Buněčná identita a reprogramace

Domů

Naše tělo je složeno z několika stovek druhů specializovaných buněk a každá z nich má své specifické vlastnosti, díky kterým může plnit svou funkci. Každá buňka v těle však obsahuje ty samé geny – stejnou biologickou výbavu, co tedy způsobuje, že každý buněčný typ je jiný? Je možné nějak kontrolovat buněčnou identitu nebo ji dokonce měnit? Mohlo by nám to pomoci při vývoji nových léčebných metod?

Čím se liší kožní buňka od krevní buňky?

Specializované buňky našeho těla, jako jsou buňky krevní, kožní, nebo svalové, se vyvinuly z buněk kmenových. Pro kmenové buňky je specifické, že se mohou sebeobnovovat neboli při dělení vytvářet stejný typ buněk jako buňka původní. Mohou se ale také vyvíjet (diferencovat) a vytvářet specializované buňky, které se pak skládají v jednotlivé tkáně. Například kožní kmenové buňky mohou diferencovat a vytvářet specializované buňky kůže, krevní kmenové buňky zase mohou produkovat specializované krvinky.

Diferenciace z kmenové buňky v plně specializovanou buňku zahrnuje několik vývojových mezikroků. Jestliže buňka v tomto vývojovém procesu postoupí dostatečně daleko, začne se vyvíjet do buňky konkrétní tkáně a nakonec do nové specializované buňka. Buňka je tedy nejprve předurčena stát se krevní buňkou a následně se specializuje v bílou krvinku (leukocyt) nebo červenou krvinku (erytrocyt), které mají naprosto rozdílné funkce. Jakmile se buňka jednou specializuje v krvinku, už se nemůže změnit v jiný typ, například buňky srdce nebo mozku, alespoň dokud se vyskytuje ve svém přirozeném prostředí (v tomto případě v krvi). Krevní buňky si totiž vyvinuly vlastnosti a schopnosti potřebné pouze pro ně, ale ne pro buňky srdeční. Každá z buněk v těle však obsahuje stejnou genetickou výbavu, v podstatě se jedná o jakousi knihovnu návodů pro vše, co by mohla buňka v těle dělat. Takže co odlišuje jednu specializovanou buňku od jiné?

Ne všechny geny v buňce jsou vždy aktivní. Jejich aktivitu ovlivňují bílkoviny nazývané transkripční faktory, které jsou schopné působit na geny a vypínat nebo zapínat je, případně zvyšovat nebo snižovat jejich aktivitu. Geny, které jsou zapnuté, jsou označovány jako exprimující (přepisované) geny, protože jsou použity jako vzor pro vznik bílkovin. Soubor bílkovin vytvořených danou buňkou určuje její tvar a funkci.

Takže ačkoli srdeční buňky obsahují ty samé geny jako bílá krvinka, exprimují pouze geny spojené s vlastnostmi srdečních buněk. Tento proces musí být velmi pečlivě regulovaný, takže pokud se buňka vydá danou cestou, většinou už nemůže změnit směr. Ale neaktivní geny potřebné v srdečních buňkách mohou být teoreticky uměle aktivovány i v bílých krvinkách, a tak dát bílé krvince nové vlastnosti spojené se srdečními buňkami. Na tomto konceptu je založen současný výzkum, známý jako reprogramace buněčného osudu.

Když to shrneme, buňka získává svou identitu podle genů, které jsou aktivní a které určují unikátní funkce specifické pro daný buněčný typ, zatímco geny potřebné pro jiné buněčné typy jsou neaktivní. Toto není důležité pouze pro určení osudu dané buňky během jejího vývoje, ale i později, kdy buňky plní svojí funkci.

Buněčná identita je definovaná expresí (aktivitou) určitých genů a vznikem odpovídajících bílkovin. Soubor exprimovaných genů (expresní vzorec) sleduje komplexní kaskádu během vývoje, pro který je zásadní načasování vzniku bílkovin a jejich množství. To v jaký typ buňky se buňka specializuje, vědci nazývají buněčný osud. Buněčný osud mohou určovat základní procesy, jako je růst, migrace nebo interakce s okolními buňkami a tkáněmi. Ale i to je možné změnit.Studie Thomase Grafa je postavena na objevech ostatních vědeckých skupin, které se zabývají manipulací s buněčnou identitou, včetně raných metod klonování a objevu přeměny kožních buněk (fibroblastů) ve svalové buňky. Práce těchto vědců ukázala, že buňky jsou schopné přeměny mezi příbuznými liniemi (např. různé druhy krevních buněk). Pozdější výzkumy ukázaly, že je možné přeměňovat i vzdáleně příbuzné buňky. Někteří vědci zastávají názor, že je možné přeměnit jakoukoli specializovanou buňku v jinou, pokud jsou ovšem známé všechny reprogramační faktory (správné geny a bílkoviny). Zatím však není zcela jisté, zda transdiferenciční proces opravdu pokaždé kompletně a dokonale změní identitu buněk.

Například Thomas Graf se svým týmem ve Španělsku vyvinul metodu, jak změnit identitu již diferencovaných krevních buněk. Podařilo se jim přeměnit zralé B-buňky v jiný typ krevních buněk – makrofágy. B-buňky patří do takzvané lymfoidní linie a jsou důležitou součástí imunitního systému, protože vytvářejí protilátky proti útočníkům, jako jsou bakterie a viry, čímž chrání lidské tělo. Makrofágy patří do jiné linie – myeloidní - a jsou považovány za univerzální obranu organismu, protože jsou schopné viry nebo bakterie pozřít, podílí se také na aktivaci dalších buněk imunitního systému a napomáhají opravě tkání. Graf se svým týmem zjistil, že transkripční faktory, které řídí buněčný osud během normálního vývoje specializovaných buněk, mohou využít i opačným způsobem: přeměnit plně vyvinuté B-buňky v makrofágy. Vložením transkripčního faktoru důležitého pro vývoj makrofágů do B-buněk vědci přepsali jejich identitu. Po přidání transkripčního faktoru se v původních B-buňkách vypnula exprese genů typických pro tento druh buněk a naopak se zapnuly geny specifické pro makrofágy, což vedlo ke změně buněčné identity. Tato metoda se nazývá reprogramace linií nebo transdiferenciace.

Jak může kontrola buněčného osudu pomoci s novými léčebnými postupy?

Od doby vzniku regenerativní medicíny hledají vědci způsob, jak v laboratoři vytvářet specifické buňky potřebné k léčbě některých onemocnění nebo jak opravit poškozené a nefunkční buňky uvnitř těla. Když se naučíme kontrolovat a měnit buněčný osud v laboratořích, získáme nástroj pro:

Studium nemocí a toho, jak jsou ovlivňují konkrétní buněčné typy

Testování a vývoj léčiv, které by mohly napravit nenormální změny

Produkci buněk v laboratorních podmínkách, které by mohly nahradit zničené nebo poškozené buňky v těle.

V roce 2006 byl objeven způsob, kterým lze přeměnit specializovanou kožní buňku v buňku s vlastnostmi embryonálních kmenových buněk, tento typ buněk je nyní známý jak indukované pluripotentní kmenové buňky (induced Pluripotent Stem Cells; iPSCs). Metoda reprogramace umožnila tvorbu specializovaných buněk podle potřeby. Zároveň je možné vytvořit specializované buňky zasažené určitým onemocněním a využít je jako model nemoci pro její zkoumání nebo hledání možných nových léků. Reprogramace (nebo transdiferenciace) v rámci různých linií nám nabízí způsob, jak by jednou mohlo být možné vytvářet buňky „a la carte“ pro výzkum a léčebné postupy. Vědci stále odhalují potenciál takto vytvořených buněk, nicméně ještě není možné je využívat k léčbě pacientů.

Například v roce 2011 Malin Parmar se svou skupinou úspěšně reprogramovala kožní buňky a vytvořila z nich neurony schopné produkovat dopamin. Právě tento typ nervových buněk je poškozen při Parkinsonově chorobě. Původně vědecký tým k vytváření neuronů využíval embryonální kmenové buňky a reprogramace je tak další způsob, který lze v laboratoři využít. Jejich dalším krokem byla snaha o přeměnu buněk přímo uvnitř těla, čímž by se přeskočilo jejich pěstování v kultivačních miskách. Úspěchem byla reprogramace gliových buněk (buňky nervové soustavy, ale nejedná se o neurony) ve funkční neurony v živém zvířeti (in vivo). Tato technika je sice stále daleko od klinické praxe, ale laboratoř vedená Malin Parmar elegantně demonstrovala, že je možné přeměnit buňky bez jejich izolace a manipulace s nimi v laboratoři.

Tato práce je teprve v počátcích a jsou potřeba ještě další podrobnější studie, které by určily, zda reprogramace buněčného osudu může poskytnout bezpečnou možnost léčby pacientů. Avšak už tyto první objevy by jednoho dne mohly umožnit nahrazení buněk poškozených daným onemocněním za reprogramované a tedy zdravé buňky pocházející přímo z těla pacienta.

I přes všechny vědecké objevy bude ještě dlouho trvat než reprogramační technologie naplní svůj potenciál. I když bylo dosaženo pozoruhodných úspěchů, ty zásadní otázky ještě nebyly řádně zodpovězeny. V současné době se vyvíjejí dvě nové metody – iPS techniky a transdiferenciace, obě ale musí projít optimalizací a standardizací v laboratořích. Pro každý typ specializované buňky, který budeme chtít za pomoci těchto technik vytvářet, bude potřeba vyvinout efektivní, opakovatelné a hlavně bezpečné postupy. Účinnost a přesnost bude potřeba také podrobně posoudit pro každé stádium buněk transplantovaných laboratorním zvířatům nebo pacientům a až po té budou moci lékaři využít tyto metody bezpečně v klinické praxi. Vědci jsou v tomto optimističtí a věří, že jakmile porozumí molekulární stránce reprogramace, vyřeší i většinu těchto problémů. Jakmile budou iPS buňky a transdiferenciace podrobně prostudovány, může se rozšířit i pole jejich využití v praxi. Výsledky dalších výzkumů nejspíš ukáží, že by jedna z těchto technik mohla být vhodnější k léčbě jiných druhů onemocnění než druhá technika, a nebo k vytvoření určitých typů buněk. V budoucnu mohou kmenové buňky umožnit individuální léčbu a vyřešit tak problémy s nedostatkem orgánů nebo odmítnutím transplantátu tělem příjemce, nebo dokonce nabídnout způsob léčby v současnosti neléčitelných degenerativních nemocí.

Eurostemcell faktografický list o indukovaných pluripotentních kmenových buňkách:
http://www.eurostemcell.org/ips-bunky-reprogramace

Tento text vytvořila Christine Weber, zkontroloval Austin Smith a editovali Emma Kemp a Jan Barfoot.

Úvodní obrázek reprogramovaných kožních buněk je použit se svolením Malin Parmar, Lund University. Kreslené ilustrace vytvořila Vanessa de Mello, University of Aberdeen. Ilustrace z filmu Cell Fate (Buněčný osud) vytvořil Sergi Esgleas. Obrázky B-buněk a makrofágů z fluorescenčního mikroskopu jsou použity se svolením Thomase Graf, Centre for Genomic Regulation, Barcelona.