Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny - 2012 • Vera Bashmakova, Alexey Paevsky • Wiadomości naukowe o "Elementach" • Nagrody Nobla, Genetyka, Biotechnologia

Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny – 2012 r

Laureaci nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w 2012 r., John Gordon (John Bertrand Gurdon) i Shinya Yamanaka (Shinya Yamanaka). Zdjęcia z www.smh.com.au i www.ucsf.edu

8 października 2012 r. Rozpoczął się kolejny tydzień Nobla. Tradycyjnie, pierwszy ogłasza laureatów nagrody w dziedzinie fizjologii lub medycyny (z jakiegoś powodu w języku rosyjskim nazywa się to zwykle nagrodą w dziedzinie fizjologii i lek). Zwycięzcami zostali Brytyjczyk John Gordon (John Bertrand Gurdon) z Cambridge Gurdon Institute (Gurdon Institute) i japoński Shinya Yamanaka (Gladstone Institute of Cardiovascular Disease w San Francisco) Kyoto University (Kyoto University). Jak stwierdzono w oficjalnym brzmieniu Komitetu Noblowskiego, tradycyjnie ogłoszonego w języku szwedzkim, rosyjskim, francuskim i niemieckim (sam Nobel mówił płynnie), nagrodę przyznano za "otwarcie możliwości przeprogramowania zróżnicowanych komórek na pluripotentne".

Od 1901 r. Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny została przyznana 103 razy. W latach 1915-1918, 1921, 1925, 1940-1942 nagroda nie została przyznana. Pierwszym zwycięzcą został Emil von Bering za stworzenie terapii surowicowej, która stała się ważnym krokiem w walce z błonicą.

W 2012 roku Nagroda Nobla pokonała barierę 200 nagrodzonych: Gurdon i Yamanaka zostali 200. i 201. laureatami Nagrody Nobla w tej nominacji.

Do tej pory w historii nagrody nie było dwóch zwycięzców. Wśród laureatów – 10 kobiet (pośród nagród "nauki przyrodnicze" jest to rekord: w fizyce tylko dwie nagrody trafiły do ​​płci pięknej, w chemii – 4).

Zgodnie z §4 Statutu Fundacji Nobla, można jednocześnie zachęcać do jednego lub dwóch prac, ale całkowita liczba nagrodzonych nie powinna przekraczać trzech. Spośród 103 nagród w dziedzinie fizjologii i medycyny, 38 zostało wygranych przez jednego laureata, 32 zostały podzielone między dwóch laureatów, 33 – między trzema.

Jest tylko dwóch rosyjskich laureatów tej nagrody – Iwan Pawłow (1904) i Ilya Miecznikow (1908). Tak więc rosyjski "Nobel" w tej nominacji nie widzieliśmy od ponad wieku.

Średnia wieku poprzednich zwycięzców to 57 lat. Najmłodszym jest Frederik Banting, który został laureatem w wieku 32 lat (1923). Najstarszym jest Peyton Rous, który otrzymał nagrodę od 87 lat (1966). Przy okazji, najstarszym ocalałym laureatem jest także fizjologia i medycyna. Dokładniej – najstarszy. Rita Levi-Montalcini, która zdobyła nagrodę w 1986 roku, obchodziła swoje 103 urodziny w kwietniu.

I jeszcze dwa ciekawe fakty.Syn Arthura Kornberga, laureata nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w 1959 roku, Roger Kornberg został noblistą w dziedzinie chemii w 2006 roku. A brat Jan Tinbergen, pierwszy laureat Nagrody Nobla w dziedzinie ekonomii (1969), Nikolaas Tinbergen zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w 1973 roku.

Przypomnijmy, że w ubiegłym roku trzech naukowców otrzymało nagrodę w dziedzinie fizjologii i medycyny. Jules Hoffman i Bruce Beetler otrzymali nagrody za aktywację wrodzonej odporności, a Ralph Steinman za odkrycie komórek dendrytycznych i zbadanie ich znaczenia dla nabytej odporności. I chociaż Steinman zmarł kilka godzin przed decyzją Komitetu Noblowskiego, nagroda pozostała przy nim.

Zwycięzcy dwóch pokoleń

Trzeba powiedzieć, że dwaj zwycięzcy tego roku, pod wpływem kaprysu losu, w niezwykły sposób "rymują się". Obie należą do najbardziej tradycyjnych kultur – brytyjskiej i japońskiej. W tym samym roku, kiedy urodził się drugi, ukazał się "pierwszy artykuł Nobla" (Gurdon jest prawie 30 lat starszy: urodził się w 1933 r., A Yamanaka w 1962 r.).

Ponadto "Nagroda Nobla" nie jest pierwszą nagrodą, którą Gerdon i Yamanaka otrzymują razem.W 2009 roku zdobyli Nagrodę Honorową im. Alberta Laskera ("Druga amerykańska nagroda Nobla w dziedzinie medycyny", jak ją nazywają) w nominacji Basic. Nawiasem mówiąc, prawie połowa laureatów tej nominacji otrzymuje nagrodę Nobla.

Otrzymali jednak prestiżową nagrodę Israeli Wolf w dziedzinie medycyny, ale oddzielnie – Gerdon w 1989 roku i Yamanaka w 2011 roku. Oprócz wielu innych nagród otrzymanych przez obu naukowców, Yamanaka jest również laureatem prestiżowej nagrody technologicznej Millennium.

"Starszy" laureat otrzymał także więcej nagród honorowych. W czerwcu 1995 r. John Bertrand Gurdon otrzymał tytuł Bachelor Knight i prawo do nadania mu tytułu "Sir", aw 2004 r. Otrzymał jeszcze większe uznanie: Instytut Biologii Komórek i Raka w Cambridge z fundacjami charytatywnymi Wellcome Trust i Cancer Research UK zostały przemianowane Instytut Gordona.

Prawie wszyscy komentatorzy uznają dzieło Gerdona i Yamanaki za przełom. Wielu autorów gratulacji na "ścianie" Komitetu Noblowskiego nazywa ich "nową erą" w historii ludzkości.

Jaki przełom w nauce mieli naukowcy, którzy należą do różnych pokoleń, których praca była dzielona przez ponad 40 lat?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba zacząć od daleka.

Komórki macierzyste, tam iz powrotem

Każdy wielokomórkowy organizm składa się z wielu typów komórek, które mogą się bardzo różnić od siebie – porównaj, na przykład, czerwone krwinki, czerwone krwinki, z komórkami kostnymi, osteoblastami. Jednak informacje genetyczne przechowywane we wszystkich komórkach somatycznych – od hepatocytów do neuronów – są absolutnie identyczne. Jak to jest możliwe?

Odpowiedź jest prosta: różne geny ulegają ekspresji w różnych typach komórek. Tak jest całość genom we wszystkich komórkach jest taki sam, ale działającCzęść robocza genomu w każdym typie komórki jest różna, a im bardziej różne są w tych komórkach te "działające" części genomu, tym bardziej komórki same się od siebie różnią.

I tu pojawia się kolejne pytanie: dlaczego Czy różne typy komórek różnią się ekspresją genów? Alexander Markov już wspaniale odpowiedział na to pytanie, o czym krótko opowiem.

Jak wiadomo, każdy wielokomórkowy organizm rozwija się z pojedynczej komórki – zygoty. Przy pierwszych podziałach, zygota daje prawie identyczne komórki, jednak z każdym następnym podziałem różnice pomiędzy powstałymi komórkami wzrastają.Powodem tego jest to, że różne komórki zarazka są w różnych warunkach. Po pierwsze, sama zygota jest asymetryczna, a gęstość różnych substancji w różnych jej częściach jest różna, więc przy dzieleniu zygoty komórki, które "dziedziczą" jedną lub drugą część cytoplazmy, będą się nieznacznie różnić od siebie. Po drugie, niektóre parametry fizyczne, takie jak grawitacja, różnie wpływają na komórki w różnych częściach zarodka: komórka w dolnej części zarodka "pociągnie" w kierunku, w którym nie ma innych komórek, ale komórka w górnej części – wręcz przeciwnie, gdzie są inne komórki. Po trzecie, stopniowo same komórki zaczynają wpływać na siebie wzajemnie: substancje wydzielane przez sąsiadów zmieniają metabolizm komórki, uruchamiają lub wyłączają ekspresję pewnych genów w niej, a tym samym określają jej los. I tak dalej.

Tak więc, przy każdym podziale komórki stają się coraz bardziej różne od siebie i od zygot, z których pochodzą. Stopniowo komórki tworzą trzy warstwy – zewnętrzną (ektodermę), medianę (mezodermę) i wewnętrzną (endodermę). Następnie komórki i te trzy warstwy zaczynają się coraz bardziej różnić od siebie pod wpływem sąsiednich komórek i różnych czynników fizycznych i ostatecznie tworzą wszystkie narządy i tkanki ciała.W ten sposób, ostatecznie zróżnicowane (to znaczy całkowicie wyspecjalizowane) komórki otrzymuje się z całkowicie niezróżnicowanych zygot.

Jednak komórki zróżnicowane terminalnie mają jedną zasadniczą wadę: nie mogą się dzielić. A ponieważ wszyscy oni prędzej czy później się zestarzeją, wtedy, jeśli gdzieś w ciele nie ma niewyczerpanych zasobów zróżnicowanych komórek, ciało "bardzo szybko się zużyje" i umrze.

I jest taki zasób. Nazywa się (jak zapewne już zgadliście) "komórkami macierzystymi" Z przyjemnością zauważam, że istnienie takich komórek zostało postulowane, a ich nazwa została wymyślona przez wielkiego rosyjskiego naukowca Alexandra Maximova w 1908 roku. Potomkowie komórek macierzystych w dorosłym organizmie stale odnawiają tkanki zgodnie ze schematem przedstawionym na ryc. 1. Jego własna depot komórek macierzystych istnieje w każdej tkance, nawet w sercu i układzie nerwowym, o których wcześniej sądzono, że nie są w stanie wyzdrowieć. Im częściej tkanka jest odnawiana, tym więcej komórek macierzystych posiada: na przykład komórki macierzyste skóry są znacznie większe niż komórki nerwowe. Każda z tkanek składa się z kilku typów komórek, a komórki macierzyste tej tkanki mogą wytworzyć dowolny z nich, ale nie komórki innej, nienatywnej tkanki.Na przykład hematopoetyczne komórki macierzyste mogą powodować wzrost komórek krwi, ale nie mogą dostarczać neuronów. Komórki macierzyste nieustannie się dzielą, ale bardzo rzadko; w przypadku, gdy tkanka jest uszkodzona i wymaga pilnej odbudowy, zaczynają bardziej aktywnie dzielić. Większość (z dojrzałych organizmów) komórek macierzystych znajduje się u noworodków; wraz z wiekiem ich liczba stopniowo maleje, ale nadal funkcjonują nawet w skrajnym wieku.

Ryc. 1. Schemat podziałów i różnicowania komórek macierzystych. A – komórka macierzysta. B – komórka prekursorowa. C – zróżnicowana komórka. Każda komórka macierzysta może dzielić się symetrycznie, dając dwa z tych samych komórek macierzystych (1) lub asymetrycznie, dając jedną komórkę macierzystą i jedną komórkę prekursorową (2). Komórka prekursora jest również podzielona (3); jej komórki potomne różnicują (4) i zajmują ich miejsce w określonej tkance ciała. Zdjęcie z en.wikipedia.org. (Bardziej szczegółowy schemat stopniowego różnicowania potomków komórek macierzystych można znaleźć w barierze hematoprzewodzącej nie jest złamany, ale jest aktualizowany ", ryc. 1)

Podsumowując. Przed nami kilka rodzajów komórek macierzystych.

Najbardziej uniwersalną komórką macierzystą jest zygota. Daje początek wszystkim rodzajom komórek w ciele, a także, powiedzmy, nie dokładnie ciału – na przykład komórkom łożyska. Blastomery mają te same właściwości – komórki powstałe podczas pierwszych kilku podziałów zygoty. Cały organizm może być hodowany z zygoty lub blastomeru. Takie komórki są nazywane totipotent komórki macierzyste.

Nieco mniej uniwersalne komórki powstają podczas kilku kolejnych podziałów embrionalnych (przed podziałem na warstwy germinalne). Mogą one spowodować powstanie wszystkich komórek ciała, ale nie łożyska, tak więc z jednej takiej komórki nie można wyhodować zupełnie nowego organizmu. Te komórki są wywoływane pluripotent komórki macierzyste (PSC).

Miejto samo wyspecjalizowane multipotent komórki macierzyste – to znaczy te, które mogą wywoływać różne typy komórek charakterystyczne dla organizmu, ale nie wszystkie. Komórki multipotencjalne są, jeśli mogę tak powiedzieć, "bardziej lub mniej silne" – to znaczy, że mogą powodować wzrost liczby lub mniej typów komórek. Komórki multipotencjalne obejmują niektóre z komórek macierzystych, które są aktywne w wyżej wspomnianym dorosłym organizmie.Stopniowe różnicowanie potomków komórek multipotentnych prowadzi do oligopotent (dający początek tylko niewielkiej liczbie typów komórek) i Unipotent (dający początek tylko jednemu typowi) komórek.

Okazuje się, że ścieżka żywego organizmu jest ścieżką stopniowego różnicowania: wszystkie zmiany w komórkach macierzystych prowadzą do zmniejszenia "siły" (a nawet jej całkowitego zniknięcia). Tootypotentne komórki zamieniają się w pluripotentne, w multipotentne itd., A droga powrotna wydaje się być nieobecna.

Ale prawdziwy naukowiec musi znaleźć sposób, w jaki wydaje się nie być. W rzeczywistości dla tego poszukiwania (które okazało się sukcesem) nagrody Nobla John Gordon i Sinya Yamanaka otrzymały w poniedziałek.

Ab ovo

Zacznijmy – w kolejności starszeństwa – z Gurdonem. Przeprowadził swoje eksperymenty z Noblem w 1962 roku, w tych na wpół zapomnianych czasach, kiedy nikt nie myślał o sekwencjonowaniu genomu, wiedza o komórkach macierzystych została umieszczona w corocznym kursie wykładów, a słynna linia komórek HeLa miała zaledwie dziesięć lat.

Gerdon próbował znaleźć odpowiedź na pytanie, czy jądro zróżnicowanej komórki niesie wystarczającą ilość informacji, by spowodować powstanie nowego organizmu.(Znamy odpowiedź, ale pięćdziesiąt lat temu ta odpowiedź nie była wcale oczywista).

I Gurdon zrobił bardzo prostą rzecz – podniósł i przeszczepił sporej żaby do komórki jajowej (Xenopus laevis) ze zniszczonym jądrem, jądrem zróżnicowanej komórki (komórek nabłonka jelitowego) kijanki tego samego gatunku. Wymagało to sporo eksperymentów, ale w rezultacie badaczowi udało się uzyskać zdrową kijankę z takiego "chimerycznego" jaja. (Zauważamy w nawiasach, że podobne, ale nieudane eksperymenty przeprowadzono nawet przed Gerdonem. Podobno Gerdon różnił się od swoich poprzedników po prostu przezokołocierpliwość i wytrwałość).

Ryc. 2 Schemat eksperymentów Gurdona. Zniszczył jądro ultrafioletowe w strumieniach jaj Xenopus laevis (1), przeszczepione tam jądro pobrane ze zróżnicowanej komórki jelitowej kijanki tego samego gatunku (2), w wyniku którego powstała kijanka z jaja, a następnie dorosła żaba (3). W ten sam sposób można uzyskać ssaki (4). Obraz z www.nobelprize.org

To był ogromny przełom. Od wyników Gurdona następowało natychmiast wiele wniosków, z których główne to: zróżnicowanie jest rzeczą odwracalną.Nawet jądro zróżnicowanej komórki, po umieszczeniu w odpowiednich warunkach, może spowodować powstanie nowego organizmu. Odkrycie Girdona zmieniło wszystkie wcześniejsze koncepcje dotyczące różnicowania i "łodygi" i spowodowało całą falę licznych badań – od klonowania ssaków (pierwsze owce zostały sklonowane) do pracy Xingyi Yamanaki.

Nawiasem mówiąc, samo słowo "klonowanie" pojawiło się w związku z dziełami Herdona. W 1963 r. Słynny brytyjski biolog i popularyzator nauki, John Haldane, opisał wyniki Gerdona i był jednym z pierwszych, którzy użyli słowa "klon" w odniesieniu do kijanki wylęgniętej z "dorosłego" jądra. A żaba jest nadal ulubioną "zabawką" Herdona – na osobistej stronie naukowca opublikował linki do swojej ubiegłorocznej pracy, w której wciąż eksperymentuje z jajami Xenopus.

40 lat później

I co zrobił Yamanaki? Coś jeszcze bardziej rewolucyjnego i niespotykanego niż Gurdon. W 2006 roku udało mu się – bez przeszczepienia jądra – przekształcić w pełni zróżnicowaną mysią fibroblastę (komórkę skóry) w pluripotencjalne komórki macierzyste (takie komórki nazwano indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi, iPSC lub iPSC).Zanim opowiesz, jak mu się to udało, zróbmy małe historyczne tło.

Od czasu eksperymentów Gurdona, nauka poczyniła wielkie postępy i opracowano subtelne techniki, które pozwalają na wstawienie genu do komórki, a tym samym powodują ekspresję białka kodowanego przez ten gen w tej komórce. Jednym z głównych "nośników" stosowanych do wtykania genów do komórki są wirusy, w szczególności retrowirusy. W genomie wirusa "uwolnij przestrzeń", wycinając niebezpieczny materiał genetyczny, a geny niezbędnych białek są szyte w tym miejscu. Wirus infekuje komórkę, ale zamiast swojego wirusowego DNA wprowadza te geny do genomu komórki. Geny zaczynają wyrażać, wpływają na różne procesy fizjologiczne w komórce i ekspresję innych genów, a tym samym zmieniają los komórek. Możesz przeczytać więcej na ten temat w artykule "Klonowanie molekularne, czyli jak umieścić obcy materiał genetyczny w komórce").

Powróćmy do eksperymentów Yamanaki. Jak już wspomniano, komórki różnych typów różnią się od siebie inną ekspresją pewnych genów.Yamanaka i jego zespół porównali ekspresję genów w zróżnicowanych i embrionalnych komórkach macierzystych. Zidentyfikowali kilkadziesiąt genów, których zwiększona aktywność była charakterystyczna dla komórek macierzystych. W różnych kombinacjach wprowadzili te geny do zróżnicowanych komórek poprzez klonowanie molekularne, aby zmusić te komórki do odróżnicowania wstecznego.

A potem przyszedł przełom. Po długich eksperymentach Yamanaka zdołał pokazać, że w celu przeprogramowania zróżnicowanej komórki na pluripotencjalną łodygę wystarcza zwiększenie ekspresji całego cztery geny! Nazwy tych genów w muzyce brzmią dla biologów "łodygowych", a oni ich uwierzytelniają, a nawet budzą się w środku nocy: 3/4, Sox2, Klf4 i c-myc.

Ale to nie wszystko. Yamanaka wykazał, że uzyskane pluripotentne komórki macierzyste mogą odwrotnie różnicować się w komórki różnych tkanek, na przykład tkanki nerwowe lub jelitowe – to znaczy przewijać różnicowanie do tyłu, a następnie do przodu. Dał naukowcom łatwe w użyciu narzędzie, dzięki któremu można zróżnicować praktycznie wszystko, czego pragnie twoje serce. To odkrycie dosłownie zmieniło świat nauki.

Ryc. 3 Schemat eksperymentów Yamanaki. Cztery geny białkowe (1) są wprowadzane do zróżnicowanego fibroblastu otrzymanego od myszy (2). Ten fibroblast przekształca się w pluripotencjalne komórki macierzyste (3), z którego następnie można uzyskać organizm dorosłej myszy (4). Należy zauważyć, że dorosła mysz z komórek iPS nadal nie została uzyskana przez Yamanaka. Obraz z www.nobelprize.org

Ponieważ praca Yamanaki została przeprowadzona stosunkowo niedawno, spowodowała nie tak długie "echo" z późniejszej pracy, jak dzieło Gerdona. Jednak ten temat szybko się rozwija. W ciągu ostatnich sześciu lat Yamanaki opracował metodę transformacji jednego rodzaju zróżnicowanych komórek w inny. omijanie etap komórek macierzystych. Trzeba również wspomnieć o pracy chińskich naukowców, którym udało się uzyskać zarodek, a następnie dorosłą mysz z komórek iPS za pomocą całkowicie niewiarygodnej technologii (Xiao-yang Zhao, Wei Li i wsp., 2009). Innymi słowy, ciasne łańcuchy, które hamowały wszystkie ruchy naukowców w pracy ze zróżnicowanymi komórkami macierzystymi, spadły i stało się możliwe przeprowadzenie ogromnej ilości badań, o których wcześniej nawet nie śniło.

Należy zauważyć inną ważną konsekwencję pracy Yamanaki.Wcześniej ludzkie pluripotencjalne komórki uzyskano w stosunkowo niemoralny sposób – z komórek embrionalnych (i dlatego nazywane były embrionalnymi komórkami macierzystymi). W niektórych krajach ich używanie było zabronione, w innych – z powodu poważnych trudności prawnych. Odkrycie Yamanaki ujawniło ludzkości niemal niewyczerpany zasób pluripotencjalnych komórek, których pochodzenie nie pozostawia śladu na czyimkolwiek sumieniu.

Oryginalne artykuły laureatów:
1) J. B. Gurdon Wynaleziona zdolność tworzenia jąder pobranych z komórek nabłonka jelita żyjących kijanek // J Embryol Exp Morphol. V. 10. P. 622-640. Grudzień 1962 r.
2) Kazutoshi Takahashi, Koji Tanabe, Mari Ohnuki, Megumi Narita, Tomoko Ichisaka, Kiichiro Tomoda, Shinya Yamanaka. Indukcja pluripotentnych komórek macierzystych z czynników dorosłych według zdefiniowanych czynników / Cell. V. 131. Wydanie 5. Pp. 861-872. 30 listopada 2007 r.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: