Chimerowe małpiątka. Jakie mają znaczenie dla nauki?

Chimery to organizmy utworzone z komórek pochodzących od dwóch różnych genetycznie osobników. Chińscy embriolodzy pracujący pod kierunkiem prof. Zhen Liu, zasiedlili wczesne zarodki świecącymi na zielono zarodkowymi komórkami macierzystymi uzyskanymi z innych zarodków tego samego gatunku makaka. W ten sposób pierwszy raz udało się uzyskać chimerowe małpiątka, w których tkankach stwierdzono nawet ponad 90 proc. komórek pochodzących z fluoryzujących komórek macierzystych. Znajdowały się one we wszystkich narządach małpek, łącznie z jądrami (gdzie tworzyły plemniki) i łożyskiem.

Sukces Chińczyków (publikacja w „Cell”) dotyczy zarówno aspektu technicznego, pozwalającego na znaczne usprawnienie procedury tworzenia chimer u małp, jak i poznawczego. Badacze wykazali bowiem, że komórki macierzyste mogą mieć znaczny udział w tworzeniu organizmów małp.

Osiągnięcie naukowe i praktyczne

Do tej pory uzyskiwano podobne chimery makaków, ale udział komórek macierzystych dołączanych do zwykłych zarodków u urodzonych osobników był wręcz minimalny. Badając je, je naukowcy doszli do wniosku, że u tego gatunku, w przeciwieństwie do chimer gryzoni – myszy czy szczura – komórki macierzyste mają w trakcie rozwoju zarodkowego problemy z synchronizacją z pozostałymi komórkami. Większość komórek macierzystych wprowadzanych do zarodków małp była eliminowana na drodze apoptozy – zaprogramowanej śmierci. Hamując ten proces przy pomocy zabiegów genetycznych, udało się tylko nieco zwiększyć liczbę tych komórek u małpich chimer.

Ekipa Zhen Liu udowodniła, że usprawniając samą hodowlę zarodkowych komórek macierzystych, można pokonać ten problem. Ich metoda hodowli pozwoliła na dłuższe zachowanie pierwotnych właściwości tych komórek w trakcie namnażania w laboratorium.

Trudności przeszłe i przyszłe

Małpy są najlepszym organizmem modelowym w badaniach biomedycznych ukierunkowanych na poznanie przyczyn wielu chorób u ludzi – np. tych neurodegeneracyjnych. Genetyczne modyfikacje małp pozwalają na dokonywanie unikatowych obserwacji nad wpływem wybranych genów na fizjologię np. mózgów i ewentualną identyfikację genów biorących udział w chorobach Parkinsona czy Alzheimera.

Jest jednak problem. We wczesnych zarodkach można wprowadzać jedynie bardzo proste zmiany genetyczne. Natomiast w zarodkowych komórkach macierzystych hodowanych w laboratorium można wprowadzać bardzo skomplikowane modyfikacje wielu genów albo nawet całych obszarów genomów. Dlatego uzyskiwanie płodnych chimer małpich przy zastosowaniu komórek macierzystych z hodowli laboratoryjnej, które byłyby w stanie przekazywać zmodyfikowane geny potomstwu, spełni kluczową funkcję w przyszłych badaniach tego typu.

Skomplikowane modyfikacje genetyczne dokonane na tych komórkach mogłyby być przekazywane potomstwu, które byłoby użyte do badań. To właśnie udało się grupie Zhen Liu.

Wydajność tej nowej procedury pozostaje jednak bardzo niska, gdyż udało się przy jej zastosowaniu uzyskać jedynie dwa osobniki (jeden zmarł w łonie matki) z wysoką proporcją komórek ciała pochodzących z komórek macierzystych. Pozostałe osobniki nie były chimerowe. Wygląda więc na to, że metoda ta działa na zasadzie „wszystko albo nic”.

Chimery sztuczne i naturalne

Organizmy chimerowe występują w naturze. Powstają np. kiedy dwa różne zarodki rozwijające się w drogach rodnych samicy połączą się i utworzą jeden. Istnieje też naturalny, tzw. minichimeryzm polegający na obecności w ciele jednego osobnika komórek somatycznych innego. Zdarza się to np. kiedy komórki potomka rozwijającego się w łonie matki przenikną do jej organizmu. Może też dojść do wędrówki komórek w drugą stronę – od matki do dziecka. Chimeryzm i mikrochimeryzm zdarza się również u ludzi.

Pierwsze eksperymentalne chimery u ssaków, a konkretnie u myszy, uzyskał na początku lat 60. XX w. polski embriolog, prof. Andrzej Krzysztof Tarkowski z Uniwersytetu Warszawskiego. Łączył ze sobą hodowane w laboratorium dwa wczesne zarodki myszy z genami determinującymi różny kolor sierści u każdego z nich. Po urodzeniu chimery miały charakterystyczne pręgi biegnące w poprzek ciała, np. czarne na ciele pokrytym białą sierścią.

Badania Tarkowskiego pozwoliły na prześledzenie losów różnych komórek w czasie rozwoju osobniczego i wykazały, że rozwój zarodkowy ssaków jest bardzo plastyczny (tzw. rozwój regulacyjny): możliwe okazało się utworzenie w pełni normalnie zbudowanego osobnika z dwóch oddzielnych zarodków połączonych na wczesnych stadiach rozwojowych.