Els factors de Yamanaka són quatre gens (anomenats Myc, Oct3/4, Sox2 i Klf4) que codifiquen quatre factors de transcripció que poden transformar cèl·lules terminalment diferenciades en cèl·lules mare pluripotents induïdes (també anomenades iPSC, de l'anglès induced pluripotent stem cells), en un procés anomenat reprogramació cel·lular. La tecnologia iPSC va ser iniciada a la universitat de Kyoto, per Shinya Yamanaka i Kazutoshi Takahashi, els quals van demostrar el 2006 que la introducció d'aquests quatre gens específics podia revertir el destí d'una cèl·lula somàtica. Shinya Yamanaka va ser guardonat amb el Premi Nobel de Fisiologia o Medicina juntament amb John Gurdon el 2012 «pel descobriment que cèl·lules madures poden ser reprogramades per a convertir-se en pluripotents».
Les cèl·lules mare pluripotents més conegudes són les cèl·lules mare embrionàries. La pluripotència és la capacitat d'una cèl·lula per a transformar-se en qualsevol tipus cel·lular del cos. La majoria de cèl·lules mare embrionàries perden aquesta capacitat durant el desenvolupament d'un organisme a causa de la diferenciació cel·lular, i només algunes poques cèl·lules es mantenen pluripotents en l'organisme adult.
Els laboratoris d'investigació biomèdica utilitzen les cèl·lules mare pluripotents (com les cèl·lules mare embrionàries) per a comprendre mecanismes patològics, realitzar cribratges d'efectivitat i seguretat de fàrmacs, i desenvolupar teràpies de trasplantament i altres formes de medicina regenerativa.
En generar cèl·lules mare pluripotents induïdes a partir de cèl·lules somàtiques d'un pacient amb una malaltia intractable i induint la seva diferenciació cap a cèl·lules del teixit patològic, es permet la recerca per a conèixer les causes de la malaltia. D'altra banda, les cèl·lules mare pluripotents induïdes també permeten testar l'eficàcia, els efectes adversos i la toxicitat de nous fàrmacs; i una vegada s'ha comprovat la seva seguretat, és possible investigar noves aplicacions en medicina regenerativa.
La medicina regenerativa és un tipus de teràpia que pretén restaurar les funcions fisiològiques perdudes en una malaltia. Les cèl·lules mare pluripotents són prometedores en aquest camp perquè són capaces de proliferar indefinidament i donar lloc a altres tipus cel·lulars de l'organisme, de manera que poden ser trasplantades en el pacient amb aquest objectiu.
Context històric i descobriment Durant dècades, molts científics han estudiat la possibilitat de tractar patologies humanes des de la perspectiva de la medicina regenerativa. En 1981, Martin Evans i altres membres del seu equip de la universitat de Cambridge, Regne Unit, van aconseguir crear la primera línia de cèl·lules mare embrionàries de ratolí.
En 1998, James Thomson va establir la primera línia de cèl·lules mare embrionàries humanes. Aquesta innovació, en proporcionar la primera font fisiològica de cèl·lules humanes pluripotents, va augmentar l'interès en les aplicacions potencials de la medicina regenerativa. Tot i això, les cèl·lules mare embrionàries humanes presenten dificultats, ja que la seva obtenció comporta la manipulació d'embrions humans en etapes primerenques resultants de procediments de fertilització in vitro. Així mateix, en molts casos, les teràpies basades en cèl·lules mare embrionàries humanes requereixen l'ús de cèl·lules generades a partir de cèl·lules mare d'una altra persona, fet que incrementa el risc de rebuig per part del sistema immunitari de la persona receptora.
Per a eludir aquestes limitacions, nombrosos laboratoris en tot el món estaven explorant fonts alternatives de cèl·lules pluripotents. Va ser llavors quan, el 2006, el grup del professor Shinya Yamanaka va donar a conèixer les cèl·lules iPSCs de ratolí, seguides poc després per les cèl·lules iPSCs humanes el 2007. Com les iPSCs poden obtenir-se directament de teixits adults, no només eviten la necessitat d'embrions, sinó que també poden ser específiques per a un pacient o malaltia.
Producció de iPSCs Cèl·lules mare pluripotents induïdes de ratolí En el seu treball publicat el 2006, Yamanaka i Takahashi van analitzar 24 factors de transcripció expressats en cèl·lules mare embrionàries i importants per a la seva funció, l'expressió dels quals podia transformar de manera eficient cèl·lules diferenciades (com fibroblasts adults) en cèl·lules en estat similar a l'embrionari. Van descobrir que la combinació de només quatre factors de transcripció era suficient per a retornar un fibroblast adult a un estat de cèl·lula mare embrionària.
Yamanaka i el seu equip van introduir plasmidis que contenien els gens dels 24 factors de reprogramació en cèl·lules fibroblàstiques adultes que estaven creixent en cultius mitjançant vectors virals (retrovirus). Després de la transfecció, van emergir colònies cel·lulars semblants a les cèl·lules mare embrionàries. Per a identificar els gens claus per a la reprogramació, els investigadors van retirar un factor del conjunt de 24 factors i van repetir el procés per a cadascun. Al final d'aquest procés, van identificar quatre factors, Myc, Oct3/4, Sox2 i Klf4, que, en combinació, eren suficients per a generar iPSCs.
L'any següent, tres grups de recerca independents, incloent-hi el grup de Yamanaka, una col·laboració entre les universitats de Harvard i de Califòrnia, i un grup al MIT, van publicar els estudis que havien desenvolupat per a incrementar l'eficiència del mètode de reprogramació del qual Yamanaka havia sigut pioner. A partir d'aquestes millores, es van aconseguir colònies cel·lulars funcionalment idèntiques a les cèl·lules mare embrionàries.
Cèl·lules mare pluripotents induïdes humanes El 2007, dos laboratoris independents van publicar els seus resultats en la reprogramació de cèl·lules humanes en iPSCs: el grup de Yamanaka a la universitat de Kyoto, i el grup de James Thomson a la universitat de Wisconsin-Madison. L'equip de Yamanaka va utilitzar el mateix principi de reprogramació que havia utilitzat en les cèl·lules de ratolí, basat en els quatre gens originals i en un sistema retroviral. Per contra, l'equip de Thomson va utilitzar un sistema lentiviral i un conjunt diferent de gens, Lin28, Oct4, Sox2 i Nanog.
Les cèl·lules iPS humanes que va establir l'equip de Yamanaka eren molt semblants a les cèl·lules mare embrionàries humanes a diferents nivells, incloent-hi la morfologia, la proliferació, dependències metabòliques, expressió de marcadors de superfície, i activitats promotores i telomerasa.
La combinació original de gens que va emprar el grup de Yamanaka és la més convencional per a la producció de iPSCs. Tot i així, altres combinacions de gens han estat testades per part de múltiples laboratoris de tot el món amb l'objectiu d'augmentar l'eficiència de la generació de iPSCs a partir de fibroblasts adults i de cèl·lules adultes problemàtiques (com les cèl·lules musculars llises vasculars, fibroblasts neonatals o cèl·lules sanguínies). Fins i tot, altres grups han utilitzat altres vectors virals com adenovirus, substituït gens per altres molècules (com miRNAs), i utilitzat proteïnes recombinants.
Després del primer avanç, el Centre d’Investigació i Aplicació de Cèl·lules iPS (també anomenat CiRA segons les sigles angleses) ha aconseguit establir un mètode de regeneració més segur en substituir el gen c-Myc pel gen L-Myc, per exemple, ja que el primer estava relacionat amb l'augment del risc de carcinogènesi.
Funcions dels factors de Yamanaka miniatura|245x245px|Funció dels factors OSKM en la formació de cèl·lules mare pluripotents induïdes. Durant les fases inicials de la reprogramació, Myc obre la cromatina unint-se a una regió metilada i facilita la interacció i adherència de Sox2, Oct3/4 i Klf4. Posteriorment, Oct4 i Sox2 estimulen l'expressió de gens mesendodèrmics i neuroectodèrmics durant les primeres etapes. Els dos factors interactuen amb els potenciadors i promotors de gens directament implicats en la identitat de la cèl·lula somàtica i d'altres gens de reprogramació. Mentre que Klf4 pot desencadenar l'expressió de gens epidèrmics segons el context. Els components OSKM s'uneixen entre si per crear un bucle interconnectat autoregulador que activa el seu promotor, potenciadors i promotors d'altres gens implicats en el desenvolupament.
Sox2 Membre de la família de factors de transcripció SoxB1, important regulador transcripcional en les cèl·lules mare pluripotents. Té un paper molt important en la reprogramació de les cèl·lules somàtiques, invertint la configuració epigenètica de les cèl·lules diferenciades a un estat embrionari pluripotent. També és un factor crític per dirigir la diferenciació cap a cèl·lules progenitores neurals i per mantenir les propietats de les cèl·lules mare progenitores neurals.
L'esgotament o deficiència de Sox2 per desactivació genètica o interferència d'ARN compromet considerablement l'estat pluripotent de les cèl·lules mare embrionàries. Estudis també demostren que l'expressió forçada de Oct4 en ratolins sense Sox2 pot mantenir l'estat pluripotent, per tant, el nivell de Sox2 ha de mantenir-se en un equilibri dinàmic amb altres factors sinèrgics per mantenir la pluripotència. S'ha identificat que hi ha vàries regions reguladores, altament conservades, en el locus de Sox2 que controlen la seva expressió. El complex binari regulador que formen Oct4 i Sox2, s'uneix a la regió reguladora 2 de Sox2 i activa la seva transcripció, és a dir que està l'autoregula positivament.miniatura|242x242px|La regulació estricta dels gens de pluripotència Sox2, Oct4 i NanoG controla l'equilibri entre l'autorenovació i la diferenciació.Per això es creu que la interacció cooperativa entre Sox2 i el domini POU de Oct4 és crítica en la regulació de la pluripotència. Funciona amb alguns factors addicionals per transformar les cèl·lules diferenciades en iPSC. És necessari per al desenvolupament embrionari de teixits i òrgans. També és crucial per regular la proliferació cel·lular, la selecció de llinatges i la diferenciació. En estudis on es tractava la seva sobreexpressió indiquen que les cèl·lules somàtiques adultes pateixen neoplàsia o reprogramació inadequada. Interacciona amb Oct4 per regular l'expressió de gens com Nanog o Fgf4 entre d'altres, que participen en el manteniment de cèl·lules pluripotents. En estudis es mostra que l'activació de Sox2 endogen es dona en etapes primerenques i provoca l'inici d'una cascada de canvis transcripcionals que condueixen a la formació de les iPSC, tot i que també s'expressa en les fases tardanes del desenvolupament embrionari.
Oct4 Es va identificar per primer cop en ratolins com un factor de transcripció específic de les cèl·lules mare embrionàries i de la línia germinal. La proteïna comprèn de tres dominis: un domini POU (Pit-Oct-Unc) central que permet la unió amb l'ADN, un domini N-terminal de transactivació i un tercer domini al C-terminal que és de transactivació específic del tipus cel·lular.
Funcionalment, és essencial pel desenvolupament embrionari temprà, si hi ha dèficit s'atura el desenvolupament de la massa cel·lular interna del blastòcit i provoca alta mortalitat embrionària per falta de cèl·lules pluripotents. D'altra banda, una sobreexpressió provoca la inducció de la diferenciació cel·lular. Per tant, es considera un regulador mestre per la iniciació i el manteniment de les cèl·lules pluripotents.
S'ha vist que en un estat d'indiferenciació el locus d'Oct4 es troba hipometilat i empaquetat amb nucleosomes que contenen la histona H3 dimetilada o trimetilada. En canvi, quan s'indueix la diferenciació el locus pateix una sèrie de modificacions epigenètiques que condueixen a la seva repressió. L'estabilitat i activitat de les proteïnes Oct4 estan subjectes a modificacions posttraduccionals, i està modulat per múltiples factors i mecanismes.