Hva får livet til å tikke? Mitokondrier kan holde tid for celler | Quanta Magazine

Akkurat som mennesker på forskjellige steder ser ut til å operere i forskjellige rytmer, gjør forskjellige arter det også. De eldes med sine egne hastigheter: Noen, som fruktflua, raser til voksen alder slik at de kan formere seg før deres flyktige matkilde forsvinner, mens skapninger som mennesker modnes sakte over flere tiår, delvis fordi det krever det å bygge en stor, kompleks hjerne. Og helt i begynnelsen av et embryos liv kan små justeringer i tidspunktet for når og hvordan forskjellige vev utvikler seg dramatisk endre en organismes form - en mekanisme som evolusjonen utnytter for å skape nye arter. Hva som setter tempoet for en organismes vekst har imidlertid forblitt et mysterium.

"Vår kunnskap om hva som styrer utviklingstiming har virkelig ligget bak andre områder innen utviklingsbiologi," sa Margarete Diaz Cuadros, som leder forskning fokusert på utviklingstempo ved Massachusetts General Hospital i Boston.

Utviklingsbiologer har hatt enorm suksess med å identifisere nettverk av regulatoriske gener som snakker med hverandre – overlappende systemer av tilbakemeldingsløkker som slår gener på eller av på nøyaktig rett tid og sted for å bygge for eksempel et øye eller et bein. Men den svært bevarte likheten i disse gennettverkene blant arter står i kontrast til store forskjeller i utviklingstiming. Mus og mennesker bruker for eksempel de samme settene med gener for å lage nevroner og bygge ryggrader. Likevel blir hjernen og ryggraden til en mus ganske annerledes enn et menneske, fordi tidspunktet for når disse genene er aktive er annerledes, og det er uklart hvorfor det er slik.

"Genregulering ser ikke ut til å forklare alt om utviklingstiming," sa Pierre Vanderhaeghen, som studerer utviklingen og utviklingen av hjernen ved KU Leuven i Belgia. "Nå er dette litt provoserende fordi på en måte, i biologi, bør alt forklares av genregulering, direkte eller indirekte."

Nye forklaringer på hva som får livet til å tikke dukker opp fra innovasjoner – som fremskritt innen stamcellekultur og tilgjengeligheten av verktøy for å manipulere metabolisme, opprinnelig utviklet for å studere kreft – som nå lar forskere kartlegge, og leke med, utviklingstempoet til tidlig embryoer og vev i større detalj. I en rekke papirer de siste årene, inkludert én nøkkelpublikasjon i juni har flere forskerteam uavhengig konvergert om spennende sammenhenger mellom utviklingstempo, tempoet i biokjemiske reaksjoner og hastigheten på genuttrykk som ligger til grunn for disse biokjemiske reaksjonene.

Funnene deres peker på en vanlig metronom: mitokondriene, som kan være cellens tidtaker, som setter rytmen for en rekke utviklings- og biokjemiske prosesser som skaper og opprettholder liv.

Et nevron holder tiden

For mer enn et tiår siden gjorde Vanderhaeghen et eksperiment som la grunnlaget for moderne studier om hvordan utviklingstempo holdes. Nevrobiologen var inne hans belgiske laboratorium dyrke stamceller i petriskåler og observere hvor lang tid det tok å modnes fra cellulære blanke tavler til fullverdige nevroner som kobler seg til og kommuniserer med andre. Han trodde han kunne finne ledetråder til opprinnelsen og utviklingen til den menneskelige hjernen ved å sammenligne disse muse- og menneskestamcellene som er klargjort til å bli nevroner.

Det første han la merke til var at musestamceller differensierte seg til modne hjerneceller i løpet av omtrent en uke - raskere enn menneskelige stamceller, som tok seg tid til å vokse over tre til fire måneder.

Men ville disse cellene utvikle seg på samme måte i en voksende hjerne i stedet for i en isolert rett? For å finne ut av det, transplanterte han en museneuron inn i en levende musehjerne. Cellen fulgte samme tidslinje som nevronene til vertsmusen, og differensierte etter omtrent en uke. Så prøvde han det samme med et menneskelig nevron, og implanterte det i en musehjerne. Til hans forbauselse holdt det menneskelige nevronet sin egen tid. Det tok nesten et år å modnes til tross for gnagermiljøet.

"Det ga oss et første viktig svar, som er at uansett tidspunktsmekanismen, ser mye av det ut til å være i nevronene selv," sa Vanderhaeghen. "Selv om du tar cellene ut av petriskålen og legger dem i en annen organisme, vil de fortsatt beholde sin egen tidslinje."

Likevel var praktisk talt ingenting kjent om den underliggende cellulære mekanismen før for et par år siden.

Vanderhaeghen begynte å tenke på hvor byggesteinene til et nevron kommer fra. "Å lage nevroner, det er som å bygge en super komplisert bygning," sa han. "Du trenger god logistikk." Celler trenger ikke bare energi, men også en kilde til råvarer for å vokse og dele seg.

Han mistenkte at mitokondrier kunne sørge for disse byggesteinene. Organellene er nøkkelen til en celles vekst og metabolisme. De produserer energi, og gir dem kallenavnet "cellens kraftsenter", og de produserer også metabolitter som er essensielle for å konstruere aminosyrer og nukleotider og for å regulere genuttrykk.

Det klassiske synet på mitokondrier er at de ikke endres over en celles levetid. "De er bare denne fine, pittoreske pølsen i cellen, og de gir energi," sa Vanderhaeghen. Men når han og Ryohei Iwata, en postdoktor i laboratoriet hans, så nærmere på utviklende nevroner, de så at mitokondrier trenger tid til å utvikle seg også.

Unge nevroner, rapporterte de i Vitenskap, hadde få mitokondrier, og de de hadde var fragmenterte og genererte lite energi. Etter hvert som nevronene ble modnet, vokste mitokondriene i antall, størrelse og metabolsk aktivitet. Dessuten skjedde endringene raskere hos mus enn hos mennesker. I hovedsak ble systemet skalert: Modningen av mitokondrier holdt seg synkronisert med modningen av nevroner i begge arter.

Oppdagelsen fant Vanderhaeghen og Iwata som viktig. Og det fikk dem til å lure på om mitokondrier kunne være den stille trommeslagingen som driver de store forskjellene i utviklingstempo mellom arter.

Hvordan dyrke en ryggrad

En av de klassiske modellene for å studere tempoet i embryonal utvikling er mønsteret av ryggraden. Alle virveldyr har en ryggrad som er sammensatt av en rekke vertebrale segmenter, men arter varierer i antall og størrelse. Det oppstår derfor et naturlig spørsmål om utviklingsmekanismene som gir opphav til dette essensielle virveldyrtrekket og dets mange variasjoner i hele dyreriket.

I 1997 ble utviklingsbiologen Olivier Pourquié, nå ved Harvard Medical School, avdekket først en molekylær oscillator kalt en segmenteringsklokke som driver mekanismen som mønstrer virveldyrryggraden. I arbeidet med kyllingembryoer identifiserte forskerteamet nøkkelaktørene som uttrykkes rytmisk under dannelsen av hvert vertebralt segment i embryonalt vev. Segmenteringsklokken utløser svingninger av genuttrykk, og får cellene til å svinge i deres respons på et bølgefrontsignal som beveger seg fra hode til hale. Når bølgefronten møter responsive celler, dannes et segment. På denne måten styrer klokke-og-bølgefront-mekanismen den periodiske organiseringen av ryggraden.

Genene som orkestrerer segmenteringsklokken er bevart på tvers av arter. Klokkeperioden - tiden mellom to topper i en oscillasjon - er imidlertid ikke det. I mange år var utviklingsgenetikere rådvill med å forklare dette: De hadde ikke de genetiske verktøyene til å manipulere klokken nøyaktig i et voksende embryo. Så rundt 2008 begynte Pourquié å utvikle metoder for bedre å dissekere mekanismen i laboratoriet.

På den tiden hørtes det ut som total science fiction, sa han. Men ideen ble mer plausibel i løpet av det følgende tiåret, da Pourquiés laboratorium og andre rundt om i verden lærte å dyrke embryonale stamceller og til og med bygge organoider - som en netthinne, tarm eller minihjerne - i en rett.

Pourquié og Diaz Cuadros, den gang hans doktorgradsstudent, fant en måte å reprodusere klokken i mus og menneskelige stamceller. I tidlige eksperimenter observerte de at klokkeperioden går rundt to timer i mus, mens det tar omtrent fem timer å fullføre en oscillasjon i menneskelige celler. Det var første gang noen hadde identifisert segmenteringsklokkeperioden hos mennesker.

Andre laboratorier så også potensialet til disse fremskrittene innen stamcellebiologi for å takle langvarige spørsmål om utviklingstiming. I 2020, to forskergrupper — en ledet av Miki Ebisuya ved European Molecular Biology Laboratory i Barcelona og den andre av James Briscoe ved Francis Crick Institute i London — uavhengig oppdaget at grunnleggende molekylære prosesser i cellen holder seg i takt med utviklingstakten. De publiserte studier side by side in Vitenskap.

Ebisuyas team ønsket å forstå forskjeller i hastigheten på molekylære reaksjoner - genuttrykk og proteinnedbrytning - som driver hver klokkesyklus. De fant at begge prosessene fungerte dobbelt så raskt i museceller som i menneskelige.

Briscoe så i stedet på den tidlige utviklingen av ryggmargen. I likhet med segmenteringsklokkesyklusen, ble nevrondifferensieringsprosessen - inkludert ekspresjon av gensekvenser og nedbryting av proteiner - proporsjonalt strukket ut hos mennesker sammenlignet med mus. "Det tar to til tre ganger lengre tid å komme til samme utviklingsstadium ved å bruke menneskelige embryonale stamceller," sa Briscoe.

Det var som om, inne i hver celle, en metronom tikket unna. Med hvert sving på pendelen holdt en rekke cellulære prosesser - genuttrykk, proteinnedbrytning, celledifferensiering og embryonal utvikling - alt tritt og holdt seg i tide.

Men var dette en generell regel for alle virveldyr, utover mus og mennesker? For å finne ut av det, Ebisuyas doktorgradsstudent Jorge Lázaro skapte en "stamcellezoo," hjem til celler fra en rekke pattedyr: mus, kaniner, storfe, neshorn, mennesker og silkeabber. Da han reproduserte segmenteringsklokken for hver art, så han at hastigheten på biokjemiske reaksjoner holdt seg i rytme med segmenteringsklokkeperioden i hver enkelt.

Dessuten passet ikke klokketempoene med dyrenes størrelse. Museceller svingte raskere enn nesehornceller, men menneskeceller svingte saktere enn neshorncellene, og silkeaperceller hadde de tregeste svingningene av alle.

Funnene, publisert i Cellstamcelle i juni antydet at hastigheten på biokjemiske reaksjoner kan være en universell mekanisme for å regulere utviklingstiden.

De presset også grensene for et viktig, men oversett aspekt av det sentrale dogmet innen molekylærbiologi. "Vi snakker om transkripsjon, oversettelse og proteinstabilitet," sa Diaz-Cuadros. Alle hadde trodd at de var like i alle pattedyr- eller virveldyrarter, "men nå er det vi sier at hastigheten til det sentrale dogmet er artsspesifikk, og jeg synes det er ganske fascinerende."

Lag eller knekk et protein

Klokken må da stamme fra en mekanisme som setter tempoet for biokjemiske reaksjoner på tvers av arter. Teresa Rayon ønsket å avdekke opprinnelsen da hun sett motoriske nevroner differensiere i London-laboratoriet hennes, hvor hun studerte under Briscoe.

Hun har genetisk konstruert utviklende mus og menneskelige nevroner for å uttrykke fluorescerende protein, som lyser sterkt når det begeistres av en laser med riktig bølgelengde. Så så hun på de introduserte proteinene mens de brytes ned. Til hennes overraskelse gikk de samme fluorescerende proteinene fra hverandre raskere i museceller enn i menneskelige celler, og holdt tid med nevronenes utvikling. Det antydet for henne at noe i det intracellulære miljøet satte tempoet på nedbrytningen.

"Hvis du skulle spørre en biolog: 'Hvordan bestemmer du stabiliteten til et protein?' de ville fortelle deg at det er ned til rekkefølgen,” sa Rayon, som nå leder sitt eget laboratorium ved Babraham Institute i Cambridge, England. "Vi fant imidlertid ut at det faktisk ikke er tilfelle. Vi tror at det kan være maskineriet som bryter ned proteinene som kan spille en rolle."

Men hun og gruppen hennes så i bare en enkelt celletype. Hvis celletyper i forskjellige vev utvikler seg med ulik hastighet, vil proteinene deres også brytes ned med ulik hastighet?

Michael Dorrity ved European Molecular Biology Laboratory i Heidelberg gravde i det spørsmålet ved å tenke på hvordan temperatur påvirker utviklingen. Mange dyr, fra insekter til fisk, utvikler seg raskere når de oppdras ved høyere temperaturer. Interessant observerte han at hos sebrafisk-embryoer oppdrettet i et varmt miljø, akselererte utviklingstempoet til noen celletyper raskere enn andres.

In et fortrykk han postet i fjor, tok han utgangspunkt i en forklaring som involverer maskineriet som lager og bryter ned proteiner. Noen celletyper krever et større volum eller mer komplekse proteiner enn andre. Som et resultat legger noen celletyper kronisk "belastning på disse proteinkvalitetskontrollmekanismene," sa han. Når temperaturen stiger, har de ikke kapasitet til å holde tritt med det høyere proteinbehovet, og derfor klarer ikke deres indre klokke å øke hastigheten og holde tritt.

I den forstand opprettholder ikke organismer en enkelt enhetlig klokke, men har mange klokker for mange vev og celletyper. Evolusjonært sett er ikke dette en feil, men en funksjon: Når vev utvikler seg usynkronisert med hverandre, kan kroppsdeler vokse i forskjellige hastigheter - noe som kan føre til utvikling av forskjellige organismer eller til og med nye arter.

Det var som om de hadde oppdaget innstillingsknappen til cellens indre metronom, som lot dem akselerere eller bremse tempoet i embryonal utvikling. "Det er ikke forskjeller i genreguleringsarkitekturen som forklarer disse forskjellene i timing," sa Pourquié. Funnene var publisert i Natur tidligere i år.

Denne metabolske innstillingsknappen var ikke begrenset til det utviklende embryoet. Iwata og Vanderhaeghen fant i mellomtiden ut hvordan de kan bruke medisiner og genetikk for å leke med metabolske tempoet til modne nevroner – en prosess som, i motsetning til segmenteringsklokken, som går i bare et par dager, tar mange uker eller måneder. Når museneuroner ble tvunget til å generere energi saktere, modnet nevronene saktere også. Omvendt, ved å farmakologisk skifte menneskelige nevroner mot en raskere vei, kunne forskerne akselerere deres modning. Funnene var publisert i Vitenskap i januar.

For Vanderhaeghen er konklusjonen av eksperimentene deres klar: "Metabolisk hastighet driver utviklingstiming."

Likevel, selv om metabolisme er oppstrømsregulatoren for alle andre cellulære prosesser, må disse forskjellene komme tilbake til genetisk regulering. Det er mulig at mitokondrier påvirker tidspunktet for uttrykket av utviklingsgener eller de som er involvert i maskineriet for å lage, vedlikeholde og resirkulere proteiner.

En mulighet, spekulerte Vanderhaeghen, er at metabolitter fra mitokondriene er essensielle for prosessen som kondenserer eller utvider foldet DNA i genomer slik at det kan transkriberes for å bygge proteiner. Kanskje, foreslo han, disse metabolittene begrenser transkripsjonshastigheten og setter globalt tempoet som genregulerende nettverk slås av og på. Det er bare en idé, men som trenger eksperimentell utpakking.

Det er også spørsmålet om hva som får mitokondrier til å tikke i utgangspunktet. Diaz Cuadros mener at svaret må ligge i DNA: "Et sted i genomet deres må det være en sekvensforskjell mellom mus og menneske som koder for den forskjellen i utviklingshastighet."

"Vi har fortsatt ingen anelse om hvor den forskjellen er," sa hun. – Vi er dessverre fortsatt langt unna det.

Å finne det svaret kan ta tid, og i likhet med mitokondriell klokke, fortsetter vitenskapelig fremgang i et helt eget tempo.

Rettelser, 18. september 2023
I introduksjonen ble en setning revidert for å klargjøre at det er hastigheten på genuttrykk, ikke total metabolsk hastighet, som bidrar til å styre utviklingstempoet. Artikkelen ble også oppdatert for å korrigere hvilke arter i stamcelledyrehagen som har de raskeste og tregeste segmenteringsklokkesvingningene.