Gurdon i Yamanaka – ale za co?

79-letni Brytyjczyk John Gurdon oraz 50-letni Japończyk Shinya Yamanaka zostali wczoraj wyróżnieni Nagrodą Nobla z dziedziny fizjologii i medycyny „za odkrycie, że dojrzałe komórki mogą zostać przeprogramowane z powrotem w komórki pluripotencjalne”. Czyli właściwie za co? I jak to się stało, że odkrycia, za które nagrodzono obu panów, dzieli blisko 45 lat?

John Gurdon i najważniejsze pytanie biologii rozwoju

John Gurdon jest biologiem zasłużonym, a biorąc pod uwagę jego wiek, należałoby dodać, że raczej u schyłku kariery zawodowej. Dochapał się zaszczytu, jakiego niewielu ludzi zaznaje za życia: w 2004 roku instytut badawczy zajmujący się biologią rozwoju oraz biologią raka, należący do Uniwersytetu w Cambridge, został nazwany (czy raczej przemianowany) jego imieniem. Trzy lata temu przyznano mu nagrodę Laskera, którą w nieco ponad dziesięcioletniej historii tego wyróżnienia otrzymywali też inni Nobliści, np. Sydney Brenner, Robert Edwards i Jack Szostak. Sirem tytułować go należy od połowy lat 90., a członkiem (Fellow) Towarzystwa Królewskiego został na początku lat 70. Przyznana wczoraj nagroda jest więc tylko tak naprawdę wisienką na torcie zaszczytów.

A cała jego kariera mogła potoczyć się zupełnie inaczej¹. Zniechęcony nauką biologii w szkole, polegającej w dużej mierze na zapamiętywaniu tego, co nauczyciel powiedział na lekcji², Gurdon, który pamięć miał kiepską, więc z biologią radził sobie gorzej niż przeciętnie, wyruszył na studia z twardym postanowieniem studiowania tzw. klasyki (czyli odpowiednika ogólnych studiów humanistycznych). To jednak nie było mu dane – pozwolono mu studiować wszystko, poza greką i łaciną. Zapisał się więc na kurs zoologii. I tak mu zostało.

W połowie lat 50. Gurdon rozpoczął swój doktorat na Uniwersytecie Oksfordzkim pod kierunkiem Łotysza, Michaiła Fischberga. Fischberg wspierał Gurdona bardzo entuzjastycznie w jego pracy nad próbami transplantacji jądra komórkowego u żab. Że taka transplantacja jest możliwa, zaledwie kilka lat wcześniej po raz pierwszy pokazali Robert Briggs oraz Thomas J. King³.

A podstawowy problem nie był błahy. W latach 50. wiedziano bowiem, ze komórki na embrionalnym etapie rozwoju pozostają przez pewien okres czasu totipotencjalne – to znaczy, mogące w przyszłości przekształcić się w każdy rodzaj komórek specjalistycznych. Im bardziej jednak zaawansowany stopień rozwoju organizmu, tym więcej pojawia się komórek wyspecjalizowanych do pełnienie różnych funkcji, do budowania różnych tkanek i narządów. Obiegowa hipoteza była zaś taka, że po pierwsze, komórki, które raz zaczną się specjalizować, nie mogą już powrócić do stadium totipotencjalnego; po drugie zaś, że w genomie komórek zachodzą najprawdopodobniej jakieś trwałe zmiany, które temu powrotowi zapobiegają⁴.

Dlatego pokazanie, że można z komórki jajowej żaby usunąć jądro komórkowe, a następnie zastąpić je jądrem pochodzącym z wyspecjalizowanych już komórek kijanki, i wciąż wyhodować z tego zdrową, w pełni funkcjonalną rechoczącą żabę – czyli dokładnie to, czego na przełomie lat 50. i 60. dokonał Gurdon – było nie lada osiągnięciem i odkryciem niezwykle ważnym. Okazało się bowiem, że jądro komórkowe nie traci wraz z rozwojem organizmu zdolności pluripotencjalnych. W biologii nastąpiła nie tak znowu częsta zmiana paradygmatu.

Chociaż nie jest to przedmiotem wczorajszego wyróżnienia, przeczytawszy ten krótki opis doświadczenia wykonanego przez Gurdona większość z Was powinna się złapać za głowę i zawołać Deja vu! Bo myśmy to wszyscy rzeczywiście vu – w 1996 roku, gdy świat obiegały zdjęcia owieczki Dolly, pierwszego sklonowanego ssaka, w prasie i telewizji⁵ pojawiały się takie same ilustracje, jak ta poniżej, z tym jednym wyjątkiem, że żabę zastępowała w nich owca:

Schemat przełomowego doświadczenia Gurdona. /źródło: materiały prasowe Komitetu Noblowskiego

W swojej dalszej pracy akademickiej Gurdon był pionierem także w zakresie prac nad translacją cząsteczek mRNA wstrzykiwanego jego modelowej żabie, Xenopus. Co to znaczy? Oznacza to, że opracował technikę pozwalającą na odczytanie (przez mechanizmy molekularne w komórkach żaby) treści cząsteczek mRNA, a następnie wyprodukowanie na podstawie tej informacji białka. Technika ta była potem szeroko stosowana do badania struktury i funkcji nieznanych dotąd białek. Pomimo jednak jego późniejszych zasług, Komitet Noblowski nagrodził wczoraj te najwcześniejsze, na których bazowała cała jego dalsza kariera. Nie bez powodu – bez zmiany w naszym rozumieniu tego, że komórki mogą się cofnąć z powrotem do totipotencjalnego stadium macierzystego, ostatnie 15 lat badań medycznych nad komórkami macierzystymi mogłoby się równie dobrze nie wydarzyć.

Shinya Yamanaka – komórki macierzyste szturmują salony

Problemem badań na komórkach macierzystych było jednak bardzo długo to, że do badań trzeba było stosowań „oryginalne” – czyli embrionalne – komórki macierzyste. Chociaż zatem o potencjale komórek macierzystych uczyliśmy się powoli już od lat 60. Ubiegłego stulecia, badania medyczne były w dużej mierze ograniczone do badań na komórkach zwierzęcych.

Żeby zdać sobie sprawę z etycznych implikacji takich badań wystarczy przypomnieć sobie histeryczną reakcję mediów na jakiekolwiek doniesienia o sklonowaniu człowieka pomimo tego, że nikomu się to jeszcze nie udało. Każda wzmianka o jakiejkolwiek ingerencji w zarodek spotyka się z oporem materii godnym lepszej sprawy. Pomimo więc niebywałego wprost potencjału tego pola badań, komórki macierzyste z medycyną człowieka przez lata były w rozbracie. Jednak do czasu.

W latach poprzedzających kluczowe odkrycie, Yamanaka skupił się na badaniu czynników transkrypcyjnych w embrionalnych komórkach macierzystych⁶. Czynniki transkrypcyjne to białka, które regulują wiele procesów związanych z odczytem DNA – kontrolując na przykład to, jakie inne białka i w którym momencie, są produkowane. W tym samym okresie zaczęły się bowiem pojawiać prace opisujące, jak czynniki transkrypcyjne właśnie mogą być wykorzystane, aby zmusić wyspecjalizowane komórki, aby zaczęły się zachowywać jak inny rodzaj komórek – czyli jak można je przeprogramować. Grupa Thomasa Grafa opisała w 2004 roku przeprogramowanie limfocytów B w makrofagi, a w 2006 – limfocytów T w makrofagi i komórki dendrytyczne⁷.

Przełomowe prace Yamanaki ukazały się w 2006 i 2007 roku. Pierwsza opisywała przeprogramowanie komórek mysich, druga ludzkich. Znacznie ważniejsze niż sam fakt przeprogramowania było jednak to, w jaki rodzaj komórek zostały te komórki przekształcone: a mianowicie w komórki macierzyste. Tak uzyskiwane komórki macierzyste nazywa się od tej pory indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi, albo w skrócie iPSC. Metoda wykorzystana przez Yamanakę jest nieco zawiła, a polega na wykorzystaniu retrowirusów do transdukowania dorosłych komórek, które następnie przekształcają się w komórki macierzyste.

Metoda opisana przez Yamanakę, chociaż oczywiście zadziałała, posiada jednak także wiele ograniczeń. Wiele technicznych aspektów procesu indukcji zmieniło się w ogromnym stopniu w ciągu zaledwie 6 lat, od opisania tej procedury po raz pierwszy. Badania Yamanaki pokazały jednak jedną rzecz: a mianowicie, jak można uzyskać ludzkie komórki macierzyste bez plątania się w etyczną gmatwaninę badań na embrionach. Trudno mi w prostych słowach wyrazić ogromne znaczenie tego dokonania, oddam więc tutaj głos kilku specjalistom. Profesor etyki praktycznej na Uniwersytecie Oksfordzkim, Julian Savulescu, powiedział wczoraj:

„To jest nie tylko wielki krok dla nauki, ale także wielki krok dla ludzkości⁸. Yamanaka i Gurdon pokazali, że naukę można uprawiać w sposób etyczny. Yamanaka wziął pod uwagę etyczne wątpliwości dotycząc badań na embrionach i tak zmienił kierunek swoich badań, aby były one akceptowalne dla wszystkich. Należy mi się nie tylko Nagroda Nobla z medycyny, ale także z etyki⁹.”

Profesor neurologii na UCL, John Hardy dodał za to:

„Praca niezliczonych laboratoriów opiera się na odkryciach [Gurdona i Yamanaki].”

Z Noblistami twarzą w twarz: po lewej John Gurdon, po prawej Shinya Yamanaka. /źródło: materiały prasowe Komitetu Noblowskiego

Najważniejsze jednak, moim zdaniem, słowa – dla wszystkich pasjonatów nauki, młodych badaczy, uczniów zafascynowanych nauką, czy eksperymentatorów-amatorów, którzy mogą myśleć, że dzisiaj w nauce nie liczy się nic, dla czego nie ma od razu widocznego zastosowania – najważniejsze przesłanie padło z ust samego Johna Gurdona:

„Jest olbrzymią satysfakcją widzieć, jak badania podstawowe w najczystszej formie, których oryginalnym celem było zbadanie genetycznej tożsamości różnych rodzajów komórek, okazały się mieć tak przejrzyste i dosadne implikacje w badaniach nad ludzkim zdrowiem.”

Przypisy:

1. Zachęcam do rzucenia okiem na pracę Gurdona, która jest swego rodzaju osobistą podróżą przez historię jego badań naukowych. Z niej zresztą biorą się wszystkie pikantne detale w tym tekście: From Nuclear Transfer to Nuclear Reprogramming: The Reversal of Cell Differentiation (2006), J.B.Gurdon, Annual Review of Cell and Developmental Biology 22:1-22; doi: 10.1146/annurev.cellbio.22.090805.140144

2. Jak mówi sam Gurdon, w tamtych powojennych czasach po prostu nie było podręczników.

3. Ci dwaj uczeni, gdyby jeszcze żyli, z pewnością byliby murowanymi kandydatami do podziału tej nagrody. Jednakże Briggs zmarł już blisko 30 lat temu – w 1983 roku, zaś King odszedł w 2000 roku.

4. Tu trzeba zdać sobie sprawę z tego, ile z tych hipotez pozostawało w sferze domysłów: w połowie lat 50. dopiero zaczynano sobie na dobre zdawać sprawę, jak działa genetyka. Strukturę DNA, której zrozumienie pozwoliło rozpracować mechanizmy np. powielania DNA czy rekombinacji, Watson i Crick opisali dopiero w 1953 roku.

5. Bo jeszcze nie internecie – o nie, starzy górale jeszcze pamiętają, jak to jest o Noblu czytać dopiero na drugi dzień, a nie 30 sekund po ogłoszeniu.

6. Induced pluripotency: history, mechanisms, and applications (2010), Stadtfeld & Hochedlinger, Genes & Dev 24:2239-2263; doi: 10.1101/gad.1963910

7. Tu powinien się Wam przypomnieć zeszłoroczny Nobel z fizjologii i medycyny dla Ralpha Steinemana.

8. Tu pana profesora chyba trochę poniosło.

9. A tutaj nikt mu nie przypomniał, że z etyki nagrody nie ma. Ale może jeszcze dostanie mu się pokojowa, kto wie…