Begleitende Lektüre zum Artikel, Ausgabe 26 · Takahashi & Yamanaka 2006 · Cell 126(4):663-676 · DOI 10.1016/j.cell.2006.07.024
Eine Frage, die ich bereits vor dem Lesen der Arbeit hatte
Hast du jemals darüber nachgedacht, warum nach der Heilung einer Wunde eine Narbe entsteht und nicht eine vollkommen neue Haut?
Wenn ein Stück Haut verletzt wird, kann der Körper nur einen Flicken auftragen, aber nicht das gleiche Gewebe neu wachsen lassen. Nachdem sich eine Stammzelle zu einer Hautzelle differenziert hat, bleibt sie für immer eine Hautzelle und kann nicht wieder zurückverwandelt werden. Die Differenzierung von Zellen ist wie eine Einbahnstraße – man kann nur vorwärtsfahren und nicht umkehren.
Dies war mein tiefster Eindruck vom Schicksal der Zellen, bevor ich diese Arbeit las.
Im Jahr 2006 veröffentlichte ein Team der Universität Kyoto in Japan eine 14-seitige Abhandlung im Fachmagazin „Cell“, die eine Tatsache belegte:Die Schicksale von Zellen sind nicht unumstößlich. Gewöhnliche Hautzellen benötigen lediglich vier Genschalter, um in einen embryonalen Zustand zurückzukehren.
Dieses Jahr ist es genau zwanzig Jahre her, seit diese Arbeit veröffentlicht wurde. Sechs Jahre später erhielt sie den Nobelpreis.
Heute werde ich diese Arbeit analysieren, um herauszufinden, was sie enthält, wie sie erstellt wurde und was sie für Sie bedeutet.
Warum der ursprüngliche Weg nicht mehr gangbar ist
Bevor das Jahr 2006 begann, wussten Wissenschaftler bereits von der Existenz einer „Mutterzelle“, die in jede Zelle des Körpers umgewandelt werden kann – embryonale Stammzellen. Diese Zellen haben zwei bemerkenswerte Eigenschaften: Sie können sich unbegrenzt vermehren und gleichzeitig ihr Potenzial behalten, sich in jede Zelle zu verwandeln.
Das Problem ist, dass man für die Entnahme dieser Stammzellen den Embryo zerstören muss. Dies ist ethisch umstritten, und die Quellen sind sehr begrenzt. Wenn Patienten ihre eigenen Zellen zur Behandlung von Krankheiten benötigen, müssen sie außerdem mit dem Problem der Abstoßung rechnen – wenn fremde Zellen in Ihren Körper gelangen, greift das Immunsystem sie an.
Können Stammzellen ohne Embryonen aus den normalen Zellen des Patienten selbst hergestellt werden?
Dieses Problem hat den gesamten Bereich viele Jahre lang beschäftigt. Die vorhandenen Beweise deuten auf zwei Wege hin: Zum einen die Einführung des Kerns einer erwachsenen Zelle in eine Eizelle (Klonen) und zum anderen die Fusion von erwachsenen Zellen mit embryonalen Stammzellen. Beide Wege belegen eine Sache – es existiert ein Mechanismus in der Zelle, der „zurückgesetzt“ werden kann. Allerdings weiß niemand, welche Faktoren diesen Reset auslösen.
Der Ansatzpunkt dieser Arbeit liegt genau hier.
Das ist keine Addition, sondern Subtraktion.
Die Idee der Forscher ist sehr einfach.
Da einige Gene in embryonalen Stammzellen besonders aktiv sind und die Eigenschaften der Stammzellen aufrechterhalten, stellt sich die Frage: Können diese Gene in gewöhnliche Zellen eingeführt werden, um sie wieder in Stammzellen zu verwandeln?
Sie wählten zunächst 24 Kandidatengene aus. Diese 24 Gene wurden entweder in embryonalen Stammzellen hoch exprimiert oder waren laut bestehender Forschung mit Stammzelleigenschaften verbunden.
Dann haben sie etwas getan, was ich für sehr schön hielt:Nicht Addition, sondern Subtraktion.
Zuerst wurden alle 24 Gene in gewöhnliche Mäuse-Embryo-Fibroblasten-Zellen (die als Strukturzellen in der Haut verstanden werden können) eingeführt, um zu sehen, ob sie zu Stammzellen werden können. Ergebnis: Ja. 22 Klone überlebten, von denen einige genau wie embryonale Stammzellen aussahen – rund, mit großen Kernen und wenig Zytoplasma.
Als nächstes entfernen Sie die Gene einzeln und prüfen, nach der Entfernung welcher Gene die Zellen nicht mehr überleben können.
Es ist wie ein Team aus 24 Personen, bei dem jeder einzelne gehen muss, und man schaut, wer das Projekt zum Scheitern bringt, wenn er geht – diese Person ist der Schlüssel.
Die Schönheit dieses Experiments liegt darin, dass es nicht fragt „Was muss hinzugefügt werden, damit es funktioniert?“, sondern „Wer muss weggelassen werden, damit es nicht funktioniert?“.
Nach einer Reihe von Ausscheidungen wurde die Antwort gefunden:Es brauchen nur vier Faktoren - Oct3/4, Sox2, Klf4 und c-Myc.
Selbst mit nur drei dieser Gene können Zellen überleben, aber sie wachsen nicht wie die Mutterzellen und können sich auch nicht in andere Zellen umwandeln. Es darf keines fehlen. Sie müssen sich diese vier Namen nur einmal merken, danach werde ich sie einfach „diese vier Schalter“ nennen.
Ich verstehe das so: Diese vier Schalter wurden nicht zufällig ausgewählt. Oct3/4 und Sox2 sind die zentralen Transkriptionsfaktoren, die den „universellen“ Zustand embryonaler Stammzellen aufrechterhalten, was bereits vor 2006 bekannt war. Überraschenderweise waren zwei „Helfer“ – Klf4 und c-Myc – beteiligt, die ursprünglich tumorassoziierte Gene waren. Dass ein krebserregendes Gen an der Reprogrammierung von Zellen beteiligt war, war zu diesem Zeitpunkt unerwartet.
Harte Beweise: Rückwärtslaufende Zellen können wirklich in jede Zelle verwandelt werden.
Es reicht nicht aus, einfach zu sagen, dass sie „ähnlich aussehen“. Wie kann man beweisen, dass diese zurückgekehrten Zellen tatsächlich ihre Fähigkeit wiedererlangt haben, sich in verschiedene Zellen des gesamten Körpers zu verwandeln?
Die Forscher führten ein sehr einfaches Experiment durch: Sie injizierten diese Zellen unter die Haut von Mäusen.
Infolgedessen wuchs ein spezieller Tumor – ein Teratom – heran.
Stellen Sie sich vor: In einem Klumpen Fleisch wachsen Nervengewebe, Knorpel und Muskeln – Gewebe, das normalerweise nicht miteinander in Verbindung steht, aus einer Röhre von Hautzellen. Wenn man es aufschneidet, sind die äußere Keimschicht (Nerven), die mittlere Keimschicht (Knorpel und Muskeln) und die innere Keimschicht (säulenförmige Epithelzellen) vollständig vorhanden.
Dieser Tumor war nicht der Zweck der Studie, sondern ein Mittel zur Überprüfung. Er bewies eine Sache: Die zurückgekehrten Zellen hatten tatsächlich ihre Fähigkeit wiedererlangt, „in jede Zelle umgewandelt zu werden“.
Interessanterweise verwendeten sie nicht nur embryonale Zellen.
Die Forscher entnahmen aus der Schwanzspitze von erwachsenen Mäusen - nicht von Embryonen oder Jungtieren, sondern von voll ausgewachsenen Mäusen im Alter von sieben und zwölf Wochen - normale Zellen aus der Haut. Nachdem ihnen dieselben vier Schalter hinzugefügt worden waren, konnten auch diese erwachsenen Zellen erfolgreich rückverwandelt werden. Nach der Injektion in Mausembryonen nahmen diese Zellen an der normalen Embryonalentwicklung teil und differenzierten sich in Gewebe aller Keimblätter.
Auch die Zellen von Erwachsenen können zurückgesetzt werden.Das ist eine der Entdeckungen in dieser Arbeit, die mich am meisten beeindruckt hat.
Die Arbeit berichtet auch über die Ergebnisse eines Chimären-Experiments: In einem E7.5-Embryo wurden in 22 von 3 Fällen iPS-Zellen mit grünem Fluoreszenzprotein nachgewiesen. In einem weiteren E13.5-Embryo wurden in 18 von 18 Fällen iPS-Zellen nachgewiesen. Diese Zahlen scheinen niedrig zu sein, sind aber sehr bedeutungsvoll – sie beweisen, dass die zurückgeführten Zellen nicht nur im Reagenzglas überleben, sondern auch an echten Entwicklungsprozessen beteiligt sind.
Allerdings wurde nach der Geburt der Chimären keine der 27 Jungtiere als Chimäre-Maus identifiziert. Die Autoren der Studie gaben eine ehrliche Erklärung dafür: Die Stummschaltung von Oct3/4 in den iPS-Zellen war nicht vollständig, was möglicherweise dazu führte, dass keine lebenden Chimären erhalten wurden. Diese Art der ehrlichen Berichterstattung war in der damaligen Forschung selten.
Ehrliche Erklärung: Es ist ähnlich, aber nicht ganz dasselbe.
Der nächste Teil, den ich erklären werde, ist meiner Meinung nach der respektabelste Aspekt dieser Arbeit.
Die Forscher behaupten nicht, dass die zurückgekehrten Zellen „genau gleich“ wie echte embryonale Stammzellen sind. Sie führten einen Vergleich des Expressionsprofils des gesamten Genoms (DNA-Microarray-Analyse) durch, und das Ergebnis war:
Sie sind ähnlich, aber nicht vollständig identisch.
Konkret sind einige Gene in embryonalen Stammzellen sehr hoch exprimiert, in differenzierten Zellen jedoch relativ niedrig. In der Studie wurden diese Gene in drei Gruppen eingeteilt: Die erste Gruppe zeigte eine hohe Expression in beiden Zelltypen (z. B. Myb, Kit, Gdf3, Zic3), die zweite Gruppe zeigte eine hohe Expression in embryonalen Stammzellen und hochwertigen iPS-Zellen, jedoch eine niedrige Expression in minderwertigen iPS-Zellen (einschließlich Nanog, Sox2 usw.), und die dritte Gruppe zeigte nur in embryonalen Stammzellen eine hohe Expression (einschließlich Dnmt3a, Dnmt3b usw.).
Dieser Unterschied ist sehr wichtig. Er zeigt uns, dass die Reprogrammierung nicht einfach ein „Klick auf die Schaltfläche zum Wiederherstellen der Werkseinstellungen“ ist, sondern ein unvollständiger, schichtweiser Prozess. Einige Genschalter wurden erfolgreich zurückgesetzt, andere noch nicht.
Eine weitere Sache ist das Problem der Virusvektoren. Die Retroviren, die zur Übertragung dieser vier Schalter verwendet werden, hinterlassen etwa 20 Kopien im Genom der Zellen (die Southern-Blot-Analyse der Studie zeigte, dass jeder Klon etwa 20 Integrationsstellen aufweist). Das bedeutet, dass die DNA der Zellen von fremden Genfragmenten „besetzt“ wird. Für die Forschung ist das akzeptabel, aber für die klinische Anwendung ist es ein Risiko.
Es gibt noch ein weiteres Detail, das leicht übersehen werden kann: Diese iPS-Zellen können ihren undifferenzierten Zustand nicht aufrechterhalten, ohne eine feeder-Zellschicht, selbst wenn LIF vorhanden ist. Dies bedeutet, dass sie stärker von der Kulturumgebung abhängig sind als embryonale Stammzellen. Die Studie führt dies auch als einen Unterschied zwischen iPS-Zellen und embryonalen Stammzellen an.
Diese Details bestimmen, wo die Grenzen dieser Technologie liegen – wo sie bereits funktioniert und wo es noch Risiken gibt.
Krebsrisiko: Eine unvermeidbare Hürde
Einer der vier Schalter heißt c-Myc. Es handelt sich dabei um ein krebserregendes Gen – in einem normalen Körper fördert c-Myc das Wachstum und die Teilung von Zellen. Wenn es zu stark aktiv ist, entsteht Krebs.
Die Arbeit sagt ganz klar: „Die Verwendung von c-Myc ist möglicherweise nicht für klinische Anwendungen geeignet“.
Diese Warnung ist nicht unbegründet. In der Arbeit selbst wird berichtet, dass einige Mäuse, die mit iPS-Zellen injiziert wurden, Tumore entwickelten. In der Teratoma-Experiment wurden 5 iPS-MEF10-Klone, 3 iPS-MEF4-Klone, 1 iPS-MEF4wt-Klon und 6 iPS-MEF3-Klone in nackte Mäuse injiziert – alle Tumore, die von iPS-MEF3-Klonen hervorgebracht wurden, bestanden aus undifferenzierten Zellen und zeigten keinerlei Anzeichen von Differenzierung.
Die Analyse des Karzinogenesemechanismus in der Arbeit ist ebenfalls interessant. Das c-Myc-Protein bindet an einen Histon-Acetyltransferase (HAT)-Komplex, der TRRAP, CBP und p300 umfasst. In Säugetiergenomen gibt es möglicherweise bis zu 25.000 Bindungsstellen für c-Myc – weit mehr als für Oct3/4 und Sox2. c-Myc könnte Oct3/4 und Sox2 durch eine globale Histon-Acetylierung ermöglichen, sich an ihre spezifischen Ziele zu binden. Dies ist eine sehr raffinierte Mechanismushypothese, bedeutet aber auch, dass c-Myc einen zu großen Einflussbereich hat – es schaltet nicht nur die Schalter, die Sie benötigen, sondern zündet überall Feuer.
Die Arbeit diskutiert auch ein interessantes Gleichgewicht: Klf4 kann p53 (einen Tumorsuppressor) direkt inhibieren, während c-Myc p21 (einen Zellzyklus-Inhibitor) inhibieren kann. Diese beiden Faktoren könnten während der Reprogrammierung ein Gleichgewicht der gegenseitigen Hemmung bilden – aber wenn dieses Gleichgewicht im Körper gestört wird, könnte dies zu Tumoren führen.
Später tauschte das Forschungsteam c-Myc aus oder verwendete eine sicherere Methode zur Genübertragung (z. B. Sendai-Virus oder Plasmid anstelle von Retrovirus). Diese Verbesserungen wurden jedoch von späteren Teams vorgenommen und sind nicht Inhalt dieser Arbeit – schreibt also nicht die späteren Ergebnisse dieser Arbeit zu.
Dies ist der Gesamtüberblick über diese Arbeit: Es gibt Durchbrüche und Risiken. Beide werden in derselben Arbeit beschrieben.
Von der Doktorarbeit zum Nobelpreis: Was bedeuten sechs Jahre?
Dieser Artikel wurde 2006 veröffentlicht und erhielt 2012 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.
Sechs Jahre.
In der akademischen Welt bedeutet diese Geschwindigkeit fast, dass jeder sofort verstanden hat, wie wichtig es ist. Der Nobelpreis wartet normalerweise zwei oder drei Jahrzehnte, bis die Auswirkungen einer Entdeckung vollständig bestätigt sind. Die Verleihung nach sechs Jahren zeigt, dass die Juroren der Meinung sind, dass die Bedeutung dieser Sache nicht länger warten muss.
Heute nutzen Wissenschaftler diese rückentwickelten Zellen für viele Zwecke. Sie erstellen damit Modelle der Parkinson-Krankheit, um Medikamente zu testen, und züchten daraus Retina-Zellen, um Makuladegeneration zu behandeln. In Japan wurden bereits klinische Studien zur Behandlung von Augenkrankheiten mit diesen Zellen durchgeführt. Weltweit laufen derzeit mehrere Studien.
Achten Sie auf meine Wortwahl: Es ist im Gange. Ich werde nicht sagen, welche Krankheiten es heilen oder den Alterungsprozess verlangsamen kann. All das ist noch in der Testphase, und es lässt sich noch nichts Schlüssiges dazu sagen.
Die „Stammzellennadel“, die Sie vielleicht schon einmal gesehen haben
Bei diesem Gedanken sind Sie vielleicht auf eine Behauptung auf dem Markt gestoßen: „Stammzellen gegen Alterung“. Eine einzelne Injektion kostet oft mehrere zehntausend Yuan und soll angeblich dazu beitragen, jünger auszusehen und den Alterungsprozess umzukehren.
Hier muss man etwas differenzieren.
Die wissenschaftliche Grundlage ist solide. Dieser Artikel ist ein Beweis dafür, und mehrere klinische Studien sind im Gange. Von 2006 bis heute hat sich dieser Bereich sehr schnell entwickelt, und neue klinische Studien werden nacheinander gestartet.
Aber auf dem Markt gibt es einige Produkte, die behaupten, „Technologien, die sich noch in der Forschungsphase befinden“, als „bewährte Anti-Aging-Lösungen“ zu verkaufen. Das sind zwei verschiedene Dinge. Die Tatsache, dass die Forschung vielversprechend ist, bedeutet nicht, dass die Wirksamkeit bereits nachgewiesen wurde.
Ich kann keine medizinischen Empfehlungen für irgendeine Marke oder Therapie geben. Was Sie tun müssen, ist zu unterscheiden, was solide Wissenschaft ist und was verpacktes Marketing ist.
Einige Punkte, die es wert sind, erinnert zu werden
Nachdem ich diesen Artikel gelesen habe, möchte ich einige Punkte besonders hervorheben.
Erstens ist die Reprogrammierungseffizienz sehr gering.Die Autoren der Studie geben selbst zu, dass nur ein sehr kleiner Teil der Zellen, die vier Faktoren exprimierten, zu iPS-Zellen wurde. Sie schlagen mehrere mögliche Erklärungen vor: Die Expressionsniveaus der vier Faktoren müssen genau in einem bestimmten Bereich liegen (die Studie zitiert eine Datenquelle, wonach ein Anstieg oder ein Rückgang des Oct3/4-Proteinspiegels um 50 % die Differenzierung von embryonalen Stammzellen verursacht); möglicherweise sind zusätzliche Chromosomenveränderungen erforderlich; oder es könnte sein, dass der zufällige Einbau von Retroviren in bestimmten Klonen zufällig die richtige Kombination von Genen aktiviert hat. Bis heute ist das Problem der Effizienz eine zentrale Herausforderung in diesem Bereich.
Zweitens ist die Quelle der iPS-Zellen nicht eindeutig.Die Studie diskutiert eine Möglichkeit: iPS-Zellen könnten nicht direkt aus Fibroblasten reprogrammiert werden, sondern aus einer kleinen Anzahl von Gewebestammzellen, die bereits in der Kultur vorhanden sind (es ist bekannt, dass etwa 0,067 % der Hautzellen Stammzellen sind). Sie widerlegten dies jedoch: Die Effizienz der Induktion von iPS aus Knochenmarkmatrix (die mehr mesenchymale Stammzellen enthalten sollte) war ebenfalls sehr gering, und die durch drei Faktoren induzierten Zellen waren überhaupt nicht pluripotent. Diese Beweise unterstützen nicht die Hypothese, dass „Gewebestammzellen die Quelle von iPS sind“, geben aber auch keine definitive Antwort.
Drittens besteht eine subtile gegenseitige Beeinflussung zwischen den vier Faktoren.c-Myc fördert die Proliferation, Klf4 hemmt p53, aktiviert aber auch p21 (einen Zellzyklus-Inhibitor), während c-Myc wiederum p21 hemmt. In der Studie wird die Auffassung vertreten, dass „das Gleichgewicht zwischen c-Myc und Klf4 für die Erzeugung von iPS-Zellen von Bedeutung sein könnte“ – diese vier Schalter arbeiten nicht unabhängig voneinander, sondern es bestehen komplexe Wechselwirkungen zwischen ihnen. Diese Erkenntnis war sehr aufschlussreich für die spätere Verbesserung der Reprogrammierungsverfahren.
Viertens wird am Ende der Arbeit eine Richtung erwähnt:Sie fanden heraus, dass das Nanog-Gen-Berichtssystem zur Selektion anstelle von Fbx15 verwendet werden kann. Dies bedeutet, dass sie damals bereits die Idee hatten, die Selektionsmethode zu verbessern – mit strengeren Selektionskriterien könnten möglicherweise hochwertigere iPS-Zellen erhalten werden. Spätere Forschungen gingen tatsächlich in diese Richtung sehr weit.
Denken Sie nur an drei Dinge
Erinnerst du dich an die Frage am Anfang? Warum heilen Wunden nur mit Narben und nicht mit vollständig neuer Haut?
Denn die Zelldifferenzierung ist eine Einbahnstraße – zumindest dachten wir das bis 2006.
Die 14-seitige Arbeit beweist:Vier Schalter reichen aus, um normale Hautzellen auf die Werkseinstellungen zurückzusetzen.Das ist kein Metapher, sondern ein experimenteller Fakt.
Erstens ist das Schicksal einer Zelle nicht unumstößlich. Vier Genschalter können reife Zellen in einen embryonalen Zustand zurückversetzen.
Zweitens handelt es sich hierbei nicht um Science-Fiction. Klinische Studien mit iPS-Zellen sind im Gange, und obwohl sie noch keine ausgereifte Therapie darstellen, ist die Richtung bereits klar.
Drittens sind nicht alle „Stammzellen“ gleich. Es gibt eine klare Trennlinie zwischen der Werbung auf dem Markt und den wissenschaftlichen Fakten.
Wir sind die Art von Leuten, die einen Artikel bis zum Ende lesen. Wenn Sie auch wissen wollen, wie diese vier Schalter später ins Krankenhaus kamen, folgen Sie uns und bleiben Sie dran für die nächste Folge.
- Referenzen * *
Takahashi, K. & Yamanaka, S. (2006). Induktion pluripotenter Stammzellen aus Maus-Embryonen und adulten Fibroblastenkulturen durch definierte Faktoren. Cell, 126(4), 663-676. DOI: 10.1016/j.cell.2006.07.024
