Arvsmassan i vävnaderna
Genetiker och embryologer har börjat arbeta tillsammans för att lösa viktiga problem om cellernas uppkomst och tillväxt. Hur samarbetet gestaltar sig och vilka resultat det har lett till framgår av vidstående artikel, författad av professor Georg Klein, föreståndare för institutet för tumörbiologi vid Karolinska institutet.
I början av april anordnade den biologiska avdelningen vid Förenta staternas största atomforskningsinstitution, Oak Ridge National Laboratory, en specialistkonferens med den ovanliga titeln "Genetic Approaches to Somatic Cell Variation”. Ämnesvalet vid denna konferens, den första i sitt slag, återspeglar ett fundamentalt biologiskt dilemma som är lika gammalt som ärftlighetsläran själv men som fortfarande utgör ett av de mest aktuella och olösta vetenskapliga problemen i vår tid. Dilemmat uppstår när två grenar av den moderna biologien, genetiken och embryologien (d.v.s. ärftlighetsläran och utvecklingsläran) konfronteras med varandra.
Ur genetikerns synpunkt består en högre organism av två olika slags celler. Könscellerna, som förmedlar arvsfaktorerna från generation till generation, är potentiellt odödliga. Deras produkt, det befruktade ägget, ger varje gång upphov till en ny organism vars egna könsceller fortfarande besitter en potentiell odödlighet men vars huvudmassa (soma), som består av s.k. somatiska celler, har en begränsad livslängd. Ur genetikerns synpunkt är somat i viss mån en biprodukt. Dess närmare beskaffenhet kan betraktas som det komplicerade slutresultatet av arvsfaktorernas determinationsmekanism och miljöns realisationsmöjligheter. Genetikern skiljer noga mellan de höggradigt stabila arvsfaktorerna, vilka bestämmer allt som kan hända under utvecklingen av en organism, och de växlande miljöfaktorerna, som ofta avgör det som i verkligheten händer men som endast kan fungera inom de genetiskt betingade möjligheternas gränser. Ärftlighetslärans klassiska metoder, bland vilka sexuell korsning intar den främsta platsen, tillåter ofta en djupgående analys av den roll som genetiska respektive icke-genetiska faktorer spelar vid utvecklingen av en viss egenskap. Analyser av denna typ har lämnat många fundamentala upplysningar om arvsmassans organisation, funktion och spontana eller experimentellt framkallade förändringar. Man bör dock observera att det är nästan uteslutande könscellernas arvsmassa som man undersökt med de ifrågavarande metoderna.
Läs även
Embryologen har en annan utgångspunkt. För honom är utvecklingen av det befruktade ägget icke enbart en konkretisering av arvsmassans abstrakta möjligheter, utan en ganska självständig process, som visserligen är förutbestämd men som har sina egna lagar och sin egen högt utvecklade och komplicerade organisation. Det är förloppet och regleringen av denna process som han i första hand intresserar sig för. Hans begreppsvärld domineras av det märkliga förhållandet att en enda cell genom delning ger upphov till en mängd nya celler, vilka dock ej förblir lika varandra, som fallet är när enkla mikroorganismer delar sig, utan utvecklas till en hel rad olika vävnader och organ med olika funktioner och egenskaper. Hela denna differentieringsprocess karakteriseras av en höggradig precision och ändamålsenlighet.
Det vetenskapliga dilemmat uppstår när genetik och embryologi möts. Eftersom alla somatiska celler härstammar från en enda gemensam ursprungscell och uppkommer genom en serie jämna delningar, postulerar den klassiska genetiska teorien att organismens samtliga celler bör innehålla samma arvsmassa (frånsett vissa specialfall). Varför blir de olika vävnaderna ändå olika? Har differentieringen ingenting med genernas direkta funktion att göra eller finas det kanske ändå olikheter mellan de olika somatiska cellernas genbestånd och/eller genfunktion? På vilket sätt uppkommer dessa olikheter i så fall? Situationen påminner om George Orwells berömda non sequitur: "All animals are equal but some animals are more equal than others”.
Frågeställningen har inte enbart teoretiskt intresse utan är ett mycket viktigt problem inom bl.a. cancerforskningen. Cancercellerna representerar ett specialfall av somatisk cellvariation, men även här är det fråga om en permanent förändring av vävnadscellernas egenskaper. I detta fall uppkommer dock inte en för organismen ändamålsenlig ny typ av celler, utan varianter som genom sitt oberoende av tillväxtreglerande faktorer ohämmat tillväxer och slutligen dödar organismen. Det skulle vara av största intresse om man kunde studera den cellulära mekanismen bakom denna variantbildning, för att kunna avgöra om det är själva arvsmassan eller andra cellbeståndsdelar som är förändrade.
Frånsett rent deskriptiva, morfologiska arbeten har den somatiska cellvariationen till helt nyligen varit ett föga bearbetat problem. Under de senaste åren har man dock börjat utnyttja vissa erfarenheter från andra områden av biologien och allt fler forskare har börjat angripa olika aspekter av problemet med moderna metoder. Oak Ridge-konferensen var det första försöket att samla vetenskapsmän som engagerat sig i detta arbete för att gemensamt diskutera resultat och framtida arbetslinjer. Det är omöjligt att inom ramen av denna artikel adekvat beskriva alla de resultat och problem som diskuterades, och jag kan här endast nämna vissa punkter av särskilt intresse.
Konferensen har inte löst den somatiska cellvariationens problemkomplex men det hade ej heller någon av deltagarna väntat sig. Det presenterades dock så många lovande arbetslinjer att deltagarna fick det bestämda intrycket att området kommer att växa starkt inom den närmaste framtiden.
Några av de viktigaste experimentella system som f.n. användes för att studera somatisk cellvariation kan sammanfattas under följande rubriker: kartläggning av cellulära "marker”-egenskaper, kromosomanalyser, kärntransplantationer från cell till cell och studiet av enstaka, isolerade celler med hjälp av vävnadsodling. I det följande kommer jag att nämna några konkreta exempel för att närmare belysa dessa möjligheter.
Som lämpliga "markers” kan man betrakta sådana egenskaper hos cellen, som bestäms av kända gener, vilka varierar mellan olika individer. Det är vidare nödvändigt att kunna selektivt identifiera ett litet antal celler med marker-egenskaper, som avviker från cellpopulationens majoritet, även om de förra endast representerar en ytterst liten del av den sammanlagda populationen. Man känner f.n. endast två cellegenskaper, som kan uppfylla dessa fordringar: blodgruppssubstanserna och de s.k. histokompatibilitetsfaktorerna. Med hjälp av det förra systemet har man funnit, att den röda blodgruppspopulationen har en "mosaikkaraktär” hos vissa individer, d.v.s. att populationen innehåller två eller tre cellfraktioner med sinsemellan olika blodgruppssubstanser. Det är möjligt att benmärgscellerna hos dessa individer har en speciellt stark tendens till somatisk variation. Benmärgsmosaiker kan även framställas experimentellt på olika sätt. En möjlighet är att bestråla en mus eller en råtta med en kraftig röntgendos. Denna åstadkommer en höggradig förstörelse av den normala benmärgen, vilket medför att djuret i vanliga fall dör efter en kort tid. Om man emellertid omedelbart efter bestrålningen tillför benmärg från ett annat djur, som ej bestrålats, finner man, att de tillförda cellerna har förmåga att växa vidare i sin nya värdorganism. Dessa celler räddar den med en dödlig dos bestrålade värdorganismen över den kritiska perioden efter bestrålningen. Efter en tid har emellertid det bestrålade djurets egen benmärg börjat tillväxa och man finner då hur återställda celler från den ursprungliga benmärgen och de tillförda cellerna lever och fungerar sida vid sida; man har en benmärgsmosaik.
Läs även
Med hjälp av det komplicerade s.k. histokompatibilitetssystemet hos möss har man kunnat analysera vissa aspekter av den somatiska cellvariationen i elakartade svulster av olika typer. Det har framkommit, att vissa tumörer karakteriseras av en höggradig och ofta specifik tendens till variabilitet medan andra är mera stabila och enhetliga. Denna variabilitet har icke enbart teoretisk betydelse. De evolutionära förändringarna, som alla biologiska populationer förmår undergå genom den naturliga selektionen, beror på den underliggande ärftliga variationen bland populationens individer. När det gäller tumörer betyder detta, att uppkomsten av nya cellvarianter med ökat oberoende av organismens normala kontrollmekanismer eller ökad resistens mot den införda behandlingen medför, att tumören blir alltmer elakartad. Detta motiverar fortsatta undersökningar över cellvariabilitetens natur, frekvens, orsaker och eventuella påverkbarhet hos så många olika tumörtyper som möjligt.
Den somatiska variationen kan även studeras genom att närmare analysera de genbärande kromosomernas utseende i olika celler. Detta är numera ett stort område och det finns ingen möjlighet att närmare diskutera detaljerna i dessa spalter. Det bör dock nämnas, att tekniska framsteg numera möjliggjort detaljerade kromosomanalyser av en tidigare okänd subtilitet och kvalitet på normala och cancerösa däggdjursceller. Vidare har man börjat använda vissa ovanliga djurarter, som tidigare ej fungerat som laboratoriedjur men som har speciellt gynnsamma kromosomförhållanden. Bland dessa bör i första hand nämnas den kinesiska hamstern (Cricetulus griseus), som endast har 11 kromosompar. Dessa är varandra tillräckligt olika för att vart och ett kunna identifieras under mikroskopet. Stora möjligheter erbjuder sig härigenom för kromosomcytologen.
Även de avancerade celloperationsmetoderna erbjuder stora möjligheter för analys av somatisk cellvariation. Två amerikanska forskare har t.ex. operativt avlägsnat cellkärnan ur vissa amfibieägg. I det tomma cellplasmat transplanterade de sedan in andra kärnor, som togs från ännu odifferentierade eller redan differentierade embryonala vävnader av samma djurart. Frågan var huruvida dessa kärnor fortfarande innehöll hela arvsmassan med samma funktionsduglighet som äggcellens kärna eller om de på något sätt var förändrade. I det förra fallet väntar man sig att kärnan skall fungera som hos en normalt befruktad äggcell och ge upphov till en normal organism. Detta har också befunnits vara fallet när kärnan togs ur mycket unga vävnader. Vid ett bestämt skede av utvecklingen inträffade dock en tydlig förändring i detta avseende. Efter denna förändring överlevde och fungerade de avlägsnade kärnorna fortfarande när de transplanterades till äggplasmat men de gav inte längre upphov till hela, normala organismer utan endast till oorganiserade cellgrupper, vilkas utveckling avstannade så småningom. Dessa fynd tyder på möjligheten av att även cellkärnan, arvsmassans bärare, förändras under embryonalutvecklingen och att tesen om genmaterialets likformighet i alla vävnader inte nödvändigtvis är riktig.
Kärntransplantationer har visat sig vara värdefulla även när det gäller att studera röntgenbestrålningens cellulära effekter. Man har kunnat bestråla cellkärnor och cellcytoplasma var för sig och sätta ihop en bestrålad kärna med ett obestrålat cytoplasma eller tvärtom. Man fann, att cellkärnan genomgående hade en mycket högre strålkänslighet än cytoplasman. I ett fall har man kunnat bestråla olika delar av kärnan var för sig med hjälp av en specialkonstruerad apparat. Resultaten visade, att kärnkroppen, nukleolen, är ett av de mest strålkänsliga områdena i kärnan.
Den genetiska analysen av ett biologiskt system underlättas kolossalt i fall där det är möjligt att överföra genmaterial från cell till cell i funktionellt aktivt skick. Det mest universella exemplet för denna typ av överföring är naturligtvis den normala sexuella befruktningen. Hos mikroorganismer finns även andra mekanismer. Man kan överföra genmaterial genom vissa bakteriella virusarters förmedling eller genom kemisk extraktion av genbärande cellelement och behandling av lämpliga mottagartyper med materialet. Även de somatiska cellernas genetiska analys skulle underlättas i mycket hög grad om någon av dessa mekanismer kunde tillämpas. En stor del av konferensen ägnades åt diskussioner beträffande dessa olika möjligheter. Man var överens om att man nu kände till lämpliga markeregenskaper vilkas effekt är så klart identifierbar hos somatiska celler, att problemet kan angripas experimentellt. Något bevis för att någon av dessa mekanismer skulle kunna förekomma hos somatiska celler föreligger dock ännu inte.
En annan väg att analysera somatiska celler ur genetisk synpunkt erbjuder vissa moderna utvecklingar inom vävnadskulturens område. Här bör främst nämnas de metoder som möjliggör att enstaka, isolerade vävnadsceller kan dela sig i provrör och ge upphov till en hel koloni av nya celler. Cellkolonier av denna typ, som härstammar från en gemensam ursprungscell, brukar betecknas som "kloner”. En jämförelse av de olika kloner, som man erhåller genom att isolera olika celler ur en och samma ursprungspopulation, kan ge en uppfattning om den ärftliga cellvariation som föreligger i ursprungspopulationen. Sådana analyser har redan utförts på olika typer av biologiskt material. Man har hittat en hel del variation mellan olika kloner med avseende på deras morfologi, försörjningsbehov, kromosomuppsättning, viruskänslighet, antikroppsbildning m.m. Analyser av denna typ är av största intresse och kommer säkerligen att lämna många viktiga upplysningar. Den f.n. största begränsningen av metoden ligger i det förhållandet att vävnadscellerna inte kan användas för klonstudier strax efter att de avlägsnats ur organismen utan måste först under en ganska lång tid "adaptera” sig till de nya tillväxtförhållandena i provröret. Denna adaptationsprocess medför sannolikt en hel rad cellförändringar samt en avsevärd selektion av de för denna tillväxtform särskilt lämpade celltyperna. Av denna anledning är det ännu ej möjligt att använda klonvariationen som ett mått på den verkliga somatiska cellvariationen men utsikterna är goda att även detta problem så småningom kommer att lösas.
Sammanfattningsvis kan man säga att den somatiska cellgenetikens nuvarande läge är jämförbart med bakteriegenetikens ställning på 1930-talet. Den enorma utveckling som den sistnämnda undergått under de två senaste decennierna och de moderna metoder och erfarenheter som numera står till förfogande för att angripa den förstnämnda motiverar en ganska optimistisk bedömning av framtiden. Man kan med all sannolikhet hoppas att inom den närmaste tiden vinna en ökad kännedom om de somatiska cellernas genbestånd, vilket i sin tur antagligen kommer att öka förståelsen av sådana komplicerade biologiska fenomen som tillväxt, differentiering och cancer.
