Přelomový počin vědců ze Stanfordovy univerzity v kalifornském Palo Alto připomíná naplnění snů dávných alchymistů, kteří se snažili proměnit olovo ve zlato. Tým vedený Mariem Wernigem donutil v laboratoři buňky kůže k přímé metamorfóze na neurony.
„Působili jsme na jeden typ buněk tak, aby se přímo proměnily na buňky zcela jiného typu,“ přibližuje Marius Wernig úspěšný experiment, jehož výsledky otiskl vědecký časopis Nature.
„Z kožních buněk tak vznikly zcela funkční neurony, schopné dělat vše, co takový neuron provádí v mozku. Vytvářejí například vzájemné spoje a předávají si jejich prostřednictvím nervové signály. To je základní funkce, kterou buňky nezbytně potřebují, pokud bychom je chtěli v budoucnu využít například pro léčbu Parkinsonovy choroby a jiných onemocnění nervového systému,“ vysvětluje hlavní autor studie.
Totální změna identity Wernig a jeho kolegové odebrali z myšího zárodku buňky kůže a ty pěstovali v laboratoři. Na základě předběžných genetických analýz nervových buněk vytipovali celkem devatenáct genů, jež hrají rozhodující úlohu při zajištění základních funkcí neuronů.
Potom přiložili ruku k dílu genoví inženýři. Ti proměnili virus v neškodného mikroskopického „pašeráka genů“ a s jeho pomocí vnesli vybraných devatenáct genů do pěstovaných buněk kůže. Geny se v buňkách ujaly svých rolí a zhruba po měsíci se mezi buňkami objevily neurony. Úspěšně dokonanou proměnu prozrazoval nejen vzhled buněk, ale i spektrum bílkovin, jež nově vzniklé neurony produkovaly.
Následně zkoušel Marius Wernig sadu devatenácti genů zredukovat. Vědci pašovali do kožních buněk různě kombinované pětice a trojice genů a sledovali, zda to buňkám kůže postačí k proměně na neuron.
Nejlépe se jim osvědčilo trio genů Ascl1, Brn2 a Myt1l, které si vedou při přetváření kůže na neurony ještě zdatněji než původní devatenáctka genů. Geny Ascl1, Brn2 a Myt1l dokázaly proměnit na neurony dokonce i buňky odebrané z kůže dospělých myší a zvládly to s rychlostí, která bere dech. Pod jejich taktovkou se mění na neurony plná pětina kožních buněk během jediného týdne.
Ještě nedávno považovali vědci podobné buněčné metamorfózy za téma vhodné nejvýše pro sci-fi. Specializaci buněk chápali jako jednosměrnou cestu, která začíná oplozením vajíčka. Všestranné buňky embrya se během dalšího vývoje jedince postupně proměňují na všech zhruba 230 typů buněk těla dospělého savce. Děje se tak změnami v aktivitě genů.
Každá další generace buněk je specializovanější a zároveň i izolovanější. Je to podobné, jako když roste strom a vytváří stále nové a nové větve. Embryonální buňky můžeme přirovnat k jeho kmeni, méně specializované buňky k silným větvím a nejspecializovanější buňky, plnící v těle zcela konkrétní úlohy, například neurony nebo buňky kůže, se ocitají pak v pozici koncových haluzí v koruně stromu. Pro biology bylo nepředstavitelné, že by se jeden specializovaný typ buněk mohl přímo změnit na jiný. Zdálo se jim to stejně absurdní, jako kdyby si jednotlivé haluze v koruně vyměňovaly místo.
Na začátku byla ovce Dolly Poprvé touto zažitou představou otřásly úspěchy při klonování zvířat. Při něm vědci spojí specializovanou buňku s vajíčkem a promění ji na embryo. Z něj pak mohou vzniknout všechny specializované buňky zvířecího klonu. Narození slavné ovce Dolly bychom mohli přirovnat k tomu, že vědci přinutili specializovanou ovčí buňku slézt z koncových haluzí dolů na kmen. Odtud pak buňky opět stoupaly do koruny a vytvořily kompletní klon.
V roce 2007 dosáhl japonský biolog Šinja Jamanaka „sestupu“ specializovaných buněk „z haluze na kmen“, aniž je musel spojovat s vajíčkem. Vnesl do kožních buněk čtveřici vybraných genů a dosáhl jejich proměny na buňky s vlastnostmi buněk embrya.
Když pak zajistil těmto tzv. indukovaným pluripotentním kmenovým buňkám v laboratoři vhodné podmínky, probíhala u nich specializace na vybraný typ buněk, např. na neurony, krvinky, buňky svalu či kůže. Jamanaka byl v roce 2009 za svůj revoluční objev odměněn prestižní Laskerovou cenou a mluví se o něm jako o horkém kandidátovi na cenu Nobelovu.
Mezitím si začalo hned několik vědců pohrávat s kacířskou myšlenkou, zda je nezbytné, aby specializované buňky při proměně na jiný specializovaný buněčný typ procházely stadiem připomínajícím všestranné buňky embrya. Musí buňka „slézt na kmen“, anebo může rovnou „přeskočit z jedné haluze na druhou“?
Jako první naznačil možnost „přeskoku“ buněk americký biolog Douglas Melton, který v loňském roce vnesl do slinivky myší tři geny a proměnil tak buňky neschopné produkovat inzulin na buňky, jež tento hormon vyrábět umějí. Melton donutil buňky pouze k „přeskoku na krátkou vzdálenost“, protože oba typy buněk slinivky jsou si dost podobné.
Pokračování na straně 30
Dokončení ze strany 29
Meltonův úspěch inspiroval další vědce k pokusům o mnohem ambicióznější „přeskoky“. Ten největší se zatím podařil právě Mariovi Wernigovi a jeho stanfordskému týmu.
Cokoli z čehokoli Marius Wernig už pilně pracuje na experimentech, které by měly proměnit na neurony buňky odebrané z lidské kůže. Zatím srší optimismem. „Byli jsme příjemně překvapeni, jak rychle a s jak vysokou účinností dokážeme buňky proměňovat,“ říká Wernig. „Náš postup je podstatně přímočařejší než postupy využívající indukované pluripotentní kmenové buňky. Vypadá to, že jeho praktické využití bude podstatně snazší.“
Rychlá a efektivní laboratorní produkce neuronů usnadní výzkum mnoha onemocnění mozku, např. Parkinsonovy nebo Alzheimerovy choroby. Neurony se nedokážou množit, a jejich získávání je proto podstatně komplikovanější než u typů buněk, které i v laboratorních podmínkách pokračují v dělení. Vědci si budou moci namnožit buňky kůže a z těch si pak vyrobit tolik neuronů, kolik budou pro pokusy potřebovat. V budoucnu by se tak mohly vyrábět i neurony pro léčbu závažných onemocnění či poranění mozku.
Wernig je přesvědčen, že stačí najít vždy tu správnou kombinaci genů a otevře se nám cesta k proměně buněk dalších typů. Nakonec bychom mohli libovolný typ buněk měnit na jakýkoli z vybraných buněčných typů. To je ale zatím hudba budoucnosti.
Vědce čeká ještě spousta podstatně prozaičtější práce. Musí například najít náhradu za virové „pašeráky“ genů. Ti sice vnášejí geny do buněk s vysokou spolehlivostí, ale mohou zároveň buňky postrkávat do stavu, kdy jsou náchylnější k nádorovému bujení.
S podobným problémem se už úspěšně pere Šinja Jamanaka a jeho následovníci při tvorbě indukovaných pluripotentních kmenových buněk. Nejprve vyměnili nebezpečné viry za bezpečnější. V poslední době se jim podařilo vyvinout metody reprogramování buněk, jež se obejdou zcela bez virů. Nastartování příslušných genů lze dosáhnout pomocí vybraných bílkovin nebo některých chemikálií.
***
Kůže, která začala „myslet“
Kůže může v češtině získat přívlastky líná či špinavá, ale málokoho by napadlo označit ji za chytrou. Práce Maria Werniga ze Stanfordovy university však použití takového obratu při určité míře nadsázky umožňuje. Vědci totiž dokázali během necelého týdne proměnit dospělé kožní buňky v neurony, tedy v buňky s naprosto jiným posláním. Neurony jsou základním stavebním kamenem mozku i nervové soustavy. Po tomto úspěchu se zdá možné vyrobit „cokoli z čehokoli“ bez spoléhání se na embryonální kmenové buňky.
Aby byl pokus průkazný, vědci z myšího zárodku (A) nejprve odstranili nervovou tkáň (B). Poté z embrya odebrali kožní buňky (C). Pomocí virů do nich přenesli nové geny.
Následovala kultivace v živném roztoku (D). Po několika dnech už bylo možné hledat charakteristické projevy neuronů (E).
Proměna kožních buněk fibroblastů v neuron
Doba potřebná k transformaci kožních buněk záleží na typu a počtu implantovaných genů. První snímek ukazuje stav kožní buňky tři dny po nakažení viry nesoucími „koktejl“ pěti genů. V tomto pokusu buňky vykazují charakteristiky neuronů již třináctý den.
O autorovi| Autor je profesor na České zemědělské univerzitě a pracuje ve Výzkumném ústavu živočišné výroby
