Hvad får livet til at tikke? Mitokondrier kan holde tid til celler | Quanta Magasinet

Ligesom mennesker forskellige steder synes at operere i forskellige rytmer, så gør forskellige arter det også. De ældes med deres egen hastighed: Nogle, som frugtfluen, ræser til voksenlivet, så de kan formere sig, før deres flygtige fødekilde forsvinder, mens skabninger som mennesker modnes langsomt over årtier, delvist fordi det kræver det at bygge en stor, kompleks hjerne. Og helt i begyndelsen af ​​et embryos liv kan små justeringer i tidspunktet for hvornår og hvordan forskellige væv udvikler sig dramatisk ændre en organismes form - en mekanisme, som evolutionen udnytter til at skabe nye arter. Men hvad der sætter tempoet for en organismes vækst er forblevet et mysterium.

"Vores viden om, hvad der styrer udviklingstimingen, har virkelig haltet bagefter andre områder inden for udviklingsbiologi," sagde Margarete Diaz Cuadros, der leder forskning med fokus på udviklingstempo på Massachusetts General Hospital i Boston.

Udviklingsbiologer har haft enorm succes med at identificere netværk af regulatoriske gener der taler med hinanden - overlappende systemer af feedback-loops, der tænder eller slukker gener på præcis det rigtige tidspunkt og sted til at bygge f.eks. et øje eller et ben. Men den meget bevarede lighed i disse gennetværk blandt arter står i kontrast til enorme forskelle i udviklingstiming. Mus og mennesker bruger for eksempel de samme sæt gener til at skabe neuroner og bygge rygsøjler. Alligevel viser hjernen og rygsøjlen på en mus sig helt anderledes end et menneskes, fordi tidspunktet for, hvornår disse gener er aktive, er anderledes, og det er uklart, hvorfor det er sådan.

"Genregulering ser ikke ud til at forklare alt om udviklingstiming," sagde Pierre Vanderhaeghen, der studerer hjernens udvikling og udvikling på KU Leuven i Belgien. "Nu er det her lidt provokerende, for på en måde, i biologi, burde alt forklares ved genregulering, direkte eller indirekte."

Nye forklaringer på, hvad der får livet til at tikke, dukker op fra innovationer - såsom fremskridt inden for stamcellekultur og tilgængeligheden af ​​værktøjer til at manipulere stofskiftet, som oprindeligt blev udviklet til at studere kræft - som nu giver forskere mulighed for at kortlægge og lege med udviklingstempoet for tidligt embryoner og væv mere detaljeret. I en stribe papirer gennem de seneste år, bl.a én nøgleudgivelse i juni har adskillige forskerhold uafhængigt konvergeret om spændende sammenhænge mellem udviklingstempo, tempoet i biokemiske reaktioner og hastigheder af genekspression, der ligger til grund for disse biokemiske reaktioner.

Deres resultater peger på en fælles metronom: mitokondrierne, som kan være cellens tidtager, der sætter rytmen for en række udviklingsmæssige og biokemiske processer, der skaber og opretholder liv.

En neuron holder tiden

For mere end ti år siden lavede Vanderhaeghen et eksperiment, der lagde grundlaget for moderne undersøgelser om, hvordan udviklingstempo holdes. Neurobiologen var med sit belgiske laboratorium dyrke stamceller i petriskåle og observere, hvor lang tid det tog at modne fra cellulære blanke tavler til fuldgyldige neuroner, der forbinder og kommunikerer med andre. Han troede, at han kunne finde spor til oprindelsen og udviklingen af ​​den menneskelige hjerne ved at sammenligne disse muse- og menneskestamceller, der er klaret til at blive neuroner.

Det første, han bemærkede, var, at musestamceller differentierede til modne hjerneceller på omkring en uge - hurtigere end menneskelige stamceller, som tog deres tid på at vokse over tre til fire måneder.

Men ville disse celler udvikle sig på samme måde i en voksende hjerne snarere end i en isoleret skål? For at finde ud af det transplanterede han en muse-neuron ind i en levende musehjerne. Cellen fulgte den samme tidslinje som værtsmusens neuroner og differentierede efter ca. en uge. Så prøvede han det samme med en menneskelig neuron og implanterede den i en musehjerne. Til hans forbløffelse holdt den menneskelige neuron sin egen tid. Det tog næsten et år at modne på trods af sit gnavermiljø.

"Det gav os et første vigtigt svar, som er, at uanset timingmekanismen, ser meget af det ud til at være i neuronerne selv," sagde Vanderhaeghen. "Selv hvis du tager cellerne ud af petriskålen og putter dem i en anden organisme, vil de stadig holde deres egen tidslinje."

Alligevel vidste man stort set intet om den underliggende cellulære mekanisme indtil for et par år siden.

Vanderhaeghen begyndte at tænke på, hvor byggestenene i en neuron kommer fra. "At lave neuroner, det er som at bygge en super kompliceret bygning," sagde han. "Du har brug for noget god logistik." Celler har ikke kun brug for energi, men også en kilde til råmaterialer for at vokse og dele sig.

Han havde mistanke om, at mitokondrier kunne levere disse byggesten. Organellerne er nøglen til en celles vækst og stofskifte. De producerer energi, hvilket giver dem kaldenavnet "cellens kraftcenter", og de producerer også metabolitter, der er nødvendige for at konstruere aminosyrer og nukleotider og til at regulere genekspression.

Den klassiske opfattelse af mitokondrier er, at de ikke ændrer sig over en celles levetid. "De er bare denne fine, maleriske lille pølse i cellen, og de giver energi," sagde Vanderhaeghen. Men når han og Ryohei Iwata, en postdoktor i sit laboratorium, kiggede nærmere på udviklende neuroner, så de, at mitokondrier også har brug for tid til at udvikle sig.

Unge neuroner, rapporterede de i Videnskab, havde få mitokondrier, og dem, de havde, var fragmenterede og genererede lidt energi. Efterhånden som neuronerne modnes, voksede mitokondrierne i antal, størrelse og metabolisk aktivitet. Desuden skete ændringerne hurtigere hos mus end hos mennesker. I det væsentlige blev systemet skaleret: Modningen af ​​mitokondrier forblev synkroniseret med modningen af ​​neuroner i begge arter.

Opdagelsen slog Vanderhaeghen og Iwata som vigtig. Og det fik dem til at spekulere på, om mitokondrier kunne være det stille trommeslag, der driver de store forskelle i udviklingstempo blandt arter.

Sådan dyrker du en rygsøjle

En af de klassiske modeller til at studere tempoet i embryonal udvikling er mønstret af rygsøjlen. Alle hvirveldyr har en rygsøjle, der er sammensat af en streng af hvirvelsegmenter, men arter varierer i deres antal og størrelse. Et naturligt spørgsmål opstår derfor om de udviklingsmekanismer, der giver anledning til dette væsentlige hvirveldyrstræk og dets mange variationer i hele dyreriget.

I 1997 blev udviklingsbiologen Olivier Pourquié, nu på Harvard Medical School, afslørede først en molekylær oscillator kaldet et segmenteringsur, der driver den mekanisme, der mønstrer hvirveldyrets rygrad. I arbejdet med kyllingeembryoner identificerede hans forskerhold de nøglespillere, der kommer til udtryk rytmisk under dannelsen af ​​hvert hvirvelsegment i embryonalt væv. Segmenteringsuret udløser oscillationer af genekspression, hvilket får celler til at svinge i deres reaktion på et bølgefrontsignal, der bevæger sig fra hoved til hale. Når bølgefronten støder på reagerende celler, dannes et segment. På denne måde styrer ur-og-bølgefront-mekanismen den periodiske organisering af rygsøjlen.

De gener, der orkestrerer segmenteringsuret, bevares på tværs af arter. Klokkeperioden - tiden mellem to toppe i en svingning - er det dog ikke. I mange år var udviklingsgenetikerne i stand til at forklare dette: De havde ikke de genetiske værktøjer til at manipulere uret præcist i et voksende embryo. Så omkring 2008 begyndte Pourquié at udvikle metoder til bedre at dissekere mekanismen i laboratoriet.

På det tidspunkt "lød det som total science fiction," sagde han. Men ideen blev mere plausibel i løbet af det følgende årti, da Pourquiés laboratorium og andre rundt om i verden lærte at dyrke embryonale stamceller og selv bygge organoider - som en nethinde, tarm eller mini-hjerne - i en skål.

Pourquié og Diaz Cuadros, dengang hans kandidatstuderende, fandt en måde at reproducere uret i mus og menneskelige stamceller. I tidlige eksperimenter observerede de, at urperioden løber omkring to timer i mus, hvorimod det tager omkring fem timer at fuldføre en svingning i menneskelige celler. Det var første gang nogen havde identificeret segmenteringsurperioden hos mennesker.

Andre laboratorier så også potentialet i disse fremskridt inden for stamcellebiologi til at tackle mangeårige spørgsmål om udviklingstiming. I 2020 to forskergrupper — en ledet af Miki Ebisuya på European Molecular Biology Laboratory i Barcelona og den anden af James Briscoe ved Francis Crick Institute i London - uafhængigt opdaget, at grundlæggende molekylære processer i cellen forbliver i takt med udviklingstempoet. De offentliggjorde undersøgelser side by side in Videnskab.

Ebisuyas team ønskede at forstå forskelle i hastigheden af ​​molekylære reaktioner - genekspression og proteinnedbrydning - der driver hver urcyklus. De fandt ud af, at begge processer virkede dobbelt så hurtigt i museceller som i menneskelige.

Briscoe så i stedet på den tidlige udvikling af rygmarven. Ligesom segmenteringsurcyklussen blev neurondifferentieringsprocessen - inklusive ekspressionen af ​​gensekvenser og nedbrydningen af ​​proteiner - proportionelt strakt ud hos mennesker sammenlignet med mus. "Det tager to til tre gange længere tid at komme til det samme udviklingstrin ved hjælp af menneskelige embryonale stamceller," sagde Briscoe.

Det var, som om en metronom inde i hver celle tikkede væk. Med hvert sving med pendulet holdt en række cellulære processer - genekspression, proteinnedbrydning, celledifferentiering og embryonal udvikling - alle trit og holdt sig til tiden.

Men var dette en generel regel for alle hvirveldyr, ud over mus og mennesker? For at finde ud af det, Ebisuyas kandidatstuderende Jorge Lázaro skabt en "stamcellezoo", hjemsted for celler fra en række forskellige pattedyr: mus, kaniner, kvæg, næsehorn, mennesker og silkeaber. Da han reproducerede segmenteringsuret for hver art, så han, at hastigheden af ​​biokemiske reaktioner forblev i rytme med segmenteringsurperioden i hver enkelt.

Hvad mere er, stemte urtempoene ikke med dyrenes størrelse. Museceller svingede hurtigere end næsehornsceller, men menneskelige celler svingede langsommere end næsehornscellerne, og silkeabeceller havde de langsomste svingninger af alle.

Fundene, offentliggjort i Cellestamcelle i juni foreslog, at hastigheden af ​​biokemiske reaktioner kunne være en universel mekanisme til at regulere udviklingstid.

De rykkede også grænserne for et vigtigt, men overset aspekt af molekylærbiologiens centrale dogme. "Vi taler om transkription, translation og proteinstabilitet," sagde Diaz-Cuadros. Alle havde troet, at de var ens i alle pattedyr- eller hvirveldyrarter, "men nu siger vi, at hastigheden af ​​det centrale dogme er artsspecifik, og jeg synes, det er ret fascinerende."

Lav eller bryd et protein

Uret må altså stamme fra en mekanisme, der sætter tempoet i biokemiske reaktioner på tværs af arter. Teresa Rayon ønskede at afdække dens oprindelse, da hun set motorneuroner differentiere i hendes London-laboratorium, hvor hun studerede under Briscoe.

Hun gensplejsede udviklende muse- og menneskeneuroner til at udtrykke fluorescerende protein, som lyser klart, når det exciteres af en laser ved den rigtige bølgelængde. Derefter så hun de introducerede proteiner, mens de blev nedbrudt. Til hendes overraskelse gik de selvsamme fluorescerende proteiner hurtigere fra hinanden i museceller end i menneskeceller, hvilket holdt tid med neuronernes udvikling. Det antydede for hende, at noget i det intracellulære miljø satte tempoet for nedbrydningen.

"Hvis du skulle spørge en biolog: 'Hvordan bestemmer du stabiliteten af ​​et protein?' de ville fortælle dig, at det afhænger af rækkefølgen,” sagde Rayon, som nu leder sit eget laboratorium på Babraham Institute i Cambridge, England. ”Vi fandt dog ud af, at det faktisk ikke er tilfældet. Vi tror, ​​at det kan være maskineriet, der nedbryder proteinerne, der kan spille en rolle."

Men hun og hendes gruppe ledte kun i en enkelt celletype. Hvis celletyper i forskellige væv udvikler sig med forskellige hastigheder, ville deres proteiner så også nedbrydes med forskellige hastigheder?

Michael Dorrity ved European Molecular Biology Laboratory i Heidelberg gravede i det spørgsmål ved at tænke på, hvordan temperaturen påvirker udviklingen. Mange dyr, fra insekter til fisk, udvikler sig hurtigere, når de opdrættes ved højere temperaturer. Spændende observerede han, at i zebrafisk-embryoner opdrættet i et varmt miljø, accelererede udviklingstempoet for nogle celletyper hurtigere end andres.

In et fortryk han skrev sidste år, han hjemme på en forklaring, der involverer det maskineri, der fremstiller og nedbryder proteiner. Nogle celletyper kræver et større volumen eller mere komplekse proteiner end andre. Som følge heraf lægger nogle celletyper kronisk "belastning på disse proteinkvalitetskontrolmekanismer," sagde han. Når temperaturen stiger, har de ikke kapaciteten til at følge med de højere proteinbehov, og derfor formår deres indre ur ikke at sætte fart og holde trit.

I den forstand opretholder organismer ikke et enkelt samlet ur, men har mange ure til mange væv og celletyper. Evolutionært set er dette ikke en fejl, men en funktion: Når væv udvikler sig ude af sync med hinanden, kan kropsdele vokse med forskellige hastigheder - hvilket kan føre til udviklingen af ​​forskellige organismer eller endda nye arter.

Det var, som om de havde opdaget indstillingsknappen på cellens indre metronom, som lod dem accelerere eller bremse tempoet i embryonal udvikling. "Det er ikke forskelle i genreguleringsarkitekturen, der forklarer disse forskelle i timing," sagde Pourquié. Resultaterne var offentliggjort i Natur tidligere på året.

Denne metaboliske tuning-knap var ikke begrænset til det udviklende embryo. Iwata og Vanderhaeghen fandt i mellemtiden ud af, hvordan man bruger lægemidler og genetik til at lege med metaboliske tempo af modne neuroner - en proces, der i modsætning til segmenteringsuret, der kun kører i et par dage, tager mange uger eller måneder. Når museneuroner blev tvunget til at generere energi langsommere, modnes neuronerne også langsommere. Omvendt, ved farmakologisk at flytte menneskelige neuroner mod en hurtigere vej, kunne forskerne fremskynde deres modning. Resultaterne var offentliggjort i Videnskab i januar.

For Vanderhaeghen er konklusionen på deres eksperimenter klar: "Stofskiftehastighed driver udviklingstiming."

Alligevel, selvom metabolisme er opstrømsregulatoren af ​​alle andre cellulære processer, skal disse forskelle vende tilbage til genetisk regulering. Det er muligt, at mitokondrier påvirker tidspunktet for ekspressionen af ​​udviklingsgener eller dem, der er involveret i maskineriet til fremstilling, vedligeholdelse og genanvendelse af proteiner.

En mulighed, spekulerede Vanderhaeghen, er, at metabolitter fra mitokondrierne er essentielle for den proces, der kondenserer eller udvider foldet DNA i genomer, så det kan transskriberes for at bygge proteiner. Måske, foreslog han, begrænser disse metabolitter transskriptionshastigheden og sætter globalt tempoet, hvormed genregulerende netværk tændes og slukkes. Det er dog kun én idé, som kræver eksperimentel udpakning.

Der er også spørgsmålet om, hvad der får mitokondrier til at tikke i første omgang. Diaz Cuadros mener, at svaret må ligge i DNA: "Et eller andet sted i deres genom skal der være en sekvensforskel mellem mus og menneske, der koder for forskellen i udviklingshastighed."

"Vi har stadig ingen idé om, hvor forskellen er," sagde hun. - Det er vi desværre stadig meget langt fra.

Det kan tage tid at finde det svar, og ligesom mitokondrielle ur, skrider videnskabelige fremskridt frem i sit eget tempo.

Rettelser, 18. september 2023
I indledningen blev en sætning revideret for at tydeliggøre, at det er genekspressionshastigheden, ikke den samlede metaboliske hastighed, der hjælper med at styre udviklingstempoet. Artiklen blev også opdateret for at rette op på, hvilke arter i stamcelle-zoo'en, der har de hurtigste og langsomste segmenterings-ur-oscillationer.