Komórki w całym ciele rozmawiają ze sobą o starzeniu się | Magazyn Quanta

Starzenie się może wydawać się procesem nieuregulowanym: w miarę upływu czasu w naszych komórkach i ciałach nieuchronnie gromadzą się wgniecenia i wgniecenia, które powodują dysfunkcje, niepowodzenia, a ostatecznie śmierć. Jednak w 1993 roku odkrycie wywróciło tę interpretację wydarzeń do góry nogami. Naukowcy odkryli mutację w pojedynczym genie, która podwajała długość życia robaka; późniejsze prace wykazały, że powiązane geny, wszystkie zaangażowane w reakcję na insulinę, są kluczowymi regulatorami starzenia się wielu zwierząt, od robaków i much po ludzi. Odkrycie sugeruje, że starzenie się nie jest procesem przypadkowym – w istocie regulują go określone geny – i otworzyło drzwi do dalszych badań nad procesem starzenia się na poziomie molekularnym.

Niedawno w serii artykułów udokumentowano nowy szlak biochemiczny regulujący starzenie się, oparty na sygnałach przekazywanych między mitochondriami – organellami najlepiej znanymi jako elektrownia komórkowa. Pracując z robakami, naukowcy odkryli, że uszkodzenie mitochondriów w komórkach mózgowych wywołało reakcję naprawczą, która następnie została wzmocniona, wywołując podobne reakcje w mitochondriach w całym ciele robaka. Efektem tej aktywności naprawczej było wydłużenie życia organizmu: robaki z naprawionymi uszkodzeniami mitochondriów żyły o 50% dłużej.

Co więcej, komórki linii zarodkowej – komórki wytwarzające komórki jajowe i plemniki – odegrały kluczową rolę w tym systemie komunikacji przeciwdziałającym starzeniu się. To odkrycie nadaje nowy wymiar obawom związanym z płodnością, które pojawiają się, gdy ludzie mówią o starzeniu się i swoim „zegarze biologicznym”. Niektóre z ustaleń były zgłoszone w Postępy nauki i inne zostały opublikowane na naukowy serwer preprintów biorxiv.org jesienią.

Badanie opiera się na niedawnych pracach, które to sugerują mitochondria są organellami społecznymi które mogą ze sobą rozmawiać, nawet jeśli znajdują się w różnych tkankach. Zasadniczo mitochondria działają jak komórkowe walkie-talkie, wysyłające wiadomości po całym organizmie, które wpływają na przetrwanie i długość życia całego organizmu.

„Ważne jest to, że oprócz programów genetycznych istnieje również bardzo ważny czynnik regulujący proces starzenia, jakim jest komunikacja między tkankami” – powiedział Dawid Wilchez, który bada zjawisko starzenia się na Uniwersytecie w Kolonii i nie był zaangażowany w nowe badania.

Biolog komórkowy Andrzej Dillin odkryli pierwsze wskazówki dotyczące tej nowatorskiej ścieżki regulującej długość życia około dziesięć lat temu. Poszukiwał genów przedłużających życie Caenorhabditis elegans robaki, kiedy odkrył, że genetyczne uszkodzenie mitochondriów wydłuża życie robaków o 50%.

To było niespodziewane. Dillin zakładał, że wadliwe mitochondria raczej przyspieszą śmierć niż przedłużą życie – w końcu mitochondria odgrywają kluczową rolę w funkcjonowaniu komórki. Jednak z jakiegoś powodu zakłócenie sprawnego funkcjonowania mitochondriów zmusiło robaki do dłuższego życia.

Bardziej intrygujący był fakt, że uszkodzone mitochondria w układzie nerwowym robaków wydawało się być przyczyną tego efektu. „To naprawdę pokazuje, że niektóre mitochondria są ważniejsze od innych” – powiedział Dillin, obecnie profesor na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Neurony dyktują to reszcie organizmu i to było naprawdę zaskakujące”.

Teraz Dillin i jego zespół rozszerzyli to odkrycie, odkrywając nowe szczegóły dotyczące sposobu, w jaki mitochondria w mózgu komunikują się z komórkami w ciele robaka, aby przedłużyć życie.

Po pierwsze, musiał zrozumieć, dlaczego uszkodzenie mitochondriów mózgu może mieć korzystny wpływ na organizm. Proces wytwarzania energii w mitochondriach wymaga niezwykle złożonej maszynerii molekularnej z dziesiątkami różnych części białkowych. Kiedy coś idzie nie tak, na przykład gdy brakuje niektórych składników lub są one nieprawidłowo sfałdowane, mitochondria aktywują reakcję na stres, zwaną reakcją na rozwinięte białka, która dostarcza enzymy naprawcze, które pomagają w prawidłowym składaniu kompleksów i przywracaniu funkcji mitochondriów. W ten sposób rozwinięta odpowiedź białkowa utrzymuje komórki w zdrowiu.

Dillin spodziewał się, że proces ten będzie zachodził wyłącznie w neuronach z uszkodzonymi mitochondriami. Zaobserwował jednak, że komórki w innych tkankach organizmu robaka również rozpoczęły reakcję naprawczą, mimo że ich mitochondria były nienaruszone.

To właśnie ta czynność naprawcza pomogła robakom żyć dłużej. Podobnie jak regularne oddawanie samochodu do mechanika, odpowiedź na rozwinięte białka zdawała się utrzymywać komórki w dobrym stanie i działać jako element przeciwdziałający starzeniu się. Zagadką pozostawało to, w jaki sposób rozwinięta odpowiedź białkowa została przekazana reszcie organizmu.

Po pewnych badaniach zespół Dillina odkrył, że mitochondria w zestresowanych neuronach wykorzystują pęcherzyki – przypominające bąbelki pojemniki, które przemieszczają materiały wokół komórki lub między komórkami – do przenoszenia sygnału zwanego Wnt poza komórki nerwowe do innych komórek w organizmie. Biolodzy już wiedzieli, że Wnt odgrywa rolę w ustalaniu wzorca ciała podczas wczesnego rozwoju embrionalnego, podczas którego uruchamia również procesy naprawcze, takie jak odpowiedź na rozwinięte białka. Mimo to, w jaki sposób sygnalizacja Wnt, gdy jest włączona u osoby dorosłej, może uniknąć aktywacji programu embrionalnego?

Dillin podejrzewał, że musiał istnieć inny sygnał, z którym Wnt wszedł w interakcję. Po dalszych pracach naukowcy odkryli, że gen ulegający ekspresji w mitochondriach linii zarodkowej – a nie w żadnym innym mitochondriu – może zakłócać procesy rozwojowe Wnt. Wynik mu to sugerował Komórki linii zarodkowej odgrywają kluczową rolę w przekazywaniu sygnału Wnt pomiędzy układem nerwowym a tkankami po całej reszcie ciała.

„Linia zarodkowa jest do tego absolutnie niezbędna” – powiedział Dillin. Nie jest jednak jasne, czy mitochondria linii zarodkowej działają jak wzmacniacze, odbierając sygnał z mitochondriów mózgu i przekazując go do innych tkanek, czy też tkanki odbierające „nasłuchują” sygnałów z obu źródeł.

Tak czy inaczej, siła sygnału linii zarodkowej reguluje długość życia organizmu, powiedział Dillin. W miarę starzenia się robaka jakość jego jaj i nasienia spada — nazywamy to tykaniem zegara biologicznego. Zasugerował, że spadek ten znajduje również odzwierciedlenie w zmieniającej się zdolności komórek rozrodczych do przekazywania sygnałów z mitochondriów mózgu. W miarę jak robak się starzeje, jego linia zarodkowa mniej skutecznie przekazuje sygnał naprawy, w związku z czym jego ciało również zanika.

Naukowcy nie wiedzą jeszcze, czy te odkrycia odnoszą się do ludzi i tego, jak się starzejemy. Mimo to hipoteza ma sens z szerszego, ewolucyjnego punktu widzenia, powiedział Dillin. Dopóki komórki rozrodcze są zdrowe, wysyłają sygnały sprzyjające przeżyciu, aby zapewnić, że organizm gospodarza przeżyje i będzie mógł się rozmnażać. Jednak w miarę pogarszania się jakości komórek rozrodczych nie ma ewolucyjnego powodu, aby dalej wydłużać życie; z punktu widzenia ewolucji życie istnieje po to, aby się rozmnażać.

Fakt, że mitochondria potrafią rozmawiać między sobą, może wydawać się nieco niepokojący, ale istnieje wyjaśnienie. Dawno temu mitochondria były wolno żyjącymi bakteriami, które połączyły siły z innym rodzajem prymitywnych komórek, aby wspólnie stworzyć coś, co stało się naszymi nowoczesnymi komórkami złożonymi. Zatem ich zdolność do komunikowania się jest prawdopodobnie pozostałością po wolno żyjącym bakteryjnym przodku mitochondriów.

„Ta mała rzecz, która tyka w komórkach od miliardów lat, wciąż zachowuje swoje bakteryjne pochodzenie” – powiedział Dillin. A jeśli jego badania nad robakami sprawdzą się w przypadku bardziej złożonych organizmów, takich jak ludzie, możliwe, że Twoje mitochondria mówią teraz o Twoim wieku.