Goed beschouwd zijn de eicel en de spermacel ook gedifferentieerd. Toch vormen deze cellen wanneer ze met elkaar versmelten een totipotente cel; vanuit deze cel worden zowel de foetus, een deel van de placenta als de vruchtvliezen gevormd. Het lijkt er daarom op dat de celvloeistof, het cytoplasma, van de eicel in staat is om de volledige genetische informatie van zowel de kern van de eicel als de kern van de spermacel toegankelijk of gebruiksklaar te maken. Dit gegeven heeft wetenschappers in de jaren ’50 en ’60 van de vorige eeuw aan het denken gezet. Het vermoeden bestond dat het cytoplasma van de eicel misschien ook wel in staat zou zijn om de volledige genetische informatie van een gedifferentieerde cel gebruiksklaar te maken, te ‘herprogrammeren’ zoals dit wordt genoemd.
Het herprogrammeren van kikkercellen
Er werden technisch lastige experimenten bedacht waarbij allereerst het totale DNA met een dunne pipet uit een eicel werd gehaald. Vervolgens werd er de kern van een gedifferentieerde cel ingebracht. Deze experimenten werden met eicellen van kikkers gedaan omdat deze relatief groot zijn en daardoor redelijk goed te hanteren. Bovendien kunnen bij sommige kikkersoorten vrij eenvoudig honderden eicellen afgenomen worden zonder dat dit schadelijk is voor de desbetreffende vrouwelijke kikker. Na inbrenging van de kern van de gedifferentieerde cel kan een korte elektrische puls ervoor zorgen dat de cel gaat delen en er een embryo wordt gevormd.
Het was de Britse ontwikkelingsbioloog John Gurdon die dit soort experimenten heeft geoptimaliseerd en waarvoor hij samen met de Japanner Shinya Yamanaka in 2012 de Nobelprijs voor de Geneeskunde won. Gurdon gebruikte de eicellen van een (uiteraard) volwassen kikker. Nadat hij de celkern uit de eicel had gehaald, bracht hij er met een micropipet de kern in van een darmcel van een kikkervisje. Na vele pogingen groeide er een intact levend kikkervisje uit deze cel. Het kikkervisje transformeerde ook tot een volwassen kikker. Deze volwassen kikker was genetisch identiek aan het kikkervisje van waaruit de darmcel was genomen. Hiermee was het onomstotelijk aangetoond dat een kern van een embryonale darmcel geherprogrammeerd kon worden tot een totipotente staat.
De gevormde kikker was genetisch identiek aan het kikkervisje waaruit de darmcel genomen was; het was zogezegd een kloon. Het proces om genetisch identieke organismen te maken wordt dan ook klonen of kloneren genoemd. Nadat dit met het kikkervisje was gelukt, onderzocht Gurdon of het ook mogelijk was met een kern van een cel van een volwassen kikker. Hij haalde cellen uit de darm van een volwassen kikker en injecteerde de kernen in de eicellen waar hij de kern uit had gehaald. Er werden kikkervisjes gevormd, maar deze kikkervisjes bleken niet in staat om te veranderen in een volwassen kikker (metamorfoseren). Het leek erop dat embryonale, niet volledig gedifferentieerde cellen, wel geherprogrammeerd konden worden tot een totipotente staat, maar dat dit niet meer mogelijk was bij kernen van een volwassen individu die volledig gedifferentieerd waren. Dit bleef lange tijd een dogma binnen de biologie. Tot 1997.
De wereld in de ban van Dolly
In 1997 maakte de wereld kennis met het schaap Dolly dat in feite het jaar ervoor al in het Schotse Roslin Instituut te Edinburgh was geboren. De geboorte van dit schaap bracht een kentering teweeg binnen de biologie. Dolly was het resultaat van een serie goed doordachte experimenten, ontworpen door de biologen Ian Wilmut en Keith Campbell en vergelijkbaar met de experimenten van Gurdon. Met dien verstande dat Dolly een product was van een eicel van een schaap van het Scottish Blackface-ras waarin een uiercel van een volwassen Finn Dorset-schaap was gebracht. Deze dieren zien er totaal verschillend uit waardoor direct zichtbaar was van welk DNA het dier gevormd was. Dolly bleek genetisch identiek aan de ooi waarvan de uiercel was afgenomen, vergelijkbaar met een eeneiige tweeling.
Dolly was het eerste gekloonde zoogdier, alleen zes jaar jonger dan haar ‘tweelingzus’. Van de 277 eicellen die door Wilmut en Campbell met succes werden gefuseerd met uiercellen werd uiteindelijk maar één schaap, Dolly, geboren. Het proces van klonen was, en is, dus niet erg efficiënt. De geboorte van Dolly maakte duidelijk dat, in tegenstelling tot wat voorheen gedacht werd, een volwassen gedifferentieerde cel geherprogrammeerd kan worden tot een totipotente cel. Hoe dit herprogrammeren exact in zijn werk ging, was en is voor een groot deel onduidelijk, dat bleek bijvoorbeeld uit de lage efficiëntie van kloneren.
Klonen voor therapie
Kloneren kan gebruikt worden om genetisch hoogwaardige dieren, zoals runderen, te reproduceren. Dit wordt reproductief kloneren genoemd. In combinatie met embryonale stamcellen is er echter een andere veelbelovende mogelijkheid, het zogenaamde therapeutisch kloneren.
Voor embryonale stamcellen zijn verschillende veelbelovende biomedische toepassingen te bedenken. Voorbeelden zijn het genereren van weefsels die gebruikt kunnen worden voor transplantatie, het bestuderen van een ziekteverloop, of het testen van medicijnen op gedifferentieerde cellen.
Aangezien humane embryonale stamcellen altijd afkomstig zijn van reageerbuisembryo’s, zijn ze altijd genetisch verschillend van de patiënt. Mocht het mogelijk zijn om bijvoorbeeld hartspierweefsel te maken van embryonale stamcellen dan zullen deze cellen na transplantatie worden afgestoten door het afweersysteem van een patiënt. Ook voor het testen van patiënt-specifieke medicijnen (personalized medicine) zijn cellen die genetisch identiek zijn aan de patiënt essentieel. Humane embryonale stamcellen waar de celkern van de patiënt is ingebracht zou hier een oplossing voor kunnen bieden.
Wanneer de kern van een huidcel van een patiënt in een gezonde eicel geplaatst wordt, kan er zich een embryo vormen. In plaats van dit embryo vervolgens in een baarmoeder te plaatsen, zoals gebeurt met IVF-embryo’s, kunnen hier embryonale stamcellen van gemaakt worden. Deze embryonale stamcellen zijn genetisch identiek aan de patiënt. Weefsel gemaakt van deze cellen zal door de patiënt in principe niet worden herkend als lichaamsvreemd en niet worden afgestoten. Wellicht nog belangrijker is dat deze embryonale stamcellen kunnen differentiëren tot het type weefsel dat bij de patiënt niet goed functioneert. Daarbij kan onderzocht worden waarom de cellen niet goed functioneren, of welke medicijnen het beste werken voor de cellen en derhalve voor de patiënt.