La restauració de la totipotència cel·lular (Gurdon, Yamanaka, Premi Nobel de Fisiologia, 2012)

Biologia cel·lular: La restauració de la totipotència de cèl·lules diferenciades o madures permet l’obtenció de línies de cèl·lules progenitores (cèl·lules mare) a partir d’un individu adult. Lògicament, això obre expectatives en el camí de les teràpies cel·lulars de malalties degeneratives. Però en certa manera és fer un camí a contracorrent, ja que la diferenciació, procés majoritari, suposa una pèrdua de la totipotència cel·lular. Malgrat tot, la cèl·lula madura reté, en general, el mateix genoma que la cèl·lula totipotencial. Primer que res calia demostrar que la “desdiferenciació” és possible. Això ho va fer en un experiment clàssic, fa 50 anys, John B. Gurdon. Però Gurdon treballava amb granotes. En el 2006, Shinya Yamanaka va demostrar que l’experiment de Gurdon era, en certa mesura, reproduïble en ratolins. Avui, a tots dos, se’ls ha concedit el Premi Nobel de Fisiologia “per descobrir que es poden reprogramar cèl·lules madures per fer-les totipotents“.

John B. Gurdon

John B. Gurdon (*Dippenhall, Regne Unit, 1933). Es doctorà a la Universitat d’Oxford en el 1960, per després passar al California Institute of Technology. En el 1972 esdevenia professor de biologia cel·lular a Cambridge. Amb el temps fundà institut propi (Gurdon Institute), amb el qual contenia lligat en actiu.

Shinhya Yamanaka

Shinhya Yamanaka pertany a la generació posterior de biòlegs cèl·lulars. Va nàixer a Osaka, el 1962, quan Gurdon publicava els seus resultats. Es va doctorar en medicina el 1987 a la Universitat de Kobe, i exercí com a cirurgià ortopèdic. No fou fins després que començà la seva carrera com a biòleg cel·lular, doctorant-se a la Universitat de la Ciutat d’Osaka en 1993.

D’una cèl·lula intestinal de capgros a un capgros: un experiment clàssic de clonació

Oòcits de Xenopus laevis. El pol fosc és el pol animal, on es concentra el nucli i el citoplasma, mentre el pol clar és el pol vegetal, on s’acumulen les reserves vitel·lines que alimentaran l’embrió i, durant la primera etapa, el capgros.

Els resultats de l’experiment de John B. Gurdon es publicaren en el 1962, al Journal of Embryology and Experimental Morphology (Gurdon, 1962). Fou un dels experiments que quedà en la memòria col·lectiva. La clonació d’una granota a partir d’una cèl·lula intestinal. En realitat, Gurdon treballava amb cèl·lules de l’epiteli intestinal d’un capgros de Xenopus laevis laevis. Transferia nuclis d’aquestes cèl·lules a òvuls enucleats de granota, i aconseguí generar embrions. Dels 726 òvuls transferits, tan sols 10 assoliren l’estadi de capgros. Fos com fos, com diem, restà en la memòria col·lectiva, com a demostració de la possibilitat de la clonació post-embrionària en vertebrats. El gros de la gent, potser, desconeixia el nom de Gurdon, però suposo que molts se sentiran sorpresos avui en sentir que l’autor d’aquell experiment encara no havia rebut el Nobel.

Si la clonació de Gurdon fascina és precisament per trencar barreres. La teoria cel·lular té, com un els seus principis, allò de “omnia cellula ex cellula”. En aquest sentit, el llinatge cel·lular, en el sentit més ample, és immortal. Totes les cèl·lules vives de la biosfera actual descendeixen, en darrer terme, d’una cèl·lula primigènia de fa potser 3.800 milions d’anys. La immortalitat, en aquest context, vol dir més aviat “imperibilitat”, i no pas una immunitat a la mort. Sense nutrients o exposada a un excés de material tòxic, qualsevol cel·lula moriria. Però, si no, en els organismes unicel·lulars, la potencialitat de reproduir-se és garantida fins a l’infinit. En els organismes pluricel·lulars, però, la cosa és més complexa. August Weismann diferenciava en aquest sentit, entre les cèl·lules somàtiques (o corporals) i les cèl·lules germinals (o reproductives). Únicament, les segons són veritablement totipotents i (potencialment) immortals. Les cèl·lules somàtiques, que formen teixits i òrgans, perden potencialitat a mesura que es diferencien en tipus cel·lulars diversos i, a la fi, tan sols poden donar lloc a llinatges amb un límit de generacions. En el 1961, un any abans de l’experiment citat, Leonard Hayflick constatà justament aquest límit de “reproductibilitat” de les cèl·lules somàtiques (Hayflick i Moorhead, 1961).

Gurdon volia conèixer la base de la diferenciació cel·lular. En aquells anys, encara es dubtava de si el procés de diferenciació (o especialització) cel·lular requereix una restricció estable de la informació genètica continguda en el nucli cel·lular. Per exemple, per tal que una cèl·lula es diferenciï en una cèl·lula de la mucosa intestinal, cal que perdi la informació nuclear que fa referència a altres tipus cel·lulars? Aquesta qüestió anava relacionada amb el rol que juga el nucli cel·lular en la diferenciació. El mateix Gurdon havia fet experiments en el qual transplantava nuclis de cèl·lules en procés de diferenciació a cèl·lules indiferenciades, i analitzava si les cèl·lules transplantades es diferenciaven cap al tipus cèl·lular del nucli transplantat. En efecte, aquests experiments demostraven que factors nuclears influenciaven el procés de diferenciació cel·lular.

En aquells primers experiments, Gurdon havia fet servir cèl·lules de l’endoderma d’embrions de granota. Ara anava a estudiar cèl·lules completament diferenciades, com són les cèl·lules de l’epiteli intestinal de capgrossos que ja s’alimenten activament. Encara que, tècnicament, els capgrossos són individus encara sexualment immadurs, els podem considerar adults des d’un punt de mira ecològic.

Gurdon partia de teixit intestinal de capgros, el qual submergia en una solució de Versene per tal de disgregar-ne les cèl·lules. Mitjançant una tinció podia colorejar de manera diferenciada els nuclis d’aquestes cèl·lules. Amb l’assistència d’un microscopi i amb les tècniques de micromanipulació de l’època era capaç d’extreure els nuclis cel·lulars i transplantar-los a òvuls de Xenopus laevis. El fet que els nuclis transplantats fossin tenyits, permetia veure en els embrions resultants quins nuclis procedien del teixit donador.

Ja hem parlat abans de la taxa d’èxit d’aquestes clonacions. De 726 òvuls transfectats, tan sols 10 arribaren a l’estadi de capgros. Gairebé la meitat dels òvuls no arribava ni a tan sols segmentar-se. Bona part dels que començaven la segmentació, no la completaven. En tot cas, l’experiment de Gurdon demostrava que en les cèl·lules somàtiques hi havia prou informació com per reconstruir tot un organisme sencer.

La diferenciació (i la desdiferenciació) cel·lular és el resultat d’un diàleg entre factors nuclears (gens, àcids ribonucleics i proteïnes) i factors citoplasmàtics (proteïnes). En la transferència de nuclis de Gurdon, els factors citoplasmàtics de l’òvul són capaços de revertir la diferenciació del nucli i restaurar-lo com un nucli totipotent.

De cèl·lules madures a immadures en el ratolí: l’eterna joventut cèl·lular

Hi ha un paral·lelisme entre l’experiment de Gurdon i el que van fer Kazutoshi Takahashi i Shinya Yamanaka amb cultius de fibroblasts de ratolí. En tots dos casos, hi ha una restauració de la totipotència a partir de cèl·lules (o nuclis) ja diferenciats. A resultes dels seus experiments, Takahashi i Yamanaka aconseguiren publicar un article a la revista Cell l’agost del 2006. Amb prou feines, en fa sis anys. És el contrast amb Gurdon, que ha trigat tants anys en rebre el Nobel per un experiment que apareix sovint en els llibres de text.

Entre el 1962 i el 2006 moltes coses havien canviat en la biologia cel·lular. Per exemple, Kazutoshi Takahashi signava l’article de Cell com a membre del Departament de Biologia de Cèl·lules Mare, dins de l’Institut de Ciències Mèdiques en la Frontera del Coneixement de la Universitat de Kyoto. També Yamanaka era membre d’aquest Departament, alhora que de l’Agència de Ciència i Tecnologia del Japó. La recerca de Takahashi i Yamanaka no era motivada tant per qüestions bàsiques de l’embriologia com per una qüestió tècnica… Com podem aconseguir cèl·lules totipotencials a partir de cèl·lules diferenciades de teixits adults? Una qüestió vital per aconseguir cèl·lules mare autòlogues, que es puguin fer servir en teràpies cel·lulars reparatives o substitutives.

Ja hem vist com Gurdon aconseguia la reprogramació de nuclis de cèl·lules intestinals per tal que esdevinguessen cèl·lules totipotencials en el sentit ple del terme. Una altra forma de reprogramar cèl·lules diferenciades és induint-ne la fusió amb cèl·lules mare embrionàries.

Però Takahashi i Yamanaka volien saber quins factors concrets (és a dir, quines proteïnes, quins gens) són implicats en aquesta reprogramació. La finalitat és triar un nombre limitat de factors per tal de poder induir de manera sintètica el mateix procés de reprogramació.

Takahashi i Yamanaka no anaven a cegues, però mitjançant múltiples experiments van aconseguir induir en cultius de fibroblasts de ratolí (d’adult o d’embrió) la reprogramació per tal de transformar-los en cèl·lules mare pluripotencials. Aquests eren els quatre factors suficients per aconseguir el procés:
– Oct 3/4: es tracta d’un factor de transcripció que interactua amb l’ADN a través de l’octàmer d’histones. Es correspon a la proteïna humana POU5F1.
– Sox2: es tracta d’un factor de transcripció que s’uneix a determinades seqüència de l’ADN (caixes HGM). Es correspon a la proteïna humana homòloga.
– c-Myc: és un altre factor de transcripció, especialitzat en el control del creixement i del cicle cel·lulars. Es correspon a la proteïna humana homòloga.
– Klf4: és un factor de transcripció que s’uneix a l’ADN a través d’un domini de dit de Zn. Es correspon a la proteïna humana homòloga.

En reduir la llista a quatre, els investigadors japonesos podien reprogramar els fibroblasts en cultiu en cèl·lules mare transfectant-los un adenovirus al que havien introduït els quatre gens corresponents. En augmentar els nivells de les quatre proteïnes esmentades, s’esdevé la reprogramació. Això, és clar, no és factor suficient. També cal cultivar els fibroblasts en les condicions òptimes per a les cèl·lules mare.

Fos com fos, els dos autors japonesos havien aconseguit cèl·lules mare pluripotencials induïdes (cèl·lules iPS). Aquestes cèl·lules tenien la morfologia i presentaven els marcadors propis de cèl·lules mare embrionàries. En transplantar-les subcutàniament a ratolins, evolucionaven a tumors de diferentes menes (signe de totipotencialitat). En transplantar-les a embrions de ratolí en l’estadi de blastocist, s’integraven en l’embrió i contribuïen al seu desenvolupament. No eren, però, capaces de generar embrions de ratolí complets.

Alguns autors, com Steven R. Bischoff, distingeixen entre la noció de totipotència i de pluripotència. Les tècniques de generació d’iPS a partir de la transfecció d’un nombre limitat de gens resulten en cèl·lules pluripotents, que poden donar lloc a un ampli ventall de tipus cel·lular o, fins i tot, a tots els tipus cel·lulars, en les condicions adecuades. La totipotència, però, s’hauria de limitar a la restauració de la capacitat embrionària completa, és a dir a la capacitat de generar un nou individu, tal com va fer fa cinquanta anys Gurdon.

Yamanaka i les iPS avui

El grup de Shinya Yamanaka és tan sols un dels que actualment investiga en aplicacions de les cèl·lules iPS. Hi ha hagut un esforç per identificar, a la manera de Yamanaka, els factors concrets que determinen els diferents passos que condueixen de les cèl·lules iPS a cèl·lules diferenciades. També hom ha aconseguit cèl·lules iPS a partir de cèl·lules cutànies humanes. Hi ha en marxa alguna aplicació diagnòstica, com ara l’obtenció d’iPS d’un individu, i la seva diferenciació posterior en el laboratori per conèixer les bases cel·lulars de determinats trastorns.

Aquesta entrada ha esta publicada en 3. La Vida. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada