O skórze schizofrenika i mózgach w naczyniu

Bo autor nie mógł się powstrzymać. Obraz z Wikipedii.

Czy skóra może cierpieć na schizofrenię? Może. Nie może. Zależy.

Schizofrenia jest bardzo złożoną chorobą – na tyle złożoną, że nie ma zgody co do tego, czy rzeczywiście jest tylko jednym schorzeniem: mówi się raczej o zespole zaburzeń schizofrenicznych. Nie wiadomo też do końca, co schizofrenię powoduje – istnieją wrodzone predyspozycje, ale ten „komponent genetyczny” to tylko część większego obrazu. Znaczenie mają również źródła zewnętrzne. Ale jaka jest rola każdego z tych czynników? Jak rozdzielić je od siebie?

Jak badać samo tylko ciało? Schizofrenia jest zaburzeniem układu nerwowego, a nikt nie podda się badaniu mózgu, jeżeli to badanie będzie zbyt inwazyjne, lub niebezpieczne – a właśnie badania inwazyjne i niebezpieczne najwięcej mogą nam powiedzieć o naturze choroby. Eksperymenty na martwych tkankach mogą powiedzieć wiele, ale nie zastąpią obserwacji żywych i działających struktur organizmu.

Więc wyhodujmy mózg w laboratorium i to na nim prowadźmy eksperymenty.

„Teraz Pan Autor upadł na głowę” – powiecie.

Trochę upadłem, ale nie objawia się to tak, jak myślicie. Naukowcy rzeczywiście wyhodowali w laboratorium neurony chore na schizofrenię. Ponieważ istnieją geny schizofrenii (nie do końca - raczej "geny predyspozycji do schizofrenii*), to każda komórka chorego człowieka nosi je w sobie – nie tylko komórka nerwowa, w której choroba rzeczywiście się objawia, ale także inne komórki, np. skóry.

Potrzebujemy więc skłonić komórki skóry, by zmieniły się w neurony. Sprawa oczywiście niełatwa. Komórki jednego rodzaju nie zmieniają się spontanicznie w inne – są w końcu wyspecjalizowane, mają ustalone funkcje. Co więcej – raczej nie ulegają podziałowi. Dzielą się komórki macierzyste – i dopiero ich kopie przyjmują konkretne funkcje.

Okazuje się jednak, że komórkę można przeprogramować – komórkę skóry przeprogramować tak, by działała jak komórka macierzysta: by mnożyła się i tworzyła np. neurony. Ale jakim sposobem się to przeprogramowanie odbywa? Istnieją narzędzia – bardzo ciekawe narzędzia, zwane lentiwirusami.

Lentiwirusy (z łacińskiego „powolne wirusy” – istnieje cała ich grupa) są o tyle interesujące, że potrafią infekować i wprowadzać swoje DNA lub RNA (zależnie od typu wirusa) do komórek nieulegających podziałowi. Jednym z lentiwirusów jest HIV – po zarazeniu wirus replikuje się w komórkach nosiciela, ale nie ujawnia się przez długi czas, zwany okresem inkubacji. Różne szczepy lentiwirusów modyfikuje się, aby mogły służyć za narzędzia do modyfikacji genetycznej komórek.** Zostają zmienione w taki sposób, że nie przerabiają komórek na fabryki wirusów, ale zmieniają ich kod genetyczny w sposób zamierzony przez naukowców. Stają się czymś w rodzaju "genetycznej strzykawki", wprowadzającej do komórki składniki przygotowane przez ludzi.

Zwykły wirus (tj. naturalny, niemodyfikowany) zaraża komórkę w ten sposób, że dostaje się do jej wnętrza i podmienia fragmenty komórkowego kodu genetycznego w taki sposób, by skłonić komórkę do produkowania kopii intruza. Komórka jest jakby fabryką, której sposób działania opisuje jej DNA – np. konkretny fragment mówi komórce, że powinna wytwarzać takie a takie białko. Wirus zmienia tę instrukcję działania – „wgrywa” komórce własne instrukcje i fabryka zaczyna produkować jego kopie.

Ale odpowiednio zmieniony wirus może wprowadzać do komórki także inne informacje. Np. przekonać ją, ze nie jest wcale komórką skóry, ale komórką macierzystą, zdolną do ciągłego podziału i przekształcenia się w każdy typ komórki.

Oczywiście nie jest to aż tak proste. Komórki użyte przez naukowców nie były dowolnymi komórkami, lecz fibroblastami, które już są czymś w rodzaju komórek macierzystych, bardzo licznie występujących w tkance łącznej i dzięki swojej zdolności do podziału biorą udział w procesie gojenia. Pisze "czymś w rodzaju", bo fibroblasty mogą tworzyć tylko ograniczoną ilość typów komórek (podczas gdy prawdziwe komórki macierzyste mogą wytwarzać ich dowolny rodzaj). Gdy tkanka zostanie uszkodzona, fibroblasty zaczynają się namnażać i ich kopie zajmują miejsce uszkodzonych i zniszczonych komórek. To właśnie fibroblastów, pochodzących z próbek skóry pacjentów chorych na schizofrenię, użyto do wyhodowania neuronów, na których prowadzono badania.

Udało się ustalić, że neurony schizofreników mniej chętnie od zdrowych komórek łączą się ze sobą, a substancje chemiczne, których komórka używa do przekazywania impulsów nerwowych (neuroprzekaźniki), są używane przez nią w niewłaściwy sposób. Gdy próbowano poddawać wyhodowane neurony działaniu leków na schizofrenię, okazało się, że leki takie działają tylko na komórki pochodzące od niektórych pacjentów - nie ma leków uniwersalnych. Użyto pięciu różnych leków antypsychotycznych i te, które działały na neurony jednego pacjenta nie miały wpływu na neurony drugiego – ale jeżeli któryś z podanych leków działał na wyhodowane neurony, to znaczy, że zadziałałby także na ich dawcę. To znaczy, że daje się modelować działanie lekarstw w warunkach laboratoryjnych – bez wystawiania pacjenta na działanie substancji, które mogą być nieskuteczne i potencjalnie szkodliwe (nie ma leków, które nie powodują skutków ubocznych, a leki antypsychotyczne to zazwyczaj wyjątkowe świństwa). Znaczy to także, że można testować wiele różnych środków jednocześnie, bez potrzeby długotrwałego zatruwania pacjenta i dochodzenia do właściwej do wyboru właściwej substancji metodą prób i błędów.

Napiszę jeszcze trochę o samym procesie przeprogramowania. Komórki sztucznie przekształcone w komórki macierzyste noszą piękną i wdzięczną nazwę Indukowanych Pluripotencjalnych Komórek Macierzystych (iPSC – induced pluripotent stem cells). (Nazwa tak piękna, że powoduje zakwasy w języku – ale w naukach przyrodniczych takie nazwy to raczej norma niż wyjątek). I proces ich tworzenia nie jest niestety doskonały – zdarzają się błędy i iPSC’y nie działają zupełnie tak, jak powinny. Okazuje się, że różne części DNA są w różnym stopniu podatne na modyfikacje – do niektórych zwyczajnie trudniej jest się dostać, ponieważ są w pewnym sensie osłonięte i zabezpieczone, jak np. telomery, czyli „końcówki chromosomów”. Wiem, że za takie porównanie ktoś z wykształceniem biologicznym mógłby mnie chcieć zamordować (lub choćby okaleczyć), ale chromosom i telomery można wyobrazić sobie jak sznurówkę od buta, której końce (czyli właśnie telomery) są zabezpieczone metalową czy plastikową skuwką.

Znaczy to niestety, że nie wszystkie wyniki uzyskane w badaniach są w stu procentach pewne. Neurony wyhodowane z iPSC’ów mogą zachowywać się inaczej niż naturalne neurony i obniżona liczba połączeń między nimi może wynikać przynajmniej częściowo z tego, że zostały uszkodzone w trakcie przeprogramowania. Jednak już teraz można używać ich do przybliżonego modelowania schorzenia i podatności na terapię lekową. W przyszłości – gdy techniki przeprogramowania komórek się rozwiną – będzie można z większą pewnością przyjmować wyniki badań.

A te same metody, które teraz pozwalają przekształcać jeden rodzaj komórek w drugi, będą mogły zostać użyte w innych celach. Jeżeli w przyszłości uda się otrzymywać w warunkach laboratoryjnych nie tylko komórki, ale całe tkanki, będziemy mogli modelować choroby genetyczne na zupełnie nowym poziomie. Każde z nas będzie mogło zostać swoim własnym królikiem doświadczalnym. A ponieważ komórki macierzyste pochodzą z naszych własnych tkanek, nie grożą nam żadne konsekwencje moralne - w końcu to tylko nasza skóra.

Prawda? Czy nie?



Marek Krysiak


 -- - ---



*Gdybyśmy potrafili tak łatwo wskazać genetyczne przyczyny schizofrenii, to wtedy całe badanie byłoby niepotrzebne. O to właśnie chodziło w nim, by oddzielić czysto biologiczne podstawy choroby od wpływu środowiska.

**Oto reklama firmy, zajmującej się projektowaniem i sprzedażą odpowiednich pakietów narzędzi wirusowych: http://www.cellbiolabs.com/lentiviral-expression-and-packaging?gclid=CL23vNzftKgCFQGEDgodO3bpCQ
Nie wiem jak was, ale mnie takie rzeczy upewniają w przekonaniu, że od jakiegoś już czasu żyję w powieści science-fiction).


A oto artykuły:
http://www.genethique.org/revues/revues/2011/Avril/Brennand%20KJ_Modelling%20Schizophrenia_using%20iPSCs_Nature_130411.pdf

http://www.nature.com/news/2011/110413/full/news.2011.232.html
 

-- - --

Jak zarazić się jednokomórkowym psem?

CTVT - Obraz z Wikipedii

Wyobraź sobie, że z jakiegoś powodu komórka Twojego ciała ulega uszkodzeniu. Dzieje się z nią coś dziwnego - buntuje się. Nie chce dłużej grać w drużynie. Zaczyna się namnażać - bez sygnału ze strony organizmu i bez końca, bo mechanizm śmierci komórkowej (apoptoza) jakoś zgubił się jej po drodze. Jest ich coraz więcej. Zaczynają czerpać coraz więcej substancji odżywczych z innych - normalnych - komórek, które je otaczają. Hodują sobie naczynia krwionośne, by móc tym szybciej rosnąć i namnażać się. Nowotwór.

Jesteś jeszcze ze mną?

Teraz wyobraź sobie taki nowotwór, który nie powstaje z Twoich komórek. To intruz - pasożyt. Zainfekował Cię i rośnie w Twoim ciele, zabiera sobie jego kawałki. A gdy nadarzy się okazja - zainfekuje następnego nosiciela. To jednokomórkowy organizm, powstały z kogoś Twojego gatunku i noszący zmutowane geny. Ile może mieć lat? Dziesiątki? Setki?

Uspokoję Cię - infekcja nowotworem Ci nie grozi, chyba że jesteś psem.

Opisano go w roku 1876, gdy rosyjski weterynarz M.A. Nowiński odkrył, że szczególny rodzaj guza daje się przeszczepiać z jednego psa na drugiego.(Historia pokazuje, że niełatwo być psem rosyjskiego naukowca).

CTVT (Canine transmissible veneral tumor - zakaźny psi guz weneryczny) to prawdziwy cudak. Właściwie jest ssakiem. Technicznie. Bo jest też organizmem jednokomórkowym, zakaźnym pasożytem. Sam jest bezpłciowy, ale przenosi się droga płciową (choć może też przez ugryzienie, albo podczas obwąchiwania). Jego nosicielami są psy - choć czasem także ich kuzyni, jak lisy, szakale, czy kojoty. Rozwija się tam, gdzie zazwyczaj rozwijają się choroby przenoszone droga płciową.

Nie powstaje każdorazowo z uszkodzonych komórek, jak inne nowotwory, ale ma swoje własne "linie krwi" - nosiciel zaraża się nim, tak jak można zarazić się wirusem, czy bakterią i poszczególne nowotwory są bliżej spokrewnione ze sobą, niż ze swoimi nosicielami.

Mitochondrium - obraz z Wikipedii

Jeden z mechanizmów przystosowawczych CTVT jest zupełnie niesamowity - kradnie on części komórek swojego nosiciela. Każda komórka posiada w sobie wiele elementów - między innymi mitochondria, które często opisuje się, jako komórkowe elektrownie, źródła energii. W mitochondriach także znajduje się kod genetyczny - tzw. RNA mitochondrialne. Podczas badań CTVT naukowcy odkryli coś dziwnego: nie wszystkie mitochondria w komórkach nowotworu należą do niego. Mają inne RNA - RNA nosiciela. CTVT kradnie mitochondria swojego nosiciela. Dlaczego to robi? Ze względu na wysokie tempo mutacji, jego własne mitochondria często ulegają uszkodzeniu - stają się mniej wydajne, "wyczerpują się". CTVT wchłania świeże, nieuszkodzone mitochondria.

Fachowcy określają taki mechanizm jako: "co robi, do cholery?!" Nie jestem fachowcem, ale moja reakcja była podobna - zbyt wiele horrorów obejrzałem jako dziecko.

Skąd wziął się CTVT?

Z badań genetycznych wynika, że oddzielił się od psowatych prawdopodobnie przed około 10 tysiącami lat. Najstarszy wspólny przodek współczesnych CTVT żył od 200 do 2500 lat temu. Ale co znaczy „wspólny przodek” w wypadku organizmu jednokomórkowego? Wszystkie komórki CTVT są naturalnymi klonami, powstałymi w procesie podziału komórkowego – mitozy. W mitozie komórka dzieli się na dwie części, które posiadają taki sam materiał genetyczny (wyłączając błędy kopiowania DNA – tzn. mutacje). To ta sama komórka, powielona miliony razy i mająca minimum 200 lat.

Ale dalej: z pewnego punktu widzenia CTVT stanowi osobny gatunek - na tyle odmienny od swoich najbliższych krewniaków, że ciężko wbić sobie do mózgu, że właściwie to należy do psowatych. Nie jesteśmy przyzwyczajeni do czegoś takiego - nowe gatunki powstają za sprawą ewolucji, a o tej myślimy jako o czymś, co działa na przestrzeni milionów lat. I nie daje też wyników tak zaskakujących - z psów powinny powstawać takie trochę inne psy, prawda?

Najwyraźniej nieprawda.

Odkrycie Nowińskiego było niespodziewane, ponieważ zazwyczaj przeszczepy tkanek - nawet rakowych - nie przyjmują się. Organizm biorcy rozpoznaje w nich ciało obce i jego system immunologiczny zaczyna je aktywnie zwalczać. Obce tkanki mogą jednak czasami się zadomowić, jeżeli różnica między organizmem dawcy i biorcy jest wystarczająco niewielka. To znaczy - jeżeli biorca i dawca są ze sobą spokrewnieni. Czy wszystkie psy są ze sobą tak blisko spokrewnione? Musiałyby mieć więc jakiegoś wspólnego przodka, niewielką populację z której stosunkowo niedawno powstały? Co się stało?

A. No tak. To przecież psy. My się staliśmy.

Przypuszcza się, że to człowiek w procesie udomawiania psa krzyżował ze sobą blisko spokrewnione wilki (czy "pra-psy") - takie, które przejawiały pożądane cechy. Cechą pożądaną u wilka jest nie odgryzanie twarzy człowiekowi (oczywiście pożądaną ze strony tego człowieka - wilk ma prawo do własnej opinii). Dla naszych przodków czystym pragmatyzmem było wybieranie sobie pupili potulnych i posłusznych, dlatego kolejne pokolenia wilków/psów miały stosunkowo niewielu rodziców - te zwierzęta, które najlepiej nadawały się do ludzkich celów.

Istnieje trop potwierdzający tę teorię - CTVT nie jest jedyny w swoim rodzaju. Istniej jeszcze inny podobny nowotwór, na który zapadają diabły tasmańskie - zakaźny rak pyska diabła - torbacze zarażają się nim przez ugryzienie, podczas walk. Diabeł tasmański także jest gatunkiem o niewielkim zróżnicowaniu genetycznym. Jest też zagrożony wyginięciem - jeśli (kiedy?) wymrze, stracimy dwa gatunki jednocześnie. (Ale jakoś ciężko mi sobie wyobrazić ekologów pikietujących w obronie raka - sam diabeł mimo wszystko bardziej nadaje się na "publiczną twarz" swojego genomu).

Komórka w trakcie podziału mitotycznego. Błękit to materiał genetyczny zwinięty w chromosomy. Zaraz zostanie rozerwany na równe części. - obraz z Wikipedii

Ale piszę dalej o CTVT.

Jeżeli jest się jednokomórkowym organizmem noszącym w sobie cały komplet genów, które kiedyś zarządzały budową organizmu, jego zachowaniami, instynktami - to oczywiście geny te nie mają już czym zarządzać. Nie ulegają ekspresji, a to znaczy, że wszelkie powstałe w nich mutacje nie są wystawione na presję środowiska. Gdy mutacja powstaje w obrębie genu, który ma większy wpływ na organizm, wtedy to środowisko determinuje, czy dana zmiana jest krokiem w przód, czy też w tył. Mutacje szkodliwe zmniejszają szansę przetrwania organizmu, więc ich nosiciele wymierają - bo łatwiej ich upolować, bo są podatniejsi na choroby, bo trudniej im zdobywać partnerów, itp. zależnie od charakteru mutacji. Jeżeli jednak brakuje takiego "środowiskowego sita", to mutacje nawarstwiają się. CTVT także podlega temu mechanizmowi - naukowcy nie mogą się doczekać, aż będą mieć możliwość zmapowania jego genomu i podziwiania chaotycznych mutacji. Najbardziej interesują ich geny odpowiedzialne za budowę systemu nerwowego. Jaki mózg wyhodowałby sobie CTVT? Wyobraźnia podsuwa bogaty zaczyn dla koszmarów, ale ja zepsuję zabawę - prawdopodobnie żaden, bo zbyt wielkie nagromadzenie mutacji ma skutek śmiertelny. CTVT może zresztą genów budujących mózg zwyczajnie nie mieć, bo z 78 psich chromosomów, nowotworowi zostało już tylko od 57 do 64 (tzw. aneuploidia).

CTVT mimo całej swojej dziwności i unikalności jest nowotworem stosunkowo niegroźnym. Organizm nosiciela zazwyczaj wygrywa z nim i kilku (3-9) miesiącach guz znika, a pies nie może zarazić się nim ponownie - jego organizm wytwarza przeciwciała, którymi później można zaszczepić inne psy.

Nie znaczy to jednak, że CTVT nie może stać się źródłem nerwicy i fobii u zbyt ciekawskiego czytelnika.
Może, a jak
Wiem, bo już mam. Tę nerwicę. I fobię.

////

Źródła:

1. Claudio Murgia,Jonathan K. Pritchard, Su Yeon Kim, Ariberto Fassati, and Robin A. Weiss. Clonal Origin and Evolution of a Transmissible Cancer http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2593932/?tool=pmcentrez

2. Carl Zimmer. Canine Tumor Fuels Up by Stealing Parts From Host, Report Says. http://www.nytimes.com/2011/01/25/science/25cancer.html?_r=1

3. Science Podcast, 21 January 2011 http://www.sciencemag.org/content/331/6015/347.2.full

////