Mis paneb elu tiksuma? Mitokondrid võivad rakkude jaoks aega hoida | Ajakiri Quanta

Nii nagu inimesed erinevates kohtades näivad tegutsevat erineva rütmiga, nii toimivad ka erinevad liigid. Nad vananevad oma kiirusega: mõned, nagu äädikakärbes, jooksevad täiskasvanuks, et saaksid paljuneda enne, kui nende lühiajaline toiduallikas kaob, samas kui inimesed nagu inimesed küpsevad aeglaselt aastakümnete jooksul, osaliselt seetõttu, et seda nõuab suure ja keeruka aju ülesehitamine. Ja juba embrüo elu alguses võivad väikesed muudatused erinevate kudede arenemise ajas ja ajas oluliselt muuta organismi vormi – mehhanismi, mida evolutsioon kasutab uute liikide loomisel. Mis aga määrab organismi kasvutempo, on jäänud saladuseks.

"Meie teadmised selle kohta, mis kontrollib arengu ajastust, on tõesti teistest arengubioloogia valdkondadest maha jäänud," ütles Margarete Diaz Cuadros, kes juhib Bostoni Massachusettsi üldhaiglas arengutempole keskendunud uurimistööd.

Arengubioloogidel on tuvastamisel olnud tohutult edu reguleerivate geenide võrgustikud mis räägivad omavahel – tagasisideahelate kaskaadsüsteemid, mis lülitavad geenid sisse või välja täpselt õigel ajal ja kohas, et ehitada näiteks silm või jalg. Kuid nende geenivõrkude väga konserveerunud sarnasus liikide vahel on vastuolus tohutute erinevustega arengu ajastuses. Näiteks hiired ja inimesed kasutavad neuronite loomiseks ja selgroogude ehitamiseks samu geenikomplekte. Hiire aju ja selgroog on aga hoopis teistsugused kui inimese omad, sest nende geenide aktiivsuse ajastus on erinev ja pole selge, miks see nii on.

"Tundub, et geeniregulatsioon ei selgita kõike arengu ajastuse kohta," ütles Pierre Vanderhaeghen, kes uurib aju evolutsiooni ja arengut KU Leuvenis Belgias. "See on natuke provokatiivne, sest teatud viisil peaks bioloogias kõike seletama geeniregulatsiooniga, kas otseselt või kaudselt."

Uuendustest – nagu tüvirakukultuuri edusammud ja ainevahetuse manipuleerimiseks mõeldud vahendite kättesaadavus, mis algselt töötati välja vähi uurimiseks – tulevad esile uued selgitused selle kohta, mis paneb elu tiksuma –, mis võimaldavad nüüd teadlastel kaardistada varajase vähi arengutempo ja sellega mängida. embrüoid ja kudesid üksikasjalikumalt. Viimaste aastate paberite jada, sealhulgas üks oluline väljaanne juunis on mitmed uurimisrühmad iseseisvalt lähenenud intrigeerivatele seostele arengutempo, biokeemiliste reaktsioonide tempo ja nende biokeemiliste reaktsioonide aluseks olevate geeniekspressiooni määrade vahel.

Nende leiud viitavad ühisele metronoomile: mitokondritele, mis võivad olla raku ajahoidja, määrates rütmi mitmesugustele arengu- ja biokeemilistele protsessidele, mis loovad ja säilitavad elu.

Neuron hoiab aega

Rohkem kui kümme aastat tagasi tegi Vanderhaeghen eksperimendi, mis pani aluse kaasaegsetele uuringutele selle kohta, kuidas arengutempot hoitakse. Neurobioloog oli sees tema Belgia labor kasvatades tüvirakke Petri tassis ja jälgides, kui kaua neil kulus küpsemiseks rakulistest tühjadest tahvlitest täisväärtuslike neuroniteni, mis ühendavad ja suhtlevad teistega. Ta arvas, et võib leida vihjeid inimaju päritolule ja arengule, kui võrrelda neid hiire ja inimese tüvirakke, mis on valmistatud neuroniteks.

Esimese asjana märkas ta, et hiire tüvirakud diferentseerusid küpseteks ajurakkudeks umbes nädalaga – kiiremini kui inimese tüvirakud, mille kasvamine võttis aega kolm kuni neli kuud.

Kuid kas need rakud arenevad pigem kasvavas ajus kui isoleeritud tassis samamoodi? Selle väljaselgitamiseks siirdas ta hiire neuroni elava hiire ajju. Rakk järgis sama ajakava kui peremeeshiire neuronid, diferentseerudes umbes ühe nädala pärast. Seejärel proovis ta sama asja inimese neuroniga, implanteerides selle hiire ajju. Tema hämmastuseks pidas inimese neuron oma aega. Vaatamata närilisele keskkonnale kulus küpsemiseks peaaegu aasta.

"See andis meile esimese olulise vastuse, milleks on, et olenemata ajastusmehhanismist näib, et suur osa sellest on neuronites endis, " ütles Vanderhaeghen. "Isegi kui võtate rakud Petri tassist välja ja asetate need teise organismi, säilitavad nad ikkagi oma ajaskaala."

Sellegipoolest ei teatud kuni paar aastat tagasi selle aluseks oleva rakulise mehhanismi kohta praktiliselt midagi.

Vanderhaeghen hakkas mõtlema, kust pärinevad neuroni ehitusplokid. "Neuronite loomine on nagu ülikeerulise hoone ehitamine," ütles ta. "Teil on vaja head logistikat." Rakud ei vaja kasvamiseks ja jagunemiseks mitte ainult energiat, vaid ka tooraineallikat.

Ta kahtlustas, et mitokondrid võivad neid ehitusplokke pakkuda. Organellid on raku kasvu ja ainevahetuse võtmeks. Nad toodavad energiat, pälvides neile hüüdnime "raku jõujaam", ja nad toodavad ka metaboliite, mis on vajalikud aminohapete ja nukleotiidide konstrueerimiseks ning geeniekspressiooni reguleerimiseks.

Klassikaline seisukoht mitokondrite kohta on, et nad ei muutu raku eluea jooksul. "Nad on lihtsalt see kena, maaliline väike vorst kambris ja annavad energiat," ütles Vanderhaeghen. Aga kui ta ja Ryohei Iwata, oma labori järeldoktor, uuris lähemalt arenevaid neuroneid ja nägi, et ka mitokondrid vajavad arenemiseks aega.

Noored neuronid, teatasid nad aastal teadus, neil oli vähe mitokondreid ja need, mis neil olid, olid killustatud ja genereerisid vähe energiat. Seejärel, kui neuronid küpsesid, kasvas mitokondrite arv, suurus ja metaboolne aktiivsus. Veelgi enam, muutused toimusid hiirtel kiiremini kui inimestel. Põhimõtteliselt süsteem skaleeris: mitokondrite küpsemine jäi mõlema liigi neuronite küpsemisega sünkroonis.

Avastus pidas Vanderhaeghenit ja Iwatat oluliseks. Ja see pani neid mõtlema, kas mitokondrid võivad olla vaikne trummipõrin, mis juhib suuri erinevusi liikide arengutempos.

Kuidas kasvatada selgroogu

Üks klassikalisi mudeleid embrüonaalse arengu tempo uurimisel on selgroo muster. Kõigil selgroogsetel on selgroog, mis koosneb selgroogsete segmentide jadast, kuid liikide arv ja suurus on erinevad. Seetõttu tekib loomulik küsimus arengumehhanismide kohta, mis põhjustavad selle olulise selgroogse tunnuse ja selle paljusid variatsioone kogu loomariigis.

1997. aastal arengubioloog Olivier Pourquié, nüüd Harvardi meditsiinikoolis, avastas esmakordselt molekulaarostsillaatori, mida nimetatakse segmenteerimiskellaks, mis juhib selgroogsete selgroogu kujundavat mehhanismi. Tema uurimisrühm tegi kanaembrüotega töötades kindlaks võtmeisikud, kes embrüonaalses koes iga selgroosegmendi moodustamisel rütmiliselt väljenduvad. Segmenteerimiskell käivitab geeniekspressiooni võnkumisi, põhjustades rakkude kõikumist oma reageerimisvõimes lainefrondi signaalile, mis liigub peast sabasse. Kui lainefront puutub kokku reageerivate rakkudega, moodustub segment. Sel viisil kontrollib kella ja lainefrondi mehhanism selgroo perioodilist korraldust.

Geenid, mis korraldavad segmenteerimiskella, on liikide lõikes konserveeritud. Kuid kellaperiood - aeg võnke kahe tipu vahel - ei ole seda. Paljude aastate jooksul ei suutnud arengugeneetikud seda seletada: neil ei olnud geneetilisi tööriistu, et kasvavas embrüos täpselt kella manipuleerida. Nii hakkas Pourquié 2008. aasta paiku välja töötama meetodeid mehhanismi paremaks lahkamiseks laboris.

Sel ajal "kõlas see nagu täielik ulme," ütles ta. Kuid idee muutus usutavamaks järgmisel kümnendil, kui Pourquié labor ja teised kogu maailmas õppisid kultiveerima embrüonaalseid tüvirakke ja ehitada isegi organoide — nagu võrkkest, soolestik või miniaju — tassis.

Pourquié ja Diaz Cuadros, toonane tema kraadiõppur, leidsid viisi hiire ja inimese tüvirakkudes kella reprodutseerimiseks. Varasemates katsetes täheldasid nad, et hiirtel kestab kellaaeg umbes kaks tundi, samas kui inimese rakkudes kulub võnkumise lõpuleviimiseks umbes viis tundi. See oli esimene kord, kui keegi tuvastas inimestel segmenteerimiskella perioodi.

Teised laborid nägid ka nende edusammude potentsiaali tüvirakkude bioloogias, et lahendada pikaajalisi küsimusi arengu ajastuse kohta. 2020. aastal kaks uurimisrühma – üks juhib Miki Ebisuya Euroopa molekulaarbioloogia laboris Barcelonas ja teine ​​poolt James Briscoe Londoni Francis Cricki Instituudis – avastas iseseisvalt, et põhilised molekulaarsed protsessid rakus püsivad koos arengutempoga. Nad avaldasid uurimusi külg by külg in teadus.

Ebisuya meeskond soovis mõista erinevusi molekulaarsete reaktsioonide – geeniekspressiooni ja valgu lagunemise – kiiruses, mis juhivad iga kellatsüklit. Nad leidsid, et mõlemad protsessid töötasid hiirerakkudes kaks korda kiiremini kui inimese rakkudes.

Briscoe vaatas selle asemel seljaaju varajast arengut. Sarnaselt segmenteerimiskella tsüklile oli neuronite diferentseerumisprotsess, sealhulgas geenijärjestuste ekspressioon ja valkude lagunemine, inimestel võrreldes hiirtega proportsionaalselt venitatud. "Inimese embrüonaalsete tüvirakkude abil samasse arengufaasi jõudmiseks kulub kaks kuni kolm korda kauem aega," ütles Briscoe.

Tundus, nagu oleks iga raku sees metronoom tiksunud. Iga pendli löögiga püsisid mitmesugused rakuprotsessid – geeniekspressioon, valkude lagunemine, rakkude diferentseerumine ja embrüonaalne areng – sammu ja püsisid õigel ajal.

Kuid kas see oli üldreegel kõigi selgroogsete jaoks peale hiirte ja inimeste? Et teada saada, Ebisuya kraadiõppur Jorge Lázaro lõi "tüvirakkude loomaaia", kus elavad erinevate imetajate rakud: hiired, küülikud, veised, ninasarvikud, inimesed ja marmosetid. Kui ta reprodutseeris iga liigi segmenteerimiskella, nägi ta, et biokeemiliste reaktsioonide kiirus püsis iga liigi segmenteerimiskella perioodiga rütmis.

Veelgi enam, kella tempod ei ühtinud loomade suurusega. Hiirerakud võnkusid kiiremini kui ninasarvikurakud, kuid inimese rakud võnkusid aeglasemalt kui ninasarvikurakud ja marmoseti rakkude võnkumine oli kõige aeglasem.

Leiud, avaldatakse Raku tüvirakk juunis pakkus välja, et biokeemiliste reaktsioonide kiirus võiks olla universaalne mehhanism arenguaja reguleerimiseks.

Samuti nihutasid nad molekulaarbioloogia keskse dogma olulise, kuid tähelepanuta jäetud aspekti piire. "Me räägime transkriptsioonist, translatsioonist ja valgu stabiilsusest, " ütles Diaz-Cuadros. Kõik olid arvanud, et need on kõigi imetajate või selgroogsete liikide puhul ühesugused, "aga nüüd me ütleme, et keskse dogma kiirus on liigispetsiifiline ja minu arvates on see üsna põnev."

Valmistage või purustage valk

Kell peab seega tulenema mehhanismist, mis määrab biokeemiliste reaktsioonide tempo liikide lõikes. Teresa Rayon tahtis selle päritolu paljastada, kui ta jälgis motoorsete neuronite diferentseerumist oma Londoni laboris, kus ta õppis Briscoe käe all.

Ta kujundas geneetiliselt arenevaid hiire ja inimese neuroneid, et ekspresseerida fluorestseeruvat valku, mis helendab eredalt, kui seda õige lainepikkusega laser ergastab. Seejärel jälgis ta sissetoodud valke nende lagunemisel. Tema üllatuseks lagunesid samad fluorestseeruvad valgud hiirerakkudes kiiremini kui inimese rakkudes, hoides aega neuronite arenguga. See viitas talle, et miski rakusiseses keskkonnas määras lagunemise tempo.

"Kui te küsiksite bioloogilt:" Kuidas määrata valgu stabiilsust? nad ütleksid teile, et see sõltub järjestusest, ”ütles Rayon, kes juhib nüüd oma laborit Inglismaal Cambridge'is asuvas Babrahami instituudis. „Avastasime siiski, et tegelikult see nii ei ole. Arvame, et see võib olla valke lagundav masinavärk, mis võib mängida rolli.

Kuid tema ja tema rühm otsisid ainult ühte rakutüüpi. Kui rakutüübid erinevates kudedes arenevad erineva kiirusega, kas ka nende valgud laguneksid erineva kiirusega?

Michael Dorrity Heidelbergis asuv Euroopa molekulaarbioloogia laboris uuris seda küsimust, mõeldes sellele, kuidas temperatuur mõjutab arengut. Paljud loomad putukatest kaladeni arenevad kiiremini, kui neid kasvatatakse kõrgemal temperatuuril. Ta täheldas intrigeerivalt, et soojas keskkonnas kasvanud sebrakalade embrüote puhul kiirenes mõne rakutüübi arengutempo teiste omast kiiremini.

In eeltrükk Eelmisel aastal postitas ta selgituse valke tootvate ja lagundavate masinate kohta. Mõned rakutüübid nõuavad suuremat mahtu või keerukamaid valke kui teised. Selle tulemusena on mõned rakutüübid krooniliselt "koormusega nendele valgu kvaliteedikontrolli mehhanismidele", ütles ta. Kui temperatuur tõuseb, ei suuda nad suurema valguvajadusega sammu pidada ja seetõttu ei suuda nende sisemine kell kiirendada ega sammu pidada.

Selles mõttes ei kasuta organismid ühtset kella, vaid neil on palju kellasid paljude kudede ja rakutüüpide jaoks. Evolutsiooniliselt ei ole see viga, vaid omadus: kui koed arenevad üksteisega sünkroonist välja, võivad kehaosad kasvada erineva kiirusega, mis võib viia erinevate organismide või isegi uute liikide evolutsioonini.

Tundus, nagu oleksid nad avastanud raku sisemise metronoomi häälestusnupu, mis võimaldas neil embrüonaalse arengu tempot kiirendada või aeglustada. "Neid erinevusi ajastuses ei seleta erinevused geenide reguleerimise arhitektuuris, " ütles Pourquié. Leiud olid avaldatakse loodus käesoleva aasta alguses.

See metaboolne häälestusnupp ei piirdunud areneva embrüoga. Vahepeal mõtlesid Iwata ja Vanderhaeghen välja, kuidas kasutada ravimeid ja geneetikat, et mängida küpsevate neuronite metaboolse tempoga – protsess, mis erinevalt segmenteerimiskellast, mis töötab vaid paar päeva, võtab mitu nädalat või kuud. Kui hiire neuronid olid sunnitud energiat aeglasemalt tootma, küpsesid ka neuronid aeglasemalt. Ja vastupidi, inimese neuroneid farmakoloogiliselt kiirema raja poole nihutades võivad teadlased kiirendada nende küpsemist. Leiud olid avaldatakse teadus jaanuaris.

Vanderhaeghenile on nende katsete järeldus selge: "Metaboolne kiirus juhib arengu ajastust."

Kuid isegi kui ainevahetus on kõigi teiste rakuliste protsesside ülesvoolu regulaator, peavad need erinevused tagasi pöörduma geneetilise regulatsiooni juurde. Võimalik, et mitokondrid mõjutavad arengugeenide või valkude valmistamise, säilitamise ja ringlussevõtu masinatega seotud geenide ekspressiooni ajastust.

Üks võimalus, spekuleeris Vanderhaeghen, on see, et mitokondritest pärinevad metaboliidid on olulised protsessis, mis kondenseerib või laiendab volditud DNA-d genoomides, nii et seda saab transkribeerida valkude moodustamiseks. Võib-olla, pakkus ta, piiravad need metaboliidid transkriptsiooni kiirust ja määravad globaalselt tempo, millega geeniregulatsioonivõrgud sisse ja välja lülitatakse. See on aga vaid üks idee, mis vajab eksperimentaalset lahtipakkimist.

Samuti tekib küsimus, mis paneb mitokondrid üldse tiksuma. Diaz Cuadros arvab, et vastus peab peituma DNA-s: "Kuskil nende genoomis peab olema hiire ja inimese järjestuste erinevus, mis kodeerib seda arengukiiruse erinevust."

"Meil pole siiani aimugi, kus see erinevus on," ütles ta. "Kahjuks oleme sellest veel väga kaugel."

Selle vastuse leidmine võib võtta aega ja nagu mitokondriaalne kell, kulgeb ka teaduse areng omaette tempos.

Parandused, 18. september 2023
Sissejuhatuses muudeti lauset, et selgitada, et arengutempot aitab suunata geeniekspressiooni kiirus, mitte üldine ainevahetuse kiirus. Artiklit uuendati ka, et parandada, millistel tüvirakkude loomaaia liikidel on segmenteerimiskella võnkumine kõige kiirem ja aeglasem.