresszáló (Oct4-iPS) vagy Nanogot expresszáló (Nanog-iPS) sejteket szelektáltak, akkor azonban már valódi, az ESC-sejtekkel megegyező tulajdonságú iPS-sejteket sikerült izolálni (Okita et al., 2007; Wernig et al., 2007). Ezek a sejtek a pluripotencia minden kritériumát teljesítették, egérben képesek voltak embrióba ültetve kimérákat létrehozni, kolonizálva azok gonádját, így ivari kiméra utódokat eredményezni. Sőt mi több, az ún. tetraploid kiméra eljárás során ezen iPS-sejtek egy lépésben képesek voltak teljes iPS-sejt eredetű egyed létrehozására is, ahol a tetraploid embrió csupán a placenta kialakulásában vett részt. Mindez azt jelenti, hogy e külső faktorok ektopikus expressziója képes volt indukálni olyan epigenetikai változásokat – kromatin struktúra és DNS-metilációs változások – a sejtekben, amely azok átprogramozásához vezetett. Ezzel megszületett egy egészen új, immár embrió- és sejtmagátültetés-mentes módszer a differenciálódott sejtek újraprogramozására.

A humán iPS-sejtek létrehozása sem váratott sokat magára, ebben Jamanaka kutatócsoportja ismét az élen járt (Takahashi et al., 2007). A továbbiakban viharos gyorsasággal szaporodott a közlemények száma, ahol iPS-sejteket izoláltak különféle sejtforrásokból. Több különböző faktor is kipróbálásra került az eredeti négy helyett, és megoldottá vált az onkogén-, vírus- és antibiotikum-rezisztencia-mentes átprogramozás is. Így elérhetővé vált a genetikai módosításmentes iPS-előállítás, ami a technológia génterápiás alkalmazásának egyik előfeltétele (Yamanaka, 2012). A kötet további tanulmányaiban bővebb értékelést olvashatnak a különböző őssejtekről, többek között az iPS-sejtekről és e tudományterület új áttöréseiről, így tudománytörténeti áttekintésünkben az eredmények részletes ismertetésébe nem bocsátkozunk.

Összefoglalás

Az újraprogramozás biológiai és orvostudományi jelentősége hatalmas. A személyre szabott gyógyítás terén olyan új távlatok nyíltak meg ezen eljárások alkalmazása révén, amely számos, korábban gyógyíthatatlannak tartott betegség esetén áttörést jelent. Bátran kijelenthetjük, hogy soha olyan gyors fejlődésen és átalakuláson nem ment még át e tudományterület, mint amelyet az újraprogramozás felfedezése hozott. Meggyőződésünk, hogy e terület fejlődése, különösen az iPS-technológia területén, további forradalmi változásokat hoz majd a gyógyszerkutatás és gyógyítás területén is.
 

Kulcsszavak: sejtmagátültetés, újraprogramozás, epigenetika, pluripotencia, embrionális őssejt, indukált pluripotens őssejt

IRODALOM

Beyhan, Z. – Iager, A. E. – Cibelli, J. B. (2007): Interspecies Nuclear Transfer: Implications for Embryonic Stem Cell Biology. Cell Stem Cell. 1, 5, 502–512.

Brambrink, T. – Hochedlinger, K. – Bell, G. – Jaenisch, R. (2006): Es Cells Derived from Cloned and Fertilized Blastocysts Are Transcriptionally and Functionally Indistinguishable. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 103, 4, 933–938.

Brons, I. G. – Smithers, L. E. – Trotter, M. W. – Rugg-Gunn, P. – Sun, B. – Chuva De Sousa Lopes, S. M. – Howlett, S. K. – Clarkson, A. – Ahrlund-Richter, L. – Pedersen, R. A. et al. (2007): Derivation of Pluripotent Epiblast Stem Cells from Mammalian Embryos. Nature. 448, 7150, 191–195.

Collas, P. – Taranger, C. K. (2006): Epigenetic Reprogramming of Nuclei Using Cell Extracts. Stem Cell Reviews. 2, 4, 309–317.

Dinnyés A. (2004): Őssejtek és a klónozás lehetőségei. Magyar Tudomány. 3, 292–297.

Dinnyés A. – Tian, X. C. – Yang, X. (2008): Epigenetic Regulation of Foetal Development in Nuclear Transfer Animal Models. Reproduction in Domestic Animals. 43, Suppl. 2: 302–309.

Gan, Q. – Yoshida, T. – McDonald, O. G. – Owens, G. K. (2007): Concise Review: Epigenetic Mechanisms Contribute to Pluripotency and Cell Lineage Determination of Embryonic Stem Cells. Stem Cells. 25, 1, 2–9.

Gilbert, S. F. (2006): Developmental Biology. Sinauer Associates Inc. Publishers, Sunderland, Mass.

Gurdon, J. B. (2006): From Nuclear Transfer to Nuclear Re-programming: The Reversal of Cell Differentiation. Annual Review of Cell and Developmental Biology. 22, 1–22.

Hwang, I. – Jeong, Y. W. – Kim, J. J. – Lee, H. J. – Kang, M. – Park, K. B. – Park, J. H. – Kim, Y. W. – Kim, W. T. –

Shin, T. et al. (2012): Successful Cloning of Coyotes through Interspecies Somatic Cell Nuclear Transfer Using Domestic Dog Oocytes. Reproduction Fertility and Development.

Kobolák J. – Horsch, M. – Geissler, S. – Mamo, S. – Beckers, J. – Dinnyés A. (2012a): Comparative Analysis of Nuclear Transfer Embryo-derived Mouse Embryonic Stem Cells. Part II: Gene Regulation. Cell Reprogramming. 14, 1, 68–78.

Kobolák J. – Mamo, S. – Rungsiwiwut, R. – Ujhelly O. – Csonka E. – Hadlaczky G. – Dinnyés A. (2012b): Comparative Analysis of Nuclear Transfer Embryo-derived Mouse Embryonic Stem Cells. Part I: Cellular Characterization. Cell Reprogramming. 14, 1, 56–67.

Okita, K. – Ichisaka, T. – Yamanaka, S. (2007): Generation of Germline-Competent Induced Pluripotent Stem Cells. Nature. 448, 7151, 313–317.

Seandel, M. – James, D. – Shmelkov, S. V. – Falciatori, I. – Kim, J. – Chavala, S. – Scherr, D. S. – Zhang, F. – Torres, R. – Gale, N. W. et al. (2007): Generation of Functional Multipotent Adult Stem Cells from Gpr125+ Germline Progenitors. Nature. 449, 7160, 346–350.

Solti L. (2004): Klónozás és génmódosítás: szép új világ? Magyar Tudomány. 2, 1980–207.

Takahashi, K. – Tanabe, K. – Ohnuki, M. – Narita, M. – Ichisaka, T. – Tomoda, K. – Yamanaka, S. (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.

Taranger, C. K. – Noer, A. – Sorensen, A. L. – Hakelien, A. M. – Boquest, A. C. – Collas, P. (2005): Induction of Dedifferentiation, Genomewide Transcriptional Programming, and Epigenetic Reprogramming by Extracts of Carcinoma and Embryonic Stem Cells. Molecular Biology of the Cell. 16, 12, 5719–5735.

Tesar, P. J. – Chenoweth, J. G. – Brook, F. A. – Davies, T. J. – Evans, E. P. – Mack, D. L. – Gardner, R. L. – McKay, R. D. (2007): New Cell Lines from Mouse Epiblast Share Defining Features with Human Embryonic Stem Cells. Nature. 448, 7150, 196–199.

Thomson, J. A. – Itskovitz-Eldor, J. – Shapiro, S. S. – Waknitz, M. A. – Swiergiel, J. J. – Marshall, V. S. – Jones, J. M. (1998): Embryonic Stem Cell Lines Derived from Human Blastocysts. Science. 282, 5391, 1145–1147.

Wakayama, S. – Jakt, M. L. – Suzuki, M. – Araki, R. – Hikichi, T. – Kishigami, S. – Ohta, H. – Van Thuan, N. – Mizutani, E. – Sakaide, Y. et al. (2006): Equivalency of Nuclear Transfer-derived Embryonic Stem Cells to Those Derived from Fertilized Mouse Blastocysts. Stem Cells. 24, 9, 2023–2033.

Wakayama, T. (2007): Production of Cloned Mice and Es Cells from Adult Somatic Cells by Nuclear Transfer: How to Improve Cloning Efficiency? Journal of Reproduction and Development. 53, 1, 13–26.

Wernig, M. – Meissner, A. – Foreman, R. – Brambrink, T. – Ku, M. – Hochedlinger, K. – Bernstein, B. E. – Jaenisch, R. (2007): In Vitro Reprogramming of Fibroblasts into a Pluripotent Es-Cell-Like State. Nature. 448, 7151, 318–324.

Wilmut, I. – Schnieke, A. E. – McWhir, J. – Kind, A. J. – Campbell, K. H. S. (1997): Viable Offspring Derived from Fetal and Adult Mammalian Cells. Nature. 385, 6619, 810–813.

Wilmut, I. – Beaujean, N. – De Sousa, P. A. – Dinnyés, A. – King, T. J. – Paterson, L. A. – Wells, D. N. – Young, L. E. (2002): Somatic Cell Nuclear Transfer. Nature. 419, 6907, 583–586.

Wilmut, I. – Sullivan, G. – Taylor, J. (2008): A Decade of Progress since the Birth of Dolly. Reproduction, Fertility and Development. 21, 1, 95–100.

Yamanaka, S. (2012): Induced Pluripotent Stem Cells: Past, Present, and Future. Cell Stem Cell. 10, 6, 678–684.
Zhu, Z. Y. – Sun, Y. H. (2000): Embryonic and Genetic Manipulation in Fish. Cell Research. 10, 1, 17–27.
 

LÁBJEGYZETEK

1 A különböző források különböző évszámokat adnak meg, az itt közölt dátumok Scott F. Gilbert Developmental Biology című munkája alapján kerülnek közlésre (Gilbert, 2006). <

2 A születési évszám nem feltétlenül egyezik meg a publikálás évével, illetve a publikáció megjelenésének évével. Ebből adódóan az egyes források között eltérések lehetnek. Ezért összefoglaló táblázatunkban az egyes eredmények tudományos közleményeinek referenciáját is megadtuk, a közzététel évével. Több esetben azonban, tudományos közlemény hiányában, csak a médiában történő bejelentésre hagyatkozhattunk. <

Hans A. E. Driesch; az első állati klónok: tengeri sün embrió blasztomerek izolálása teljes egyed fejlődését eredményezte

Hans Spemann: identikus gőték létrehozása embriófelezéssel

Herbert Webber: a klón fogalmának megalkotása

Hans Spemann: az első, gőtéken végzett sejtmagátültetés embrionális sejtekkel

Spemann (1938)³

Robert Briggs és Thomas King: békaembrió sejtjeivel végzett sejtmagátültetés

Briggs–King, 1952

John Gurdon: sejtmagátültetés karmosbékákon embrionális
és bélhámsejtek alkalmazásával

Tung Ti Csu létrehozta az első klónozott halakat pontyfélékben

 Tung et al, 1963 (kínaiul)⁵

Steen Willadsen: juh sejtmagátültetéses klónozás 16-18 sejtes juhembriósejtekből

 Willadsen, 1984, 1896

Megan és Morag: in vitro tenyésztett embrionális sejtekből létrehozott sejtmagátültetéses juhok

Campbell et al., 1996

Ian Wilmut: az első felnőtt, testi sejtből klónozott emlős, Dolly megszületése

Wilmut et al., 1997

Polly és Molly: az első transzgenikus juhok előállítása sejtmagátültetéssel

Schnieke et al., 1997

Neti és Ditto: az első rhesusmajom klónok

Meng et al., 1997

Gene: az első, magzati fibroblaszt sejtből klónozott szarvasmarha

Cibelli et al., 1998

Cumulina: az első, kumulusz sejtből klónozott laboratóriumi egér

Wakayama et al., 1998

Noto és Kaga: az első, felnőtt testi sejtből klónozott szarvasmarhák

Kato et al., 1998

Mira: az első, embrionális sejtből klónozott kecske

Baguisi et al., 1999

Alexis, Carrel, Christa, Dotcom és Millie: az első klónozott malacok

Polejaeva et al., 2000

Yanyuan: az első felnőtt testi sejtből klónozott kecske

Ombretta: az első muflon klónozása

Loi et al., 2001

Noah: az első klónozott veszélyeztetett állatfaj, a gaur (Bos gaurus)

Lanza et al., 2001

az első klónozott nyulak

Chesne et al., 2002

CopyCat (más néven Carbon Copy): az első klónozott házimacska

Shin et al., 2002

Az első banteng (Bos javanicus) klónozása

Sansinena et al., 2005

Idaho Gem: az első klónozott öszvér

Woods et al., 2003

Prometea: az első felnőtt testi sejtből klónozott ló

Galli et al., 2003

Ditteaux: az első felnőtt testi sejtből klónozott afrikai vadmacska (Felis silvestris)

Gomez et al., 2004

Dewey: az első felnőtt testi sejtből klónozott fehérfarkú szarvas (Odocoileus virginianus)

Ralph: az első klónozott patkány

Zhou et al., 2003

Tabouli és Baba Ganoush: az első kromatin átültetéssel klónozott macskafélék (házimacska – Felis silvestris catus és leopárd macska – Prionailurus bengalensis)

Yin et al., 2005

Snuppy: az első klónozott kutya (afgán agár)

Lee et al., 2005

Libby és Lilly: az első klónozott házi- vagy vadászgörények (Mustela putorius furo)

Li et al., 2006

Klonilla: az első Magyarországon klónozott állat: felnőtt testi sejtből klónozott laboratóriumi egér

Meng et al., 2008

Snuwolf és Snuwolffy: az első klónozott farkasok (Canis lupus)

Kim et al., 2007

Tapsilla: az első hazai, testi sejtből klónozott nyúl

Meng et al., 2009

Megszülettek Snuppy utódai: a tenyésztési programban csak klónozott állatokat kereszteztek egymással

Injaz: az első klónozott teve (Camelus dromedarius) megszületése

Wani et al., 2010

Az első klónozott prérifarkas, más néven kojot (Canis latrans) megszületése interspecifikus klónozással

Hwang et al., 2012

totipotens

egy élőlény minden szövetének létrehozására való képesség, amely az emlősökben kizárólag a zigóta és az első osztódás során keletkező blasztomerek sajátja

pluripotens

a test minden sejtjének létrehozására való képesség (ezek a sejtek az extraembrionális sejteket már nem képesek mind létrehozni)
Például embrionális őssejtek (ES), indukált pluripotens őssejtek (iPS)

multipotens

a felnőtt szervezetben található őssejtek azon képessége, hogy több sejttípussá alakuljanak. Például: hematopoetikus őssejtek

unipotens

egy sejttípus létrehozására képes sejtek, például: spermatogónium őssejtek, kizárólag spermasejtek létrehozására képesek

átprogramozás

a fejlődési és differenciációs képesség megnövekedése; létrehozható sejtmagátültetés, sejtfúzió és genetikai manipuláció révén

transzdifferenciáció,
plaszticitás

nézet, miszerint a szöveti őssejtek több differenciációs útvonal (lineage) sejtjeinek létrehozására is képesek megfelelő szignálok hatására; az elmélet azonban ellentmondásokkal terhelt az emlősök esetén, indukált formája megfelelő faktorok hozzáadásával lehetséges