Letošní nobelisté našli pro buňky „cestu zpět“

Svým způsobem je pro letošní laureáty přelomový rok 1962. Devětadvacetiletý Gurdon publikoval objev, za který byl letos odměněn Nobelovou cenou. Jamanaka se v tomto roce narodil. Gurdonův objev tak letos stejně jako Jamanaka slaví padesátiny. Zatímco Gurdonova cena „zrála“ dost dlouho, cena pro Jamanaku přišla naopak velmi rychle. Nobelovský výbor ocenil objev japonského vědce publikovaný v roce 2006.

Nicméně cesta obou vědců k nejvyššímu vědeckému ocenění rozhodně nebyla jednoduchá. Gurdon chtěl od dětství studovat biologii, hořel nadšením pro motýly. Jeho zápal však vzal bezmála zasvé, když nastoupil na střední školu v Etonu. Správce internátu neměl pochopení pro Gurdonův chov housenek a učitel biologie mu dal na konci školního roku katastrofální hodnocení. V rozhovoru pro vědecký časopis International Journal of Developmental Biology Gurdon přiznal, že kopii tohoto hodnocení má dodnes uschovanou. Píše se v něm: „John Gurdon je hrozný student. Říká sice, že by chtěl pokračovat ve studiu biologie, ale to by bylo naprosté mrhání časem jak pro něj samotného, tak pro toho, kdo by ho měl vyučovat.“ Přesto nakonec Gurdon svou milovanou biologii vystudoval na Oxford University a po složení doktorátu v roce 1960 nastoupil na věhlasný California Institute of Technology.

Šinja Jamanaka vystudoval medicínu na univerzitě v Kobe s přáním věnovat se profesi ortopedického chirurga. Jak ale sám přiznal v rozhovoru pro nobelovský výbor, nepřipadal si pro chirurgii dostatečně zručný, a proto se rozhodl po dráhu badatele v základním biomedicínském výzkumu. Jeho životní volba tak trochu připomíná životní krédo medika Boby z českého filmu Léto s kovbojem, který uvažuje o profesi výzkumníka jen proto, že „lepší je nic nevyzkoumat, než nic nevyléčit“.

„Omne animal ex ovo“ tvrdil už v první polovině 17. století objevitel krevního oběhu William Harvey. A měl pravdu, i když on sám savčí vajíčko nikdy nespatřil. Na počátku vývoje každého živočicha je oplozené vajíčko čili zygota – jediná totipotentní buňka s úžasným potenciálem proměny na kompletního jedince se všemi typy buněk. S postupujícím dělením ztrácejí buňky raného embrya totipotenci, ale udržují si pluripotenci, tedy schopnost diferenciace na kterýkoli typ buněk dospělého organismu. Další diferenciací ztrácejí buňky i pluripotenci. Finálním stadiem buněčné diferenciace je terminálně diferencovaná buňka neschopná dalšího množení i diferenciace.

Tento proces byl vždy považován za nevratný. Gurdonův a Jamanakův přínos světové vědě a lidskému poznání spočívá v tom, že našli pro buňky „cestu zpět“. Prokázali, že i terminálně diferencovanou buňku lze rediferencovat a reprogramací genomu ji navrátit do pluripotentního stavu. Význam jejich objevů sahá daleko za hranice teoretického poznání, i když pro vývojovou biologii jsou Gurdonovy a Jamanakovy objevy stejnou revolucí, jakou byl pro evoluční biologii Darwinův objev přírodního výběru nebo pro genetiku odhalení Mendelových zákonů.

Gurdon a klony žab

Už ve 30. letech 20. století spekuloval německý biolog Hans Spemann o tom, zda by nebylo možné zvrátit diferenciaci specializované tělní buňky tím, že by bylo její jádro vneseno do cytoplazmy vajíčka. Spemann však neměl pro realizaci tohoto pokusu technické prostředky a zůstal jen u teoretizování.

Jako první realizovali Spemannovy vize v roce 1952 Robert Briggs s Thomasem Kingem, kteří vnášeli jádra specializovaných i nespecializovaných somatických buněk žáby skokana levhartího (Rana pipiens) do oplozeného vajíčka zbaveného jeho vlastní jaderné dědičné informace. Pokud přenášeli do vajíčka jádra buněk raného zárodku, vyvíjeli se ze vzniklého embrya zdraví pulci. Po přenosu specializovaných buněk ale embrya ve vývoji nepokračovala. Briggs a King tak došli k závěru, že diferencovanou buňku nelze vrátit zpět do pluripotentního stavu.

John Gurdon o deset let později použil pro stejné pokusy africkou žábu drápatku vodní (Xenopus laevis) a uspěl. Když přenesl jádro specializované buňky střevního epitelu do vajíčka, jehož jadernou dědičnou informaci zničil ultrafialovým zářením, vzniklé embryo dokončilo zdárně vývoj. Jak zavzpomínal John Gurdon v rozhovoru se zástupcem nobelovského výboru, „trvalo deset let, než tyhle výsledky vědecká obec přijala.“ Gurdon provedl své zásadní experimenty ještě jako student v Oxfordu a publikoval je, až když bylo definitivně jasné, že žáby z jeho pokusů jsou ve všech ohledech normální a netrpí skrytými defekty. V té době už byl ve Spojených státech, kde se zabýval zcela jinou problematikou, než je tvorba žabích klonů. Mladíček Gurdon došel ke zcela opačným výsledkům než King a Briggs, kteří už patřili k uznávaným kapacitám, a svět to odmítal akceptovat. Jedním z mála, kteří Gurdonovi od začátku věřili, byl kupodivu Thomas King.

Zjištění, že si dědičná informace specializované somatické buňky udržuje potenciál pro vývoj kompletního jedince a pro diferenciaci na všechny typy buněk včetně gamet, znamenalo zásadní průlom v myšlení vývojových biologů a stalo se ouverturou pro řadu dalších významných objevů a počinů. Techniku přenosu jader do vajíček zbavených vlastní jaderné dědičné informace dále rozvinul biolog dánského původu Steen Willadsen a k finálnímu úspěchu ji dovedli britští biologové Ian Wilmut a Keith Campbell, kteří přenosem jádra somatické buňky dospělého savce do cytoplazmy vajíčka vytvořili ovci Dolly.

Jamanaka a indukované kmenové buňky

Gurdonovy pokusy prokázaly, že specializovaná, plně diferencovaná somatická buňka je po spojení s cytoplazmou vajíčka schopna návratu do nediferencovaného stavu a může pak zopakovat kompletní vývoj jedince. Biology však lákala představa rediferenciace jednotlivých buněk ze specializovaného do pluripotentního stavu. Obecně byl však tento postup považován za prakticky neuskutečnitelný, protože biologové předpokládali, že je k tomu zapotřebí změny aktivity bezpočtu genů.

V této chvíli vstupuje na scénu japonský lékař Šinja Jamanaka předsvědčený, že jemu se tento ambiciózní úkol podaří vyřešit. Jamanaka studoval tzv. embryonální kmenové buňky, které jsou vypěstovány z pluripotentních buněk embrya a vedle schopnosti neomezeného množení si udržují i původní pluripotenci. Jamanaka porovnával terminálně diferencované somatické buňky s pluripotentními embryonálními kmenovými buňkami a pátral po faktorech, jež jsou zodpovědné za pluripotentní stav. Soustředil se na proteiny ze skupiny tzv. transkripčních faktorů, z nichž každý má v buňce na starosti aktivaci desítek či stovek genů. Pro začátek si vybral čtyřiadvacet nejslibnějších transkripčních faktorů a ty pak aktivoval ve specializovaných, plně diferencovaných buňkách myší pokožky v naději, že u nich dosáhne pluripotence. Podařilo se mu tak proměnit několik málo buněk na buňky, jež v mnoha ohledech připomínaly embryonální kmenové buňky. Postupnou redukcí počtu použitých transkripčních faktorů nakonec vytipoval pouhou čtveřici molekul – konkrétně transkripční faktory c‑Myc, Oct3/4, Sox2 a Klf4 – schopných vyvolat konverzi kožních fibroblastů na pluripotentní kmenové buňky. Protože tohoto stavu bylo dosaženo indukcí exprese vybraných transkripčních faktorů, buňky začaly být označovány nejprve jako indukované kmenové buňky a později jako indukované pluripotentní kmenové buňky (iPSC). O rok později, tedy v roce 2007, získal Jamanaka reprogramací lidských fibroblastů lidskými transkripčními faktory c‑Myc, Oct3/4, Sox2 a Klf4 také lidské iPSC.

Také Jamanakův objev byl ve své době tak převratný, že mu mnozí odborníci odmítali uvěřit. Otevřel celé nové odvětví biomedicínského výzkumu. Na jedné straně je možné odebrat např. kožní buňky pacientů trpících dědičnými formami neurodegenerativních onemocnění, reprogramovat je na indukované pluripotentní kmenové buňky a u těch pak změnou kultivačních podmínek navodit diferenciaci v neurony. Vědci tak mohou přímo pozorovat, jak dědičný defekt poznamenává vývoj a funkce nervových buněk, a hledat nové léčebné postupy, jež by nežádoucím degenerativním procesům zabránily. Na druhé straně lze odebrat somatické buňky pacientům, převést je do pluripotentního stavu a pak je in vitro diferencovat na buňky použitelné k léčbě nemocného dárce buněk. Tyto buňky by měl pacientův imunitní systém dobře tolerovat. Klinické zkoušky těchto léčebných postupů využívajících jedinečných vlastností iPSC zahájí Jamanakův tým v příštím roce. Předtím se musel vypořádat s celou řadou potíží, např. se silným sklonem iPSC k nádorovému bujení, jež souvisí s využitím transkripčních faktorů c‑Myc a Klf4, patřících k silným onkogenům.

Jamanakův objev povzbudil mnohé vědce pracující na problematice transdiferenciace buněk. Ta spočívá v aktivaci vybraných transkripčních faktorů ve specializovaných kmenových buňkách tak, aby se buňky proměnily přímo na jiný specializovaný typ buněk – bez přechodu přes pluripotentní stadium reprezentované indukovanými pluripotentními kmenovými buňkami. Podařilo se tak už například v podmínkách in vitro transdiferencovat fibroblasty na kardiomyocyty nebo neurony. U myší se podařilo přímo v pankreatu transdiferencovat inzulin‑negativní buňky na beta‑buňky produkující inzulin.

„Navzdory práci v laboratoři jsem zůstal lékařem,“ svěřil se Jamanaka v rozhovoru se zástupcem nobelovského výboru. „Mým hlavním cílem zůstává po celý můj život dovést tyto kmenové buňky k lůžku nemocných, k pacientům, na kliniky…“

Zdroj: Medical Tribune