czwartek, 20 października 2016

Dwóch biologicznych ojców lub dwie biologiczne matki? Czy to możliwe?

W 2012. roku Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny lub fizjologii otrzymali: lekarz Shin’ya Yamanaka i zoolog John Gurdon „za odkrycie, że dorosłe komórki można przeprogramować tak, by stały się komórkami pluripotentnymi”. Oznacza to, że dojrzałą komórkę np. skóry, jelita, nerki czy nerwową, możemy zmienić w komórkę macierzystą, zarodkową. Będzie ona miała niemal nieograniczoną potencję – możemy z niej zrobić każdy rodzaj tkanki, z wyjątkiem łożyska (choć potencjalnie i takie komórki macierzyste można by uzyskać dzięki przeprogramowaniu). Daje to ogromne możliwości.

partenogeneza

Wyobraźmy sobie na przykład, że pobieramy od pacjenta kawałek skóry, przeprogramowujemy komórki w macierzyste, namnażamy i kierunkujemy w wątrobę. Mamy dzięki temu nowy narząd do przeszczepu (oczywiście w uproszczeniu, bo komórki wątrobowe to za mało, trzeba stworzyć „rusztowanie” itd.), bez problemu ze zgodnością tkankową. Pytanie, czy w ten sposób udałoby się uzyskać komórki płciowe (plemnik lub oocyt ze skóry) i z osoby bezpłodnej uczynić płodną albo stworzyć potomstwo biologiczne od dwóch ojców lub dwóch matek (zapłodnić oocyt stworzony z męskiego naskórka plemnikiem drugiego mężczyzny)?

Słowem wstępu, wyjaśnijmy podstawowe rzeczy. Istnieją różne rodzaje rozmnażania. Fundamentalnie dzielimy je na płciowe i bezpłciowe. To drugie jest ewolucyjnie starsze i oznacza klonowanie – komórki dzielą się mitotycznie, tak jak dzieli się nasza skóra, gdy się skaleczymy, aby zabliźnić ranę, tyle że w przypadku np. bakterii powstaje w ten sposób odrębny osobnik, a u parzydełkowców od osobnika rodzicielskiego oddziela się potomny, w formie polipa. Nowszy wynalazek ewolucji i jednocześnie jeden z najważniejszych w historii życia na Ziemi, czyli rozmnażanie płciowe, polega na przejściu podziałów redukcyjnych, tj. mejotycznych, podczas których komórka przeprowadza rekombinację (crossing-over), a więc wymianę odcinków DNA między chromosomami homologicznymi, po to by ostatecznie pozbyć się ich i stać się haploidalna.

przeprogramowanie komórek
Crossing-over

Przewaga rozmnażania płciowego polega na tym, że pozwala ono na ogromną różnorodność genetyczną i szybszą ewolucję biologiczną, lepsze przystosowanie się do zmieniającego się środowiska. U organizmów rozmnażających się bezpłciowo zmienność genetyczna wynika jedynie z mutacji, których tempo jest powolne, natomiast u gatunku wykorzystującego rozmnażanie płciowe nie dość, że zachodzi crossing-over, to jeszcze po połączeniu gamety męskiej i żeńskiej powstaje zygota z DNA pochodzącym od dwóch różnych osobników. Dzięki temu populacja jest na przykład bardziej odporna na wirusy – kiedy mamy dużą różnorodność, większa jest szansa, że znajdą się w niej osobniki odporne na zarazę, które ją przetrwają, swoje geny MHC i inne, ważne dla układu odpornościowego, przekażą potomstwu i tak podatność na wirusa znacznie spadnie. Oczywiście do czasu, aż ten nie dogoni ofiary, także ewoluując.

Wiele gatunków zwierząt, zależnie od potrzeb, wykorzystuje różne typy rozmnażania. Bezkręgowce, ryby, płazy, a nawet niektóre gady (jak popularne warany z Komodo) zdolne są do partenogenezy, czyli powstawania nowych osobników z niezapłodnionych oocytów. Jest to swego rodzaju żeńskie klonowanie, które jednak nie zapewnia tak wysokiej zmienności genetycznej, przez co populacja podatna jest na zarazę i szybkie wymarcie (warto jednak pamiętać, że przy rozmnażaniu partenogenetycznym crossing-over nadal zachodzi, jest więc ono i tak korzystniejsze, niż rozmnażanie bezpłciowe). U ssaków rozwój partenogenetyczny zdawał się być niemożliwy. To znaczy, sądzono, że nierealne jest by np. kobieta (samica Homo sapiens) wytworzyła zarodek zdolny do pełnego rozwoju, bez udziału plemnika. Przyczyną tego jest dziedziczenie epigenetyczne, a dokładnie imprinting, występujący u ssaków łożyskowych.

Waran z Komodo
Stare Zoo Poznań

Zjawisko imprintingu (piętnowania) gametycznego (nie mylić z tym etologicznym, zwanym wdrukowaniem) polega na charakterystycznym dla danej płci oznaczaniu grupami metylowymi określonych genów. Niektóre znakowane są ze strony matki, inne ojca. U zarodka, który posiada już diploidalny zestaw chromosomów od obojga rodziców, w komórkach somatycznych niektóre geny są więc imprintowane (piętnowane) po ojcu, a niektóre po matce. Natomiast w komórkach płciowych (spermatocytach i oocytach) znoszona jest metylacja charakterystyczna dla rodzica płci przeciwnej. Piętnowanie rodzica tej samej płci, co dziecko, pozostaje. Oznacza to, że w plemnikach samca piętnowane są te same geny, które piętnował jego ojciec, a w oocytach samicy piętnowane są te geny, które piętnowała jej matka.

Co ma imprinting do zaburzania rozwoju partenogenetycznego zarodka u ssaków? Problem polega na tym, że metylacja DNA zmniejsza jego ekspresję. Czyli piętnowany gen w tym wypadku nie ulega odczytywaniu na RNA ani na białko. Imprintowane są natomiast geny ważne dla rozwoju zarodkowego, tak ze strony matki, jak i ojca. W efekcie bez wersji matczynej zarodek nie rozwija się prawidłowo, a bez opcji ze strony ojca powstaje problem z wykształceniem trofoblastu, czyli komórek, które utworzą łożysko. Ostatecznie zarodek umiera albo przez niedorozwój własny albo trofoblastu. Okazało się jednak, że z pomocą naukowców przeszkoda ta jest do pokonania.

W roku 2004. udało się uzyskać partenogenetyczną mysz o imieniu Kaguya. Cały eksperyment był dosyć skomplikowany. W uproszczeniu, polegał na  uzyskaniu modyfikowanych genetycznie myszy (o zmienionej ekspresji genów IGF-2 i H19), skrzyżowaniu ich z samicami rodzicielskimi i uzyskaniu zarodków, od których pobrano oocyty przed piętnowaniem gametycznym (w diplotenie profazy I mejozy). Następnie połączono jądra takich zarodków i wprowadzono do oocytu od innego osobnika, który został pozbawiony jądra. Kiedy doszły do stadium metafazy II, jądra zostały przetransferowane do owulowanych już oocytów. Potem genom ich został zaktywowany chemicznie do podziałów, stając się zygotą (efekt ten można uzyskać także na inne sposoby, np. szokiem termicznym czy impulsem elektrycznym). Tak stworzone zarodki implantowano u matek-surogatek. Z ponad trzystu zarodków uzyskano zaledwie dwa zdrowe osobniki narodzone, z czego jednego uśmiercono i wykorzystano do badań, drugiego – Kaguyę – pozostawiono przy życiu. Mysz ta była w stanie normalnie się rozmnażać i wydać na świat potomstwo. Publikacja ta dowiodła, że partenogeneza u ssaków niemożliwa jest właśnie przez zjawisko imprintingu.

pluripotencja
Ludzki oocyt w metafazie II z widocznym ciałkiem kierunkowym, Pu Zhang et al., PLoS One 2009, https://embryology.med.unsw.edu.au

Jak widzimy, uzyskanie zdrowego potomka, zdolnego do rozmnażania, jest możliwe przy posiadaniu jedynie oocytów. Realne jest więc, by dwie kobiety miały wspólne, biologiczne dziecko. Dotychczas wytworzono nawet partenogenetyczne zarodki ludzkie w celu uzyskania komórek macierzystych do dalszych badań. Wróćmy jednak do tematu przeprogramowania komórek. W tym roku udało się uzyskać podobne do komórek płciowych męskie (od człowieka) komórki płciowe z fibroblastów (komórki tkanki łącznej) napletka. Natomiast kilka dni temu w Nature opublikowano ciekawą i ważną pracę, dotyczącą przeprogramowywania komórek skóry w komórki zarodkowe, a następnie sprawne oocyty.

Skoro zabieg taki udał się u myszy, to nie ma przeciwwskazań, by miał nie udać się u człowieka. Potencjalnie możliwe jest nawet przeprogramowanie męskich komórek skóry w oocyt i zapłodnienie go plemnikiem innego mężczyzny, czyli otrzymanie biologicznych dzieci dwóch mężczyzn. Choć w naszym kraju rodzicielstwo gejów i lesbijek wciąż jest tematem tabu, to na świecie w lepiej od naszego rozwiniętych państwach funkcjonują nawet specjalne programy rozrodcze dla par jednopłciowych, a tworzone przez nich rodziny są traktowane normalnie. Jak zawsze okazuje się, że stworzone przez ewolucję bariery są możliwe do przekroczenia, jeśli wyposażeni jesteśmy w odpowiednią wiedzę i praktyczne narzędzia, dzięki którym możemy ją wykorzystać.

Najważniejsze jednak, co wynika z tych badań, to to, o czym wspominałem - możliwość uzyskiwania narządów do przeszczepów, które byłyby zgodne tkankowo z tymi dawcy, bo genetycznie byłyby tym samym. Problem polega na tym, że indukowane komórki macierzyste często przekształcają się w potworniaki, czyli nowotwory wywodzące się z tych właśnie komórek. Podanie pacjentowi wątroby, z której może mu wyrosnąć guz z zębami, włosami i nerką w środku, jest bardzo ryzykowne i bez dopracowania metody - niewskazane. Wszystko jest jednak do zrobienia, trzeba zagłębić się w poszczególne ścieżki sygnalizacyjne, tak na poziomie RNA, jak i białek, hormonów czy wtórnych przekaźników i na odpowiednich etapach wyłączać lub włączać potrzebne nam czynniki. Jest to żmudne, ale w perspektywie kilkudziesięciu lat naprawdę obiecujące. 

Literatura
Douglas J. Futuyma. Ewolucja. Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego. Warszawa 2008.
Hieronim Bartel. Embriologia. Wydawnictwo Lekarskie PZWL. Warszawa 2012.
Kono, Tomohiro, et al. "Birth of parthenogenetic mice that can develop to adulthood." Nature (2004): 860-864.
Medrano, Jose V., et al. "Human somatic cells subjected to genetic induction with six germ line-related factors display meiotic germ cell-like features."Scientific reports 6 (2016).
O. Hikabe, N. Hamazaki et al. ”Reconstitution in vitro of the entire cycle of the mouse female germ line”. Nature (2016).
Revazova, E. S., et al. "Patient-specific stem cell lines derived from human parthenogenetic blastocysts." Cloning and stem cells (2007): 432-449.
Winter P., Hickey I., Fletcher H. Krótkie wykłady. Genetyka. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2013.

Chcesz wesprzeć rozwój mojego bloga? Możesz to zrobić zostając jego patronem tutaj.

13 komentarzy:

  1. Bardzo interesujcy artykuł. Jedyny problem polega na tym, że jego język jest za bardzo hermetyczny, w związku z czym zrozumieją go naukowcy i studenci, ale laik będzie miał dużo poblemów, choćby z fachowymi nazwami. Zwykły człowiek chce się dowiedzieć od razu, o co chodzi i nie będzie sprawdzać w googlu, co oznaczają poszczególne sformułowania. ;) Pozdrawiam!

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Dlatego właśnie 3/4 artykułu to wprowadzenie z wyjaśnieniem różnych zjawisk i pojęć. :-) Ale racja, niektóre artykuły tutaj na blogu są łatwiejsze, inne trudniejsze i niestety nie potrafię tego obejść.

      Usuń
    2. A może przed opublikowaniem artykułów o tematyce biologicznej daj je do przeczytania komuś niezwiązanemu z tą tematyką. Bo specjaliście trudno jest ocenić, które zdania i określenia są niezrozumiałe dla laika. Dla mnie dużo fragmentów jest nie do przebrnięcia. (dla jasności - jestem fizykiem). A wszystko da się napisać tak, żeby zrozumiał to gimnazjalista, historyk i kasjerka w biedronce. To jest do przeskoczenia. Tylko trzeba się postarać, bo to wymaga jednak dużo pracy. Ale wydaje mi się, że warto, bo skoro ten blog ma promować podejście naukowe, to powinien dać się czytać nie tylko specjalistom.

      Usuń
  2. Zastanawia mnie taka hipotetyczna sytuacja: jeżeli osoba wymagająca przeszczepu wątroby z powodu nowotworu otrzyma wyhodowaną z własnych komórek (z całym tym procesem powrotu do komórek macierzystych pluripotencjalnych) wątrobę, to czy nie istnieje poważne ryzyko nawrotu choroby? Rzecz jasna, mam na myśli sytuację, gdy występują mutacje onkogenów, a nie gdy nowotworzenie spowodowane jest, np., marskością (załóżmy więc przez czynniki zewnętrzne).

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Myślę, że pacjent mając do wyboru umrzeć albo przedłużyć życie o kilka lub więcej lat, nawet z takim ryzykiem przyjmie taki przeszczep. Konkretnie co do pytania, to przeprogramować w komórki wątrobowe można np. komórki skóry, które zapewne nie będą zawierały tych mutacji, jakie ma pierwsza, nowotworoząca wątroba u pacjenta. Gorszym ryzykiem jest potworniak.

      Usuń
  3. Nie chce dyskutować z kwestią decyzyjności pacjenta, to z pewnością ważki argument. Zainteresowała mnie po prostu kwestia potencjalnych nawrotów :)

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Jak już uzyskasz linie komórkową nieobciążoną mutacjami to nie ma problemów by przeszczep przyniósł pełne wyleczenie. Problem jest dość inny. Nawet jak już będziemy mogli hodować w pełni funkcjonalne wątroby to nadal pozostanie pewna paląca kwestia... Mianowicie zdecydowana większość zmian nowotworowych znajdowanych w wątrobie stanowi przerzuty z innych pierwotnych nowotworów. W tych przypadkach przeszczep nie załatwi w prosty sposób sprawy.

      :(

      Usuń
  4. "To drugie [bezpłciowe] jest ewolucyjnie STRASZNE i oznacza klonowanie" a podobno "Stułbia-normalna rodzina" ;). Oczywiście to żart, zwracam uwagę tylko na zabawną literówkę. Świetny i bardzo interesujący artykuł (jak zwykle). Jest to kwestia, która od dłuższego czasu mnie zastanawiała i tutaj to wszystko jest ładnie i przystępnie wytłumaczone. Bardzo dziękuję za artykuł i pozdrawiam!

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Dzięki za uwagę, poprawione! :-)

      Usuń
  5. Ciekawy artykuł.
    W szkole nie porusza się szczegółów partenogenezy dotyczących tego co się dzieje w gametach podczas tego procesu i w sumie nie rozumiem jak (w naturze) z haploidalnej gamety żeńskiej powstaje diploidalny zarodek?

    OdpowiedzUsuń
  6. Ciekawy artykuł.
    W szkole nie porusza się szczegółów partenogenezy dotyczących tego co się dzieje w gametach podczas tego procesu i w sumie nie rozumiem jak (w naturze) z haploidalnej gamety żeńskiej powstaje diploidalny zarodek, bo w zasadzie to w materiałach internetowych brak jakichkolwiek szczegółów?

    OdpowiedzUsuń