Po odstranění SUMO tagu z proteinů získávají buňky znovu znaky totipotence. Zvládají tvořit jak embryonální buněčnou linii (modrozelená), která dá vzniknout všem typům tkání v těle, tak i extraembryonální buněčnou linii (fialová) z níž vznikne budoucí placenta. Kredit: Weizmann Institute of Science.

Začalo to ušlechtilou snahou získat záplaty na porouchané tkáně. Vědci svým vypěstovaným shlukům buněk dali název organoidy. Během krátké doby tento směr doznal takových vylepšení, že termín organoid začal být vytvářeným konstruktům těsný. V oborné literatuře se to začalo hemžit pojmy blastoidy, gastruloidy, embryoidy,… a aktivisté hlásající přirozenost, zpozorněli. Asi aby vědci moc neprovokovali, se do těchto termínů už tak neženou. Před několika dny tým Jakoba Hannay zveřejnil zprávu s nenápadným textem o „modelu lidského embrya“. Než se dostaneme k tomu, co jejich počin obnáší, začneme naším oblíbeným slovníčkem „Aneb abychom si rozuměli“.

Slovní novotvar „organoid“ známe již zhruba deset let. Jde o uměle vypěstovaný shluk buněk podobající se miniaturním orgánům. Nikoli tvarem, nýbrž funkčností. Buňky v těchto konglomerátech mají znaky a také si plní úkoly, jaké by měly pokud by byly buňkami klasického orgánu. O organoidy zájem nebývale roste. Není divu. Každý máme v tělesné schránce něco rozbitého či opotřebovaného co by chtělo vyměnit. Co se oprav nefunkčních tkání pomocí organoidů týče, tak zatím o žádnou rutinu nejde. Zcela jiná je situace u těchto několik milimetrů velkých konglomerátů při levném a rychlém ověřování, co s tkáněmi našich skutečných orgánů provedou kandidátní látky na léky. Stejně tak v případě studia procesů probíhajících ve skutečných orgánech při různých nemocech, otravách,… S organoidy všeho druhu byznys jen kvete.

Model lidského embrya vypěstovaný v laboratoři. Na obrázku je patrné, že rostoucí shluk buněk má co do stupně organizace vše, co vyvíjející se embryo ve věku čtrnácti dnů, má mít: Žloutkový váček (žlutě). Lokalitu z níž by se vyvíjelo samotné embryo (přechází do formujícího se amnionu z něhož by vznikl plodový obal s dutinou vyplněnou amniovou tekutinou (modře). Rychle se množící buňky formující se do tkáně, která spěje do placenty jsou pro názornost obarveny růžově. Kredit: Weizmann Institute of Science.

Z textu, který izraelští vědci poskytli svým kolegům k připomínkám vyplývá, že se jim do značné míry daří vyhnout se momentálně nastaveným etickým normám vztahujícím se na pokusy spojené s nitroděložním vývojem embrya. Tak trochu imitují hrátky s lidským embryem ve fázi postimplantačního vývoje. Pokud by šlo o skutečné embryo, tak by zcela jistě narazili na legislativu podepřenou etickými normami. A nejen na to. Problémem by byla i technická stránka získávání takových embryí. Přece jen už jde o bytost ve stadiu implantace do dělohy. I když by se jejich model vyvíjel dál, pokus na uznávané hranici 14 dnů ukončili. Nejvíce znalostí o embryích v tomto a pozdějším stádiu vývoje jsme zatím měli z pokusů na myších, kde se to tak nebere.

Izraelští vědci se tak trochu inspirovali nedávnými výsledky pokusů Peng-Fei Xu, který se svými kolegy z embryonálních myších kmenových buněk vypiplal embryoidy mající již tři zárodečné vrstvy. Ty dokázal protáhnout gastrulačním procesem takže vykázaly širokou škálu vývojových struktur velmi podobných těm v embryích ve stadiu neurula. Myší buněčné konstrukty měly již dorzální nervovou ploténku a vykazovaly histologické vlastnosti podobné neuroepitelu. I další charakteristikami byly podobné vyvíjejícím se embryím, jako třeba to, že základ neurální trubice měl předozadní orientaci (formující se „embryo“ už vědělo, kde bude mít mozek a kde zadek). Co se mezodermu týče, tak ten již začal vytvářet základ srdeční tkáně a vaskulární síť. Na myších embryoidech již šlo rozlišit i primitivní střevní trubici,...

Schematický vývoj lidského zárodku během prvních 23 dní. Model z předchozího obrázku je tedy již těsně za polovinou. Nejspíš by se zárodek vyvíjel dál, ale vědci pokus ukončili. čtrnácti dnech  Kredit: Zephyris, Wikipedia, CC BY-SA 3.0.

Proč se tedy věnujeme izraelské studii když u myší to dokázali již jiní?

Protože ta nynější ukazuje, jak výzkum v této oblasti opět pokročil. Na rozdíl od Xuových pokusů, při nichž byly použity embryonální kmenové buňky, tak v nynějším případě k vypěstování toho, co má znaky vyvíjejícího se embrya, se vědci obešli jak bez ženského vajíčka tak i tatínkovy spermie. To, čemu říkají model lidského embrya, připravili vědci v laboratoři ze směsi buněk, které již prošly specializací do vyššího vývojového buněčného stádia a embryo z nich již nikdy vniknout nemělo. Diferencované buňky se jim podařilo vrátit v čase zpět do jejich věku, kdy byly schopny dát vznik všem typům tělních buněk. Teoreticky se jim podařilo pootevřít pandořinu skříňku budoucí tvorby „embryí“ z buňěk kůže.

Jak lze buňku omladit a vrátit jí její zapomenuté schopnosti?

Zakopaný pes je v počtu dělení oplozeného vajíčka. Po prvním dělení, tedy ve stádiu dvou buněk, má každá buňka schopnost dát vznik všemu (jsou to buňky totipotentní). Pod tím slovem „všemu“ rozuměj jak embryu, tak placentě. Po druhém až třetím dělení už to neplatí. Buňky si již přestávají být rovny a některé se stávají rovnějšími. Ty se pak dávají na dráhu embrya. Zbylé se specializují na dráhu buněk placenty. Jejich vzájemná záměna už není možná. Odbornou mluvou: buňky jsou diferencované a ztratily schopnost totipotence.

Část autorského kolektivu z oddělení molekulární genetiky WIS. Řešitel projektu profesor Jacob Hanna je na obrázku ten zcela vpravo. Kredit: Weizmann Institute of Science.

Za ztrátu popsané všehoschopnosti může změna chromatinu. Chromatin (nebo-li také jaderná hmota) je komplex DNA a proteinů přičemž tím, co tahá buňkám za provázky jejich budoucí specializace, jsou proteiny. Jakmile chromatin kondenzuje - dvoušroubovice se sbalí a části genů to zabrání aby exprimovaly. Buňkám tedy jejich identitu (schopnosti) určuje způsob poskládání chromatinu (odborně: chromatinová kondenzace). Laicky si to můžeme představit tak, že geny, které v tom smotaném klubku zůstanou na povrchu (a mohou se k nim dostávat enzymy) zůstávají funkční. Ty které si buňka zachumlá, se pro transkripci (čtení) stanou nedostupné. Jde tedy o způsob uspání genů nepotřebných a jejich uzamknutí aby neškodily.

Izraelští vědci nyní lidským diferencovaným buňkám kód jejich zámku prolomili. Šli na to přes kondenzaci chromatinu, kterou má na starosti jedna z proteinových složek jménem histon H1. Jeho vlivu se lze zbavit čarováním s modifikátory. Tak říkají malým globulárním polypeptidům ubiqutinu a jeho slavnému bratranci SUMO. Odstranění značek SUMO přivodí buňce dekondenzaci chromatinu. Tu si můžeme představit jako rozvolnění poskládané DNA, čímž se odhalí a zpřístupní geny, které by za normální situace byly navždy zapomenuty a mimo hru. Jak se ukázalo, tak omlazení buněk (obnovení schopnosti totipotence) je v režii zhruba stovky původně uspaných genů.

Ať už tomu budeme říkat modely lidských embryí, nebo syntetická embrya, není podstatné. Je dobré si ale uvědomit, že tu jde o mnohem víc, než jen o embrya a případná větší regulace takových pokusů, po které začala část veřejnosti a biotetici volat, by mohla být ku škodě. Ostatně, kdo by měl být onou autoritou a říkat těm, kteří to s buňkami umí nejlíp: „tohle můžeš, ale tohle už ne“. Jisté je, že byrokratické zešněrování pravidel by zpomalilo cestu k pěstování náhradních lidských orgánů i pokrok v léčbě neplodnosti a konec konců i léčbu rakoviny. Ta totiž zvládá omlazení buněk a jejich schopnost množit se ostošest a mnohem lépe než my.

Závěr

Vědcům z Weizmannova ústavu se nyní podařilo lidské buňky přeprogramovat a posunout je v čase zpět (z pluripotentních udělali znovu totipotentní). Jde o návrat do stavu, kterým si bez ohledu na pohlaví prošel každý z nás. Konkrétně za časů kdy po prvním buněčném dělení se naše „Já“ sestávalo z pouhopouhých dvou buněk. Nyní už vědci umí u „staré“ buňky manipulací s tvarem jejího chromatinového obalu DNA obnovit funkci zhruba stovce genů a udělat buňku mladší = totipotentní. Tím jí znovu vrátí možnost volby budoucí identity. Jednou větou řečeno: Mládí nemá s potencí problém.

Literatura

Weizmann Institute News

Jacob Hanna, Complete human day 14 post-implantation embryo models from naïve ES cells, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06604-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06604-5