Znanost

Od zametka do čovjeka - genetska receptura

Igor Berecki subota, 12. svibnja 2018. u 07:00

Nebitno jeste li se rodili kao glista, čovjek ili govedo, život ste započeli kao jedna jedina, netom oplođena stanica. A gle kakvi ste veliki i lijepi sada!

Nećemo sada o tome što su roditelji morali uraditi da bi ta prva stanica nastala; to pitajte tatu ili mamu. Mi ćemo se pak baviti nečim zabavnijim: pitanjem kako od te jedne nastanu milijarde međusobno vrlo različitih stanica koje izgrađuju organizam čiji dijelovi savršeno koordiniraju svoje funkcije usprkos svim uzajamnim različitostima.

Recept za ekspresiju

Unatoč višedesetljetnim proučavanjima, proces diferencijacije stanica je ostao jedna od najvećih bioloških nepoznanica - sve do nedavne objave istraživanja timova sa Sveučilišta i Medicinskog fakulteta na Harvardu. U tri istovremeno objavljena članka u časopisu Science od 26. travnja prikazali su rezultate istraživanja koje je provedeno s namjerom otkrivanja genskih mehanizama koji prvu, početnu stanicu vode prema izgradnji cijelog organizma.

Koristeći tehnologiju jednostaničnog genskog sekvenciranja, istraživački timovi su pratili prvih 24 sata života zametka, analizirajući „genski program“, slijed kojim se uključuju ili isključuju geni što diktiraju kako će se u embriju diferencirati različite stanice i tkiva. Rezultati tih istraživanja predstavljaju svojevrsnu „zbirku genetskih recepata“ za generiranje različitih tipova stanica. Time je stvoren temelj za detaljnu analizu embrionalnog razvoja tjelesnih tkiva i organa, ali i za bolje razumijevanje uloge genskih procesa u nastanku nekih bolesti.

Proučavanjem procesa kojim stanice mijenjaju ekspresiju gena mogao bi se analizirati ne samo razvoj normalnih staničnih linija u embriju nakon oplodnje, nego i razvoj zloćudnih stanica karcinoma ili degenerativno izmijenjenih moždanih stanica.

Sve je u tajmingu

Svaka stanica potpuno razvijenog organizma, bila ona krvna, koštana, mišićna ili jetrena, u sebi ima identičnu DNK, jednak „komplet gena“ kao i sve ostale. I obratno, ako krećemo od trenutka oplodnje, svaka stanica embrija sadrži u sebi genom cijelog budućeg organizma. Pitanje je samo jedno: koji geni u stanicama su u kojem trenutku aktivirani (genska ekspresija), a koji inaktivirani (genska represija), odnosno u kojoj fazi razvoja će u embrijskim stanicama doći do ekspresije potrebnih gena kako bi se od prvotno identičnih stanica stvorio cijeli organizam u svojoj različitosti.

Danio rerio (gore) i Xenopus tropicalis (dolje) - stare i iskusne mušterije brojnih genetičkih laboratorija
Danio rerio (gore) i Xenopus tropicalis (dolje) - stare i iskusne mušterije brojnih genetičkih laboratorija

Dioba oplođene stanice je brz proces: za otprilike sat vremena nakon oplodnje stanica se prvi puta dijeli na dvije, a potom u istom ritmu iznova udvostručuje broj novih stanica – dvije, pa četiri, pa osam, šesnaest... Nakon dvadesetak sati od jedne stanice nastane preko milijun novih, pri čemu se većina njih već krenula diferencirati i stvarati začetke mozga, oka, kože, krvnih stanica…

Za razumijevanje tih procesa potrebno je definirati koji se geni u kojem trenutku uključuju ili isključuju, jer stanice u kratkom vremenu donose sudbinske odluke u kojem smjeru će se razvijati.

Za analizu genskog sekvenciranja (tj. točnog tajminga genske ekspresije u razvoju embrija) upotrijebljena su dva najčešće korištena laboratorijska biološka modela: riba zebrica (Danio rerio) i žaba afrička pandžašica (Xenopus tropicalis).

Profiliranje tkivnog obiteljskog stabla

Istraživači su koristili InDrops, tehnologiju jednostaničnog sekvenciranja koja je razvijena na harvardskom medicinskom fakultetu, kako bi registrirali ekspresiju gena iz svake pojedinačne stanice embrija. Analizirali su genome u svakoj od preko 200.000 stanica tijekom više vremenskih točaka unutar prvih 24 sata razvoja embrija.

Trodimenzionalni prikaz preko 50,000 stanica i njihove diferencijacije tijekom prvih 24 sata od oplodnje. U središtu plavog centra je „nulta točka“, prva stanica. Poput mikroskopskog big-banga u nastanku svemira, iz početnog središta se tijekom vremena zrakasto šire nove stanice formirajući začetke različitih tkiva i organa (copyright: Wagner et al.)
Trodimenzionalni prikaz preko 50,000 stanica i njihove diferencijacije tijekom prvih 24 sata od oplodnje. U središtu plavog centra je „nulta točka“, prva stanica. Poput mikroskopskog big-banga u nastanku svemira, iz početnog središta se tijekom vremena zrakasto šire nove stanice formirajući začetke različitih tkiva i organa (copyright: Wagner et al.)

Potom su genski profilirali više od 38.000 stanica i izradili svojevrsno stanično "obiteljsko stablo" iz kojega je vidljivo koje su promjene genske ekspresije potrebne da bi se početna stanica razvila u 25 različito specijaliziranih tkiva. Štoviše, kombiniranjem tih podataka s prostornom analizom uspjeli su rekonstruirati i prostorni raspored različitih tipova stanica u ranim fazama razvoja embrija. Stanice iste vrste „putuju“ unutar embrija i grupiraju se u tkiva, čineći osnove budućih organa. Prostorna organizacija embrija je vrlo važna: nitko ne želi imati ruke na glavi, a oči na koljenima, zar ne?

Open-source genetika

Dobiveni podaci imaju ogroman potencijal u razjašnjavanju procesa stvaranja i diferencijacije tkiva i organa. U regenerativnoj medicini, na primjer, istraživači su desetljećima pokušavali manipulirati matičnim stanicama (koje su još nediferencirane), „tjerajući“ ih da se pretvore u točno određene tkivne stanice, s ciljem zamjene oboljelih tkiva ili organa sa zdravim, funkcionalnim. Sada, korištenjem ovako prikupljenih podataka o tajmingu ekspresije gena tijekom razvoja embrijskih tkiva, znanstvenici na raspolaganju imaju „recept“ po kojem je moguće od početne stanice „oblikovati“ ciljane stanice i tkiva, a u budućnosti vjerojatno i cijele organe. Ili, možda, „objasniti“ stanicama karcinoma kojim putem trebaju poći kako bi se „korigirale“ i iznova postale benigne.

Sva tri istraživačka tima s Harvarda stavila su cjelokupnoj znanstvenoj zajednici po open-source licenci na raspolaganje sve svoje prikupljene podatke i rezultate, kao i laboratorijske i softverske alate korištene u istraživanjima. Namjera je da se na neprofitnoj osnovi umreže svi zainteresirani istraživački timovi kako bi se ova znanstveno i medicinski interesantna i korisna istraživanja nastavila i napredovala.

 

Dr. Igor „Doc“ Berecki, rođen 1961., pedijatar je na Odjelu intenzivnog liječenja djece Klinike za pedijatriju KBC Osijek. Od posla se opušta antistresnim aktivnostima: od pisanja svojevremeno popularnih tekstova i ilustracija u tiskanom izdanju časopisa BUG, crtkanja grafika i dizajna, zbrinjavanja pasa i mačaka, te fejsbučkog blogiranja o craft-pivima, životnim neistinama i medicinskim trivijama, sve do pasioniranog kuhanja posve probavljivih jela i sviranja slabo probavljivog bluesa.