Celler på tværs af kroppen taler med hinanden om aldring | Quanta Magasinet

Aldring kan virke som en ureguleret proces: Som tiden skrider frem, ophober vores celler og kroppe uundgåeligt skrammer og buler, der forårsager dysfunktioner, svigt og i sidste ende død. Men i 1993 ændrede en opdagelse denne fortolkning af begivenheder. Forskere fandt en mutation i et enkelt gen, der fordoblede en orms levetid; efterfølgende arbejde viste, at relaterede gener, der alle er involveret i responsen på insulin, er nøgleregulatorer for aldring hos en lang række dyr, fra orme og fluer til mennesker. Opdagelsen antydede, at aldring ikke er en tilfældig proces - ja, specifikke gener regulerer den - og åbnede døren til yderligere forskning i, hvordan aldring forløber på et molekylært niveau.

For nylig dokumenterede et sæt papirer en ny biokemisk vej, der regulerer aldring, en baseret på signaler, der sendes mellem mitokondrier, organellerne bedst kendt som cellens kraftcenter. Ved at arbejde med orme fandt forskerne ud af, at beskadigelse af mitokondrier i hjerneceller udløste en reparationsreaktion, der derefter blev forstærket, hvilket udløste lignende reaktioner i mitokondrier i hele ormens krop. Effekten af ​​denne reparationsaktivitet var at forlænge organismens levetid: Ormene med reparerede mitokondrielle skader levede 50 % længere.

Hvad mere er, var celler i kimlinien - de celler, der producerer æg og sæd - centrale i dette anti-aldringskommunikationssystem. Det er et fund, der tilføjer nye dimensioner til de fertilitetsbekymringer, der indebærer, når folk taler om aldring og deres "biologiske ur". Nogle af fundene var rapporteret i Science Forskud og andre blev lagt ud på videnskabelig preprint-server biorxiv.org i efteråret.

Forskningen bygger på et nyligt arbejde, der tyder på det mitokondrier er sociale organeller der kan tale med hinanden, selv når de er i forskellige væv. I bund og grund fungerer mitokondrierne som cellulære walkie-talkies, der sender beskeder gennem hele kroppen, der påvirker hele organismens overlevelse og levetid.

"Det vigtige her er, at der ud over genetiske programmer også er en meget vigtig faktor til at regulere aldring, som er kommunikationen mellem væv," sagde David Vilchez, der studerer aldring ved universitetet i Köln og ikke var involveret i den nye forskning.

Cellebiologen Andrew Dillin opdagede de første antydninger af denne nye vej, der regulerer levetiden for omkring et årti siden. Han var på jagt efter livsforlængende gener i Caenorhabditis elegans orme, da han fandt ud af, at genetisk beskadigelse af mitokondrierne forlængede ormenes liv med 50 %.

Det var uventet. Dillin havde antaget, at defekte mitokondrier ville fremskynde døden i stedet for at forlænge livet - mitokondrier er trods alt centrale for cellefunktion. Men af ​​en eller anden grund tvang mitokondriernes smidige funktion ormene til at leve længere.

Mere spændende var det faktum, at beskadigede mitokondrier i ormenes nervesystem så ud til at drive effekten. "Det siger virkelig, at nogle mitokondrier er vigtigere end andre," sagde Dillin, som nu er professor ved University of California, Berkeley. "Neuronerne dikterer dette over resten af ​​organismen, og det var virkelig overraskende."

Nu har Dillin og hans team udvidet denne opdagelse ved at opdage nye detaljer om, hvordan mitokondrier i hjernen kommunikerer med celler på tværs af ormens krop for at forlænge livet.

Først skulle han forstå, hvorfor skader på hjernens mitokondrier muligvis kunne have en gavnlig effekt på organismen. En mitokondries proces til at generere energi kræver overordentlig komplekst molekylært maskineri med snesevis af forskellige proteindele. Når tingene går skævt, såsom når nogle komponenter mangler eller er forkert foldede, aktiverer mitokondrier en stressrespons, kendt som den udfoldede proteinrespons, som leverer reparationsenzymer for at hjælpe komplekserne med at samles korrekt og genoprette mitokondriefunktionen. På denne måde holder den udfoldede proteinrespons cellerne sunde.

Dillin forventede, at denne proces kun ville udfolde sig inde i neuronerne med beskadigede mitokondrier. Alligevel observerede han, at celler i andre væv i ormens krop også aktiverede reparationsreaktioner, selvom deres mitokondrier var intakte.

Det er denne reparationsaktivitet, der hjalp ormene til at leve længere. Ligesom at tage en bil til en mekaniker regelmæssigt, syntes den udfoldede proteinrespons at holde cellerne i god køreklar stand og fungere som anti-aldringsdetaljer. Det, der forblev mystisk, var, hvordan dette udfoldede proteinrespons blev kommunikeret til resten af ​​organismen.

Efter nogle undersøgelser opdagede Dillins team, at mitokondrierne i stressede neuroner brugte vesikler - boblelignende beholdere, der flytter materialer rundt i cellen eller mellem celler - til at transportere et signal kaldet Wnt ud over nervecellerne til andre celler i kroppen. Biologer vidste allerede, at Wnt spiller en rolle i at opsætte kropsmønsteret under tidlig embryonal udvikling, hvor det også udløser reparationsprocesser som det udfoldede proteinrespons. Alligevel, hvordan kunne Wnt-signalering, når den blev aktiveret hos en voksen, undgå at aktivere det embryonale program?

Dillin havde mistanke om, at der måtte være et andet signal, som Wnt interagerede med. Efter yderligere arbejde opdagede forskerne, at et gen udtrykt i mitokondrierne i kimlinien - og i ingen andre mitokondrier - kan afbryde Wnts udviklingsprocesser. Det resultat tydede ham på det kønsceller spiller en afgørende rolle i at videresende Wnt-signalet mellem nervesystemet og væv i resten af ​​kroppen.

"Kimlinien er helt afgørende for dette," sagde Dillin. Det er dog ikke klart, om kimlinjemitokondrierne fungerer som forstærkere, modtager signalet fra hjernens mitokondrier og sender det til andre væv, eller om det modtagende væv "lytter" efter signaler fra begge kilder.

Uanset hvad, styrken af ​​kimlinjesignalet regulerer organismens levetid, sagde Dillin. Efterhånden som en orm ældes, falder kvaliteten af ​​dens æg eller sæd - det, vi omtaler som et biologisk urs tikkende. Faldet afspejles også i kønscellernes skiftende evne til at overføre signaler fra hjernens mitokondrier, foreslog han. Efterhånden som ormen bliver ældre, transmitterer dens kimlinje reparationssignalet mindre effektivt, og dens krop falder også.

Forskere ved endnu ikke, om disse resultater gælder for mennesker, og hvordan vi ældes. Alligevel giver hypotesen mening fra et bredere evolutionært synspunkt, sagde Dillin. Så længe kønscellerne er sunde, sender de pro-overlevelsessignaler for at sikre, at deres værtsorganisme overlever for at formere sig. Men da kvaliteten af ​​kønscellerne falder, er der ingen evolutionær grund til at blive ved med at forlænge levetiden yderligere; fra evolutionens perspektiv eksisterer livet for at reproducere sig selv.

Det faktum, at mitokondrier kan tale indbyrdes, kan virke noget alarmerende, men der er en forklaring. For længe siden var mitokondrier fritlevende bakterier, der slog sig sammen med en anden type primitive celler for at arbejde sammen i det, der blev vores moderne komplekse celler. Så deres evne til at kommunikere er sandsynligvis et levn fra mitokondriers fritlevende bakterielle forfader.

"Denne lille ting, der har tikket inde i celler i milliarder af år, bevarer stadig sin bakterielle oprindelse," sagde Dillin. Og hvis hans forskning i orme holder i mere komplekse organismer som mennesker, er det muligt, at dine mitokondrier lige nu taler om din alder.