Hücre yetkinlği, kök hücrelerin özelleşmiş hücre tiplerine farklılaşma becerisinin değişkenliğini anlatır. En büyük yetiye sahip kök hücreler, düşük yetililerden daha fazla hücre tipi yaratabilir. Kök hücre yetileri hiyerarşisi şöyledir:

Totipotent (tam-yetili): Bir embriyoda bulunan 220 hücre çeşidinden herhangi birine dönüşebilmelerinin yanı sıra, ekstra-embriyonik hücrelere de (döleşi/plasenta) dönüşebilir.

Pluripotent (çok-yetili): Bedendeki tüm hücre çeşitlerine dönüşebilir ama döleşi yapamaz.

Multipotent (birkaç-yetili): Belli bir soyda sınırlı sayıda hücre tipine dönüşebilir.

Bunların dışında, lenfoid veya miyeloid kök hücreler gibi az sayıda hücreye farklılaşabilen oligopotent (az-yetili) ve kas kök hücreleri ve çoğu epitel dokudakiler gibi sadece tek bir çeşit hücre üretebilen unipotent (tek-yetili) kök hücreler de vardır.

Totipotentlik Nedir?

Totipotent kök hücreler, embriyonik ve ekstra-embriyonik hücre tiplerine farklılaşabilir. Böyle hücreler eksiksiz, yaşayabilir bir organizma inşa edebilir. Döllenmiş yumurta hücresi yani zigot böyle bir totipotent kök hücredir; ayrıca zigotun ilk birkaç bölünmesiyle oluşan hücreler de totipotenttir. Zigot, 16 hücrelik morula aşamasına kadar bölünür. O noktada farklılaşma gerçekleşerek, blastokist üretilir. Blastokist, iç hücre kitlesi (embriyonik kök hücreler, ICM ) ile döleşi hâline gelecek olan trofoektodermden (TE) oluşur. Totipotent kök hücreler, somatik kök/öncü hücreleri ve ilkel germ hattı kök hücrelerini doğurur.

Aslında totipotentlik tanımına ilişkin bazı karışıklıklar var. Şöyle ki, ABD Ulusal Sağlık Enstitüsü'nün çıkardığı Tıp Sözlüğü'nde "totipotent" terimi için iki karşılık bulunuyor: "eksiksiz bir organizmaya dönüşme yetisi olan" veya "organizmanın herhangi bir hücre ya da dokusuna farklılaşabilen". Karışıklık büyük ölçüde bu iki tanım arasındaki önemli farklardan kaynaklanıyor. Tek-hücreli bir embriyo (zigot) iki anlamda da "totipotent"dir; ancak bazı yazarlar tümörleri ve kök hücreleri de sadece ikinci tanıma (yani bu hücrelerin farklı hücre tipleri oluşturabilmesine) dayanarak totipotent olarak karakterize ediyor.

Fakat iki tanım arasındaki fark önemsiz değil. Olgun bir organizma üretmek, hem vücudun bütün hücrelerini üretme yetisi, hem de üretilen hücreleri belirli bir zamansal ve mekânsal sıralamada organize etme yetisi gerektirir; yani koordineli bir gelişim sürecine girilebilmelidir. Bu anlamda totipotentlik, tek-hücreli bir embriyo yani zigot olmak demektir. Her ne kadar kök hücreler, tümörler ve embriyolar çok sayıda moleküler ortak özelliğe sahip olsa da, embriyolardaki organizasyon yani organizmaya özgü bazı özellikler, tümörlerde görülmez. Dolayısıyla totipotent insan hücreleri üzerinde çalışma yapılmasına ilişkin etik kaygılar, sadece embriyo söz konusu olduğunda anlamlı olabilir.



Totipotentlik teriminin iki anlamı arasındaki bu karışıklıktan ötürü, bazı bilimciler yeni terminoloji önerisinde bulunmuşlardır. Bir yazar "totipotent" teriminin sadece organizmalar için kullanılmasını ve bütün hücre tiplerini üretebilen ama onları herhangi bir vücut planına göre organize edemeyenlere ise "omnipotent" (tüm-yetili) denmesini önermiştir. Fakat bu sözcük günlük yaşamda akla başka şeyler getirebildiğinden, "plenipotent" (bol-yetili) sözcüğünün daha uygun olduğu düşünülmektedir.

Totipotentlik Ne Değildir?

Gelişime Katılmak Totipotentlik Değildir

Totipotent teriminin en sık rastlanan yanlış kullanımı, bir hücrenin bir embriyonik sürece katılmasını, bedenin tüm yapılarını bağımsız olarak üretebilme yetisine eşitlemektir. Örneğin kök hücrelerin erken evre bir embriyoya veya bir tetraploid tümleyici denemeye zerk edildikten sonra doğum sonrası vücut dokularının hepsini veya çoğunu ürettikleri gözlemi, sıklıkla kök hücrelerin totipotent olduğu şeklinde hatalı bir yoruma yol açar.

Gerçekten de yeniden programlanmış çok-yetili (pluripotent) hücreler kullanılarak tetraploid tümleyiciden canlı fare üretilmesi, "somatik (bedensel) hücrelerin tek başlarına yetişkin bir insan olma potansiyelleri olduğu"nun kanıtı olarak gösterilmiştir. Bazıları ise "yeniden programlanmış bir insan hücresinin fetüs olma becerisi bakımından çekirdek aktarımlı veya doğal döllenmiş zigottan temelde farklı olmadığı" sonucuna varacak kadar ileri gitmiştir.

Ancak bu iddia, böyle deneysel prosedürlerde kök hücrelerin bir embriyonik sürece sadece katıldıkları, yani o süreci başlatmadıkları gerçeğini görmezden gelir. Manipüle edilmemiş bir embriyonun kendi kendine tam bir birey üreteceği açıktır; kök hücrelerin yardımına gereksinimi yoktur. Zaten varolan bir embriyoya zerk edilen hücrelerin katkısı, hem morula hem de blastokist evrelerinde iç hücre kitlesi (ICM) soyuna katkı yapmaları için çok-yetili hücreleri kayıran epigenetik durumlarını yansıtır sadece.



Benzer biçimde, çoğu durumda ölümcül olan önemli bir kusurları olsa da, tetraploid embriyolar da hâlâ embriyodur. Ayrıca, bütünüyle tetraploid fareler bazen embriyogenezi tamamlar ve bazı durumlarda canlı doğacak kadar yaşarlar. Canlı doğan tetraploid insanlar da raporlanmıştır ama vakaların çoğunda mozaiklilik bütünüyle elimine edilmiş değildir. Bu sonuçlar, eksiksiz bir gelişimsel program üretme yetisinin tetraploid embriyolarda sürdüğünü gösterir; zerk edilen diploid kök hücreler sadece tetraploid durumdan kaynaklanan gelişimsel bozukluğu "tamamlamaktadır". Bu denemelerde, zerk edilen kök hücreler doğum sonra beden hücrelerinin "çoğunu" (ama hepsini değil) üretmiştir. En önemlisi de bu deneylerde kök hücreler gelişimsel sinyallere yanıt vermiş ve gelişimsel süreçlere katkı yapmış ama bu süreçleri kendileri başlatmamışlardır (yani totipotent değillerdir). Aksi hâlde, ne bir morula evresi ne de bir tetraploid embriyonun "yardımı" olmadan tam bir gelişimsel sıralamayı bağımsız olarak üretme yetileri de olurdu.

Topluca Bir Gelişimsel Sıralama Üretmek Totipotentlik Değildir

Hücre gruplarının topluca tam bir gelişimsel sıralama üretmesi, gruptaki tek bir hücrenin totipotentliği ile aynı şey değildir. Örneğin, 32 hücrelik evredeki embriyolardan alınan hücre yığınlarından canlı doğan fareler üretmedeki başarısızlığa dayanarak, hücre bölünmesinin beşinci seferinden sonra blastomer "totipotent"liğinin yitirildiği iddia edilmiştir. Nihayetinde, morula evresindeki embriyolardan yalıtılan blastomerlerin "totipotent" oldukları ileri sürülmüştür çünkü yeni ayrıştırılmış bir embriyodan alınan tetraploid hücreler yeniden bir araya toplandıklarında, canlı doğan hayvanlar veya görünüşte normal blastokistler üretilebilmektedir. Yine de bu çalışmaların hiçbirinde, yığındaki hücrelerin, sözcüğün iki anlamında da "totipotent" olduklarına (yani ne embriyonun tüm hücrelerini oluşturabilir olduklarına, ne de bu hücreleri olgun bir vücut şeklinde organize edebildiklerine) ilişkin hiçbir kanıt yoktur.



Gelişimde "topluluk etkisi"nin önemli rolü ilk olarak 1988 yılında Sir John Gurdon tarafından tanımlanmıştır. Eğer totipotentlik tek bir hücrenin özelliği olmakla sınırlandırılmayacaksa, o zaman herhangi bir organizmanın herhangi bir gelişim aşamasındaki tüm hücrelerin "totipotent" olarak düşünülmesi gerekir ve sözcüğün bu şekildeki kullanımı onu "organizma" sözcüğünün eşanlamlısı hâline getirerek bilimsel işe yararlığını bitirir.

Erken Embriyolarda Bulunan Moleküler Belirteçlerin İfadesi Totipotentlik Değildir

Bilim yazarları bazen belli bir embriyonik aşamanın karakteristiği olan moleküler belirteçlerin ifadesini, o aşamadaki hücrelerin gelişimsel kapasitesine karşılık geliyor olarak düşünür. Örneğin, tüm veya çoğu fare embriyonik kök hücresinin (mESC - İng. mouse embryonic stem cells), iki hücrelik (2C) evredeki blastomerlerle ortak bazı öğeler paylaşan benzersiz bir yazımsal (transkripsiyonel) duruma girip-çıktıkları belirlenmiştir. Bu 2C-benzeri durumdaki hücreler, normalde ICM ile ilişkilendirilen çok-yetililik (pluripotentlik) belirteçlerinden yoksundur. 2C-benzeri hücreler ayrıca embriyolara zerk edildiklerine genişletilmiş gelişimsel potansiyel sergiler. Yazarlar yalıtılmış 2C-benzeri hücrelerin kendi kendilerine embriyo üretmeye muktedir olduklarına ilişkin hiçbir kanıt sunmamıştır ve ellerindeki 2C-benzeri hücrelere organizmal anlamda totipotent dememek konusunda ihtiyatlılardır. Ama yinelenen gözlemlerde 2C evresinin, "blastomerlerin totipotent olduğu" bir periyot ile bağlaşıklığının görülmesi, bu garantilenmemiş sonuca güçlü bir şekilde işaret eder ve "totipotent" teriminin kafa karıştırıcı bir kullanımına çanak tutar. Benzer biçimde, kök hücrelerin veya karsinomaların, ICM ile ilişkilendirilen belirteçlere ek olarak, "ekstra embriyonik" hücre soylarının bir moleküler belirtecini ifade etme becerisi, totipotentliğin kanıtı olarak görülmüştür; fakat bu hücrelerin kendi başlarına bir gelişimsel sıralama başlatabileceklerine ilişkin hiçbir gösterge yoktur.

Bir Embriyonun Parçası Gibi Davranmak veya Sırf Embriyoya Benzemek Totipotentlik Değildir

Son olarak, bazı bilim yazarları kök hücrelerin, normal embriyonik gelişimin sınırlı yanlarını taklit edebilme becerisinin, totipotentliğin kanıtı olduğunu veya ona çok yakın bir şey olduğunu ileri sürer. Örneğin çok sayıda çalışma, spesifik sinyalleme molekülleri verilen ESC yığınlarının, normal bağırsak oluşumu sırasında gözlemlenen hücre davranışları ve moleküler basamakların bazılarını sergilediğini göstermiştir. Bu çalışmalar kök hücreleri embriyolara eşitlemese de, bazı yazarlar kök hücre yığınlarının şaşırtıcı şekilde "embriyo benzeri" olduğu sonucuna varmıştır. Aslında kök hücre yığınları organizmadan daha çok tümöre benzer, ki tümörler de şaşırtıcı derecede bir öz-organizasyon göstererek iyi biçimlendirilmiş bir diş, hatta dikkat çekecek ölçüde normal bir göz üretebilir.

Benzer biçimde, ESC yığınları ve tümörler arada-sırada görsel açıdan bir blastokist evre embriyosuna benzeyen kistik yapılar üretebilir; bu da bazı yazarların ESC ve tümörlerin de embriyo olup olamayacaklarını sormasına neden olmuştur. Yine de açıkça sınırlı yetiye sahip pek çok hücre tipi böyle kistik yapılar üretebilir ve sırf böyle yapılar üretebiliyor olmaları totipotentlik kanıtı olarak kabul edilemez.

Hücre Programlama ile Totipotent Hücre Elde Edilebilir mi?

Hücre programlamadaki ilerlemeler, yeniden programlama sırasında yanlışlıkla embriyo üretilmesi konusunda bir kaygı oluşturmuştur. Hücre farklılaşmasının geriye çevrilmesinin (dediferansiyasyon) nasıl bir noktaya kadar götürülüp, o noktada durdurulacağından emin olunacağı sorulmaktadır. Yeniden programlamanın kasıtsız olarak bir hücreyi totipotent duruma getirebileceği inancı, aslında unipotent, pluripotent ve totipotent hücrelerin bir sürekliliği temsil ettiği şeklindeki anlayışa dayanır. Buna göre eğer yeniden programlamada pluripotentlikten sonra bir adım daha atılırsa, totipotent bir zigot elde etme riski doğabilir. Bazı yazarlar bunun kasıtlı olarak da yapılabileceğini, "indüklenmiş totipotent kök hücre" üretilebileceğini yazmıştır ama bu iddia mantıklı değildir; totipotent zigotlar kendilerini yenileme yetisine sahip olmadıklarından, bu anlamda kök hücre değildir.

Yeniden programlama, en az iki önemli nedenden ötürü, yanlışlıkla totipotent hücre üretemez. Birincisi, yeniden programlama, gelişimi "geriye sarmak"tan ibaret değildir. Yani yeniden programlama, bir hücreyi gelişim süreci boyunca geriye doğru ilerletmez; daha çok bir hücresel durumdan başkasına yapılan bir sıçramadır. Örneğin bir deri hücresini bir kalp hücresi olacak şekilde yeniden programlamak, kuşkusuz bu iki durum arasındaki ara basamakları gerektirir; ama kardiyak hücreler deri hücrelerinin gelişimsel tarihinin bir parçası olmadıklarına göre gelişimin geri sarıldığı söylenemez.

Pluripotentlik, belirli bir hücresel durumdur. Yetişkin bir hücreyi pluripotentliğe yeniden programlamak için totipotent zigotta görülmeyen, yüksek düzeyde spesifik bir gen ifadesi merdiveni ile sonuçlanan faktörler uygulanır. Örneğin insan embriyolarında, ICM'de Nanog ve Pou5f1 (Oct3/4 adı da verilir) yazım faktörleri ifade edilir ve bunlar zigotlarda bulunmaz. Sonuç olarak, böyle faktörler ifade eden bir hücre, zigota özdeş olamaz.

Totipotent zigotun yeniden programlama sırasında yanlışlıkla üretilemeyecek olmasının ikinci önemli nedeni ise totipotentliğin doğası ile ilgilidir. Özellikle belirtecek olursak, pluripotentlik ve totipotentlik, gelişimsel sıralamada birbirlerine yakın olsalar da, kökten farklı hücresel durumlardır. Totipotentlik, bir hücrenin sadece çekirdeğinin durumundan ibaret değildir; aynı zamanda çok özel bir çeşit hücresel sitoplazma gerektirir. Bu sitoplazma hâli, totipotentliğin kritik bir bileşenidir.

Şu anda bilinen tek totipotent sitoplazma, bir oosit tarafından üretilendir ve döllenme sırasında embriyoya katkı yapar. Bir embriyonun totipotent olması için gereken sitoplazmik faktörleri oositlerin üretiyor olduğu gerçeği, klonlamada oositlerin kullanılmasının nedenidir. Klonlama sırasında, gelişimin ilk birkaç gününde, oosit bileşenleri, yetişkin bir çekirdeği, normal bir embriyonunkine benzer bir durum (yani eksiksiz bir gelişimsel sıralama izlemeye muktedirlik durumu) varsaymaya itebilir (indükleyebilir). Eğer yetkin bir çekirdeksel durum elde edilirse, sitoplazmadaki oosite özgü bileşenler, yeniden programlanmış çekirdek ile birlikte çalışarak, (klonlanmış embriyolar ile döllenmiş embriyolar arasında önemli gelişimsel şablon farkları olsa da) embriyonik gelişim ortaya çıkarır.

Sonuç olarak, somatik çekirdeğin yeniden programlanması, totipotentlik için gereken sitoplazmik bileşenleri (genetik-olmayan faktörler: proteinler, RNA, miRNA ve spesifik makromoleküler kompleksler) oluşturamayacağından, oositin katkısı olmadan zigot olamaz. Tam tersi yapılarak eğer döllenmeyle üretilmiş bir hakiki (Lat. bona fide) zigottan çekirdek alınıp, farklılaşmış bir hücreye (örneğin bir kas hücresine) aktarılırsa, bu yeni konumda bir zigotik çekirdek olmayı sürdüremez. Kas hücresi sitoplazması tarafından belirlenen şekilde işleyen bir kas hücresi çekirdeği olur. Gelişimsel süreçte totipotentliğin kısa sürede sonlanmasının nedeni de zaten söz konusu sitoplazmik gerekliliklerdir.

Özetlersek, yeniden programlama yoluyla bir embriyo yapmak olanaksız değildir ama bunun "yanlışlıkla" olması olanaksızdır. Bir zigot (diğer "kök hücre" çeşitlerinden farklı olarak), kendisini zigot yapan tüm bileşenleri kendi başına üretemez. Zigot olmak için genetik kalıtım yeterli değildir; kritik sitoplazmik bileşenlerin, sitoplazmik kalıtım yoluyla alınması zorunludur.

Hücre Kültürlerinde Totipotent Hücre Olabilir mi?

Blastokist evre embriyosunun ayrılmasıyla ikizlenmenin gerçekleşebilmesi nedeniyle, blastokistin totiptent ve pluripotent hücrelerden oluşan bir karışım içerebileceğini düşünenler vardır. Bu da şu kaygıyı doğurur: Pluripotent kök hücreler ICM'nin hücrelerine benzer olduğundan, acaba kök hücre kültürlerinin içinde de totipotent hücre olabilir mi?

İkizlenme çok sayıda farklı mekanizma sonucu gerçekleşebilir. Ancak, blastokist evresindeki ikizlenmenin totipotent hücrelerle bir ilgisi olduğuna ilişkin şu ana dek hiçbir bilimsel kanıta rastlanmamıştır. Tam tersini söyleyen çok sayıda araştırma vardır: Blastokist hücreleri, pek çok parametre bakımından, totipotent zigotlardan epeyce farklıdır ve blastokist hücreleri birbirlerinden ayrıldıklarında, eksiksiz bir embriyo üretmekte tamamen başarısız olmaktadır; sadece kök hücre soyları üretebilirler. Bu gözlemler, bu ikizlenmenin totipotent hücrelerle değil, başka gelişimsel mekanizmalarla ilgili olduğunu destekler.



Özetlersek, totipotent zigotlar, pluripotent kök hücrelerden ve tümörlerden farklıdır çünkü gelişim başlatabilirler. Zigot, hem tüm hücre çeşitlerini üretme yetisine, hem de onları tutarlı bir vücut planı oluşturacak şekilde düzenleme yetisine sahiptir. Totipotent teriminin bazı yanlış kullanımları gereksiz etik problemlere yol açabildiğinden, terminolojinin iyice anlaşılması ve doğru kullanılması büyük önem taşımaktadır.