Læknablaðið - 01.10.2015, Blaðsíða 23

LÆKNAblaðið 2015/101 463
Y F I R L I T S G R E I N
frumusérhæfingu. Talið er að með því að setja til hliðar frumur til
kynfrumumyndunar svo snemma í fósturþroska sé þeim forðað
frá mögulegum erfðaefnisskemmdum sem eru fylgifiskur frumu-
skiptingar.
Í spendýrum eru frumkímfrumur ákvarðaðar með boðefna-
vakningu, þegar fjölhæfar frumur kímþekjunnar skynja boðefni
frá nærlægum vefjum og öðlast þar með örlög kímlínunnar12
(mynd 1).
Frumkímfrumur spendýra ákvarðast því löngu áður en kyn-
kirtlarnir verða til. Samhliða formþroskun fósturvísisins ferðast
frumkímfrumurnar frá upprunastað sínum í kímþekju eftir aftur-
girni þar til þær ná kynkömbunum (genital ridges) sem eru forverar
kynkirtlanna. Frumkímfrumurnar setjast að í kynkömbunum í lok
5. og byrjun 6. viku fósturþroskans. Samtímis þessu langa ferðalagi
frumkímfrumanna fjölga þær sér og hefja endurstillingu umfram-
erfðamarka með það að markmiði að afmá umframerfðaminni það
sem greypt var með genagreypingu í erfðamengi kynfruma for-
eldranna.13-15 Einnig eru umframerfðamörk þau er mynduð voru
í kímþelinu við undirbúning líkamsfrumusérhæfingar afmáð.
Þessi endurstilling umframerfðamarka (epigenetic reprogramming)
er mikilvæg til að ná grunnástandi umframerfðamarka (epigenetic
ground state) áður en genagreyping er framkvæmd samkvæmt
kyni fóstursins fyrir upphaf meiósu og kynfrumuþroskunar.
Þegar kynkömbunum er náð fjölga frumkímfrumurnar sér
enn frekar. Á sama tíma eru þær umluktar strengjum líkams-
fruma kynkambanna sem gegna lykilhlutverki við kynákvörðun.
Á níundu viku fósturþroska er hægt að greina sérhæfingu egg-
stofnfruma (oogonia), meðal annars vegna hraða frumuskiptinga
og aukins fjölda hvatbera. Frumuskipting eggstofnfruma fósturs
varir fram á 11.-12. viku þegar þær hefja meiósuskiptingu sem
lýkur ekki fyrr en við frjóvgun.1
Í karlkyns kynkömbum eru frumkímfrumur umluktar Sertoli-
frumum og hafa nú stækkaða kjarna og greinanleg kjarnakorn.
Eftir 9. viku eru sáðstrengir (seminiferous sex chords) greinanlegir og
frumuskipting er mjög virk í karlkyns kynkömbum á fyrstu þrem-
ur mánuðum meðgöngu. Frumkímfrumur karlkyns fóstra á þessu
stigi halda einnig áfram að tjá gen sem einkenna frumkímfrumur,
en eggstofnfrumur hætta að tjá þau við upphaf kynákvörðunar.
Á öðrum þriðjungi meðgöngu hættir fjölgun karlkyns frumkím-
fruma smám saman og tjáning frumkímfrumu- og fjölhæfisþátta
stöðvast. Á 18. viku hafa nær allar kímfrumurnar hætt mítósu-
virkni og kallast nú sáðstofnfrumur sem eru frumur í hvíldarfasa.
Sáðstofnrumur eru hamlaðar frá því að hefja sáðfrumumyndun og
meiósu fram að kynþroska.2
Forsendur framfara í ræktun kímfruma
Að baki þeim framförum í frumuræktun kímfruma manna sem
nú hafa orðið liggja grundvallarspurningar sem tekist hefur að
svara á undanförnum áratugum með erfða- og frumulíffræði-
rannsóknum á músum og stofnfrumum úr fósturvísum músa og
manna.10
Í fyrsta lagi þurfti að svara því hvaða frumur væru forverar
frumkímfruma og hefðu því hæfi til þess að sérhæfast í kímfrum-
ur.16 Til þess að geta ræst sérhæfingu kímfruma í frumurækt var
lykilatriði að hafa réttar forverafrumur við upphaf sérhæfingar.
Í öðru lagi þurfti að finna hvaða boðefni ræstu sérhæfinguna og
að skilgreina þá umritunarþætti sem miðla virkni boðefnanna og
keyra áfram kímfrumuörlög.17-19
Þótt kímfrumur verði til á mjög afmörkuðum stað í kím-
þekju fósturvísis hafa allar kímþekjufrumurnar hæfi til þess að
ákvarðast sem kímfrumur.20,21 Staðsetning kímfrumusérhæfingar
afmarkast af staðsetningu boðefnaseytingar aðlægra vefja. Fjöl-
hæfar frumur á mismunandi stöðum kímþekjunnar eru því jafn-
gildar og hafa hæfileika til þess að mynda frumkímfrumur verði
þær á vegi réttra boðefna.17,20 Þau boðefni sem gegna lykilhlut-
verki í að beina kímþekjufrumum í sérhæfingu frumkímfruma
eru svokallaðir „bone morphogenetic protein“ (BMP) vaxtarþættir
sem er seytt af aðlægum frumum utanfóstursvefja.19,22-24 Tilraunir
í músum leiddu í ljós tap á frumkímfrumum ef þessi gen eða við-
taka þeirra vantar, sem og umritunarþættina SMAD1 og SMAD5,
sem miðla skilaboðum BMP-vaxtarþáttanna og berast inn í kjarna
til að virkja genatjáningu einkennandi fyrir frumkímfrumur. Ef
kímþekja manna eða músafósturvísa er sett í rækt ásamt háum
styrk BMP4 eða BMP2 sérhæfast frumur upprunnar úr allri kím-
þekjunni í frumkímfrumur. Þessar tilraunir lögðu grundvöllinn
að því að unnt væri að rækta frumkímfrumur músa og síðar
manna á skilvirkan hátt in vitro með því að þroska þær fyrst yfir í
kímþekjufrumur út frá stofnfrumum úr fósturvísum og rækta þær
síðan í návist BMP4.16,25,26
Rannsóknir á fjölhæfum stofnfrumum úr fósturvísum hafa
haldist þétt í hendur við rannsóknir á frumkímfrumum spen-
dýra, ekki síst vegna þess að frumkímfrumur tjá umritunar-
Fjölhæfar stofnfrumur
Fyrstu fjölhæfu stofnfrumur úr fósturvísum músa (mES) voru einangr-
aðar og ræktaðar árið 1981 af Gail Martin og Martin Evans og Matthew
Kaufmann.58,59 Evans hlaut Nóbelsverðlaunin í lífeðlisfræði árið 2007
fyrir þessa uppgötvun sína en ræktun stofnfruma úr fósturvísum var
meðal annars forsenda þess að unnt væri að erfðabreyta músum til
notkunar í rannsóknum. Erfðabreytingar eru gerðar með því að breyta
erfðaupplagi mES frumanna og koma þeim svo fyrir í kímblöðru fóstur-
vísis. Erfðabreyttu frumurnar þroskast þá sem hluti af blendingsfóstri
(chimera) og leggja til frumur í kímlínuna. Fram til ársins 1981 höfðu
vísindamenn rannsakað fjölhæfi og frumusérhæfingu með því að nota
svokallaðar „embryonal carcinoma“ eða EC-frumur, bæði úr mönnum
og músum. EC-frumur eru taldar eiga uppruna sinn í kímfrumum, og
eru æxlisfrumur sem geta sérhæfst í öll fósturlögin en leggja þó ekki
til frumur til kímlínunnar í blendingsfóstrum vegna litningagalla sem
hindra meiósu.
Árið 1998 fann svo James Thomson aðferð til þess að einangra og
viðhalda fjölhæfum stofnfrumum úr fósturvísum manna (hES).60 Stuttu
síðar voru svo embryonic germ cells (hEGs) einangraðar úr kímfrumum
mannafóstra.29 Þær eru fjölhæfar og unnt að viðhalda þeim með Fibro-
blast growth factor (FGF) ásamt boðefninu LIF, sem einnig viðheldur
fjölhæfi mES-fruma, og mEG-fruma, en ekki hES-fruma. Þegar hES-
frumur eru ræktaðar í ákveðinni blöndu af boðefnahindrum sem kölluð
er 4i (4 inhibitors), ná þær grunnástandsfjölhæfi og hafa hæfileika til
þess að mynda kímfrumur, séu þær fyrst sérhæfðar yfir í kímþelslíkar
frumur með kímlagsvakið fjölhæfi.41 Hugmyndafræðin á bak við 4i-
ræktunaraðferðina við mannafrumurnar er svipuð og sú sem notuð er
við 2i-kerfið til að halda músafrumunum í grunnástandsfjölhæfi, það er
að koma í veg fyrir frumusérhæfingu og vakningu hennar, en hindrarnir
sem notaðir eru í hvoru tilviki um sig eru þó mismunandi.