Mitől lesz az élet? A mitokondriumok tarthatnak időt a sejtek számára | Quanta Magazin

Ahogy úgy tűnik, hogy az emberek különböző helyeken más-más ritmusban működnek, úgy a különböző fajok is. A saját ütemük szerint öregszenek: Vannak, akik, mint a gyümölcslégy, felnőtté válnak, hogy szaporodhassanak, mielõtt elmúló táplálékforrásaik eltûnnének, míg az olyan lények, mint az ember, lassan, évtizedek alatt érnek, részben azért, mert egy nagy, összetett agy felépítéséhez ez szükséges. Az embrió életének legelején pedig a különböző szövetek kifejlődésének időpontjában és módjában végrehajtott apró változtatások drámai módon megváltoztathatják a szervezet formáját – ezt a mechanizmust az evolúció kihasználja új fajok létrehozására. Az azonban rejtély maradt, hogy mi határozza meg egy szervezet növekedésének ütemét.

„A fejlődési időzítést irányító ismereteink valóban elmaradtak a fejlődésbiológia más területei mögött” – mondta. Margarete Diaz Cuadros, aki a bostoni Massachusetts Általános Kórházban a fejlődési ütemre összpontosító kutatást vezeti.

A fejlődésbiológusok óriási sikereket értek el az azonosításban szabályozó gének hálózatai amelyek beszélnek egymással – a visszacsatolási hurkok lépcsőzetes rendszerei, amelyek pontosan a megfelelő időben és helyen kapcsolják be vagy ki a géneket, mondjuk egy szem vagy láb felépítéséhez. De ezeknek a génhálózatoknak a fajok közötti erősen konzervált hasonlósága ellentétben áll a fejlődési időzítésben tapasztalható hatalmas különbségekkel. Az egerek és az emberek például ugyanazokat a génkészleteket használják neuronok létrehozására és tüskék építésére. Ennek ellenére az egér agya és gerince egészen másképp alakul, mint az embereké, mert más az időzítés, amikor ezek a gének aktívak, és nem világos, hogy ez miért van így.

"Úgy tűnik, hogy a génszabályozás nem magyaráz meg mindent a fejlődés időzítésével kapcsolatban" - mondta Pierre Vanderhaeghen, aki az agy evolúcióját és fejlődését tanulmányozza a belgiumi KU Leuvenben. "Most ez egy kicsit provokatív, mert bizonyos értelemben a biológiában mindent a génszabályozással kellene magyarázni, közvetlenül vagy közvetve."

Új magyarázatok születnek arra vonatkozóan, hogy mi okozza az életet az olyan innovációknak – mint például az őssejtkultúra fejlődése és az anyagcsere manipulálására szolgáló eszközök elérhetősége, amelyeket eredetileg a rák tanulmányozására fejlesztettek ki –, amelyek most lehetővé teszik a kutatók számára, hogy feltérképezzék a korai sejtek fejlődési ütemét, és játszanak vele. embriók és szövetek részletesebben. Az elmúlt néhány év papírjaiban, köztük egy kulcsfontosságú kiadvány Júniusban több kutatócsoport egymástól függetlenül találkozott a fejlődés üteme, a biokémiai reakciók üteme és a biokémiai reakciók mögött meghúzódó génexpresszió sebessége közötti érdekes összefüggésekről.

Eredményeik egy közös metronómra mutatnak rá: a mitokondriumra, amely a sejt időmérője lehet, ritmust szabva az életet létrehozó és fenntartó számos fejlődési és biokémiai folyamat számára.

Egy neuron megtartja az időt

Több mint egy évtizeddel ezelőtt Vanderhaeghen végzett egy kísérletet, amely megalapozta a fejlődési tempó tartásáról szóló modern tanulmányokat. A neurobiológus bent volt belga laborja őssejteket növesztettek Petri-csészékben, és megfigyelték, hogy mennyi időbe telt, míg a sejtes üres lapokról a teljes értékű neuronokká váltak, amelyek összekapcsolódnak és kommunikálnak másokkal. Úgy gondolta, hogy nyomokat találhat az emberi agy eredetére és evolúciójára, ha összehasonlítja ezeket az egér- és emberi őssejteket, amelyek neuronokká válnak.

Az első dolog, amit észrevett, az volt, hogy az egér őssejtek körülbelül egy hét alatt differenciálódtak érett agysejtekké – gyorsabban, mint az emberi őssejtek, amelyek növekedése három-négy hónapig tartott.

De vajon ezek a sejtek ugyanúgy fejlődnének egy növekvő agyban, mint egy elszigetelt edényben? Hogy ezt megtudja, egy egér neuront ültetett át élő egéragyba. A sejt ugyanazt az idővonalat követte, mint a gazdaegér neuronjai, és körülbelül egy hét után differenciálódtak. Aztán megpróbálta ugyanezt egy emberi neuronnal, beültette az egér agyába. Megdöbbenésére az emberi neuron megtartotta a maga idejét. A rágcsálós környezet ellenére közel egy évbe telt, mire beérett.

"Ez adott nekünk egy első fontos választ, ami az, hogy bármi legyen is az időzítési mechanizmus, úgy tűnik, hogy sok benne van a neuronokban" - mondta Vanderhaeghen. "Még ha kiveszed a sejteket a Petri-csészéből és egy másik szervezetbe helyezed, akkor is megtartják a saját idővonalukat."

Ennek ellenére néhány évvel ezelőttig gyakorlatilag semmit sem tudtak a mögöttes sejtmechanizmusról.

Vanderhaeghen azon kezdett gondolkodni, honnan származnak egy neuron építőkövei. „Neuronokat készíteni olyan, mint egy szuperbonyolult épületet építeni” – mondta. – Jó logisztikára van szüksége. A sejteknek nemcsak energiára, hanem nyersanyagforrásra is szükségük van a növekedéshez és osztódáshoz.

Gyanította, hogy a mitokondriumok biztosíthatják ezeket az építőelemeket. Az organellumok kulcsfontosságúak a sejt növekedésében és anyagcseréjében. Energiát termelnek, így kiérdemlik a „sejt erőműve” becenevet, valamint az aminosavak és nukleotidok felépítéséhez, valamint a génexpresszió szabályozásához nélkülözhetetlen metabolitokat is termelnek.

A mitokondriumok klasszikus nézete szerint nem változnak a sejt élettartama során. „Csak ez a szép, festői kis kolbász a cellában, és energiát adnak” – mondta Vanderhaeghen. De amikor ő és Ryohei Iwata, egy posztdoktori kutató a laborjában, alaposabban megvizsgálta a fejlődő neuronokat, és azt látták, hogy a mitokondriumoknak is időre van szükségük a fejlődéshez.

Fiatal neuronokról számoltak be Tudomány, kevés mitokondriummal rendelkeztek, a bennük lévők pedig töredezettek voltak, és kevés energiát termeltek. Aztán ahogy a neuronok érettek, a mitokondriumok száma, mérete és metabolikus aktivitása nőtt. Ráadásul a változások gyorsabban mentek végbe egerekben, mint emberekben. Lényegében a rendszer méreteződött: a mitokondriumok érése mindkét fajban szinkronban maradt a neuronok érésével.

A felfedezés fontosnak tartotta Vanderhaeghent és Iwatát. És ez arra késztette őket, hogy elgondolkodjanak, vajon a mitokondriumok lehetnek-e az a halk dobpergés, amely a fajok közötti hatalmas fejlődési tempóbeli különbségeket mozgatja.

Hogyan növessünk gerincet

Az embrionális fejlődés tempójának tanulmányozásának egyik klasszikus modellje a gerinc mintázata. Minden gerincesnek van egy gerince, amely csigolyaszegmensekből áll, de a fajok száma és mérete eltérő. Felmerül tehát egy természetes kérdés, hogy milyen fejlődési mechanizmusok idézik elő ezt az alapvető gerinces tulajdonságot és annak számos változatát az állatvilágban.

1997-ben a fejlődésbiológus Olivier Pourquié, jelenleg a Harvard Medical Schoolban, először fedezett fel egy molekuláris oszcillátort, az úgynevezett szegmentációs órát, amely meghajtja a gerincesek gerincét mintázó mechanizmust. A csirkeembriókkal foglalkozó kutatócsoportja azonosította azokat a kulcsszereplőket, amelyek ritmikusan fejeződnek ki az embrionális szövet egyes csigolyaszegmenseinek kialakulása során. A szegmentáló óra a génexpresszió oszcillációit váltja ki, aminek következtében a sejtek ingadoznak a fejtől a farokig terjedő hullámfront jelre adott válaszkészségében. Amikor a hullámfront érzékeny cellákkal találkozik, egy szegmens alakul ki. Ily módon az óra-hullámfront mechanizmus szabályozza a gerinc periodikus szerveződését.

A szegmentációs órát irányító gének fajok között konzerváltak. Azonban az óraperiódus – az oszcilláció két csúcsa közötti idő – nem. A fejlődési genetikusok sok éven át nem tudtak megmagyarázni ezt: nem rendelkeztek olyan genetikai eszközökkel, amelyekkel pontosan manipulálhatták volna az órát egy növekvő embrióban. Így 2008 körül Pourquié módszereket kezdett kifejleszteni a mechanizmus jobb boncolására a laborban.

Abban az időben „teljes sci-finek hangzott” – mondta. De az ötlet a következő évtizedben hihetőbbé vált, mivel Pourquié laboratóriuma és mások világszerte megtanulták tenyészteni az embrionális őssejteket és sőt organoidokat építenek - mint egy retina, bél vagy miniagy - egy edényben.

Pourquié és Diaz Cuadros, akkori végzős hallgatója megtalálta a módját az óra reprodukálására egér és emberi őssejtekben. A korai kísérletekben megfigyelték, hogy az óra időtartama egereknél körülbelül két óra, míg az emberi sejtekben körülbelül öt óra kell ahhoz, hogy teljes legyen az oszcilláció. Ez volt az első alkalom, hogy valaki azonosította a szegmentációs óra periódusát emberekben.

Más laboratóriumok is látták az őssejtbiológia ezen előrelépéseinek lehetőségét a fejlődés időzítésével kapcsolatos régóta fennálló kérdések megoldásában. 2020-ban két kutatócsoport – az egyik vezetésével Miki Ebisuya a barcelonai Európai Molekuláris Biológiai Laboratóriumban és a másik által James Briscoe a londoni Francis Crick Intézetben – egymástól függetlenül felfedezték, hogy a sejtben zajló alapvető molekuláris folyamatok ütemben maradnak a fejlődés ütemével. Tanulmányokat publikáltak oldal by oldal in Tudomány.

Ebisuya csapata meg akarta érteni az egyes óraciklusokat vezérlő molekuláris reakciók – génexpresszió és fehérjelebontás – sebességének különbségeit. Azt találták, hogy mindkét folyamat kétszer olyan gyorsan működik egérsejtekben, mint az emberi sejtekben.

Briscoe inkább a gerincvelő korai fejlődését vizsgálta. A szegmentációs óraciklushoz hasonlóan a neuronok differenciálódási folyamata – beleértve a génszekvenciák expresszióját és a fehérjék lebomlását – arányosan megnyúlt az emberben az egerekhez képest. "Két-háromszor hosszabb ideig tart, hogy emberi embrionális őssejtek felhasználásával ugyanabba a fejlődési szakaszba jussunk" - mondta Briscoe.

Mintha minden cellában egy metronóm ketyegne. Az inga minden egyes lengésével számos sejtfolyamat – génexpresszió, fehérjelebomlás, sejtdifferenciálódás és embrionális fejlődés – mind lépést tartott, és időben haladt.

De vajon ez egy általános szabály minden gerincesre, az egereken és az embereken kívül? Hogy megtudja, Ebisuya végzős hallgatója Jorge Lázaro „őssejtállatkertet” hozott létre, amely különféle emlősök sejtjeinek ad otthont: egerek, nyulak, szarvasmarhák, orrszarvúak, emberek és selyemmajmok. Amikor az egyes fajok szegmentációs óráját reprodukálta, azt látta, hogy a biokémiai reakciók sebessége mindegyiknél a szegmentációs óra periódusában maradt.

Ráadásul az óratempók nem igazodtak az állatok méretéhez. Az egérsejtek gyorsabban oszcilláltak, mint az orrszarvúsejtek, de az emberi sejtek lassabban oszcilláltak, mint az orrszarvúsejtek, és a selyemmajmok sejtjei voltak a leglassabbak az összes közül.

Az eredmények, kiadva Sejt Őssejt júniusban azt javasolta, hogy a biokémiai reakciók sebessége univerzális mechanizmus lehet a fejlődési idő szabályozására.

Emellett kitágították a molekuláris biológia központi dogmájának egy fontos, de figyelmen kívül hagyott aspektusának határait. "A transzkripcióról, a transzlációról és a fehérje stabilitásáról beszélünk" - mondta Diaz-Cuadros. Mindenki azt hitte, hogy minden emlős vagy gerinces fajban ugyanazok, „de most azt mondjuk, hogy a központi dogma sebessége fajspecifikus, és szerintem ez egészen lenyűgöző.”

Készítsen vagy bontsa fel a fehérjét

Az óra tehát egy olyan mechanizmusból kell, hogy fakadjon, amely meghatározza a fajok közötti biokémiai reakciók ütemét. Teresa Rayon fel akarta deríteni az eredetét, amikor ő figyelte a motoros neuronok differenciálódását londoni laboratóriumában, ahol Briscoe mellett tanult.

Génsebészeti úton fejlődő egér- és emberi neuronokat alakított ki, hogy kifejezzék a fluoreszcens fehérjét, amely fényesen világít, ha a megfelelő hullámhosszon lézer gerjeszti. Aztán figyelte a bevitt fehérjéket, ahogy lebomlanak. Meglepetésére ugyanazok a fluoreszcens fehérjék gyorsabban váltak szét az egérsejtekben, mint az emberi sejtekben, így az idegsejtek fejlődésével tartva az időt. Ez azt sugallta neki, hogy az intracelluláris környezetben valami megszabta a degradáció ütemét.

"Ha megkérdeznéd egy biológustól: "Hogyan határozod meg egy fehérje stabilitását?" azt mondanák, hogy ez a sorrendtől függ” – mondta Rayon, aki jelenleg saját laboratóriumát vezeti az angliai Cambridge-i Babraham Intézetben. „Azonban azt találtuk, hogy ez valójában nem így van. Úgy gondoljuk, hogy a fehérjéket lebontó gépezet lehet az, ami szerepet játszhat.”

De ő és csoportja csak egyetlen sejttípust keresett. Ha a különböző szövetekben a sejttípusok eltérő sebességgel fejlődnek, a fehérjék is eltérő sebességgel bomlanak le?

Michael Dorrity A heidelbergi Európai Molekuláris Biológiai Laboratóriumban ebbe a kérdésbe mélyedtek, és azon gondolkodtak, hogy a hőmérséklet hogyan befolyásolja a fejlődést. Sok állat, a rovaroktól a halakig, gyorsabban fejlődik, ha magasabb hőmérsékleten tenyésztik. Érdekes módon megfigyelte, hogy a meleg környezetben nevelt zebrahalembriókban egyes sejttípusok fejlődési üteme gyorsabban gyorsult fel, mint másoké.

In egy előnyomat tavaly posztolt egy magyarázatot a fehérjéket előállító és lebontó gépezetről. Egyes sejttípusok nagyobb térfogatú vagy összetettebb fehérjéket igényelnek, mint mások. Ennek eredményeként egyes sejttípusok krónikusan „terhelnek ezekre a fehérjeminőség-ellenőrző mechanizmusokra” – mondta. Amikor a hőmérséklet emelkedik, nem tudnak lépést tartani a magasabb fehérjeszükséglettel, ezért belső órájuk nem gyorsul és nem tart lépést.

Ebben az értelemben az organizmusok nem tartanak fenn egyetlen egységes órát, hanem sok órájuk van számos szövethez és sejttípushoz. Evolúciós szempontból ez nem hiba, hanem jellemző: amikor a szövetek nem szinkronban fejlődnek egymással, a testrészek különböző ütemben növekedhetnek – ami sokféle organizmus vagy akár új fajok kialakulásához vezethet.

Mintha felfedezték volna a sejt belső metronómának hangológombját, amely lehetővé tette az embrionális fejlődés ütemének gyorsítását vagy lassítását. "Nem a génszabályozási architektúra különbségei magyarázzák ezeket az időbeli különbségeket" - mondta Pourquié. A megállapítások voltak kiadva Természet korábban ebben az évben.

Ez az anyagcsere-hangoló gomb nem korlátozódott a fejlődő embrióra. Iwata és Vanderhaeghen közben rájöttek, hogyan lehet drogokkal és genetikával játszani az érő neuronok metabolikus tempójával – ez a folyamat, ellentétben a szegmentáló órával, amely csak néhány napig fut, sok hetet vagy hónapot vesz igénybe. Amikor az egér neuronjai lassabban kényszerültek energiát termelni, az idegsejtek is lassabban érnek. Ezzel szemben az emberi neuronok farmakológiailag gyorsabb útvonal felé történő eltolásával a kutatók felgyorsíthatják érésüket. A megállapítások voltak kiadva Tudomány januárban.

Vanderhaeghen számára egyértelmű a kísérleteik következtetése: „Az anyagcsere sebessége határozza meg a fejlődés ütemét.”

Még ha az anyagcsere az összes többi sejtfolyamat felfelé irányuló szabályozója is, ezeknek a különbségeknek vissza kell térniük a genetikai szabályozáshoz. Lehetséges, hogy a mitokondriumok befolyásolják a fejlődési gének expressziójának időzítését vagy azokat, amelyek részt vesznek a fehérjék előállítására, fenntartására és újrahasznosítására szolgáló gépezetben.

Vanderhaeghen feltételezte, hogy az egyik lehetőség az, hogy a mitokondriumokból származó metabolitok nélkülözhetetlenek ahhoz a folyamathoz, amely a genomokban a hajtogatott DNS-t kondenzálja vagy kiterjeszti, hogy az átírható legyen fehérjék építéséhez. Lehetséges, javasolta, ezek a metabolitok korlátozzák a transzkripció sebességét, és globálisan meghatározzák a génszabályozó hálózatok be- és kikapcsolásának ütemét. Ez azonban csak egy ötlet, amely kísérleti kibontásra szorul.

Felmerül az a kérdés is, hogy mitől ketyegnek először a mitokondriumok. Diaz Cuadros úgy gondolja, hogy a válasznak a DNS-ben kell keresnie: „Valahol a genomjukban kell lennie egy szekvencia-különbségnek az egér és az ember között, amely kódolja ezt a fejlődési sebességbeli különbséget.”

„Még mindig fogalmunk sincs, hol van ez a különbség” – mondta. – Sajnos még nagyon messze vagyunk ettől.

A válasz megtalálása időbe telhet, és a mitokondriális órához hasonlóan a tudományos haladás is a maga ütemében halad.

Helyesbítés, 18. szeptember 2023
A bevezetőben egy mondatot átdolgoztunk annak tisztázására, hogy nem a teljes anyagcsere sebessége, hanem a génexpresszió sebessége az, ami segít a fejlődés ütemének irányításában. A cikket frissítették annak érdekében is, hogy kijavítsák, hogy az őssejt-állatkert mely fajainak a leggyorsabb és leglassabb szegmentációs óra rezgése.