Nobelpreis für Physiologie und Medizin - 2012 • Vera Bashmakova, Alexey Paevsky • Science News zu "Elementen" • Nobelpreise, Genetik, Biotechnologie

Nobelpreis für Physiologie und Medizin – 2012

Gewinner des Nobelpreises für Physiologie und Medizin im Jahr 2012, John Gordon (John Bertrand Gurdon) und Shinya Yamanaka (Shinya Yamanaka). Fotos von www.smh.com.au und www.ucsf.edu

Am 8. Oktober 2012 begann die nächste Nobelwoche. Traditionell der erste, der Preisträger eines Preises in Physiologie oder Medizin ankündigt (aus irgendeinem Grund, in Russisch wird es normalerweise der Preis in der Physiologie genannt und Medizin). Die Gewinner waren der Brite John Gordon (John Bertrand Gurdon) vom Cambridge Gurdon Institute (Gurdon Institute) und der Japaner Xinya Yamanaka (Shinya Yamanaka), Mitarbeiter des Gladstone Institute of Cardiovascular Diseases in San Francisco (Gladstone Institute of Cardiovascular Disease in San Francisco)) Kyoto Universität (Kyoto Universität). Wie in der offiziellen Formulierung des Nobelkomitees angegeben, die traditionell auf Schwedisch, Russisch, Französisch und Deutsch angekündigt wurde (Nobel selbst sprach fließend), wurde der Preis für "die Möglichkeit der Umprogrammierung differenzierter Zellen in pluripotente Zellen" verliehen.

Seit 1901 wurde der Nobelpreis für Physiologie und Medizin 103 mal vergeben. In den Jahren 1915-1918, 1921, 1925, 1940-1942 wurde der Preis nicht vergeben. Der erste Gewinner war Emil von Bering für die Erstellung von Serum-Therapie, die zu einem wichtigen Schritt im Kampf gegen Diphtherie geworden ist.

Im Jahr 2012 überwand dieser Nobelpreis eine Barriere von 200 Preisträgern: Gurdon und Yamanaka wurden die 200. und 201. Nobelpreisträger in dieser Nominierung.

Bisher gab es in der Geschichte des Preises keine zwei Gewinner. Unter den Preisträgern – 10 Frauen (unter den "naturwissenschaftlichen" Auszeichnungen ist dies ein Rekord: In der Physik gingen nur zwei Preise an den schönen Sex, in der Chemie – 4).

Gemäß § 4 der Satzung der Nobel-Stiftung können ein oder zwei Werke gleichzeitig gefördert werden, die Gesamtzahl der Preisträger sollte jedoch drei nicht überschreiten. Von 103 Preisen in Physiologie und Medizin wurden 38 von einem Preisträger gewonnen, 32 wurden zwischen zwei Preisträgern aufgeteilt, 33 – zwischen drei.

Es gibt nur zwei russische Preisträger – Ivan Pawlow (1904) und Ilja Metschnikow (1908). So der russische "Nobel" in dieser Nominierung haben wir seit mehr als einem Jahrhundert nicht gesehen.

Das Durchschnittsalter der bisherigen Gewinner beträgt 57 Jahre. Der jüngste ist Frederik Banting, der mit 32 Jahren (1923) zum Preisträger wurde. Der älteste ist Peyton Rous, der in 87 Jahren (1966) eine Auszeichnung erhielt. Der älteste überlebende Preisträger ist übrigens auch in Physiologie und Medizin. Genauer gesagt – am meisten ältlich. Rita Levi-Montalcini, die 1986 eine Auszeichnung erhielt, feierte im April ihren 103. Geburtstag.

Und zwei weitere interessante Fakten.Als Sohn von Arthur Kornberg, 1959 Nobelpreisträger für Physiologie und Medizin, wurde Roger Kornberg 2006 Nobelpreisträger für Chemie. Und der Bruder von Jan Tinbergen, der erste Nobelpreisträger in der Wirtschaft (1969), Nikolaas Tinbergen gewann 1973 den Nobelpreis für Physiologie und Medizin.

Daran erinnern, dass im letzten Jahr drei Wissenschaftler den Preis in Physiologie und Medizin erhalten haben. Jules Hoffman und Bruce Beetler erhielten Auszeichnungen für die Aktivierung der angeborenen Immunität und Ralph Steinman für die Entdeckung dendritischer Zellen und die Untersuchung ihrer Bedeutung für die erworbene Immunität. Und obwohl Steinman einige Stunden vor der Entscheidung des Nobelkomitees starb, blieb der Preis bei ihm.

Gewinner von zwei Generationen

Es muss gesagt werden, dass die beiden Gewinner dieses Jahres, aus Laune des Schicksals, in ungewöhnlicher Weise "reimen". Beide gehören zu den traditionellsten Kulturen – Briten und Japaner. In jenem Jahr, als der zweite geboren wurde, erschien der "Nobel-Artikel des ersten" (Gurdon ist fast 30 Jahre älter: er wurde 1933 und Yamanaka 1962 geboren).

Darüber hinaus ist der "Nobelpreis" nicht der erste Preis, den Gerdon und Yamanaka gemeinsam erhalten.2009 erhielten sie den Albert-Lasker-Ehrenpreis (den "Zweiten Amerikanischen Nobelpreis für Medizin", wie sie es nennen) in der Basic-Nominierung. Übrigens erhalten fast die Hälfte der Preisträger dieser Nominierung den Nobelpreis.

Aber sie erhielten beide den renommierten israelischen Wolf-Preis in Medizin, aber getrennt – Gerdon im Jahr 1989 und Yamanaka im Jahr 2011. Neben vielen anderen Auszeichnungen, die beide Wissenschaftler erhalten haben, ist Yamanaka auch der Gewinner des renommierten Millennium-Technologiepreises.

Der "Senior" Laureat hat auch mehr Ehrenpreise erhalten. Im Juni 1995 erhielt John Bertrand Gurdon den Titel Bachelor Knight und das Recht, den Titel "Sir" zu seinem Namen hinzuzufügen, und im Jahr 2004 erhielt er noch mehr gewichtige Anerkennung: Das Cambridge Institute of Cell Biology and Cancer wurde mit den gemeinnützigen Stiftungen Wellcome Trust und Cancer Research UK umbenannt Gordon-Institut.

Fast alle Kommentatoren markieren die Arbeiten von Gerdon und Yamanaki als Durchbrüche. Viele Gratulanten an der "Mauer" des Nobelkomitees nennen sie eine "neue Ära" in der Geschichte der Menschheit.

Was für einen Durchbruch in der Wissenschaft haben diese Wissenschaftler, die verschiedenen Generationen angehören, geleistet, deren Arbeit seit mehr als 40 Jahren geteilt wird?

Um diese Frage zu beantworten, muss von weit her beginnen.

Stammzellen, oder dort und zurück

Jeder vielzellige Organismus besteht aus vielen Arten von Zellen, die sich sehr voneinander unterscheiden können – vergleiche zum Beispiel rote Blutkörperchen, rote Blutkörperchen, Knochenzellen, Osteoblasten. Die genetische Information, die in allen somatischen Zelltypen gespeichert ist – von Hepatozyten bis zu Neuronen – ist jedoch absolut identisch. Wie ist das möglich?

Die Antwort ist einfach: Verschiedene Gene werden in verschiedenen Zelltypen exprimiert. Das ist jedoch das Ganze Das Genom in allen Zellen ist das gleiche, aber handelndDer Arbeitsteil des Genoms in jedem Zelltyp ist unterschiedlich, und je unterschiedlicher die beiden Zellen diese "arbeitenden" Teile des Genoms sind, desto mehr unterscheiden sich die Zellen selbst voneinander.

Und hier stellt sich eine andere Frage: warum Unterscheiden sich verschiedene Zelltypen in der Genexpression? Alexander Markov hat diese Frage schon wunderbar beantwortet, ich werde es nur kurz erzählen.

Wie Sie wissen, entwickelt sich jeder vielzellige Organismus aus einer einzigen Zelle – Zygoten. Bei den ersten Unterteilungen liefert die Zygote fast identische Zellen, jedoch mit jeder nachfolgenden Unterteilung nehmen die Unterschiede zwischen den resultierenden Zellen zu.Der Grund dafür ist, dass verschiedene Zellen des Keims unter verschiedenen Bedingungen sind. Erstens ist die Zygote selbst asymmetrisch, und die Dichte der verschiedenen Substanzen in verschiedenen Teilen davon ist unterschiedlich. Wenn man die Zygote teilt, unterscheiden sich die Zellen, die den einen oder anderen Teil des Zytoplasmas "erben", leicht voneinander. Zum anderen beeinflussen bestimmte physikalische Parameter wie die Schwerkraft die Zellen in verschiedenen Teilen des Embryos unterschiedlich: Die Zelle im unteren Teil des Embryos "zieht" in die Richtung, in der keine anderen Zellen sind, sondern die Zelle im oberen Teil – im Gegenteil, dort wo andere Zellen sind. Drittens beginnen sich die Zellen allmählich gegenseitig zu beeinflussen: Die von den Nachbarn abgesonderten Substanzen verändern den Stoffwechsel der Zelle, starten oder schalten die Expression bestimmter Gene in ihr aus und bestimmen so ihr Schicksal. Usw.

Mit jeder Teilung unterscheiden sich die Zellen zunehmend voneinander und von den Zygoten, aus denen sie stammen. Nach und nach bilden die Zellen drei Schichten – die äußere (Ektoderm), die mittlere (Mesoderm) und die innere (Endoderm). Dann beginnen sich die Zellen und in diesen drei Schichten mehr und mehr voneinander unter dem Einfluss von benachbarten Zellen und verschiedenen physikalischen Faktoren zu unterscheiden und schließlich alle Organe und Gewebe des Körpers zu bilden.Auf diese Weise werden terminal differenzierte (dh absolut spezialisierte) Zellen aus völlig undifferenzierten Zygoten gewonnen.

Terminal differenzierte Zellen haben jedoch einen wesentlichen Nachteil: Sie können sich nicht teilen. Und da sie alle früher oder später alt werden, dann, wenn irgendwo im Körper keine unerschöpflichen Ressourcen differenzierter Zellen vorhanden sind, wird der Körper sehr schnell "ausleiern" und sterben.

Und da ist eine solche Ressource. Es heißt (wie Sie wahrscheinlich schon vermutet haben) "Stammzellen". Ich stelle erfreut fest, dass die Existenz solcher Zellen postuliert wurde und der Name für sie von dem großen russischen Wissenschaftler Alexander Maximov 1908 erfunden wurde. Die Nachkommen von Stammzellen in einem erwachsenen Organismus erneuern ständig Gewebe nach dem in Fig. 1. Ein eigenes Depot von Stammzellen existiert in jedem Gewebe, sogar im Herzen und im Nervensystem, von denen man früher glaubte, dass sie nicht in der Lage sind, sich zu erholen. Je öfter das Gewebe erneuert wird, desto mehr Stammzellen hat es: zum Beispiel sind Hautstammzellen viel größer als neurale. Jedes Gewebe besteht aus verschiedenen Arten von Zellen, und die Stammzellen dieses Gewebes können jedes von ihnen hervorbringen, aber nicht die Zellen eines anderen, nicht-nativen Gewebes.Zum Beispiel können hämatopoetische Stammzellen nur zu Blutzellen führen, aber sie können keine Neuronen abgeben. Stammzellen teilen sich ständig, aber sehr selten; Falls das Gewebe beschädigt ist und dringend wiederhergestellt werden muss, beginnt es sich aktiver zu teilen. Die meisten (von reifen Organismen) Stammzellen sind in Neugeborenen; mit zunehmendem Alter nimmt ihre Zahl allmählich ab, aber sie funktionieren auch im extremen Alter weiter.

Abb. 1. Diagramm der Stammzellenteilung und Differenzierungen. A – Stammzelle. B – Vorläuferzelle. C – differenzierte Zelle. Jede Stammzelle kann sich symmetrisch teilen und zwei gleiche Stammzellen erhalten (1) oder asymmetrisch, wobei eine Stammzelle und eine Vorläuferzelle (2). Precursor-Zelle ist auch geteilt (3); ihre Tochterzellen differenzieren (4) und nehmen ihren Platz in einem bestimmten Gewebe des Körpers ein. Bild von en.wikipedia.org. (Ein detaillierteres Schema für die graduelle Differenzierung von Stammzellnachkommen findet sich in der Hemato-Hoden-Schranke, ist aber nicht gebrochen, sondern wird aktualisiert ", Abb. 1)

Um es zusammenzufassen. Vor uns sind verschiedene Arten von Stammzellen.

Die universellste Stammzelle ist die Zygote. Es entstehen alle Arten von Zellen im Körper, sowie, sagen wir, nicht genau der Körper – zum Beispiel Plazenta-Zellen. Die Blastomere besitzen die gleichen Eigenschaften – Zellen, die während der ersten paar Abschnitte der Zygote gebildet wurden. Ein ganzer Organismus kann aus einer Zygote oder Blastomere gezüchtet werden. Solche Zellen werden genannt totipotent Stammzellen.

Etwas weniger universelle Zellen werden während mehrerer nachfolgender embryonaler Trennungen (vor der Teilung in Keimschichten) gebildet. Sie können alle Zellen des Körpers hervorbringen, nicht aber die Plazenta, so dass ein ganz neuer Organismus nicht aus einer solchen Zelle gezüchtet werden kann. Diese Zellen werden aufgerufen pluripotent Stammzellen (PSC).

Habengleich spezialisiert multipotent Stammzellen – das sind jene, die zu einer Vielzahl von Zelltypen führen können, die charakteristisch für den Körper sind, aber nicht alle. Multipotente Zellen sind, wenn ich so sagen darf, "mehr oder weniger stark" – das heißt, sie können mehr oder weniger Zelltypen hervorbringen. Multipotente Zellen umfassen einige der Stammzellen, die in dem oben erwähnten erwachsenen Organismus aktiv sind.Die graduelle Differenzierung der Nachkommen multipotenter Zellen führt zu oligopotent (was nur zu einer kleinen Anzahl von Zelltypen führt) und unipotent (was zu nur einer Art führt) von Zellen.

Es stellt sich also heraus, dass der Weg eines lebenden Organismus ein Weg der graduellen Differenzierung ist: Alle Veränderungen in den Stammzellen führen zu einer Abnahme der "Potenz" (oder sogar ihres vollständigen Verschwindens). Tootypotente Zellen werden pluripotent, solche multipotent und so weiter, und der Weg zurück scheint vorbei zu sein.

Aber der wahre Wissenschaftler muss den Weg finden, wo es nicht zu sein scheint. Eigentlich für diese Suche (die sich als erfolgreich herausstellte) erhielten die Nobelpreisträger John Gordon und Sinya Yamanaka am Montag.

Ab ovo

Beginnen wir – in der Reihenfolge des Dienstalters – mit Gurdon. Er führte seine Nobelexperimente 1962 durch, in jenen halb vergessenen Zeiten, in denen niemand über die Sequenzierung des Genoms nachdachte, das Wissen über Stammzellen wurde jährlich in Vorlesungen aufgenommen, und die berühmte HeLa-Zelllinie war erst zehn Jahre alt.

Gerdon versuchte eine Antwort auf die Frage zu finden, ob der Kern einer differenzierten Zelle genügend Informationen enthält, um einen neuen Organismus entstehen zu lassen.(Wir kennen die Antwort, aber vor 50 Jahren war diese Antwort nicht offensichtlich.)

Und Gurdon hat eine sehr einfache Sache getan – er hat einen Spornflügler aufgegriffen und transplantiert (Xenopus laevis) mit einem zerstörten Kern, dem Kern einer differenzierten Zelle (Darmepithelzellen) einer Kaulquappe derselben Art. Es hat eine ganze Reihe von Experimenten gebraucht, aber als Ergebnis gelang es dem Forscher, aus einem solchen "chimären" Ei eine gesunde Kaulquappe zu bekommen. (Wir bemerken in Klammern, dass ähnliche, aber erfolglose Experimente schon vor Gerdon durchgeführt wurden. Offenbar unterschied sich Gerdon von seinen Vorgängern einfach durchungefährGeduld und Ausdauer).

Abb. 2 Diagramm von Gurdons Experimenten. Er zerstörte mit ultraviolettem Kern in den Eierschüben Xenopus laevis (1), transplantiert dort einen Kern aus einer differenzierten Darmzelle einer Kaulquappe der gleichen Art (2), wodurch eine Kaulquappe aus dem Ei entwickelt wurde, und dann ein erwachsener Frosch (3). Auf die gleiche Weise können Säugetiere erhalten werden (4). Bild von www.nobelprize.org

Es war ein großer Durchbruch. Aus den Ergebnissen von Gurdon folgten sofort viele Schlussfolgerungen, von denen die wichtigste ist: Differenzierung ist eine reversible Sache.Selbst der Kern einer differenzierten Zelle kann, wenn sie in geeignete Bedingungen gebracht wird, einen neuen Organismus entstehen lassen. Die Entdeckung von Girdon verwandelte alle bisherigen Vorstellungen über Differenzierung und "Stamm" und löste eine ganze Reihe von Studien aus – vom Klonen von Säugetieren (das erste Schaf wurde geklont) bis zur Arbeit von Xingyi Yamanaki.

Das Wort "Klonen" tauchte übrigens im Zusammenhang mit den Werken von Herdon auf. 1963 beschrieb der berühmte britische Biologe und Popularisierer der Wissenschaft, John Haldane, die Ergebnisse von Gerdon und war einer der ersten, der das Wort "Klon" verwendete, wie es auf die aus dem "erwachsenen" Kern geschlüpfte Kaulquappe angewendet wurde. Und der Frosch ist immer noch das Lieblings "Spielzeug" von Herdon – auf der persönlichen Seite des Wissenschaftlers veröffentlichte Links zu seiner letztjährigen Arbeit, wo er noch mit Eiern experimentiert Xenopus.

40 Jahre später

Und was hat Yamanaki gemacht? Etwas noch Revolutionäreres und Ungehörtes als der Gurdon. Im Jahr 2006 gelang es ihm – ohne eine Transplantation des Zellkerns – einen vollständig differenzierten Mausfibroblasten (Hautzelle) in eine pluripotente Stammzelle (solche Zellen wurden induzierte pluripotente Stammzellen, iPSC oder iPSC) zu verwandeln.Bevor wir erzählen, wie es ihm gelang, machen wir einen kleinen historischen Hintergrund.

Seit den Experimenten von Gurdon hat die Wissenschaft große Fortschritte gemacht, und es wurden subtile Techniken entwickelt, die es einem Gen ermöglichen, in eine Zelle eingeführt zu werden und so die Expression des Proteins zu bewirken, das von diesem Gen in dieser Zelle kodiert wird. Eines der hauptsächlichen "Vehikel", die zum Einbringen von Genen in eine Zelle verwendet werden, sind Viren, insbesondere Retroviren. Im Genom des Virus wird durch das Ausschneiden von gefährlichem genetischen Material "Freiraum" geschaffen und an dieser Stelle werden die Gene der notwendigen Proteine ​​vernäht. Das Virus infiziert eine Zelle, aber statt seiner viralen DNA fügt es diese Gene in das Genom der Zelle ein. Die Gene beginnen zu exprimieren, beeinflussen die verschiedenen physiologischen Prozesse in der Zelle und die Expression anderer Gene und verändern so das Schicksal der Zelle. Sie können mehr darüber in dem Artikel "Molekulares Klonen, oder wie man fremdes genetisches Material in eine Zelle legt" lesen.

Lassen Sie uns zu den Experimenten von Yamanaki zurückkehren. Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich Zellen verschiedener Typen voneinander in der Expression bestimmter Gene.Yamanaka und sein Team verglichen die Genexpression in differenzierten und embryonalen Stammzellen. Sie identifizierten mehrere Dutzend Gene, deren erhöhte Aktivität für Stammzellen charakteristisch war. In verschiedenen Kombinationen haben sie diese Gene durch molekulare Klonierung in differenzierte Zellen eingefügt, um diese Zellen zur Entdifferenzierung zu zwingen.

Und dann kam der Durchbruch. Nach langen Experimenten gelang es Yamanaka zu zeigen, dass es zur Reprogrammierung einer differenzierten Zelle in einen pluripotenten Stamm ausreicht, die Expression des gesamten Stammes zu erhöhen vier Gene! Die Namen dieser Gene in der Musik klingen für "Stammbiologen", und sie vypalyieren sie, werden sogar mitten in der Nacht geweckt: 3. Oktober, Sox2, KLF4 und c-myc.

Aber das ist nicht alles. Yamanaka zeigte, dass die erhaltenen pluripotenten Stammzellen sich umgekehrt in Zellen verschiedener Gewebearten, beispielsweise Nerven- oder Darmgewebe, differenzieren können – das heißt, die Differenzierung zurück und dann wieder vorwärts zu spulen. Er gab Wissenschaftlern ein einfach zu bedienendes Werkzeug, mit dem man praktisch alles, was das Herz begehrt, mit Differenzierung durchführen kann. Diese Entdeckung hat die wissenschaftliche Welt buchstäblich verändert.

Abb. 3 Diagramm der Experimente Yamanaki. Vier Proteingene (1) in den differenzierten Fibroblasten der Maus (2). Dieser Fibroblasten wird in eine pluripotente Stammzelle (3), von dem Sie dann einen erwachsenen Mausorganismus bekommen (4). Beachte, dass die erwachsene Maus von iPS-Zellen immer noch nicht von Yamanaka erhalten wurde. Bild von www.nobelprize.org

Da die Arbeit von Yamanaki relativ kürzlich ausgeführt wurde, verursachte es ein nicht so langes "Echo" von der nachfolgenden Arbeit, wie die Arbeit von Gerdon. Dieses Thema entwickelt sich jedoch schnell. In den letzten sechs Jahren hat Yamanaki eine Methode entwickelt, um einen Typ differenzierter Zellen in einen anderen zu transformieren. umgehen Stammzellstadium. Erwähnenswert ist auch die Arbeit chinesischer Wissenschaftler, denen es gelang, mit Hilfe einer absolut unglaublichen Technologie aus iPS-Zellen einen Embryo und dann eine erwachsene Maus zu bekommen (Xiao-yang Zhao, Wei Li et al., 2009). Mit anderen Worten, die engen Ketten, die alle Bewegungen von Wissenschaftlern bei der Arbeit mit differenzierten und Stammzellen behinderten, fielen, und es wurde möglich, eine große Menge an Forschung zu betreiben, von der man vorher nicht einmal träumen konnte.

Es sollte eine weitere wichtige Konsequenz der Arbeit von Yamanaki erwähnt werden.Zuvor wurden humane pluripotente Zellen relativ unmoralisch gewonnen – aus Embryozellen (und daher wurden sie embryonale Stammzellen genannt). In einigen Ländern war ihre Verwendung verboten, in anderen aufgrund ernsthafter rechtlicher Schwierigkeiten. Die Entdeckung von Yamanaki enthüllte der Menschheit eine fast unerschöpfliche Quelle von pluripotenten Zellen, deren Ursprung keine Spuren auf dem Gewissen eines Menschen hinterlässt.

Originalartikel der Preisträger:
1) J. B. Gurdon Die entwickelte Kapazität von Kernen aus Darmepithelzellen von Fütterungsquappen // J Embryol Exp Morphol. V. 10. S. 622-640. Dezember 1962.
2) Kazutoshi Takahashi, Koji Tanabe, Mari Ohnuki, Megumi Narita, Tomoko Ichisaka, Kiichiro Tomoda, Shinya Yamanaka. Induktion von pluripotenten Stammzellen aus den Adult Factors durch definierte Faktoren // Cell. V. 131. Ausgabe 5. Pp. 861-872. 30. November 2007.


Like this post? Please share to your friends:
Schreibe einen Kommentar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: