Mikä saa elämän tikkimään? Mitokondriot voivat pitää aikaa soluille | Quanta-lehti

Aivan kuten ihmiset eri paikoissa näyttävät toimivan eri rytmeissä, niin toimivat myös eri lajit. Ne ikääntyvät omaa tahtiaan: Jotkut, kuten hedelmäkärpäset, kilpailevat aikuisikään voidakseen lisääntyä ennen kuin niiden lyhytaikainen ravinnonlähde katoaa, kun taas ihmisen kaltaiset olennot kypsyvät hitaasti vuosikymmenien aikana, osittain siksi, että suurten, monimutkaisten aivojen rakentaminen vaatii sitä. Ja aivan alkion elämän alussa pienet säädöt eri kudosten kehittymisen ajoituksessa voivat muuttaa merkittävästi organismin muotoa - mekanismia, jota evoluutio hyödyntää uusien lajien luomisessa. Se, mikä määrää organismin kasvun tempon, on kuitenkin jäänyt mysteeriksi.

"Tietämyksemme siitä, mikä ohjaa kehityksen ajoitusta, on todella jäänyt jälkeen muista kehitysbiologian alueista", sanoi Margarete Diaz Cuadros, joka johtaa kehitysvauhtiin keskittyvää tutkimusta Massachusetts General Hospitalissa Bostonissa.

Kehitysbiologit ovat onnistuneet tunnistamisessa säätelygeenien verkostot jotka puhuvat toistensa kanssa – peräkkäiset palautesilmukoiden järjestelmät, jotka kytkevät geenit päälle tai pois päältä täsmälleen oikeaan aikaan ja oikeaan paikkaan rakentaakseen esimerkiksi silmän tai jalan. Mutta näiden geeniverkkojen erittäin säilynyt samankaltaisuus lajien välillä on ristiriidassa valtavien erojen kanssa kehityksen ajoituksessa. Esimerkiksi hiiret ja ihmiset käyttävät samoja geenisarjoja hermosolujen luomiseen ja selkärangan rakentamiseen. Hiiren aivot ja selkäranka ovat kuitenkin aivan erilaisia ​​kuin ihmisen, koska geenien aktiivisuuden ajoitus on erilainen, ja on epäselvää, miksi näin on.

"Geenisääntely ei näytä selittävän kaikkea kehityksen ajoituksesta", sanoi Pierre Vanderhaeghen, joka tutkii aivojen kehitystä ja kehitystä KU Leuvenissa Belgiassa. "Tämä on nyt vähän provosoivaa, koska tavallaan biologiassa kaikki pitäisi selittää geenisäätelyllä, suoraan tai epäsuorasti."

Innovaatiot – kuten kantasoluviljelmän edistys ja aineenvaihdunnan manipulointityökalut, jotka kehitettiin alun perin syövän tutkimiseen – antavat uusia selityksiä sille, mikä saa elämän ryyppäämään. Niiden avulla tutkijat voivat nyt kartoittaa varhaisten sairauksien kehitysvauhtia ja leikkiä sen kanssa. alkiot ja kudokset yksityiskohtaisemmin. Useissa papereissa viime vuosien aikana, mukaan lukien yksi keskeinen julkaisu kesäkuussa useat tutkimusryhmät ovat pohtineet itsenäisesti kiehtovia yhteyksiä kehitysvauhdin, biokemiallisten reaktioiden nopeuden ja näiden biokemiallisten reaktioiden taustalla olevien geenien ilmentymisnopeuksien välillä.

Heidän havainnot viittaavat yhteiseen metronomiin: mitokondrioihin, jotka voivat olla solun ajanvartija, joka asettaa rytmin erilaisille kehitys- ja biokemiallisille prosesseille, jotka luovat ja ylläpitävät elämää.

Neuron pitää aikaa

Yli vuosikymmen sitten Vanderhaeghen teki kokeen, joka loi perustan nykyaikaisille tutkimuksille siitä, kuinka kehitysvauhtia pidetään yllä. Neurobiologi oli paikalla hänen belgialainen laboratorionsa kantasolujen kasvattaminen petrimaljoissa ja tarkkailemalla, kuinka kauan ne kypsyivät solupohjaisista tyhjistä liuskeista täysivaltaisiksi neuroneiksi, jotka yhdistävät ja kommunikoivat muiden kanssa. Hän luuli löytävänsä vihjeitä ihmisaivojen alkuperästä ja kehityksestä vertaamalla näitä hiiren ja ihmisen kantasoluja, joista tulee hermosoluja.

Ensimmäinen asia, jonka hän huomasi, oli, että hiiren kantasolut erilaistuivat kypsiksi aivosoluiksi noin viikossa - nopeammin kuin ihmisen kantasolut, joiden kasvamiseen kului aikaa kolmesta neljään kuukauteen.

Mutta kehittyisivätkö nämä solut samalla tavalla kasvavissa aivoissa kuin erillisessä astiassa? Selvittääkseen asian hän siirsi hiiren neuronin elävään hiiren aivoihin. Solu seurasi samaa aikajanaa kuin isäntähiiren neuronit, erilaistuen noin viikon kuluttua. Sitten hän kokeili samaa ihmisen neuronilla, istuttaen sen hiiren aivoihin. Hänen hämmästyksekseen ihmisen neuroni säilytti oman aikansa. Sen kypsyminen kesti lähes vuoden jyrsijäympäristöstään huolimatta.

"Se antoi meille ensimmäisen tärkeän vastauksen, joka on, että mikä tahansa ajoitusmekanismi on, suuri osa siitä näyttää olevan itse neuroneissa", Vanderhaeghen sanoi. "Vaikka poistaisit solut petrimaljasta ja laittaisit ne toiseen organismiin, ne säilyttävät silti oman aikajanansa."

Silti käytännöllisesti katsoen mitään ei tiedetty taustalla olevasta solumekanismista pari vuotta sitten.

Vanderhaeghen alkoi miettiä, mistä neuronin rakennuspalikoita ovat peräisin. "Heuronien valmistaminen on kuin erittäin monimutkaisen rakennuksen rakentamista", hän sanoi. "Tarvitset hyvää logistiikkaa." Solut tarvitsevat paitsi energiaa myös raaka-aineiden lähteen kasvaakseen ja jakautuakseen.

Hän epäili, että mitokondriot voisivat tarjota näitä rakennuspalikoita. Organellit ovat avainasemassa solun kasvussa ja aineenvaihdunnassa. Ne tuottavat energiaa ja ansaitsevat lempinimen "solun voimalaitos", ja ne tuottavat myös aineenvaihduntatuotteita, jotka ovat välttämättömiä aminohappojen ja nukleotidien rakentamiselle ja geenien ilmentymisen säätelylle.

Klassinen näkemys mitokondrioista on, että ne eivät muutu solun elinkaaren aikana. "Ne ovat vain tämä mukava, viehättävä pieni makkara sellissä, ja ne antavat energiaa", Vanderhaeghen sanoi. Mutta kun hän ja Ryohei Iwata, tutkijatohtori laboratoriossa, tutki tarkemmin hermosolujen kehittymistä ja huomasi, että myös mitokondriot tarvitsevat aikaa kehittyäkseen.

Nuoret neuronit, he raportoivat tiede, joilla oli vähän mitokondrioita, ja mitokondriot, joita heillä oli, olivat pirstoutuneita ja tuottivat vähän energiaa. Sitten, kun neuronit kypsyivät, mitokondrioiden määrä, koko ja metabolinen aktiivisuus kasvoivat. Lisäksi muutokset tapahtuivat nopeammin hiirillä kuin ihmisillä. Pohjimmiltaan järjestelmä skaalautui: Mitokondrioiden kypsyminen pysyi synkronoituna hermosolujen kypsymisen kanssa molemmissa lajeissa.

Löytö piti Vanderhaegheniä ja Iwataa tärkeänä. Ja se sai heidät miettimään, voisivatko mitokondriot olla hiljainen rummunsoitto, joka ohjaa valtavia eroja lajien kehitysvauhdissa.

Kuinka kasvattaa selkärankaa

Yksi klassisista malleista alkion kehityksen tempon tutkimiseen on selkärangan kuviointi. Kaikilla selkärankaisilla on selkäranka, joka koostuu ketjusegmenteistä, mutta lajien lukumäärä ja koko vaihtelevat. Tästä syystä herää luonnollinen kysymys kehitysmekanismeista, jotka synnyttävät tämän olennaisen selkärankaisen ominaisuuden ja sen monista muunnelmista koko eläinkunnassa.

Vuonna 1997 kehitysbiologi Olivier Pourquié, nyt Harvard Medical Schoolissa, paljasti ensin molekyylioskillaattorin, jota kutsutaan segmentointikelloksi ja joka ohjaa selkärankaisen selkärankaa muotoilevaa mekanismia. Työskentelyään kanan alkioiden parissa hänen tutkimusryhmänsä tunnisti avaintekijät, jotka ilmenevät rytmisesti kunkin alkiokudoksen nikamasegmentin muodostumisen aikana. Segmentointikello laukaisee geenin ilmentymisen värähtelyjä, mikä saa solut vaihtelemaan herkkyydessään aaltorintaman signaaliin, joka liikkuu päästä häntään. Kun aaltorintama kohtaa reagoivia soluja, muodostuu segmentti. Tällä tavalla kello- ja aaltorintamamekanismi ohjaa selkärangan säännöllistä järjestystä.

Geenit, jotka järjestävät segmentointikellon, ovat säilyneet eri lajeissa. Kellojakso - värähtelyn kahden huipun välinen aika - ei kuitenkaan ole. Monien vuosien ajan kehitysgeneetit eivät pystyneet selittämään tätä: heillä ei ollut geneettisiä työkaluja kellon manipuloimiseksi tarkasti kasvavassa alkiossa. Niinpä vuoden 2008 tienoilla Pourquié alkoi kehittää menetelmiä mekanismin paremmaksi leikkaamiseksi laboratoriossa.

Tuolloin "se kuulosti täydelliseltä tieteiskirjalliselta", hän sanoi. Mutta ajatus muuttui uskottavammaksi seuraavan vuosikymmenen aikana, kun Pourquién laboratorio ja muut ympäri maailmaa oppivat viljelemään alkion kantasoluja ja jopa rakentaa organoideja - kuten verkkokalvo, suolisto tai miniaivot - astiassa.

Pourquié ja Diaz Cuadros, hänen jatko-opiskelijansa, löysivät tavan jäljentää kelloa hiiren ja ihmisen kantasoluissa. Varhaisissa kokeissa he havaitsivat, että kellojakso on hiirillä noin kaksi tuntia, kun taas ihmissoluissa värähtelyn loppuun saattaminen kestää noin viisi tuntia. Se oli ensimmäinen kerta, kun kukaan oli tunnistanut segmentointikellon ajanjakson ihmisillä.

Muut laboratoriot näkivät myös näiden kantasolubiologian edistysaskelten mahdollisuudet ratkaista pitkäaikaisia ​​​​kehityksen ajoitusta koskevia kysymyksiä. Vuonna 2020 kaksi tutkimusryhmää, joista toinen johtaa Miki Ebisuya Euroopan molekyylibiologian laboratoriossa Barcelonassa ja toisessa James Briscoe Francis Crick Institutessa Lontoossa – havaitsi itsenäisesti, että solun perusmolekyyliprosessit pysyvät vauhdissa kehitysvauhdissa. He julkaisivat tutkimuksia puoli by puoli in tiede.

Ebisuyan tiimi halusi ymmärtää eroja molekyylireaktioiden - geenien ilmentymisen ja proteiinien hajoamisen - nopeuksissa, jotka ohjaavat jokaista kellosykliä. He havaitsivat, että molemmat prosessit toimivat hiiren soluissa kaksi kertaa nopeammin kuin ihmisen soluissa.

Briscoe tarkasteli sen sijaan selkäytimen varhaista kehitystä. Kuten segmentointikellosykli, hermosolujen erilaistumisprosessi - mukaan lukien geenisekvenssien ilmentyminen ja proteiinien hajoaminen - venytettiin ihmisillä suhteellisesti hiiriin verrattuna. "Keskee kaksi tai kolme kertaa kauemmin päästä samaan kehitysvaiheeseen käyttämällä ihmisen alkion kantasoluja", Briscoe sanoi.

Tuntui kuin metronomi tikiisi jokaisen solun sisällä. Jokaisella heilurin heilahduksella useat soluprosessit – geenien ilmentyminen, proteiinien hajoaminen, solujen erilaistuminen ja alkion kehitys – kaikki pysyivät tahdissa ja pysyivät ajallaan.

Mutta oliko tämä yleinen sääntö kaikille selkärankaisille, paitsi hiirille ja ihmisille? Selvittääkseen Ebisuyan jatko-opiskelija Jorge Lázaro loi "kantasolueläintarhan", jossa asuu soluja useista nisäkkäistä: hiiristä, kaneista, karjasta, sarvikuonoista, ihmisistä ja marmoseteista. Kun hän toisti kunkin lajin segmentointikellon, hän näki, että biokemiallisten reaktioiden nopeus pysyi segmentointikellon jakson rytmissä jokaisessa lajissa.

Lisäksi kellotempot eivät skaalautuneet eläinten koon mukaan. Hiiren solut värähtelivät nopeammin kuin sarvikuonon solut, mutta ihmissolut värähtelivät hitaammin kuin sarvikuonon solut, ja marmosetin solut värähtelivät hitain kaikista.

Havainnot julkaistu Solun kantasolu kesäkuussa ehdotti, että biokemiallisten reaktioiden nopeus voisi olla yleinen mekanismi kehitysajan säätelyssä.

He myös työnsivät molekyylibiologian keskeisen dogman tärkeän mutta huomiotta jätetyn näkökohdan rajoja. "Puhumme transkriptiosta, translaatiosta ja proteiinien stabiilisuudesta", Diaz-Cuadros sanoi. Kaikki olivat luulleet, että ne olivat samat kaikissa nisäkäs- tai selkärankaisissa, "mutta nyt sanomme, että keskeisen dogman nopeus on lajikohtaista, ja se on mielestäni varsin kiehtovaa."

Tee tai riko proteiini

Kellon on siis oltava peräisin mekanismista, joka määrittää biokemiallisten reaktioiden tahdin lajien välillä. Teresa Rayon halusi paljastaa sen alkuperän, kun hän katseli motoristen neuronien erilaistumista Lontoon laboratoriossa, jossa hän opiskeli Briscoen johdolla.

Hän muokkasi geneettisesti kehittyviä hiiren ja ihmisen hermosoluja ekspressoimaan fluoresoivaa proteiinia, joka hehkuu kirkkaasti, kun sitä herättää laser oikealla aallonpituudella. Sitten hän katseli lisättyjen proteiinien hajoamista. Hänen yllätyksekseen samat fluoresoivat proteiinit hajosivat nopeammin hiiren soluissa kuin ihmissoluissa, mikä piti aikaa hermosolujen kehityksessä. Tämä vihjasi hänelle, että jokin solunsisäisessä ympäristössä määräsi hajoamisen tempon.

"Jos kysyisit biologilta: 'Kuinka määrität proteiinin stabiilisuuden?' he kertoisivat, että se riippuu järjestyksestä", sanoi Rayon, joka nyt johtaa omaa laboratoriotaan Babraham-instituutissa Cambridgessa, Englannissa. "Huomasimme kuitenkin, että näin ei todellakaan ole. Uskomme, että proteiinit hajottava koneisto saattaa olla osallisena."

Mutta hän ja hänen ryhmänsä etsivät vain yhtä solutyyppiä. Jos solutyypit eri kudoksissa kehittyvät eri nopeudella, hajoavatko myös niiden proteiinit eri nopeudella?

Michael Dorrity Euroopan molekyylibiologian laboratoriossa Heidelbergissä pohdittiin tätä kysymystä pohtimalla, kuinka lämpötila vaikuttaa kehitykseen. Monet eläimet hyönteisistä kaloihin kehittyvät nopeammin, kun niitä kasvatetaan korkeammissa lämpötiloissa. Hän havaitsi kiehtovasti, että lämpimässä ympäristössä kasvatetuissa seeprakalojen alkioissa joidenkin solutyyppien kehitysvauhti kiihtyi nopeammin kuin toisten.

In esipainos hän julkaisi viime vuonna, hän sai selityksen koskien proteiineja valmistavia ja hajottavia laitteita. Jotkut solutyypit vaativat suuremman tilavuuden tai monimutkaisempia proteiineja kuin toiset. Tämän seurauksena jotkut solutyypit ovat kroonisesti "kuormittamassa näitä proteiinien laadunvalvontamekanismeja", hän sanoi. Lämpötilan noustessa he eivät pysty pysymään korkeampien proteiinitarpeiden mukana, joten heidän sisäinen kellonsa ei nopeuta ja pysy tahdissa.

Tässä mielessä organismeilla ei ole yhtä yhtenäistä kelloa, vaan niillä on useita kelloja monille kudoksille ja solutyypeille. Evoluutioteoriassa tämä ei ole vika vaan ominaisuus: Kun kudokset kehittyvät epäsynkronisesti toistensa kanssa, ruumiinosat voivat kasvaa eri tahtia - mikä voi johtaa erilaisten organismien tai jopa uusien lajien evoluutioon.

Oli kuin he olisivat löytäneet solun sisäisen metronomin viritysnupin, jonka avulla he voivat kiihdyttää tai hidastaa alkion kehitystä. "Eivät erot geenien säätelyarkkitehtuurissa selitä näitä eroja ajoituksessa", Pourquié sanoi. Havainnot olivat julkaistu luonto aikaisemmin tänä vuonna.

Tämä metabolinen viritysnuppi ei rajoittunut kehittyvään alkioon. Sillä välin Iwata ja Vanderhaeghen keksivät, kuinka käyttää lääkkeitä ja genetiikkaa leikkiäkseen kypsyvien hermosolujen aineenvaihdunnallisella tempolla - prosessi, joka toisin kuin segmentointikello, joka toimii vain muutaman päivän, kestää useita viikkoja tai kuukausia. Kun hiiren neuronit joutuivat tuottamaan energiaa hitaammin, myös hermosolut kypsyivät hitaammin. Päinvastoin, siirtämällä ihmisen hermosoluja farmakologisesti kohti nopeampaa reittiä, tutkijat voivat nopeuttaa niiden kypsymistä. Havainnot olivat julkaistu tiede tammikuussa.

Vanderhaeghenille heidän kokeidensa johtopäätös on selvä: "Aineenvaihduntanopeus ohjaa kehityksen ajoitusta."

Silti, vaikka aineenvaihdunta on kaikkien muiden soluprosessien ylävirran säätelijä, näiden erojen on palattava geneettiseen säätelyyn. On mahdollista, että mitokondriot vaikuttavat kehitysgeenien tai proteiinien valmistus-, ylläpito- ja kierrätyskoneistoon osallistuvien geenien ilmentymisen ajoitukseen.

Yksi mahdollisuus, Vanderhaeghen spekuloi, on, että mitokondrioiden metaboliitit ovat välttämättömiä prosessille, joka kondensoi tai laajentaa laskostunutta DNA:ta genomeissa, jotta se voidaan transkriptoida proteiinien rakentamiseksi. Ehkä, hän ehdotti, nämä metaboliitit rajoittavat transkription nopeutta ja määrittävät maailmanlaajuisesti nopeuden, jolla geenien säätelyverkostot kytketään päälle ja pois. Tämä on kuitenkin vain yksi idea, joka vaatii kokeellisen purkamisen.

On myös kysymys siitä, mikä saa mitokondriot ylipäätään tikittymään. Diaz Cuadros uskoo, että vastauksen täytyy löytyä DNA:sta: "Jossain heidän genomissaan on oltava sekvenssiero hiiren ja ihmisen välillä, joka koodaa tätä eroa kehitysvauhdissa."

"Meillä ei vieläkään ole aavistustakaan, missä tämä ero on", hän sanoi. "Olemme valitettavasti vielä hyvin kaukana siitä."

Vastauksen löytäminen voi viedä aikaa, ja mitokondriokellon tavoin tieteellinen kehitys etenee omaa tahtiaan.

Oikaisut, 18
Johdannossa tarkennettiin lausetta sen selventämiseksi, että geenien ilmentymisnopeus, ei yleinen aineenvaihduntanopeus, auttaa ohjaamaan kehitysvauhtia. Artikkelia päivitettiin myös korjaamaan, millä kantasolueläintarhan lajilla on nopein ja hitain segmentointikellon värähtely.