Στοιχείο έκπληξη Understand article
Μετάφραση από: Βικτώρια Παταβού (Victoria Patavou) – Φοιτήτρια Βιολογίας, ΑΠΘ και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος, MEd, PhD, Πανελλήνια Ένωση…
Στις 30 Οκτωβρίου του 1961 πυροδοτήθηκε στο αρχιπέλαγος Novaya Zemlya στη θάλασσα του Μπάρεντς η πυρηνική βόμβα 50 μεγατόνων «Tsar Bomba», η μεγαλύτερη πυρηνική βόμβα που έχει πυροδοτηθεί και η οποία έφερε την υπογραφή της Σοβιετικής Ένωσης. Το νέφος που σχηματίστηκε από την έκρηξη, το λεγόμενο «μανιτάρι», ήταν επτά φορές ψηλότερο από το όρος Έβερεστ ενώ το κρουστικό κύμα που δημιουργήθηκε ήταν τόσο δυνατό που προκάλεσε καταστροφή τζαμιών σε απόσταση ακόμη και 900 χιλιόμετρα μακριά. Όμως, πιο δυνατή και από την ίδια την έκρηξη ήταν οι αντιδράσεις, σε πολιτικό επίπεδο, που «πυροδότησε» υπέρ της απαγόρευσης των εδαφικών πυρηνικών δοκιμών. Σήμερα, περισσότερο από μισό αιώνα αργότερα, επιστήμονες του Ευρωπαϊκού Ινστιτούτου Μοριακής Βιολογίας (EMBL) στη Χαϊδελβέργη την Γερμανίας βρήκαν και κάτι θετικό στη σκοτεινή αυτή πλευρά του Ψυχρού Πολέμου: τον ραδιενεργό άνθρακα. Ο ραδιενεργός άνθρακας, ένα αβλαβές κατάλοιπο που εντοπίζεται στα υπολείμματα των πυρηνικών δοκιμών, φαίνεται να δίνει νέες προοπτικές στη μελέτη της λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου.
Η ερευνήτρια του EMBL, Kyung-Min Noh και οι συνεργάτες της στις ΗΠΑ ιχνηλατούν τη συμπεριφορά του ραδιενεργού άνθρακα με σκοπό να κατανοήσουν πως τα νευρικά μας (νευρώνες), τα κύτταρα με τη μακριοβιότερη επιβίωση στον οργανισμό μας, καταφέρνουν να παραμένουν σταθερά αλλά ταυτόχρονα ευπροσάρμοστα ώστε να μπορούμε να μαθαίνουμε, να θυμόμαστε και να σκεφτόμαστε κατά τη διάρκεια της ζωής μας. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι το έργο τους μπορεί να συνεισφέρει νέα δεδομένα στην κατανόηση των εγκεφαλικών δυσλειτουργιών, όπως ο αυτισμός, και πιθανόν άλλες καταστάσες όπως η νόσος Αλτσχάιμερ.
Ευγενική χορηγία εικόνας από EMBL/ Marietta Schupp
Καταγραφές ραδιοάνθρακα
Ο άνθρακας είναι βασικό συστατικό όλων των βιολογικών μορίων στο ανθρώπινο σώμα. Σχεδόν όλος ο άνθρακας στον κόσμο συναντάται στην μορφή που ονομάζεται άνθρακας-12. Ο ραδιoάνθρακας είναι ελαφρά βαρύτερος, ήπια ραδιενεργός και σχηματίζεται στη φύση σε πολύ μικρές ποσότητες. Μεταξύ 1945 και 1963, υπέργειες ατομικές εκρήξεις οδήγησαν στην αύξηση των ποσοτήτων του ραδιενεργού άνθρακα στην ατμόσφαρια, πέρα των φυσιολογικών επιπέδων. Ο άνθρακας μεταφέρθηκε στις τροφικές αλυσίδες, έτσι ώστε στο σώμα των ανθρώπων που ζούσαν εκείνη την περίοδο ενσωματώθηκαν ποσότητες ραδιενεργού άνθρακα μεγαλύτερες από το κανονικό. Καθώς τα επίπεδα του ραδιενεργού άνθρακα της ατμόσφαιρας επανήλθαν στο φυσιολογικό, μέσω της φυσικής ανανέωσης των κυττάρων στο χρόνο, τα σώματά τους αντικατέστησαν σταδιακά τον ραδιενεργό άνθρακα με κανονικό.
Όμως τα διάφορα μέρη του σώματος ανανεώνονται με διαφορετικούς ρυθμούς. Οι επιστήμονες μετρώντας την ποσότητα του ραδιοάνθρακα στα σώματα των ανθρώπων αυτών μπορούν να βρουν ποια κύτταρα αντικαταστάθηκαν και πόσο συχνά συμβαίνει αυτό. Πριν από 10 χρόνια, μια ομάδα επιστημόνων στη Σουηδία και τις ΗΠΑ χρησιμοποίησε αυτή την τεχνική για να δείξει ότι ορισμένα μέρη του εγκεφάλου ανανεώνονται καθ’ όλη τη διάρκεια της ζωής του ατόμου, ενώ άλλα σταματούν στη γέννα κι επομένως ηλικιακά ταυτίζονται με το άτομο-φορέα τους. Η Kyung-Min Noh και οι συνεργάτες της, έχουν υιοθετήσει αυτή τη μέθοδο ώστε να προσεγγίσουν ένα μεγάλο μυστήριο της νευροβιολογίας: πώς δηλαδή αυτοί οι νευρώνες που δεν ανανεώνονται καταφέρνουν και παραμένουν και σταθεροί αλλά και προσαρμόσιμοι;
Αποκαλύπτοντας τα κυτταρικά μυστικά
Τμήμα της απάντησης βρίσκεται στο DNA των νευρώνων. Το DNA τους περιέχει γονίδια που καθοδηγούν το νευρικό κύτταρο να φτιάχνει μικροσκοπικές μοριακές μηχανές, τις πρωτεΐνες, που ρυθμίζουν τις λειτουργίες του κυττάρου. Αν και σχεδόν κάθε κύτταρο στο σώμα μας έχει το ίδιο σύνολο γονιδίων, κάθε τύπος κυττάρων χρησιμοποιεί διαφορετικό υποσύνολο γονιδίων για να αναπτύξει την εξειδικευμένη λειτουργία του. Αυτό σημαίνει ότι κάθε κύτταρο πρέπει να διατηρεί γονίδια ενεργά και άλλα αδρανή.
Ένας τρόπος που επιτυγχάνεται αυτό, είναι μεταβάλλοντας το πακετάρισμα του DNA μέσα σε αυτά. Το DNA μέσα στα κύτταρα έχει μια συγκεκριμένη διάταξη, δεν είναι ένα μπερδεμένο χάος αλλά τυλίγεται γύρω από πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες, μοιάζοντας με νήμα τυλιγμένο γύρω από αμέτρητους μικροσκοπικούς κυλίνδρους. Το ανενεργό DNA είναι πιο συσπειρωμένο ενώ το ενεργό είναι πιο χαλαρά τυλιγμένο ώστε να είναι πιο προσβάσιμο στους κυτταρικούς μηχανισμούς ανάγνωσης γονιδίων. Μια στρατιά άλλων πρωτεϊνών αλλάζουν τις ιστόνες βοηθώντας στη ρύθμιση της έκφρασης των γονιδίων. Η Kyung-Min ξεκίνησε να ασχολείται με τις ιστόνες ενώ έκανε τη διδακτορική της διατριβή στο ίδρυμα Albert Einstein College of Medicine, στη Νέα Υόρκη. Όταν μελετούσε την επίδραση των εγκεφαλικών επεισοδίων στους ποντικούς, βρήκε μια πρωτεΐνη η οποία τροποποιούσε τις ιστόνες των νευρώνων σε ζώα που είχαν υποστεί εγκεφαλικό. Τότε ήταν που ξεκίνησε να μελετά σε επίπεδο ιστονών, τι συμβαίνει στα κύτταρα που σταματούν να διαιρούνται και γι’ αυτό στράφηκε στους νευρώνες ως ιδανικό ιστό μελέτης. Οι επιστήμονες γνώριζαν ήδη ότι τα διαιρούμενα κύτταρα χρησιμοποιούν «κανονικές» ή φυσιολογικές ιστόνες, ενώ τα κύτταρα που σταματούσαν πριν τον επόμενο κύκλο διαίρεσης χρησιμοποιούσαν «παραλλαγές» ιστονών. Ωστόσο γνώριζαν ελάχιστα για το τι συμβαίνει με τις ιστόνες των κυττάρων που σταματούν να διαιρούνται μόνιμα.
Φαίνεται πως οι «παραλλαγές» ιστονών, σχετίζονται με ενεργές περιοχές του DNA και πιθανόν να έχουν σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση της έκφρασης των γονιδίων. Αυτός ο έλεγχος θα ήταν ιδιαίτερα σημαντικός για τους μακρόβιους νευρώνες, οι οποίοι εκτός του ότι πρέπει να καταφέρουν να επιβιώσουν για μια ζωή, πρέπει να είναι και σε θέση να αλλάζουν δυναμικά τη γονιδιακή τους δραστηριότητα ανταποκρινόμενοι στο συνεχώς μεταβαλλόμενο περιβάλλον. Κατά τη διάρκεια του μεταδιδακτορικού της στο Rockefeller University, των ΗΠΑ, η Kyung-Min και οι συνεργάτες της ανακάλυψαν πως πράγματι νευρώνες που δεν διαιρούνταν έφεραν «παραλλαγές» ιστονών στο DNA τους. Για να βρεθεί όμως η αιτία, έπρεπε να διαπιστώσουν πότε γινόταν η αλλαγή: οι παραλλαγές ιστονών ενσωματώνονταν σταδιακά ή όλες μαζί;
Χρονολόγηση του άνθρακα
Για να μελετήσει αυτό το ερευνητικό ερώτημα στον άνθρωπο, η ομάδα χρησιμοποίησε το ραδιενεργό άνθρακα και με την τεχνική της επιταχυνόμενης φασματοφωτομετρίας, διέκριναν τις παραλλαγές ιστόνες που περιείχαν ραδιενεργό άνθρακα από εκείνες που περιείχαν κανονικό. Δείγματα από τη νεκροψία ανθρώπων που έζησαν εκείνη την περίοδο των ατομικών δοκιμών, έδειξαν ότι η ενσωμάτωση δε γίνεται σταδιακά αλλά πρόκειται για ένα «ξαφνικό γεγονός» (όπως λέει η Kyung-Min). «Μία άμεση αντικατάσταση συμβαίνει στην πρώιμη φάση της ανθρώπινης ανάπτυξης και ο εγκέφαλος διατηρεί τη νέα κατάσταση για το υπόλοιπο της ζωής του ατόμου», καταλήγει.
Αυτό υποδηλώνει ότι η ιστονική αντικατάσταση είναι ζωτικής σημασίας στην ανάπτυξη του παιδικού εγκεφάλου και συμπίπτει χρονικά με τις πιο δυναμικές μαθησιακές διαδικασίες που γίνονται σε αυτόν. Επιπλέον, πρόσφατη γενετική έρευνα αποκάλυψε σειρά γονιδίων, σφάλματα τα οποία σχετίζονται με ανώμαλη ανάπτυξη του εγκεφάλου, όπως ο αυτισμός και οι μαθησιακές δυσκολίες. Πολλά από αυτά τα γονίδια σχετίζονται με τη βιολογία των ιστονών. Η Kyung-Min εξηγεί ότι «αυτές οι παρατηρήσεις εγείρουν μεγάλα ερωτήματα όπως για παράδειγμα, τι σημαίνει ακριβώς η αντικατάσταση των ιστονών κατά την ανάπτυξη;»
Από το Νοέμβριο του 2014 που η ίδια εντάχθηκε στην ομάδα του EMBL αναζητά απαντήσεις σε τέτοια ερωτήματα καλλιεργώντας νευρώνες στο εργαστήριο της και εκτελώντας σειρά γενετικών πειραμάτων σχετικά με τη λειτουργία των ιστονών. Βέβαια, ακούγεται πιο εύκολο από ότι είναι στην πράξη, αφού μία από τις βασικές προκλήσεις του πεδίου της νευροβιολογίας είναι να καταφέρεις να πάρεις επαρκές και αντιπροσωπευτικό δείγμα του νευρικού ιστού που χρειάζεσαι. Αυτό που κάνει η ομάδα της Kyung-Min είναι να παίρνει ανώριμα κύτταρα από έμβρυα ποντικού, να τα καλλιεργούν σε τριβλία πετρί και ύστερα να τα διεγείρουν ώστε να διαφοροποιηθούν σε ώριμους νευρώνες. Επιπλέον, πρόκειται να εργαστούν με τύπο κυττάρων γνωστά όπως τα ανθρώπινα iPS κύτταρα, τα οποία επίσης προτίθενται να τα μετατρέψουν σε νευρικά. Τα κύτταρα αυτά δεν προέρχονται από ανθρώπινα έμβρυα αλλά πρόκειται για κύτταρα ενήλικων ανθρώπων τα οποία τροποποιούνται ώστε σε επιστρέψουν σε προηγούμενα αναπτυξιακά στάδια.
Αποτελέσματα επεξεργασίας
Προκειμένου να αλλάξουν τη συμπεριφορά των ιστονών στο εργαστήριο όπου αναπτύσσουν νευρώνες, η Kyung-Min και η ομάδα της επιδιώκουν να χρησιμοποιήσουν μια νέα τεχνική, που ονομάζεται CRISPRw1. Η τεχνική επιτρέπει στους επιστήμονες να επεξεργάζονται το περιεχόμενο των γοιδίων μέσα στα κύτταρα, μέσω της εισαγωγής αλλαγών στις ιστόνες νευρώνων που έχουν προκύψει από iPS-κύτταρα. Αυτές οι αλλαγές ή μεταλλάξεις, θα βασιστούν σε εκείνες που γνωρίζουμε ότι παίζουν ρόλο στις συνθήκες ανάπτυξης του εγκεφάλου. Η χρήση των iPS θα επιτρέψει στην ομάδα να διερευνήσει τις επιπτώσεις αυτών των μεταλλάξεων στη συμπεριφορά των νευρώνων.
Όπως αναφέρει η ίδια «αν και η έρευνα βρίσκεται ακόμη σε αρχικά στάδια, η καλύτερη κατανόηση των νευρικών ιστονών θα βοηθήσει και έρευνες που γίνονται για άλλες καταστάσεις, συμπεριλαμβανομένων και των νευροεκφυλιστικών παθήσεων, όπως η νόσος Αλτσχάιμερ».
Φάρμακα που στοχεύουν στον κυτταρικό μηχανισμό που τροποποιεί τις ιστόνες χρησιμοποιούνται σήμερα για τη θεραπεία ορισμένων καρκινικών τύπων, όπως το λέμφωμα των Τ-λεμφοκυττάρων. Η μελέτη αυτών των φαρμάκων μπορεί να προσφέρει διαφορετικές οπτικές για το πώς οι ιστόνες μπορούν να επηρεάσουν το κύτταρο. Μια ιδέα είναι ότι η ασθένεια που προκύπτει μπορεί να είναι αποτέλεσμα μη σωστής συσπείρωσης του DNA γύρω από τις ιστόνες. «Αν προσπαθήσουμε να ξετυλίξουμε το λανθασμένα συσπειρωμένα νήμα, το κύτταρο θα προσπαθήσει να το οργανώσει ξανά σε τάξη, δείχνοντας ότι η επαναφορά ενός κυττάρου σε κανονική υγιή κατάσταση θα μπορούσε να αποτελέσει μια πιθανή θεραπευτική προσέγγιση», αναφέρει η Kyung-Min.
Ευχαριστίες
Η πρωτότυπη εκδοχή του άρθρου δημοσιεύθηκε την άνοιξη του 2015 στο περιοδικό EMBLetc, που είναι το επίσημο περιοδικό του Ευρωπαϊκού Ινστιτούτου Μοριακής Βιολογίας (EMBL).
Web References
- w1 – Για περισσότερες πληροφορίες για την τεχνική επεξεργασίας CRISPR, δείτε στην ιστοσελίδα του EMBL.
Institutions
Review
Αυτό το εξαιρετικό άρθρο συσχετίζει ιστορικά γεγονότα με τη σύγχρονη έρευνα στο επίπεδο του κυττάρου, ενώ παράλληλα διερευνά την πορεία της σταδιοδρομίας ενός νέου επιστήμονα. Εξετάζοντας τη χρήση ραδιοϊσοτόπων όπως ο ραδιοάνθρακας στη βιοφυσική και τη μοριακή βιολογία, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως βάση μιας συζήτησης σε ένα προχωρημένο μάθημα φυσικής ή βιολογίας ή σε ένα μάθημα χημείας μέτριας δυσκολίας.
Κατάλληλες ερωτήσεις κατανόησης και συζήτησης:
- Τι είναι τα ραδιοϊσότοπα και πως μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην έρευνα;
- Περιγράψτε τη δομή και λειτουργία των ιστονών στο κύτταρο.
- Ποιά η σύνδεση μεταξύ του DNA και των ιστονών;
Terry Myers, Banbridge Academy, Ιρλανδία