Projekt Drápatka - XENOPUS
Potřebujete nové srdce? Nebo nové ledviny? Proč si je tedy nenecháte narůst? Protože ještě málo známe vývojovou biologii.
Při tvorbě orgánů a tkání spolu interagují tisíce genů a jejich produktů přímo i pomocí řetězců regulačních proteinů a tvoří nejsložitější biologické systémy. Když porozumíme signálům v diferenciaci embryí, dokážeme nasměrovat kmenové buňky tak, že budeme moci řídit vznik tkání a orgánů. Nejde o žádnou science fiction. V září 2003 demonstroval prof. Asashima z University of Tokyo žábu Xenopus laevis se dvěma tepajícími srdci a třemi játry. Orgány vznikly z buněk horní poloviny časného embrya po působení signalizační bílkoviny aktivinu a kyseliny retinové a transplantaci do pulce. Nadpočetné orgány jako srdce nebo oko byly také úspěšně transplantovány do embryí a fungovaly i v dospělosti. Asashimova skupina ukázala, že vývojová biologie má strategický význam v medicíně i v biotechnologiích.
Historie vývojové biologie
Vývojová biologie vznikla v devatenáctém století jako srovnávací embryologie a byla přejmenována, když se začala zabývat i příbuznými problémy jako určení pohlaví nebo regenerace. Biochemický a molekulární přístup zpočátku vývojovou biologii příliš neovlivnil. Chyběly metody jak identifikovat geny a proteiny, jejich produkty, které řídí embryonální vývoj. K průlomu nakonec došlo díky mutacím u známé mušky octomilky (Drosophila). Mutantní jedinci pojmenovaní antennapedia mají místo tykadla nohu, bithorax zdvojuje počet článků hrudníku, kdežto fushi tarazu počet článků těla snižuje. Podrobné, křížením získané genetické mapy octomilky umožnily nalézt změněné geny, přečíst je a porovnat. Ukázalo se, že všechny tři geny obsahují shodnou oblast, později nazvanou homeodoména. Když byla homeodoména prokázána v genech člověka i v ježovce a myši, nastaly dostihy v hledání genů řídících vývoj embrya Drosophily.
Pak se ale objevily problémy. Hmyz a savci nejsou blízce příbuzní, takže těžko můžeme studovat vznik jater u octomilky, když žádná játra nemá. Pokud potřebujeme ovlivňovat a řídit vznik orgánů a tkání člověka, musíme pro pokusy použít co možná nejbližší modelový organismus. K získání několika savčích zárodků je třeba zabít myš nebo podstoupit krvavou a nepříjemnou práci na jatkách. A vrátit starší embryo do dělohy není možné. Proto embryologové často používají zárodky žab a čolků, kterých mohou mít stovky na jedné misce, mohou je celou dobu sledovat a dělat na nich pokusy, třeba odstranění nebo nahrazení části embrya anebo mikroinjekce do vajíčka.
Proč právě drápatka?
"Nejoblíbenějším modelovým obratlovcem" se stala africká žába drápatka vodní, Xenopus laevis, protože snáší vajíčka "na požádání", po injekci těhotenského hormonu choriogonadotropinu. Díky tomu se používala k těhotenským testům a rozšířila se jako pokusné zvíře po celém světě.
Po nástupu molekulární biologie se ale projevily zásadní nedostatky drápatky - není vhodná ke genetickým pokusům, protože má většinu genů ve dvou párech kopií a má dlouhou generační dobu. Jako řešení problémů modelu Xenopus s genetikou navrhli r. 1999 Harland a Grainger přejít postupně na příbuzný druh Xenopus tropicalis, u kterého ke zdvojení genomu nedošlo. A navrhli jeho genom přečíst.
Americký National Health Institute (NIH) je nejvýznamnější zdroj financování věd o životě. Na schůzce jeho sekce "Nesavčí modely" bylo doporučeno zvýšit financování modelu Xenopus. V březnu r. 2000 byla na podnět ředitele NIH svolána a financována schůzka čtyřiceti vývojových biologů z celého světa. Bylo doporučeno sekvenování genomu X. tropicalis, výzkum genetických manipulací a mapování genomu. Práce na čtení genomu byly zahájeny ihned, poskytnutím již existujících genových knihoven spolupracujícím institucím. Granty pro další části projektu byly přijímány do poloviny roku 2001. Strategický odhad, pružnost a rychlost reakce americké instituce jsou v našich podmínkách nepředstavitelné.
Výsledky projektu
Projekt Xenopus již přináší výsledky. Sekvenování genomu X. tropicalis je ukončeno se 7,5x větším přesahem a postupně jsou publikovány poskládané díly genomu. Existují genové čipy pro X. laevis i X. tropicalis a kongresová sdělení popisují tři metody přípravy mutací X. tropicalis pomocí molekulárních konstruktů. Postupy pro přípravu geneticky modifikovaných žab se používají i pro myši. Je popsána metoda pro zobrazení genů v žabích chromozomech a na webu je první verze genetické mapy X. tropicalis. Zatím ale chybí cílená inaktivace genů drápatek.
Nejlepší modelový organismus
Zbývá porovnat organismy užívané jako modely ve vývojové biologii. Octomilka je bez konkurence nejlepší pro hledání dosud neznámých, evolučně starých genů. Funkce příbuzných genů obratlovců se však liší a není možné přímo přenášet poznatky z hmyzího modelu na ostatní organismy. Nejužívanější modelový organismus ze savců, kterým je myš, je zatím nenahraditelný pokud potřebujeme použít techniku cílené inaktivace genů. Nesplnily se velké naděje vkládané vývojovými biology do známé akvarijní rybky danio pruhované (Brachydanio rerio). Stejně jako X. tropicalis dospívá za tři až čtyři měsíce, takže je vhodná pro genetické pokusy. Byly již připraveny tisíce vývojových mutací. Během výzkumu se ale ukázalo, že danio prodělalo zdvojení genomu stejně jako X. laevis se všemi nevýhodami z toho plynoucími. Kvůli poměrně tuhému povrchu buněk embrya se navíc u dania nedají použít ani transplantace, ani injekce molekulárních konstruktů do embrya. U drápatek je již dnes možné vyhodnotit výsledky genetických pokusů stejně dobře a rychle jako u octomilky a po dokončení genetických map zmizí všechny nevýhody drápatek. Použití ostatních metod jako příprava geneticky modifikovaných žab, transplantace nebo injekce do vajíčka je u drápatek mnohem jednodušší než u jiných organismů, hlavně díky velkým vajíčkům a embryím. Zdá se, že drápatky ze soutěže o nejvhodnější model ve vývojové biologii vycházejí jako vítěz.
Převzato z Českého rozhlasu Leonardo
