Nóbelsverðlaun í þroskunarfræði

Nóbelsverðlaunin í læknisfræði og lífeðlisfræði voru afhent í gær 8. okt 2012. Þau hlutu bretinn John B. Gurdon og japaninn Shinya Yamanaka fyrir rannsóknir sem sýna hvernig hægt er að afsérhæfa frumur - og breyta þeim í stofnfrumur.

Gurdon sannaði hið jafngilda erfðamengi

Gurdon hóf rannsóknir á þroskun í tilraunastofu lattnesks innflytjanda Michail Fischberg við Oxford háskóla árið 1956. Ein helsta ráðgáta þroskunarfræðinnar á þeim tíma var hvernig frumur sérhæfðust. Hvernig gátu hinar almennu frumur kímblöðrunnar orðið að sérhæfðum frumum líffæra eða útlima? Ein tilgáta var sú að frumurnar losuðu sig við hluta af erfðamenginu þegar þær lögðu upp á ákveðnar þroskabrautir. Frumur sem yrðu að meltingarvegi myndu þá losa sig við gen nauðsynleg fyrir myndun tauga, en halda öllum meltingarvegsgenum eftir. Hin tilgátan var sú að allar frumur væru með sama erfðamengi, en að þær nýttu sér bara hluta þess. Þannig myndu taugafrumur lesa þær síður í bók erfðamengisins sem lýstu t.d. myndun taugaboðefna, taugasíma og taugamóta (en fletta yfir aðrar síður).

Margvíslegar niðurstöður studdu báðar tilgátur, t.d. benti endurmyndun útlima salamandra  til að sama erfðamengi væri í öllum frumum. John Gurdon sannaði þá tilgátu í eitt skipti fyrir öll, með því að flytja kjarna úr meltingarveg klófrosks í egg með óvirkan kjarna (sem hafði verið eyðilagður með útfjólubláuljósi). Nú er vitað að næstum allar frumugerðir vel flestra dýrategunda eru með sama erfðamengi. Munurinn á frumum liggur í því hvenær, hvar og hversu mikið hin ólíku gen eru tjáð. Það er viðfangsefni ítarlegra rannsókna í mönnum og tilraunadýrum enn þann dag í dag.

Frumur sem lifa og frumur sem muna

Í ljós kom síðar að í líkömum okkar og annara dýra finnast svokallaðar stofnfrumur. Þær eru sérstakar að því leyti að þær lifa lengur en venjulegar frumur, og að þær skipta sér mjög sjaldan. Venjulegar líkamsfrumur, eins og t.d. húðfrumur skipta sér frekar oft og hratt sem er nauðsynlegt til að viðhalda húðinni. Eins er mjög hröð endurnýjun í lifur og meltingarvegi. Sumir vefir eru reyndar undanskildir, frumur taugakerfisins virðast ekki skipta sér - að neinu verulegu leyti a.m.k.

Við þroskun lífverunnar eru fyrstu frumurnar ósérhæfðar og almáttugar. Almáttug fruma getur orðið að öllum öðrum frumum líkamans. Þegar þroskuninni vindur fram þá byrja frumur að markast á ákveðna þroskabraut, sem felur í sér að henni lokast vissir möguleikar. Fósturfruma sem getur af sér meltingarvefsforvera, getur ekki orðið að húð. Slíkar frumur eru fjölmáttugar, þær hafa sérhæfst að vissu leyti en viðhalda vissum sveiganleika.  Þannig eru t.d. til stofnfrumur blóðsins, eða stofnfrumur hvítra blóðkorna.

Genastjórn og sviperfðir beina frumum á þroskabrautir, og tryggja að þær muni. Líkamsfrumur þurfa að muna hvaða vef þær tilheyra, annars myndu þær framleiða munnvatnsensím í hársrót eða hár í iðrum. En er hægt að fá frumur til að gleyma, og breytast aftur í stofnfrumur? Það var spurningin sem Shinya Yamanaka tókst á við. (Hér verður ekki rætt ítarlegar um stofnfrumur, en áhugasömu er bent á umfjöllun www.stemcells.is og viðtal við Magnús Karl í býtið.)

Yamanaka endurforritaði líkamsfrumur

Hann byggði á rannsóknum sem sýndu að viss stjórngen, svokallaðir umritunarþættir sem bindast við DNA og hafa árhif á tjáningu gena, greina á milli stofnfruma og venjulegra fruma. Hann ákvað að skutla nokkrum slíkum stjórngenum inn í sérhæfðar músafrumur. Öllum að óvörum öðluðust sumar erfðabreyttu frumurnar eiginleika stofnfruma. Yamanaka sýndi að það er hægt að fá frumur til að gleyma, og líkjast stofnfrumum. Allt sem til þurfti voru virk eintök af fjórum genum, Sox2, c-myc, oct3/4 og Klf4. Þegar afurðir þessara gena eru framleiddar, þá breytist kjarninn og fruman öðlast fjölmátt sinn aftur.

Síðan þá hefur heilmargt gerst, við skiljum betur hvernig þessir þættir virka og hvaða aðrar breytur geta örvað þetta ástand í sérhæfðum líkamsfrumum. Það er sannarlega kjörið að geta framkallað stofnfrumulega eiginleika, án erfðabreytingar því þær geta í sumum tilfellum leitt til óstöðugleika erfðaefnis og annara breytinga á því.

Geta stofnfrumur verið lykill að lækningu?

Rannsóknir á þessu sviði þykja lofa góðu um meðferð á vissum gerðum sjúkdóma, þar sem t.d. efnaskiptageta er takmörkuð eða þar sem afmarkaður vefur er í steik. Það eru til dæmis hugmyndir um að blóðleysi megi lækna með því að skutla inn heilbrigðum stofnfrumum úr öðrum einstaklingi (með rétta mótefnavakagerð). Eða jafnvel með því að búa til stofnfrumur úr veikum einstakling - erfðalækna þær (t.d. með því að setja inn heilbrigt gen í stað gallaðs) og setja þær síðan aftur inn í viðkomandi. Það væri persónuleg meðferð, og "engar" líkur  á að líkaminn hafni frumunum. Enn sem komið er eru þetta samt bara drög og hugmyndir, og ég veit frekar lítið um meðferðir á þessum grunni.

Hins vegar er ljóst að stofnfrumur má nota til að skilja líffræði sjúkdóma og hvað bregst í  tilteknum heilkennum eða sjúklingum. Ef búnar eru til stofnfrumur úr heilbrigðum einstaklingi og þeim sem vantar ákveðið gen eða frumukerfi. Síðan má örvar frumurnar til að mynda, t.d. lungnavef og kanna mun á þroskun slíkra lungnafruma úr heilbrigðum og veikum einstaklingum (sjá t.d. rannsóknir stofnfrumuhóps við Lífvísindasetur HÍ).

Ítarefni.

www.stemcells.is

Þuríður Þorbjarnardóttir. „Hvað eru stofnfrumur og hvert er hlutverk þeirra?“. Vísindavefurinn 19.12.2002. http://visindavefur.is/?id=2969. (Skoðað 9.10.2012). 

Viðtal við erfðafræðing í morgunútvarpi Rásar 2.

Fá Nóbelsverðlaunin í læknisfræði