Har den här forskaren äntligen hittat ungdomens källa?

Att redigera epigenomet, som slår på och av våra gener, kan vara livets elixir.

Förbi

• Erika Hayasaki arkivsida

8 augusti 2019

Carlos Izpisua Belmonte Christie där är en klocka

Den svarta musen på skärmen spretar på magen, krökt i ryggen, blinkande men annars orörlig. Dess organ brister. Det verkar vara dagar borta från döden. Den har progeria, en sjukdom med accelererat åldrande, orsakad av en genetisk mutation. Den är bara tre månader gammal.

Jag är i laboratoriet hos Juan Carlos Izpisúa Belmonte, en spanjor som arbetar på Gene Expression Laboratory vid San Diegos Salk Institute for Biological Studies, och som sedan visar mig något svårt att tro. Det är samma mus, livlig och aktiv, efter att ha behandlats med en åldersreverserande blandning. Det föryngrar helt, säger Izpisúa Belmonte till mig med ett busigt flin. Om du tittar inuti är uppenbarligen alla organ, alla celler yngre.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2019

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Izpisúa Belmonte, en slug och lågmäld vetenskapsman, har tillgång till en ofattbar kraft. Dessa möss verkar ha smuttat från en källa av ungdom. Izpisúa Belmonte kan föryngra åldrande, döende djur. Han kan spola tillbaka tiden. Men lika snabbt som han blåser mig, lägger han en dämpare på spänningen. Så potent var den föryngrande behandlingen som användes på mössen att de antingen dog efter tre eller fyra dagar från cellfel eller utvecklade tumörer som dödade dem senare. En överdos ungdom kan man kalla det.

Det kraftfulla verktyget som forskarna använde på musen kallas omprogrammering. Det är ett sätt att återställa kroppens så kallade epigenetiska märken: kemiska växlar i en cell som avgör vilka av dess gener som är påslagna och vilka som är avstängda. Radera dessa märken och en cell kan glömma om det någonsin var en hud- eller bencell och återgå till ett mycket mer primitivt, embryonalt tillstånd. Tekniken används ofta av laboratorier för att tillverka stamceller. Men Izpisúa Belmonte är i en förtrupp av forskare som vill tillämpa omprogrammering på hela djur och, om de kan kontrollera det exakt, på människokroppar.

Izpisúa Belmonte tror att epigenetisk omprogrammering kan visa sig vara ett livselixir som kommer att förlänga människans livslängd avsevärt. Den förväntade livslängden har ökat mer än fördubblats i den utvecklade världen under de senaste två århundradena. Tack vare barnvacciner, säkerhetsbälten och så vidare når fler människor än någonsin naturlig ålder. Men det finns en gräns för hur länge någon lever, vilket Izpisúa Belmonte säger beror på att våra kroppar slits ner genom oundvikligt förfall och försämring. Åldrande, skriver han, är inget annat än molekylära aberrationer som uppstår på cellnivå. Det är, säger han, ett krig med entropi som ingen individ någonsin har vunnit.

Jag tror att barnet som kommer att leva till 130 redan är hos oss. Han har redan fötts. Jag är övertygad.

Men varje generation ger nya möjligheter, eftersom epigenomet återställs under reproduktion när ett nytt embryo bildas. Kloning drar fördel av omprogrammering också: en kalv klonad från en vuxen tjur innehåller samma DNA som föräldern, bara uppdaterad. I båda fallen föds avkomman utan de ackumulerade avvikelser som Izpisúa Belmonte hänvisar till.

Vad Izpisúa Belmonte föreslår är att gå ett steg ännu bättre och vända åldringsrelaterade avvikelser utan att behöva skapa en ny individ. Bland dessa är förändringar av våra epigenetiska märken - kemiska grupper som kallas histoner och metyleringsmärken, som omsluter en cells DNA och fungerar som på/av-knappar för gener. Ackumuleringen av dessa förändringar gör att cellerna fungerar mindre effektivt när vi blir äldre, och vissa forskare, inklusive Izpisúa Belmonte, tror att de kan vara en del av varför vi åldras i första hand. Om så är fallet, då kan vända dessa epigenetiska förändringar genom omprogrammering göra det möjligt för oss att vända tillbaka åldrandet i sig.

Izpisúa Belmonte varnar för att epigenetiska justeringar inte kommer att få dig att leva för evigt, men de kan försena ditt utgångsdatum. Som han ser det finns det ingen anledning att tro att vi inte kan förlänga människans livslängd med ytterligare 30 till 50 år, åtminstone. Jag tror att barnet som kommer att leva till 130 redan är hos oss, säger Izpisúa Belmonte. Han har redan fötts. Jag är övertygad.

En burk med en färgningslösning som används för att studera vävnader. Christie hemm klok

Ungdomsfaktorer

Behandlingen som Izpisúa Belmonte gav sina möss är baserad på en nobelvinnande upptäckt av den japanska stamcellsforskaren Shinya Yamanaka. Från och med 2006 visade Yamanaka hur tillsats av bara fyra proteiner till mänskliga vuxna celler kunde omprogrammera dem så att de ser ut och fungerar som de i ett nybildat embryo. Dessa proteiner, som kallas Yamanaka-faktorerna, fungerar genom att torka rena epigenetiska märken i en cell, vilket ger den en nystart.

Han gick bakåt i tiden, säger Izpisúa Belmonte. Alla metyleringsmärken, de där epigenetiska brytarna, raderas, tillägger han. Då börjar du livet igen. Även hudceller från hundraåringar, har forskare funnit, kan lindas tillbaka till ett primitivt, ungdomligt tillstånd. De artificiellt omprogrammerade cellerna kallas inducerade pluripotenta stamceller, eller IPSCs. Liksom stamcellerna i embryon kan de sedan förvandlas till vilken typ av kroppscell som helst – hud, ben, muskler och så vidare – om de ges rätt kemiska signaler.

För många forskare var Yamanakas upptäckt lovande främst som ett sätt att tillverka ersättningsvävnad för användning i nya typer av transplantationsbehandlingar. I Japan påbörjade forskare ett försök att omprogrammera celler från en japansk kvinna i 80-årsåldern med en bländande sjukdom, makuladegeneration. De kunde ta ett prov av hennes celler, återföra dem till ett embryonalt tillstånd med Yamanakas faktorer och sedan styra dem att bli retinala celler. 2014 blev kvinnan den första personen som fick en transplantation av sådan labbtillverkad vävnad. Det gjorde inte hennes syn skarpare, men hon rapporterade att den var ljusare, och den slutade försämras.

Anteckningsböcker och tomma centrifugrör från Izpisúa Belmontes experiment. Christie Hemm Klok

Innan dess hade forskare vid det spanska nationella cancerforskningscentret redan tagit tekniken i en ny riktning när de studerade möss vars genom hade extra kopior av Yamanaka-faktorerna. Genom att slå på dessa visade de att cellomprogrammering faktiskt kan ske inuti en vuxen djurkropp, inte bara i en laboratorieskål.

Experimentet föreslog en helt ny form av medicin. Du kan potentiellt föryngra en persons hela kropp. Men det underströk också farorna. Rensa bort för många av metyleringsmärkena och andra fotspår från epigenomet och dina celler förlorar i princip sin identitet, säger Pradeep Reddy, en personalforskare på Salk som arbetade med dessa experiment med Izpisúa Belmonte. Du raderar deras minne. Dessa cellulära blanka blad kan växa till en mogen, fungerande cell eller till en som aldrig utvecklar förmågan att utföra sin utsedda uppgift. Det kan också bli en cancercell.

Det var därför mössen jag såg i Izpisúa Belmontes labb var benägna att spira tumörer. Det bevisade att cellulär omprogrammering verkligen hade inträffat i deras kroppar, men resultaten var vanligtvis dödliga.

Izpisúa Belmonte trodde att det kunde finnas ett sätt att ge möss en mindre dödlig dos av omprogrammering. Han inspirerades av salamandrar, som kan få tillbaka en arm eller svans. Forskare har ännu inte bestämt exakt hur amfibier gör detta, men en teori är att det sker genom en process av epigenetisk återställning som liknar vad Yamanaka-faktorerna uppnår, men mer begränsad i omfattning. Med salamandrar går deras celler bara tillbaka lite i tiden, säger Izpisúa Belmonte.

Kan samma sak göras med ett helt djur? Kan det föryngras tillräckligt?

Under 2016 utarbetade teamet ett sätt att delvis spola tillbaka cellerna i möss med progeria. De genetiskt modifierade mössen för att producera Yamanaka-faktorerna i deras kroppar, precis som de spanska forskarna hade gjort; men den här gången skulle mössen producera dessa faktorer endast när de fick ett antibiotikum, doxycyklin.

I Izpisúa Belmontes labb fick några möss dricka vatten som innehöll doxycyklin kontinuerligt. I ett annat experiment fick andra det bara för två dagar av var sjunde. När du ger dem … doxycyklin, börjar uttrycket av generna, förklarar Reddy. I samma ögonblick som du tar bort det, upphör uttrycket av generna. Du kan enkelt slå på eller av den.

De möss som drack mest, som den Izpisúa Belmonte visade mig, dog snabbt. Men mössen som drack en begränsad dos utvecklade inga tumörer. Istället blev de mer fysiskt robusta, deras njurar och mjälte fungerade bättre och deras hjärtan pumpade hårdare.

Sammanlagt levde de behandlade mössen också 30 % längre än sina kullkamrater. Det var fördelen, säger Izpisúa Belmonte. Vi dödar inte musen. Vi genererar inga tumörer, men vi har vår föryngring.

Izpisúa Belmonte på jobbet. Christie Hemm Klok

Ungdomens källa

När Izpisúa Belmonte publicerade sin rapport i tidskriften Cell, som beskrev de föryngrade mössen, verkade det för vissa som om Ponce de Leon äntligen hade upptäckt ungdomens källa. Jag tror att Izpisúa Belmontes tidning väckte många människor, säger Michael West, VD för AgeX, som driver liknande teknik för att vända åldrandet. Helt plötsligt är alla ledare inom åldrandeforskning som, 'Åh herregud, det här skulle kunna fungera i människokroppen.'

Till väst erbjuder tekniken möjligheten att människor, som salamander, kan regenerera vävnader eller skadade organ. Människor har den förmågan också, när vi först formas, säger han. Så om vi kan återuppväcka dessa vägar... wow!

För andra är dock bevisen för föryngring helt klart i sin linda. Jan Vijg, ordförande för genetikavdelningen vid Albert Einstein College of Medicine i New York City, säger att åldrande består av hundratals olika processer som det är osannolikt med enkla lösningar på. Teoretiskt, tror han, kan vetenskapen skapa processer som är så kraftfulla att de kan åsidosätta alla andra. Men han tillägger, det vet vi inte just nu.

Ett ännu bredare tvivel är om de epigenetiska förändringarna som Izpisúa Belmonte vänder på i sitt labb verkligen är orsaken till åldrande eller bara ett tecken på det - motsvarigheten till rynkor i åldrande hud. I så fall kan Izpisúa Belmontes behandling vara som att jämna ut rynkor, en rent kosmetisk effekt. Vi har inget sätt att veta, och det finns verkligen inga bevis, som säger att DNA-metyleringen [gör] att dessa celler åldras, säger John Greally, en annan professor vid Einstein. Uppfattningen att om jag ändrar de DNA-metyleringarna kommer jag att påverka åldrandet, säger han, har röda flaggor över det hela.

En annan grundläggande fråga hänger över Izpisúa Belmontes fynd: medan han lyckades föryngra möss med progeria, har han inte gjort det på normalt åldrade djur. Progeria är en sjukdom som beror på en enda DNA-mutation. Naturligt åldrande är mycket mer komplext, säger Vittorio Sebastiano, biträdande professor vid Stanford Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine. Skulle föryngringstekniken fungera i naturligt åldrade djur och i mänskliga celler? Han säger att Izpisúa Belmontes forskning hittills lämnar den avgörande frågan obesvarad.

Izpisúa Belmontes team arbetar för att svara på det. Experiment för att föryngra normala möss pågår. Men eftersom normala möss lever så länge som två och ett halvt år, medan de med progeria lever tre månader, tar bevisen längre tid att samla in. Och om vi måste ändra något experimentellt tillstånd, säger Reddy, måste hela cykeln upprepas.

Redigeringsålder

Grossistföryngring är alltså fortfarande långt borta, om den någonsin kommer att komma. Men mer begränsade versioner av det, riktade mot vissa åldrandesjukdomar, kan vara tillgängliga inom några år.

Om Yamanaka-faktorerna är som ett spridningsgevär som utplånar alla epigenetiska märken som är förknippade med åldrande, är teknikerna som nu utvecklas på Salk och i andra labb mer som prickskyttegevär. Målet är att tillåta forskare att stänga av en specifik gen som orsakar en sjukdom, eller slå på en annan gen som kan lindra den.

Izpisúa Belmontes labb vid Salk Institute. Christie Hemm Klok

Hsin-Kai Liao och Fumiyuki Hatanaka tillbringade fyra år i Izpisúa Belmontes labb och anpassade CRISPR-Cas9, det berömda DNA-redigeringssystemet, för att istället fungera som en volymkontrollratt. Medan den ursprungliga CRISPR låter forskare eliminera en oönskad gen, låter det anpassade verktyget dem lämna den genetiska koden orörd men avgöra om en gen är på eller av.

Labbet har testat detta verktyg på möss med muskeldystrofi, som saknar en gen som är avgörande för att upprätthålla muskler. Med hjälp av epigenomredigeraren skruvade forskarna upp produktionen av en annan gen som kan spela en ersättningsroll. Mössen de behandlade klarade sig bättre på grepptester och deras muskler hade blivit mycket större, minns Liao.

Ett annat resultat av detta slag kom från andra sidan Salk campus, vid University of California, Irvine. Forskaren Marcelo Wood hävdar att aktivering av en enda gen hos gamla möss förbättrar deras minne i ett test som involverar rörliga föremål. Vi återställde långtidsminnets funktion hos de djuren, säger Wood, som publicerade resultaten i Nature Communications. Efter att ett enda epigenetiskt block har tagits bort, säger Wood, är generna för minnet - de eldar alla. Nu kodar det djuret perfekt den informationen rakt in i långtidsminnet.

Jag tror att det är ett lämpligt sätt att förklara det att vrida tillbaka klockan.

På liknande sätt har forskare vid Duke University utvecklat en epigenetisk redigeringsteknik (ännu inte testad på djur) för att sänka volymen på en gen som är inblandad i Parkinsons sjukdom. Ett annat Duke-team sänkte nivåerna av kolesterol i möss genom att stänga av en gen som reglerar det. Izpisúa Belmontes labb i sig har, såväl som att experimentera med muskeldystrofi, arbetat med att rulla tillbaka symptomen på diabetes, njursjukdom och förlust av benbrosk, allt med liknande metoder.

De första mänskliga testerna av dessa tekniker kommer sannolikt att ske under de närmaste åren. Två företag som driver tekniken är AgeX och Turn Biotechnologies, en startup som grundades av Sebastiano från Stanford. AgeX, säger West, dess VD, är ute efter att rikta in sig på hjärtvävnader, medan Turn, enligt Sebastiano, kommer att börja med att söka myndighetstillstånd för att testa behandlingar för artros och åldranderelaterad muskelförlust.

Samtidigt samlar GenuCure, ett bioteknikföretag grundat av Ilir Dubova, en före detta forskare vid Salk, in pengar för att driva en idé för att föryngra brosk. Företaget har en cocktail, säger Dubova, som kommer att injiceras i knäkapseln hos personer med artros, kanske en eller två gånger om året. En sådan behandling skulle kunna ersätta dyra knäprotesoperationer.

Efter injektionen skulle dessa ... gener som tystades på grund av åldrande slås på, tack vare vår häxkonst, och starta föryngringsprocessen av vävnaden, säger Dubova. Jag tror att det är ett lämpligt sätt att förklara det att vrida tillbaka klockan.

Erika Hayasaki är Alicia Patterson Fellow i vetenskap och miljörapportering.

Dölj