Brytyjczyk i Japończyk laureatami Nagrody Nobla z medycyny

Prof. John B. Gurdon w 1962 r. pierwszy odkrył, że wyspecjalizowane, dojrzałe komórki można cofnąć w rozwoju, czyli, że proces ich różnicowania się jest odwracalny. Wykazał to w eksperymencie, w którym opróżnił jaja (oocyty) żaby Xenopus laevis z jądra komórkowego, a potem zastąpił je jądrem pobranym z komórki jelita kijanki. Jądro dojrzałej komórki zostało w ten sposób "wyzerowane" i pobudzone do rozwoju zarodka i nowego organizmu.

Było to możliwe ponieważ każda wyspecjalizowana komórka somatyczna, jak np. komórki jelita, zawiera pełny materiał genetyczny (podobnie jak komórki zarodków). Po umieszczeniu jej jądra w komórce jajowej można odblokować DNA, by nie kodowało tylko określonego typu komórki. Można też sprawić, by uruchomił cały proces powstania nowego organizmu.

Najpierw powstają wtedy niedojrzałe komórki, nazywane pluripotentnymi komórkami macierzystymi, z których mogą powstać wszystkie tkanki i narządy nowego organizmu: mięśnie, kości, ścięgna oraz wątroba, serce, płuca i mózg. We wszystkich tworzących je komórkach jest pełny zestaw materiału genetycznego. W latach pięćdziesiątych XX w. wydawało, że ten proces jest jednokierunkowy i nie można go odwrócić. Uformowane komórki somatyczne nie mogą już pełnić roli niedojrzałych komórek macierzystych.

Brytyjski biolog dowiódł, że w pewnych warunkach jest to możliwe, ale przeprowadził swój eksperyment jedynie na kijankach. Nie potrafił powtórzyć go na komórkach pobranych od dorosłej żaby. Uznał zatem, że cofanie w rozwoju komórek somatycznych jest możliwe, ale jedynie w ograniczonym zakresie. Wiele badaczy długo nawet powątpiewało w jego doświadczenia. Tym bardziej, że nie udawało się ich powtórzyć na innych gatunkach zwierząt, szczególnie na ssakach.

Tak było do 1997 r., gdy Ian Wilmut z Edynburga oznajmił światu, że po raz pierwszy sklonował owcę Dolly z komórek somatycznych. Wtedy nie było już wątpliwości, że można "odróżnicować" dojrzałe komórki wszystkich zwierząt, w tym również ludzi. Otworzyło to drogę do klonowania organizmów wyższych, jak też do inżynierii tkankowej, czyli przekształcania komórek i hodowania w laboratorium tkanek i narządów.

Stało się to możliwe tuż po wyhodowaniu owcy Dolly w 1998 r. Prof. James Thomson z University of Wisconsin-Madison, jeden z pionierów "biologicznego kreacjonizmu", pierwszy wyizolował wtedy komórki macierzyste (z zarodka myszy) i pokazał, że można je w laboratorium rozmnażać.

Kłopot polegał na tym, że biolodzy potrafili manipulować komórkami cofając je w rozwoju metodą klonowania, tzn. przekształcając je w komórki zarodkowe. Dopiero z nich można było pobierać pluripotentne komórki macierzyste, które nadawały się do hodowli tkankowych. Ta technika od początku budziła wiele kontrowersji, gdyż wymaga zniszczenia zarodka.

Na tym etapie eksperymentów przełomowe były badania drugiego tegorocznego laureata Nagrody Nobla prof. Shinya Yamanaki z uniwersytetu w Kyoto. Uczony po raz pierwszy cofnął w rozwoju pobrane z organizmu myszy fibroblasty, komórki skóry. W 2006 r. wykazał, że jest to możliwe przy użyciu zaledwie czterech genów, które fibroblasty przekształcają w komórki macierzyste. Nazwano je indukowanymi komórkami pluripotentnymi. Z nich z kolei można wyhodować nowe, wyspecjalizowane komórki skóry, kości, naczyń krwionośnych, nerwów czy mięśni nie niszcząc zarodka.

Japoński naukowiec powtórzył eksperyment również na ludzkich fibroblastach. Pobrał je ze skóry twarzy 38-letniej kobiety i po wprowadzeniu czterech genów (Oct3/4, Sox2, Klf4 i c-Myc) również przekształcił je w komórki macierzyste.

W tym samym czasie takie samo doświadczenia przeprowadził prof. James Thomson. Przeprogramował fibroblasty ludzkiego płodu i napletka noworodka. Dodał tylko nieco inny koktajl "genów macierzystości": OCT4, SOX2, LIN28 i NANONG.

Japoński naukowiec poszedł jeszcze dalej i z ludzkich fibroblastów uzyskał komórki serca oraz układu nerwowego.

Od tego czasu przeprowadzono wiele innych eksperymentów z przeprogramowywaniem komórek. Na początku 2012 r. szkoccy specjaliści, którzy sklonowali owieczkę Dolly, zamienili ludzkie komórki skóry na komórki mózgu (wykorzystali komórki pobrane od mężczyzny chorego na schizofrenię).

Przed kilkoma dniami kierowana przez Mitinori Saitou grupa naukowców z japońskiego uniwersytetu w Kyoto poinformowała, że wyhodowała z komórek skóry myszy komórkę jajową, którą zapłodnili i doprowadzili do narodzin potomstwa. Potem je rozmnożyli w sposób naturalny i uzyskali kolejne pokolenie gryzoni.

"Mysie potomstwo było zdrowe i zdolne do zapłodnienia" - podkreślił dr Katsuhiko Hayashi z uniwersytetu w Kyoto w rozmowie z BBC.

Mitinori Saitou przed rokiem udowodnił, że z komórek somatycznych myszy można wyhodować w laboratorium również plemniki. Wykorzystał je potem w procedurze zapłodnienia in vitro, a uzyskane zarodki wszczepił myszom, które również urodziły potomstwo.

Nie wiadomo, kiedy będzie można tę technikę wykorzystać do sztucznego zapłodnienia u ludzi. Byłaby ona szansą dla kobiet, które nie wytwarzają zdolnych do zapłodnienia komórek jajowych. Na razie są prowadzone próby odtwarzania w laboratorium niektórych tkanek, np. tchawicy. Dąży się też do zregenerowania uszkodzonego rdzenia kręgowe. Gdyby się to udało, przynajmniej niektórym osobom sparaliżowanym można byłoby przywrócić sprawność.

"Jeden z większych przełomów w nauce"

- Jest to bardzo zasłużona i powszechnie przewidywana nagroda. Bardzo się cieszę, że John Gurdon i Shinya Yamanaka zostali wyróżnieni. Gurdon dokonał odkrycia bardzo dawno temu. Już w latach 60. udowodnił, że materiał genetyczny dojrzałej komórki może posłużyć do odtworzenia całego organizmu - powiedział prof. Kaczmarek, kierownik Pracowni Neurobiologii Molekularnej w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN.

Podkreślił, że drugi z laureatów Yamanaka prowadził swoje badania wiele lat później. - To jest praca z roku 2006, która stała się przełomem w bardzo powszechnie dzisiaj prowadzonych badaniach tzw. indukowalnych komórek macierzystych. Okazało się, że można cofnąć komórkę już zaawansowaną, zróżnicowaną do komórki macierzystej, czyli zdolnej do odtworzenia - być może - całego organizmu za pomocą wprowadzenia raptem czterech genów - wyjaśnił prof. Kaczmarek

Zdaniem prof. Kaczmarka "jest to wielka nadzieja, jeden z większych przełomów w historii ludzkości, a na pewno nauki". - Jeżeli potrafilibyśmy z dorosłego organizmu pozyskiwać komórki macierzyste, to teoretycznie moglibyśmy z nich odtworzyć dowolne narządy człowieka - podkreślił naukowiec, dodając, że w jego ocenie zastosowanie komórek macierzystych w medycynie nie ma ograniczeń. - Te nadzieje nie zostały jeszcze potwierdzone, ale jest to z pewnością jeden z najważniejszych kierunków rozwoju medycyny w ostatnich latach - powiedział neurobiolog.

Sylwetki laureatów

Brytyjski biolog, sir John Bertrand Gurdon urodził się 2 października 1933 w Dippenhall (Wielka Brytania). Uczęszczał do Eton College. Początkowo studiował na Oksfordzie filologię klasyczną, jednak porzucił te studia na rzecz zoologii.

W roku 1960 zrobił doktorat na uniwersytecie oksfordzkim i pracował na tamtejszym wydziale zoologii. Następnie trafił na staż do California Institute of Technology (Caltech). W roku 1972 przeniósł się na brytyjski uniwersytet w Cambridge, gdzie został profesorem. Obecnie pracuje w Gurdon Institute w Cambridge.

Od roku 1971 jest członkiem najstarszego na świecie towarzystwa naukowego - istniejącego od roku 1660 brytyjskiego Royal Society. W roku 1995 uzyskał tytuł szlachecki. W roku 2004 na jego cześć Wellcome Trust/Cancer Research UK Institute for Cell Biology and Cancer zmienił nazwę na Gurdon Institute. Jest laureatem licznych nagród i medali - w tym przyznanej w roku 2009 amerykańskiej Albert Lasker Basic Medical Research Award. Nagroda Laskera często poprzedza przyznanie nagrody Nobla, co i tym razem się potwierdziło.

Pionierskie prace Gurdona dotyczą przeszczepu jądra komórkowego oraz klonowania. Przeszczep jądra komórkowego był przedmiotem jego pracy doktorskiej. W roku 1958 udało mu się pobrać nienaruszone jądro komórkowe z komórki jelita kijanki żaby Xenopus i zastąpić nim jądro komórki jajowej. W ten sposób uzyskał identyczną genetycznie kopię kijanki - sklonował ją. Kontynuował te badania w California Institute of Technology.

Eksperymenty Gurdona wzbudziły uwagę środowiska naukowego. Narzędzia i techniki pozwalające na transfer jądra, które opracował, nadal są używane. Samo określające identyczną genetycznie kopię organizmu słowo "klon" wywodzące się z greckiego słowa oznaczającego gałązkę, było w użyciu już od początku XX wieku. Jednak w roku 1963 brytyjski biolog J.B. Haldane, opisując wyniki badań Gurdona jako jeden z pierwszych użył słowa "klon" w odniesieniu do zwierzęcia - w tym przypadku żaby.

Najnowsze badania Gurdona skupiały się na analizie sygnałów wymienianych pomiędzy komórkami w trakcie procesu ich różnicowania się. Starał się również wyjaśnić mechanizmy umożliwiające "przeprogramowanie" jądra komórkowego, między innymi demetylację przeszczepionego DNA. Dowiódł, że wyspecjalizowaną komórkę ciała można "cofnąć" w rozwoju i sprawić, że rozwinie się z niej cały organizm - choć nie zawsze jest to tak łatwe, jak w przypadku kijanek.

Drugi nagrodzony tegorocznym Noblem uczony Shinya Yamanaka urodził się w 1962 r. w Osace. Kształcił się na Uniwersytecie w Kobe, gdzie w 1987 r. ukończył studia medyczne. Początkowo pracował jako chirurg ortopeda, później jednak zdecydował poświęcić się badaniom podstawowym.

Na Uniwersytecie w Osace zrobił swój doktorat w dziedzinie nauk farmakologicznych, a staż podoktorski odbywał w amerykańskim San Francisco w Gladstone Institute of Cardiovascular Disease, działającym przy Uniwersytecie Kalifornijskim.

Następnie współpracował z japońskim Instytutem Nauki i Technologii Nara. Obecnie pracuje na Uniwersytecie w Kyoto, gdzie kieruje Centrum Badań i Zastosowań Indukowanych Pluripotentnych Komórek Macierzystych (Center for iPS Cell Research and Application). Współpracuje również z Gladstone Institute.

Prof. Shinya Yamanaka jako pierwszy otrzymał tzw. indukowane pluripotentne komórki macierzyste, czyli przekształcił dojrzałe komórki tak, że przypominały komórki zarodków - tworzywo wszystkich tkanek ciała.

Prof. Yamanaka szukał odpowiedzi na pytanie, czy można zmodyfikować dojrzałą komórkę w taki sposób, aby odzyskała swoje dawne możliwości różnicowania, czyli stała się komórką macierzystą. Problemem wynikał z wcześniejszych badań nad klonowaniem, w tym z przeprowadzonych 40 lat wcześniej doświadczeń drugiego z tegorocznych noblistów - Johna B. Gurdona.

Uczonym dotychczas udawało się skłonić dojrzałe komórki do różnicowania, czyli do tworzenia różnych tkanek, po wprowadzeniu materiału genetycznego pobranego z jądra dojrzałej komórki organizmu do komórki jajowej. Nie wiadomo było jednak, czy całą komórkę można "odmłodzić" i uczynić z niej komórkę macierzystą.

Japońskiemu uczonemu udało się na to pytanie odpowiedzieć. Badał on komórki macierzyste pobrane z embrionów i hodowane w laboratorium. Były to tzw. komórki pluripotentne, czyli takie, z których mogą powstać wszystkie możliwe tkanki organizmu.

Prof. Yamanaka szukał genów, które podtrzymują niedojrzały stan komórek zarodkowych. Zidentyfikował kilka z nich i przeprowadził doświadczenie, czy wprowadzenie ich do dojrzałej komórki spowoduje jej przeprogramowanie i powrót do stanu komórki macierzystej. Eksperyment zakończył się powodzeniem. Okazało się, że wprowadzenie czterech genów do dojrzałej komórki czyni ją na powrót macierzystą i pluripotentną.

Odkrycie, że nienaruszona, dojrzała komórka może zostać przeprogramowana w ten sposób zostało ogłoszone w 2006 r. i natychmiast zostało uznane za przełomowe, ponieważ dawało szansę na wynalezienie nowych, skutecznych metod leczenia wielu chorób.

Prof. Yamanaka przewodniczy Międzynarodowemu Towarzystwu Badań Komórek Macierzystych (International Society for Stem Cell Research - ISSCR). W 2009 r. wspólnie w drugim tegorocznym noblistą Johnem B. Gurdonem zostali uhonorowani nagrodą Albert Lasker Basic Medical Research Award. To prestiżowe wyróżnienie uważane jest za zapowiedź Nagrody Nobla. Z kolei w 2011 r. prof. Yamanaka dostał inną znaczącą nagrodę, której laureaci również często stają się noblistami - przyznawaną przez izraelską Fundację Wolfa - Wolf Prize in Medicine.