Našel tento vědec konečně fontánu mládí?

Úprava epigenomu, která zapíná a vypíná naše geny, by mohla být elixírem života.

Podle

• Erika Hayasakiová archivní stránka

8. srpna 2019

Carlos Izpisua Belmonte Christie, tam je zvonek

Černá myš na obrazovce se rozvaluje na břiše, shrbená záda, bliká, ale jinak je nehybná. Selhávají mu orgány. Zdá se, že do smrti dělí dny. Má progerii, chorobu zrychleného stárnutí, způsobenou genetickou mutací. Jsou to teprve tři měsíce.

Jsem v laboratoři Juana Carlose Izpisúa Belmonteho, Španěla, který pracuje v laboratoři genové exprese v Salk Institute for Biological Studies v San Diegu, a který mi dále ukazuje něco, čemu se dá jen těžko uvěřit. Je to stejná myš, živá a aktivní, poté, co byla ošetřena směsí pro změnu věku. Úplně omlazuje, říká mi Izpisúa Belmonte se šibalským úsměvem. Když se podíváte dovnitř, zjevně všechny orgány, všechny buňky jsou mladší.

Tento příběh byl součástí našeho vydání ze září 2019

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Izpisúa Belmonte, bystrý a měkký vědec, má přístup k nepředstavitelné moci. Tyto myši, jak se zdá, usrkávaly z fontány mládí. Izpisúa Belmonte dokáže omladit stárnoucí a umírající zvířata. Umí přetočit čas. Ale stejně rychle, jako mi vyfoukne mysl, tlumí vzrušení. Omlazující léčba použitá u myší byla tak účinná, že buď zemřely po třech nebo čtyřech dnech na selhání buněk, nebo se u nich vyvinuly nádory, které je zabily později. Dalo by se to nazvat předávkování mládím.

Výkonný nástroj, který vědci aplikovali na myš, se nazývá přeprogramování. Je to způsob, jak obnovit takzvané epigenetické známky těla: chemické spínače v buňce, které určují, které z jejích genů jsou zapnuté a které vypnuté. Vymažte tyto značky a buňka může zapomenout, zda to někdy byla kožní nebo kostní buňka, a vrátit se do mnohem primitivnějšího embryonálního stavu. Technika je často používána laboratořemi k výrobě kmenových buněk. Izpisúa Belmonte je ale v předvoji vědců, kteří chtějí přeprogramování aplikovat na celá zvířata, a pokud je dokážou přesně ovládat, i na lidská těla.

Izpisúa Belmonte věří, že epigenetické přeprogramování se může ukázat jako elixír života, který výrazně prodlouží délku lidského života. Očekávaná délka života se v rozvinutém světě za poslední dvě století prodloužila více než dvojnásobně. Díky dětským vakcínám, bezpečnostním pásům a tak dále dosáhne přirozeného stáří více lidí než kdy jindy. Ale existuje limit, jak dlouho kdo žije, což Izpisúa Belmonte říká, že je to proto, že naše těla se opotřebovávají nevyhnutelným rozkladem a zhoršováním. Píše, že stárnutí není nic jiného než molekulární aberace, ke kterým dochází na buněčné úrovni. Je to, jak říká, válka s entropií, kterou nikdo nikdy nevyhrál.

Myslím, že dítě, které se dožije 130 let, už je s námi. Už se narodil. Jsem přesvědčen.

Ale každá generace přináší nové možnosti, protože epigenom se během reprodukce resetuje, když se vytvoří nové embryo. Klonování také využívá výhody přeprogramování: tele klonované z dospělého býka obsahuje stejnou DNA jako rodič, jen obnovenou. V obou případech se potomci narodí bez nahromaděných aberací, na které Izpisúa Belmonte odkazuje.

To, co Izpisúa Belmonte navrhuje, je jít ještě o krok lépe a zvrátit aberace související se stárnutím, aniž by bylo nutné vytvořit nového jedince. Patří mezi ně změny našich epigenetických značek – chemických skupin nazývaných histony a methylační značky, které se obalují kolem buněčné DNA a fungují jako vypínače pro geny. Hromadění těchto změn způsobuje, že buňky fungují méně efektivně, jak stárneme, a někteří vědci, včetně Izpisúa Belmonte, si myslí, že by mohly být součástí toho, proč vůbec stárneme. Pokud ano, pak zvrácení těchto epigenetických změn pomocí přeprogramování nám může umožnit vrátit zpět samotné stárnutí.

Izpisúa Belmonte varuje, že epigenetické úpravy vám neumožní žít věčně, ale mohou zpozdit datum vypršení platnosti. Jak to vidí on, není důvod si myslet, že nemůžeme prodloužit délku lidského života alespoň o dalších 30 až 50 let. Myslím, že dítě, které se dožije 130 let, už je s námi, říká Izpisúa Belmonte. Už se narodil. Jsem přesvědčen.

Sklenice s barvícím roztokem používaným ke studiu tkání. Christie hemm klok

Faktory mládí

Léčba, kterou Izpisúa Belmonte poskytl svým myším, je založena na objevu japonského vědce Shinya Yamanaka, který získal Nobelovu cenu za kmenové buňky. Počínaje rokem 2006 Yamanaka demonstroval, jak přidání pouhých čtyř proteinů do dospělých lidských buněk je může přeprogramovat tak, aby vypadaly a chovaly se jako ty v nově vytvořeném embryu. Tyto proteiny, nazývané Yamanaka faktory, fungují tak, že čistí epigenetické značky v buňce a dávají jí nový začátek.

Šel zpět v čase, říká Izpisúa Belmonte. Všechny metylační značky, ty epigenetické spínače, jsou vymazány, dodává. Pak znovu začínáte život. Vědci zjistili, že dokonce i kožní buňky stoletých lidí se dají převinout do primitivního, mladistvého stavu. Uměle přeprogramované buňky se nazývají indukované pluripotentní kmenové buňky nebo IPSC. Stejně jako kmenové buňky v embryích se pak mohou proměnit v jakýkoli druh tělesných buněk – kůže, kosti, svaly a tak dále – pokud dostanou správné chemické signály.

Pro mnoho vědců byl Yamanakův objev slibný hlavně jako způsob výroby náhradní tkáně pro použití v nových typech transplantační léčby. V Japonsku se vědci začali snažit přeprogramovat buňky japonské ženy ve věku 80 let s oslepujícím onemocněním, makulární degenerací. Byli schopni odebrat vzorek jejích buněk, vrátit je do embryonálního stavu s Yamanakaovými faktory a poté je nasměrovat, aby se staly buňkami sítnice. V roce 2014 se žena stala prvním člověkem, kterému byla transplantována taková laboratorně vyrobená tkáň. Nečinilo jí to ostřejší vidění, ale hlásila, že je jasnější a přestalo se zhoršovat.

Zápisníky a prázdné centrifugační zkumavky z experimentů Izpisúa Belmonte. Christie Hemm Klok

Předtím však vědci ze španělského Národního centra pro výzkum rakoviny již posunuli technologii novým směrem, když studovali myši, jejichž genomy ukrývaly další kopie faktorů Yamanaka. Jejich zapnutím prokázali, že k přeprogramování buněk může skutečně dojít uvnitř těla dospělého zvířete, nejen v laboratorní misce.

Experiment navrhl zcela novou formu medicíny. Mohli byste potenciálně omladit celé tělo člověka. Ale také to zdůraznilo nebezpečí. Odstraňte příliš mnoho methylačních značek a dalších stop epigenomu a vaše buňky v podstatě ztratí svou identitu, říká Pradeep Reddy, výzkumný pracovník společnosti Salk, který na těchto experimentech pracoval s Izpisúa Belmonte. Vymazáváte jim paměť. Tyto buněčné prázdné břidlice mohou vyrůst ve zralou, fungující buňku nebo v buňku, která si nikdy nevyvine schopnost vykonávat svůj určený úkol. Může se také stát rakovinnou buňkou.

To je důvod, proč myši, které jsem viděl v laboratoři Izpisúa Belmonte, byly náchylné k pučení nádorů. Ukázalo se, že v jejich tělech skutečně došlo k přeprogramování buněk, ale výsledky byly obvykle fatální.

Izpisúa Belmonte věřil, že by mohl existovat způsob, jak dát myším méně smrtelnou dávku přeprogramování. Inspirací mu byli mloci, kterým dokážou znovu narůst paže nebo ocas. Výzkumníci ještě musí přesně určit, jak to obojživelníci dělají, ale jedna z teorií říká, že k tomu dochází prostřednictvím procesu epigenetického resetování podobného tomu, čeho dosahují faktory Yamanaka, i když v omezenějším rozsahu. U mloků se jejich buňky jen trochu vracejí v čase, říká Izpisúa Belmonte.

Dalo by se totéž udělat celému zvířeti? Dalo by se to dostatečně omladit?

V roce 2016 tým vymyslel způsob, jak částečně převinout buňky u myší s progerií. Geneticky modifikovali myši, aby produkovaly v jejich tělech faktory Yamanaka, stejně jako to udělali španělští vědci; ale tentokrát by myši produkovaly tyto faktory pouze tehdy, kdyby jim bylo podáváno antibiotikum, doxycyklin.

V laboratoři Izpisúa Belmonte bylo některým myším umožněno nepřetržitě pít vodu obsahující doxycyklin. V dalším experimentu to ostatní dostali jen na dva dny z každých sedmi. Když jim dáte… doxycyklin, spustí se exprese genů, vysvětluje Reddy. Ve chvíli, kdy jej odstraníte, exprese genů se zastaví. Můžete jej snadno zapnout nebo vypnout.

Myši, které pily nejvíce, jako ta, kterou mi ukázal Izpisúa Belmonte, rychle zemřely. Ale u myší, které pily omezenou dávku, se nevyvinuly nádory. Místo toho se stali fyzicky robustnějšími, jejich ledviny a sleziny fungovaly lépe a jejich srdce pumpovalo tvrději.

Celkově také léčené myši žily o 30 % déle než jejich sourozenci. To byla výhoda, říká Izpisúa Belmonte. Myš nezabijeme. Nevytváříme nádory, ale máme své omlazení.

Izpisúa Belmonte v práci. Christie Hemm Klok

Fontána mládí

Když Izpisúa Belmonte publikoval svou zprávu v časopise Cell, popisující omlazené myši, některým se zdálo, jako by Ponce de Leon konečně zahlédl fontánu mládí. Myslím, že noviny Izpisúa Belmonte probudily spoustu lidí, říká Michael West, generální ředitel společnosti AgeX, která využívá podobnou technologii zvratu stárnutí. Najednou všichni vůdci ve výzkumu stárnutí říkají: ‚Panebože, tohle by mohlo fungovat v lidském těle.‘

Westovi tato technologie nabízí vyhlídku, že lidé, stejně jako mloci, mohou regenerovat tkáně nebo poškozené orgány. Lidé mají tuto schopnost také, když se poprvé formujeme, říká. Takže pokud dokážeme znovu probudit tyto cesty... wow!

Pro ostatní jsou však důkazy pro omlazení zjevně v plenkách. Jan Vijg, předseda genetického oddělení na Albert Einstein College of Medicine v New Yorku, říká, že stárnutí sestává ze stovek různých procesů, u nichž jsou jednoduchá řešení nepravděpodobná. Teoreticky věří, že věda může vytvořit procesy, které jsou tak silné, že by mohly potlačit všechny ostatní. Ale dodává: To právě teď nevíme.

Ještě širší pochybnost je, zda epigenetické změny, které Izpisúa Belmonte ve své laboratoři obrací, jsou skutečně příčinou stárnutí, nebo jen jeho známkou – ekvivalentem vrásek ve stárnoucí pleti. Pokud ano, ošetření Izpisúa Belmonte by mohlo být jako vyhlazení vrásek, čistě kosmetický efekt. Nemáme žádný způsob, jak vědět, a ve skutečnosti neexistují žádné důkazy, které by tvrdily, že methylace DNA [způsobuje] stárnutí těchto buněk, říká John Greally, další profesor na Einsteinovi. Představa, že když změním ty metylace DNA, budu ovlivňovat stárnutí, říká, má rudé prapory.

Nad zjištěními Izpisúa Belmonte visí ještě jedna zásadní otázka: zatímco se mu podařilo omladit myši pomocí progerie, neudělal to u normálně starých zvířat. Progeria je onemocnění způsobené jedinou mutací DNA. Přirozené stárnutí je mnohem složitější, říká Vittorio Sebastiano, odborný asistent na Stanfordském institutu pro biologii kmenových buněk a regenerativní medicínu. Fungovala by technika omlazení u přirozeně stárnoucích zvířat a v lidských buňkách? Říká, že dosavadní výzkum Izpisúa Belmonte ponechává tuto zásadní otázku nezodpovězenou.

Tým Izpisúa Belmonte na to pracuje. Experimenty na omlazení normálních myší probíhají. Ale protože normální myši žijí až dva a půl roku, zatímco ty s progerií tři měsíce, shromažďování důkazů trvá déle. A pokud budeme muset upravit jakoukoli experimentální podmínku, říká Reddy, pak se bude muset celý cyklus opakovat.

Úprava věku

Velkoobchodní omlazení je tedy ještě daleko, pokud vůbec někdy přijde. Ale během několika let by mohly být dostupné jeho omezenější verze, zaměřené na určité choroby stárnutí.

Pokud jsou faktory Yamanaka jako brokovnice, která vymaže všechny epigenetické známky spojené se stárnutím, techniky, které se nyní vyvíjejí v Salku a v jiných laboratořích, jsou spíše odstřelovací pušky. Cílem je umožnit výzkumníkům vypnout konkrétní gen, který způsobuje onemocnění, nebo zapnout jiný gen, který je dokáže zmírnit.

Laboratoř Izpisúa Belmonte v Salkově institutu. Christie Hemm Klok

Hsin-Kai Liao a Fumiyuki Hatanaka strávili čtyři roky v laboratoři Izpisúa Belmonte adaptací CRISPR-Cas9, známého systému pro úpravu DNA, aby místo toho fungoval jako knoflík pro ovládání hlasitosti. Zatímco původní CRISPR umožňuje výzkumníkům odstranit nežádoucí gen, upravený nástroj jim umožňuje ponechat genetický kód nedotčený, ale určit, zda je gen zapnutý nebo vypnutý.

Laboratoř testovala tento nástroj na myších se svalovou dystrofií, kterým chybí gen, který je zásadní pro udržení svalů. Pomocí editoru epigenomu vědci nastartovali výstup dalšího genu, který může hrát náhradní roli. Myši, které ošetřovali, dopadly lépe v testech přilnavosti a jejich svaly se mnohem zvětšily, vzpomíná Liao.

Další výsledek tohoto druhu přišel zpoza kampusu Salk, na University of California, Irvine. Výzkumník Marcelo Wood tvrdí, že aktivace jediného genu u starých myší zlepšuje jejich paměť v testu zahrnujícím pohybující se předměty. U těchto zvířat jsme obnovili funkci dlouhodobé paměti, říká Wood, který výsledky zveřejnil v Nature Communications. Poté, co je odstraněn jediný epigenetický blok, říká Wood, geny pro paměť – všechny vystřelí. Nyní to zvíře dokonale zakóduje tyto informace přímo do dlouhodobé paměti.

Myslím, že vrátit čas je vhodný způsob, jak to vysvětlit.

Podobně výzkumníci z Duke University vyvinuli epigenetickou editační techniku ​​(zatím netestovanou na zvířatech), aby ztlumili hlasitost genu zapojeného do Parkinsonovy choroby. Další tým Duke snížil hladinu cholesterolu u myší vypnutím genu, který jej reguluje. Samotná laboratoř Izpisúa Belmonte, stejně jako experimenty se svalovou dystrofií, pracovala na odstranění příznaků cukrovky, onemocnění ledvin a ztráty kostní chrupavky, a to vše pomocí podobných metod.

První testy těchto technik na lidech se pravděpodobně uskuteční v příštích několika letech. Dvě společnosti, které se zabývají touto technologií, jsou AgeX a Turn Biotechnologies, startup, který spoluzaložil Sebastiano ze Stanfordu. AgeX, říká West, jeho generální ředitel, se snaží zaměřit se na srdeční tkáň, zatímco Turn podle Sebastiana začne tím, že bude hledat regulační povolení k testování léčby osteoartrózy a ztráty svalové hmoty související se stárnutím.

Mezitím GenuCure, biotechnologická společnost založená Ilirem Dubovou, bývalým výzkumným pracovníkem v Salku, shromažďuje finanční prostředky na realizaci nápadu na omlazení chrupavky. Společnost má koktejl, říká Dubová, který bude vstřikován do kolenního pouzdra lidem s osteoartrózou, možná jednou nebo dvakrát ročně. Taková léčba by mohla nahradit drahé operace kolenních náhrad.

Po injekci by se tyto … geny, které byly umlčeny v důsledku stárnutí, díky našemu čarodějnictví zapnuly ​​a zahájily proces omlazení tkáně, říká Dubová. Myslím, že vrátit čas je vhodný způsob, jak to vysvětlit.

Erika Hayasaki je členkou Alicie Pattersonové ve vědě a environmentálním zpravodajství.

skrýt