Hiszpańscy naukowcy odkryli, że kiedy myszy poddaje się inżynierii genetycznej, zwiększa się długość telomerów w ich komórkach. Pozwala im to przedłużyć życie, jednak konieczne jest wykonanie kilku sztuczek, aby na białym świetle nie pojawił się prawdziwy potwór. „Lenta.ru” opowiada o ryzykownej metodzie odmładzania starzejących się komórek.
Telomery to końce chromosomów, które powstają z powtarzających się odcinków DNA, składających się z sześciu nukleotydów (TTAGGG). Mimo pozornej bezużyteczności pełnią bardzo ważną funkcję. Faktem jest, że gdy komórki się dzielą, chromosomy zaczynają być kopiowane, ale proces ten nie przebiega bez śladu. W nowych chromosomach końce są zawsze nieco krótsze niż w chromosomach rodziców. Telomery pełnią rolę czapek ochronnych, ponieważ nie przenoszą ważnych informacji genetycznych.
Jednak z każdą generacją komórek telomery są coraz bardziej skracane, aż do momentu krytycznego, zwanego granicą Hayflicka. Komórki po osiągnięciu tej granicy nie dzielą się już i nie umierają.
Niektóre komórki (macierzyste, płciowe i inne) są w stanie zwiększyć długość swoich telomerów. Wynika to z działania enzymu zwanego endogenną telomerazą. Dodaje ten sam fragment TTAGGG na końcu chromosomów, a jeśli zwiększysz jego ilość w komórkach, mogą one dzielić się w nieskończoność, pokonując limit Hayflicka.
Komórki macierzyste w ciele dorosłego również stopniowo się starzeją, ponieważ nie wytwarza w nich bardzo dużo telomerazy. Jednak wystarczy, aby żywe organizmy istniały przez wiele lat, wciąż lecząc swoje rany.
W przypadku uszkodzenia tkanki biologicznej rozpoczynają się procesy jej regeneracji. Komórki macierzyste dzielą się, aby stać się normalnymi komórkami somatycznymi (ciała). Takie „potomstwo” nie tylko traci pluripotencję, czyli zdolność do transformacji (różnicowania), ale także traci zdolność syntezy telomerazy. Dlatego organizm pozwala tylko niektórym grupom komórek na podział w nieskończoność, ponieważ w przeciwnym razie ryzyko guzów nowotworowych wzrosłoby wielokrotnie.
Embrionalne komórki macierzyste
Film promocyjny:
Zdjęcie: Nissim Benvenisty / Wikimedia
Co zmienia komórki macierzyste w normalne? Chociaż te same geny znajdują się we wszystkich komórkach ciała, niektóre z nich można wyłączyć w określonym typie tkanki. Na przykład w tkankach nerwowych mózgu, przez które przechodzą impulsy elektryczne, działa jeden zestaw genów, a inny w wysepkach Langerhansa, które znajdują się w trzustce i produkują insulinę. System wyższego poziomu składający się z czynników epigenetycznych - cząsteczek, które przyłączają się do DNA i regulują jego funkcje - włącza i wyłącza geny. Cały zestaw czynników związanych z podwójną helisą tworzy epigenom i oczywiście jest inny w każdym typie tkanki.
Z tego wynika logiczny wniosek: aby zamienić komórkę z powrotem w komórkę macierzystą, należy ją zmienić za pomocą epigenomu, innymi słowy, przeprogramować. Można to osiągnąć poprzez wprowadzenie czterech specyficznych związków zwanych czynnikami Yamanaka (OSKM - Oct4, Klf4, Sox2 i c-Myc). Są również zaangażowani w regulację epigenetyczną, utrzymując zdolność komórek do różnicowania. Po raz pierwszy zostały użyte w 2006 roku przez japońskiego badacza Shinya Yamanakę, który był w stanie przekształcić fibroblasty w indukowane komórki macierzyste (komórki iPS). W tym celu w 2012 roku naukowiec otrzymał Nagrodę Nobla.
Yamanaka faktycznie odmłodził poszczególne komórki, przeprogramowując je na poziomie epigenetycznym i rozpoczynając proces odróżnicowania. Powstaje pytanie: czy można zrobić to samo z całym organizmem, przynajmniej myszą? Problem w tym, że robiąc to łamiemy przymierze „nie powinno być wielu komórek macierzystych”, ponieważ, jak już wspomniano, wzrasta ryzyko zachorowania na raka. Ponadto nie ma sensu przekształcanie narządów i tkanek w skupiska jednorodnych komórek iPS - organizm po prostu umrze. Inna trudność polega na tym, że indukowane komórki macierzyste mogą samoistnie przekształcić się w potworniaki (od starogreckiego τέρατος - „potwór”) - guzy w postaci niedorozwiniętych narządów, takich jak zęby, oczy czy nawet mózg.
Okazało się jednak, że uniknięcie guzów jest całkiem możliwe. Nie można więc zamienić komórek somatycznych w komórki macierzyste, pozbawiając je funkcjonalności, a jedynie na krótko aktywować czynniki Yamanaka w celu nieznacznego odmłodzenia tkanek. W tym celu naukowcy stworzyli myszy transgeniczne, wprowadzając do swojego DNA kasetę z zestawem kolejnych genów kodujących OSKM. Kaseta, zwana kasetą policistronową (cistron to to samo co gen), włącza się w obecności półsyntetycznej doksycykliny, antybiotyku. W ten sposób wytwarzane są czynniki Yamanaka. Bez antybiotyku przeprogramowanie ustanie.
Telomeraza (zielone kropki) w trzustce myszy GM
Zdjęcie: Maria A. Blasco / CNIO
Hiszpańscy naukowcy, badając zmiany w telomerach u przeprogramowanych myszy, postanowili nie komplikować zadania. Do ich celów wystarczyło aktywować kasetę policistronową i prześledzić, co dzieje się z końcami chromosomów. Obecność potworniaków i dysplazji w tkankach zwierzęcych wskazywała na pomyślne przeprogramowanie.
Naukowcy odkryli, że gdy komórki somatyczne zamieniają się w telomery macierzyste, wydłużają się. Jest to logiczne, biorąc pod uwagę, że komórki iPS mogą dzielić się w nieskończoność. Co więcej, badacze ustalili, że telomeraza odgrywa w tym ważną rolę.
Do tej pory genetycy nie mieli dowodów na to, że za pomocą czynników epigenetycznych można indukować endogenną telomerazę w dorosłym organizmie. Ale tak właśnie się dzieje. Wydaje się, że czynniki Yamanaka przełączają kaskady genów, ostatecznie aktywując enzym wydłużający telomery.
Komórki rakowe HeLa
Zdjęcie: Public Domain / Wikimedia
Podobny proces towarzyszy nie tylko przeprogramowaniu komórek somatycznych, ale także ich złośliwości. Komórki rakowe mają wiele wspólnego z komórkami macierzystymi. Może udostępniać w nieskończoność. Najbardziej znanym przykładem są „nieśmiertelne” komórki HeLa. Zostały wyizolowane w 1951 roku z guza szyjki macicy pacjentki Henrietty Lacks, która zmarła w tym samym roku i nadal są wykorzystywane w licznych eksperymentach.
Komórki rakowe są również zasadniczo przeprogramowanymi komórkami somatycznymi. Zdaniem naukowców podobne zmiany zachodzą w przypadku telomerów w nich. Dlatego badania na komórkach iPS ujawnią szczegóły procesów molekularnych zachodzących podczas powstawania guzów.
Alexander Enikeev