Mozaiki i chimery

** Grafika tytułowa: Watchduck (a.k.a. Tilman Piesk) (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons

Temat po trosze na życzenie jednej z obserwatorek bloga. Prosiła mnie, bym napisała coś, na temat mozaicyzmu genetycznego. Trochę rozszerzę zagadnienie także o chimery, z którymi z racji zawodu (hematologia), mam więcej do czynienia.

Zacznijmy od opisu dwóch zjawisk, które zostały włączone do wiedzy powszechnej całkiem niedawno- wraz z rozwojem nowoczesnych technik sekwencjonowania.

Po pierwsze, stworzenia wielokomórkowe nie składają się z komórek o identycznym DNA, choć tak wielu z Was zapewne uczono w szkołach. Zygota, twór jednokomórkowy, by stworzyć organizm, dzieli się wielokrotnie, komórki potomne na różnym stopniu różnicowania także się dzielą. A podziały komórkowe generują, jak wiadomo, błędy. I to całkiem liczne. Tak więc z biegiem podziałów pojawiają się w genomie literówki, a czasami także duże zmiany, takie jak rearanżacje chromosomowe. Dotyczy to pewnych populacji komórek, które wywodzą się jedynie od prekursora, w którym doszło do błędu replikacji. Jak duże są to populacje- zależy od czasu i miejsca wystąpienia błędu w rozwoju organizmu (pre i postnatalnego). Czasami takie populacje komórek mają tendencję do transformacji nowotworowej, czasami nie.

Proces, jaki przed chwilą opisałam, można traktować jako definicję mozaicyzmu genetycznego. Jest to zjawisko występowania w jednym organizmie co najmniej dwóch populacji komórek o różnym genotypie, które to populacje wywodzą się od pojedynczej, zapłodnionej komórki jajowej. A więc zgodnie z najnowszą wiedzą medyczną- wszyscy jesteśmy mozaikami.

Po drugie, stworzenia przechodzące proces rozwoju embrionalnego w łonie matki (przypuszczam jednak, że także te jajorodne, choć nie znalazłam żadnych prac na ten temat), są przez pewien etap swojego rozwoju quasi-pasożytniczo połączone bezpośrednio z organizmem matki. A jeżeli ciąża jest bliźniacza, to także może istnieć połączenie między bliźniakami.

Pępowina jest wybiórczym filtrem, który w warunkach ciązy fizjologicznej nie dopuszcza do swobodnej wymiany komórek pomiędzy matką i jej nienarodzonym dzieckiem… A jednak zaobserwowano coś dziwnego, co przeczyło tej tezie. Dość już dawno podczas badań polimorfizmu genetycznego noworodków stwierdzono, że u niektórych z nich występuje dodatkowa niewielka (do 10%) populacja komórek, której wzór polimorfizmów pasował do genotypu matki. U bliźniąt zdarzało się także przekazanie DNA jednemu dziecku przez drugie, w dużo mniejszym stopniu u dwujajowych. Niektóre z takich przypadków można było tłumaczyć tzw. przeciekiem matczyno-płodowym lub syndromem podkradania, ale w większości opisanych przypadków w ogole nie było historii zaburzeń hemodynamicznych.

Zjawisko wyjaśniły badania metodami sekwencjonowania genomowego pojedynczych komórek. Okazalo się, że pewna populacja komórek matczynych przedostaje się przez łożysko w obu kierunkach – tzn. komórki macierzyste płodu można było znaleźć we krwi matek, zaś komórki matek- u płodu. Zjawisko jest powszechne i może dotyczyć każdego z nas. Żeby było śmieszniej, podczas kolejnej ciąży komórki macierzyste poprzedniego dziecka mogą przechodzić do nowego płodu (!). Jeszcze dziwniej się robi, gdy przeczytamy, że istnieją casusy, w których ojcem dziecka mężczyzny może być jego wchłonięty w wieku płodowym bliźniak, a nawet, że biologiczną matką dziecka może być wchłonięta siostra bliźniaczka faktycznej matki.

Chimera, według ogólnie przyjętej definicji, to organizm posiadający w składzie komóreki pochodzące z co najmniej 2 różnych zygot. Obecnie za fakt naukowy uważa się, że każda matka jest chimerą, co więcej chimerą jest prawdopodobnie także każdy kobiecy potomek- czyli każdy z nas.

No dobra, czyli wszyscy jesteśmy chimerami i mozaikami (jak na obrazku tytułowym). Nie powinno nas to z reguły smucić- smuci jednakże trochę tych, którzy posługują się pojęciami mozaikowatości i chimeryzmu w ujęciu tradycyjnym. Tradycyjnie uważa się, że chimery i mozaiki to organizmy, u których różne populacje komórek są ewidentnie wykrywalne zgrubnymi metodami, takimi jak cytogenetyka klasyczna.

A więc chimerą nazwiemy takiego człowieka, który:

• a) przeszedł z sukcesem przeszczep narządu lub szpiku kostnego
• b) wchłonął swoje rodzeństwo w toku rozwoju embrionalnego.

Za to mozaiki to osoby, które posiadają duży odsetek komórek, różniących się od siebie genetycznie (najczęściej kariotypem) – w praktyce oznacza to, że jakaś aberracja chromosomowa zaszła na wczesnym etapie rozwoju zarodkowego, w ciągu kilku-kilkunastu pierwszych podziałów zygoty.

O ile tak rozumiany chimeryzm wykrywany cytogenetycznie przypadkowo jest zjawiskiem dość rzadkim, o tyle mozaiki genetyczne, u których stwierdzono zmiany kariotypowe, są raczej częste. Czasami u osób z łagodnymi klinicznymi cechami np. zespołu Downa można stwierdzić mozaikowe występowanie trisomii 21 chromosomu. Często także osoby z niepowodzeniami rozrodu posiadają duże popuacje komórek z monosomiami bądź trisomiami chromosomów płci, czy też różnymi abewrracjami autosomów. Żeby orzec, czy to co obserwujemy jest faktyczn mozaiką, czy też artefaktem, powinniśmy cytogenetycznie zbadać większą niż zazwyczaj pulę metafaz (co najmniej 30), dobrze jest też badanie powtórzyć jeżeli chcemy wykluczyć kontaminację (zdarzają się one w diagnostyce prenatalnej, np. jeżeli w materiale z amniopunkcji pobrano też komórki matki, płyn był krwawy itp.). Dobrze jest także porównać 2 rózne tkanki- np. fibroblasty i limfocyty, by porównać stopień mozaikowatości w obu materiałach. Musimy do tego jeszcze wziąć pod uwagę, że w procesie starzenia normalna jest utrata w niektórych komórkach pojedynczych chromosomów płci.

Temat mozaikowatości jest trudny dla genetyka klinicznego- doradzenie mozaikom, które chcą się starać o potomstwo jest problematyczne a dokładne oszacowanie ryzyka urodzenia chorego dziecka-niemożliwe. Nie wiadomo bowiem, jakie są procentowe odsetki komórek z defektami w tkance jajnikowej i jądrach. Owszem, biopsja jądra i badanie kariotypu komórek plemnikotwórczych jest pewnym rozwiązaniem, ale bardzo inwazyjnym i robi się ją tylko w przypadku klinicznej azoospermii. Z jajnikami takie postępowanie jest raczej wykluczone. Można jedynie zaproponować parze obarczonej aberracjami typu mozaikowatości wczesną diagnostykę prenatalną, czy też procedurę in vitro z selekcją zarodków*.

*Uwaga! Każdy przypadek mozaikowatości u pacjenta musi być skonsultowany i opatrzony poradą genetyka klinicznego! W żadnym wypadku niniejszy post nie powinien służyć jako porada genetyczna, został on napisany w charakterze wyłacznie ciekawostki naukowej.

O domino, genach homeobox i różnicowaniu komórek

Scenka rodzajowa. Niedziela. Dzwoni telefon. Kumpela z oddziału. Szybki zerk na zegarek- 21:05. Odbieram telefon- pewnie dzwoni z dyżuru nagłym pytaniem zawodowym, które nie może czekać do rana.

I owszem.

-Cześć, bo wiesz, dzwonię w ważnej sprawie. Z trudnym pytaniem . Moje dziecko mnie zapytało, jak to się dzieje, że komórki mają ten sam materiał genetyczny, a są różne. Różnie wyglądają itd. I nie potrafię sama jej tego wyjaśnić…

…

Po otrząśnięciu się z szoku, jaki wywołał telefon, stwierdziłam że pytanie niegłupie. I należące do tych egzystencjalnych póki co. Bo nie ma na nie wbrew pozorom wcale dobrej odpowiedzi…

-No wiesz… Komórki są różne, bo w ich DNA różne obszary są włączone i wyłączone. No wiesz, czynniki transkrypcyjne, metylacja genów, acetylacja itd… – liczę że taka odpowiedź wystarczy.

-No wiem, ale… ona pyta jak to się dzieje, że te geny są różnie powłączane???

TAK. Tylko bardzo dociekliwy embriolog może zadać to pytanie. Albo dziecko.

---

Żeby odpowiedzieć na pytanie, jak to się dzieje, że komórki są uwarunkowane do pełnienia pewnych funkcji w organizmie, musimy cofnąć się w czasie i zacząć ab ovo.Dosłownie. Od podziału komórki jajowej.

Gdy ludzka zygota dzieli się na blastomery, rozpoczyna się proces bruzdkowania. Embriolodzy wiedzą jak przebiega kilka pierwszych podziałów i zauważają, że nie są one do końca symetryczne. U wielu organizmów od samego początku (czyli 2-4 komórkowej zygoty) pojawiają się komórki większe i mniejsze. A więc zaczynają się różnić, co z kolei musi być spowodowane różnicami w aktywności ich genomów.

U ssaków, w tym człowieka, z pozoru identyczna sfera komórek blastocysty (wiele podziałów po stadium zygoty) szybko przekształca się w dwa twory o wizualnie innej morfologii i funkcji – trofoblast, czyli zaczątek tkanek odżywiających zarodek, oraz embrioblast, z którego powstanie sam zarodek. Od tego momentu w rozwoju zarodka zaczyna się jazda figurowa, w której bez przerwy mnożące się komórki odstawiają potrójne axle z poczwórnymi ridbergerami. Przegrupowują się, zmieniają kształty, mnożą w różnym tempie, tworzą skupiska, wstęgi, wybrzuszają się lub wpuklają i tak dalej. I robią to w takim tempie, że nie da się tego ogarnąć umysłem.

…Nie da się ogarnąć powiadam?  Stop. Da się. Ale póki co nie u człowieka. U muszki. Poniżej linkuję niesamowity filmik, który udało się „nakręcić” podczas rozwoju zarodkowego muszki.

 

 

Niestety dla córki mojej koleżanki, nie znamy wciąż DOKŁADNEGO mechanizmu, dzięki któremu nowo utworzone komórki „wiedzą” gdzie mają migrować i w jaką tkankę się przekształcić. Ergo, nie wiemy co leży u podstaw procesu, który sprawia że mimo posiadania tego samego DNA, różne komórki, powstałe z pojedynczego jajeczka, tak bardzo mogą się różnić. Możemy tylko tworzyć modele tego procesu.

Moim zdaniem właściwym modelem który choć odrobinę przybliża abstrakcyjny proces embriogenezy molekularnej, jest zabawa w domino:

Tak. Domino.

Każdy klocek domino w naszej metaforze uosabia jedno białko, a ruszenie całej machiny, czyli poruszenie pierwszego fragmentu, to proces zapłodnienia i pierwszy podział.  W komórkach potomnych domino pędzi od białka do białka, to uruchomi, tamto wyłączy, indukując kolejny podział. To co się dzieje potem to uruchamianie kawałka kaskady domino osobno w każdej z komórek potomnych dzielącego się zarodka. DO tego każda komórka przekazuje swoim sąsiadkom, gdzie się znajduje i co aktualnie robi. Kaskada sygnału trwa nieprzerwanie aż do utworzenia się wszystkich linii komórek, obecnych w naszym ustroju. Wszystko co się dzieje potem, to tylko odtwarzanie instrukcji w kółko w każdej z już „uwarunkowanych” komórek potomnych.

Co ciekawe i fascynujące, naukowcy zidentyfikowali co najmniej kilkaset spośród klocuszków domina (genów kodujących białka embriogenezy) u naszej nieszczęsnej muchy owocowej i obecnie włączają lub wyłączają je na przemian jak przełączniki, żeby sprawdzić co tym samym zepsują w muszej embriogenezie. Opisano już np. muchy z nogach zamiast czułków i wysnuto  konkluzję, że komórkiprekursorowe pomieszały kierunki i trafiły na głowę.

Część genów embriogenezy nazwana została hox (od „homeobox”) i jest fascynująca ze względu na podobieństwo budowy u rożnych organizmów oraz dość typowy schemat funkcjonalny domen proteinowych.Najlepsze zostawiłam na koniec, układ tych genów nie jest losowy, obserwujemy zachowaną na chromosomach kolejność, według które włączają się te geny podczas rozwoju embrionalnego (jak domino, jak domino!).

Jak bardzo fascynujące są geny hox przekona się każdy, kto marzy o programowaniu sztucznego życia. Mogąc dowolnie żonglować składowymi procesu embriogenezy, moglibyśmy stworzyć organizm o zupełnie innym planie budowy, albo na przykład dorobić swojemu przyszłemu niemowlęciu dizajnerskie baranie rogi na czole. Oczywiście to żart klasy B, niemniej jednak medycyna regeneracyjna pokłada bardzo duże nadzieje w możliwościach, jakie kryje podporządkowana naszej woli embriogeneza.

Z tym że przed embriologami (i dziećmi) jeszcze długa droga, nim odpowiedzą nam na pytanie, czemu komórki są różne. Bo to cholernie trudne pytanie.