Co sprawia, że ​​życie tyka? Mitochondria mogą zatrzymywać czas dla komórek | Magazyn Quanta

Tak jak ludzie w różnych miejscach wydają się działać w różnym rytmie, tak samo dzieje się z różnymi gatunkami. Starzeją się w swoim własnym tempie: niektóre, jak muszka owocowa, pędzą do dorosłości, aby móc się rozmnażać, zanim zniknie ich efemeryczne źródło pożywienia, podczas gdy stworzenia takie jak ludzie dojrzewają powoli przez dziesięciolecia, po części dlatego, że wymaga tego budowa dużego, złożonego mózgu. A na samym początku życia zarodka drobne zmiany w czasie i sposobie rozwoju różnych tkanek mogą radykalnie zmienić formę organizmu – jest to mechanizm, który ewolucja wykorzystuje do tworzenia nowych gatunków. Jednak to, co wyznacza tempo wzrostu organizmu, pozostaje tajemnicą.

„Nasza wiedza na temat czynników sterujących czasem rozwoju naprawdę pozostaje w tyle za innymi obszarami biologii rozwoju” – stwierdziła Margarete Diaz Cuadros, która prowadzi badania dotyczące tempa rozwoju w Massachusetts General Hospital w Bostonie.

Biolodzy zajmujący się rozwojem odnieśli ogromny sukces w identyfikacji sieci genów regulatorowych które ze sobą rozmawiają — kaskadowe systemy pętli sprzężenia zwrotnego, które włączają i wyłączają geny dokładnie w odpowiednim czasie i miejscu, aby zbudować, powiedzmy, oko lub nogę. Jednak wysoce konserwatywne podobieństwo tych sieci genów między gatunkami kontrastuje z ogromnymi różnicami w czasie rozwoju. Na przykład myszy i ludzie używają tych samych zestawów genów do tworzenia neuronów i budowy kolców. Jednak mózg i kręgosłup myszy działają zupełnie inaczej niż u człowieka, ponieważ czas aktywacji tych genów jest inny i nie jest jasne, dlaczego tak się dzieje.

„Wydaje się, że regulacja genów nie wyjaśnia wszystkiego na temat czasu rozwoju” – stwierdził Pierre’a Vanderhaeghena, który bada ewolucję i rozwój mózgu na KU Leuven w Belgii. „To trochę prowokacyjne, ponieważ w biologii wszystko należy wyjaśniać bezpośrednio lub pośrednio poprzez regulację genów”.

Nowe wyjaśnienia tego, co sprawia, że ​​życie płynie, wyłaniają się dzięki innowacjom – takim jak postęp w hodowli komórek macierzystych i dostępność narzędzi do manipulowania metabolizmem, pierwotnie opracowanych do badania nowotworów – które obecnie umożliwiają badaczom wykresy i zabawę z tempem rozwoju wczesnych nowotworów. zarodki i tkanki bardziej szczegółowo. W szeregu artykułów z ostatnich kilku lat, m.in jedną kluczową publikację w czerwcu kilka zespołów badawczych niezależnie ustaliło intrygujące powiązania między tempem rozwoju, tempem reakcji biochemicznych i tempem ekspresji genów leżących u podstaw tych reakcji biochemicznych.

Ich odkrycia wskazują na wspólny metronom: mitochondria, które mogą pełnić funkcję strażnika czasu komórki, wyznaczającego rytm różnorodnych procesów rozwojowych i biochemicznych, które tworzą i podtrzymują życie.

Neuron utrzymuje czas

Ponad dziesięć lat temu Vanderhaeghen przeprowadził eksperyment, który położył podwaliny pod współczesne badania nad utrzymaniem tempa rozwoju. Neurobiolog był obecny jego belgijskie laboratorium hodowanie komórek macierzystych na szalkach Petriego i obserwowanie, ile czasu zajęło im dojrzewanie z pustych tablic komórkowych do pełnoprawnych neuronów łączących się i komunikujących z innymi. Pomyślał, że może znaleźć wskazówki dotyczące pochodzenia i ewolucji ludzkiego mózgu, porównując mysie i ludzkie komórki macierzyste przygotowane do przekształcenia się w neurony.

Pierwszą rzeczą, którą zauważył, było to, że mysie komórki macierzyste różnicowały się w dojrzałe komórki mózgowe w ciągu około tygodnia – szybciej niż ludzkie komórki macierzyste, których wzrost wymagał czasu przez trzy do czterech miesięcy.

Ale czy te komórki rozwijałyby się w ten sam sposób w rosnącym mózgu, a nie w izolowanym naczyniu? Aby się tego dowiedzieć, przeszczepił neuron myszy do żywego mózgu myszy. Komórka podążała tą samą linią czasu, co neurony myszy gospodarza, różnicując się po około tygodniu. Następnie spróbował tego samego z ludzkim neuronem, wszczepiając go do mózgu myszy. Ku jego zdumieniu ludzki neuron zachowywał swój własny czas. Dojrzewanie zajęło prawie rok, pomimo środowiska gryzoniowego.

„To dało nam pierwszą ważną odpowiedź, która jest taka, że ​​niezależnie od mechanizmu synchronizacji, wydaje się, że duża jego część leży w samych neuronach” – powiedział Vanderhaeghen. „Nawet jeśli wyjmiesz komórki z szalki Petriego i umieścisz je w innym organizmie, nadal zachowają one swoją własną oś czasu”.

Mimo to jeszcze kilka lat temu praktycznie nic nie było wiadomo na temat leżącego u podstaw mechanizmu komórkowego.

Vanderhaeghen zaczął zastanawiać się, skąd pochodzą elementy składowe neuronu. „Tworzenie neuronów przypomina budowanie bardzo skomplikowanego budynku” – powiedział. „Potrzebujesz dobrej logistyki”. Komórki potrzebują nie tylko energii, ale także źródła surowców, aby rosnąć i dzielić się.

Podejrzewał, że mitochondria mogą dostarczać tych elementów budulcowych. Organelle są kluczem do wzrostu i metabolizmu komórki. Wytwarzają energię, dzięki czemu zyskują przydomek „elektrowni komórki”, a także wytwarzają metabolity niezbędne do budowy aminokwasów i nukleotydów oraz do regulacji ekspresji genów.

Klasyczny pogląd na mitochondria jest taki, że nie zmieniają się one w ciągu życia komórki. „Są po prostu taką miłą, malowniczą kiełbaską w celi, która dostarcza energii” – powiedział Vanderhaeghen. Ale kiedy on i Ryohei Iwata, doktor habilitowany w swoim laboratorium, przyjrzał się bliżej rozwojowi neuronów i zauważył, że mitochondria również potrzebują czasu na rozwój.

Jak podają młode neurony nauka, miały niewiele mitochondriów, a te, które posiadały, były fragmentaryczne i wytwarzały niewiele energii. Następnie, w miarę dojrzewania neuronów, mitochondria rosły pod względem liczby, rozmiaru i aktywności metabolicznej. Co więcej, zmiany zachodziły szybciej u myszy niż u ludzi. Zasadniczo system został skalowany: dojrzewanie mitochondriów pozostawało zsynchronizowane z dojrzewaniem neuronów u obu gatunków.

Odkrycie wydało się Vanderhaeghenowi i Iwacie ważne. To sprawiło, że zaczęli się zastanawiać, czy mitochondria mogą być cichym rytmem bębna powodującym ogromne różnice w tempie rozwoju między gatunkami.

Jak wyhodować kręgosłup

Jednym z klasycznych modeli badania tempa rozwoju embrionalnego jest modelowanie kręgosłupa. Wszystkie kręgowce mają kręgosłup złożony z szeregu segmentów kręgowych, ale gatunki różnią się liczbą i rozmiarem. Powstaje zatem naturalne pytanie o mechanizmy rozwojowe, które powodują tę istotną cechę kręgowców i jej liczne odmiany w całym królestwie zwierząt.

W 1997 biolog rozwojowy Oliviera Pourquieobecnie w Harvard Medical School odkrył po raz pierwszy oscylator molekularny zwany zegarem segmentacyjnym, który napędza mechanizm kształtujący kręgosłup kręgowców. Pracując z zarodkami kurzymi, jego zespół badawczy zidentyfikował kluczowe czynniki, które ulegają rytmicznej ekspresji podczas tworzenia każdego odcinka kręgowego w tkance embrionalnej. Zegar segmentacji wyzwala oscylacje ekspresji genów, powodując wahania reakcji komórek na sygnał czoła fali, który przemieszcza się od głowy do ogona. Kiedy czoło fali napotyka reagujące komórki, tworzy się segment. W ten sposób mechanizm zegara i czoła fali kontroluje okresową organizację kręgosłupa.

Geny regulujące zegar segmentacji są zachowane u różnych gatunków. Jednak okres zegarowy – czas pomiędzy dwoma szczytami oscylacji – nie jest taki. Przez wiele lat genetycy zajmujący się rozwojem nie potrafili tego wyjaśnić: nie mieli narzędzi genetycznych umożliwiających precyzyjne manipulowanie zegarem w rosnącym embrionie. Tak więc około 2008 roku Pourquié zaczął opracowywać metody umożliwiające lepszą analizę mechanizmu w laboratorium.

„Brzmiało to wówczas jak totalna fantastyka naukowa” – stwierdził. Jednak pomysł stał się bardziej prawdopodobny w ciągu następnej dekady, gdy laboratorium Pourquié i inne laboratoria na całym świecie nauczyły się hodować embrionalne komórki macierzyste i nawet budować organoidy — jak siatkówka, jelito lub minimózg — w naczyniu.

Pourquié i Diaz Cuadros, wówczas jego student, znaleźli sposób na odtworzenie zegara w mysich i ludzkich komórkach macierzystych. We wczesnych eksperymentach zaobserwowali, że u myszy cykl zegarowy trwa około dwóch godzin, podczas gdy w komórkach ludzkich pełne oscylacje trwają około pięciu godzin. Po raz pierwszy ktoś zidentyfikował okres zegara segmentacji u ludzi.

Inne laboratoria również dostrzegły potencjał tych postępów w biologii komórek macierzystych w zakresie rozwiązywania długotrwałych pytań dotyczących czasu rozwoju. W 2020 r. dwie grupy badawcze – jedna kierowana przez Miki Ebisuya w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej w Barcelonie, a drugi przez Jamesa Briscoe w Francis Crick Institute w Londynie — niezależnie odkrył, że podstawowe procesy molekularne zachodzące w komórce dotrzymują kroku tempu rozwoju. Opublikowali badania bok by bok in nauka.

Zespół Ebisuyi chciał zrozumieć różnice w szybkości reakcji molekularnych – ekspresji genów i degradacji białek – które napędzają każdy cykl zegara. Odkryli, że oba procesy działały dwa razy szybciej w komórkach myszy niż w komórkach ludzkich.

Zamiast tego Briscoe przyjrzał się wczesnemu rozwojowi rdzenia kręgowego. Podobnie jak cykl zegara segmentacji, proces różnicowania neuronów – obejmujący ekspresję sekwencji genów i rozkład białek – był proporcjonalnie rozciągnięty u ludzi w porównaniu z myszami. „Dotarcie do tego samego etapu rozwoju przy użyciu ludzkich embrionalnych komórek macierzystych zajmuje od dwóch do trzech razy więcej czasu” – powiedział Briscoe.

To było tak, jakby w każdej komórce tykał metronom. Przy każdym wychyleniu wahadła różnorodne procesy komórkowe — ekspresja genów, degradacja białek, różnicowanie komórek i rozwój embrionalny — utrzymywały tempo i przebiegały w odpowiednim czasie.

Ale czy była to ogólna zasada obowiązująca wszystkie kręgowce, z wyjątkiem myszy i ludzi? Aby się tego dowiedzieć, absolwentka Ebisuyi Jorge Lazaro stworzył „zoo komórek macierzystych”, w którym znajdują się komórki różnych ssaków: myszy, królików, bydła, nosorożców, ludzi i marmozet. Kiedy odtworzył zegar segmentacji każdego gatunku, zauważył, że prędkość reakcji biochemicznych pozostaje w rytmie zegara segmentacji u każdego gatunku.

Co więcej, tempo zegara nie było skalowane wraz z rozmiarem zwierząt. Komórki myszy oscylowały szybciej niż komórki nosorożca, ale komórki ludzkie oscylowały wolniej niż komórki nosorożca, a komórki marmozet miały najwolniejsze ze wszystkich oscylacje.

Znaleziska, opublikowane w Komórka macierzysta komórki w czerwcu zasugerowali, że szybkość reakcji biochemicznych może być uniwersalnym mechanizmem regulującym czas rozwoju.

Przesunęli także granice ważnego, ale pomijanego aspektu głównego dogmatu biologii molekularnej. „Mówimy o transkrypcji, translacji i stabilności białek” – powiedział Diaz-Cuadros. Wszyscy myśleli, że jest tak samo u wszystkich gatunków ssaków i kręgowców, „ale teraz mówimy, że tempo wdrażania centralnego dogmatu jest specyficzne dla gatunku i myślę, że to jest całkiem fascynujące”.

Stwórz lub rozbij białko

Zegar musi zatem wynikać z mechanizmu wyznaczającego tempo reakcji biochemicznych u różnych gatunków. Teresę Rayon chciała odkryć jego pochodzenie, kiedy ona obserwował różnicowanie się neuronów ruchowych w swoim londyńskim laboratorium, gdzie studiowała pod kierunkiem Briscoe.

Zmodyfikowała genetycznie rozwijające się neurony myszy i człowieka tak, aby wyrażały białko fluorescencyjne, które świeci jasno po wzbudzeniu laserem o odpowiedniej długości fali. Następnie obserwowała, jak wprowadzone białka ulegają degradacji. Ku jej zaskoczeniu te same białka fluorescencyjne rozpadały się szybciej w komórkach myszy niż w komórkach ludzkich, dotrzymując kroku rozwojowi neuronów. To zasugerowało jej, że coś w środowisku wewnątrzkomórkowym wyznacza tempo degradacji.

„Gdybyś zapytał biologa: «Jak określić stabilność białka?» powiedzieliby ci, że wszystko zależy od sekwencji” – powiedziała Rayon, która obecnie prowadzi własne laboratorium w Instytucie Babraham w Cambridge w Anglii. „Odkryliśmy jednak, że tak nie jest. Uważamy, że rolę może odgrywać maszyna rozkładająca białka”.

Ale ona i jej grupa szukali tylko jednego typu komórek. Jeśli typy komórek w różnych tkankach rozwijają się w różnym tempie, czy ich białka również ulegają degradacji w różnym tempie?

Michaela Dorrity’ego w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej w Heidelbergu zgłębiał tę kwestię, zastanawiając się, jak temperatura wpływa na rozwój. Wiele zwierząt, od owadów po ryby, rozwija się szybciej, gdy są hodowane w wyższych temperaturach. Co ciekawe, zaobserwował, że u zarodków danio pręgowanego hodowanych w ciepłym środowisku tempo rozwoju niektórych typów komórek przyspieszało szybciej niż innych.

In wydruk wstępny w zeszłym roku opublikował post, w którym skupił się na wyjaśnieniu dotyczącym maszynerii wytwarzającej i rozkładającej białka. Niektóre typy komórek wymagają większej objętości lub bardziej złożonych białek niż inne. W rezultacie niektóre typy komórek chronicznie „obciążają mechanizmy kontroli jakości białek” – stwierdził. Kiedy temperatura wzrasta, nie są w stanie zaspokoić większego zapotrzebowania na białko, w związku z czym ich wewnętrzny zegar nie przyspiesza i nie dotrzymuje kroku.

W tym sensie organizmy nie mają jednego, jednolitego zegara, ale mają wiele zegarów dla wielu tkanek i typów komórek. Z ewolucyjnego punktu widzenia nie jest to błąd, ale cecha: gdy tkanki rozwijają się niezsynchronizowane ze sobą, części ciała mogą rosnąć w różnym tempie, co może prowadzić do ewolucji różnorodnych organizmów, a nawet nowych gatunków.

To było tak, jakby odkryli pokrętło dostrajające wewnętrzny metronom komórki, które pozwalało im przyspieszać lub zwalniać tempo rozwoju embrionalnego. „To nie różnice w architekturze regulacyjnej genów wyjaśniają te różnice w czasie” – powiedział Pourquié. Ustalenia były opublikowane w Natura wcześniej w tym roku.

To pokrętło dostrajania metabolizmu nie ograniczało się do rozwijającego się zarodka. W międzyczasie Iwata i Vanderhaeghen wymyślili, jak wykorzystać leki i genetykę, aby bawić się tempem metabolizmu dojrzewających neuronów – proces, który w przeciwieństwie do zegara segmentacji, który działa tylko przez kilka dni, trwa wiele tygodni lub miesięcy. Kiedy neurony myszy były zmuszone do wolniejszego wytwarzania energii, dojrzewały również wolniej. I odwrotnie, farmakologicznie przesuwając ludzkie neurony w stronę szybszej ścieżki, badacze mogliby przyspieszyć ich dojrzewanie. Ustalenia były opublikowane w nauka w styczniu.

Dla Vanderhaeghena wniosek z ich eksperymentów jest jasny: „Tempo metabolizmu wpływa na czas rozwoju”.

Jednak nawet jeśli metabolizm jest głównym regulatorem wszystkich innych procesów komórkowych, różnice te muszą wynikać z regulacji genetycznej. Możliwe, że mitochondria wpływają na czas ekspresji genów rozwojowych lub tych zaangażowanych w maszynerię wytwarzania, utrzymywania i recyklingu białek.

Vanderhaeghen spekuluje, że jedna z możliwości jest taka, że ​​metabolity z mitochondriów są niezbędne w procesie kondensacji lub rozszerzania złożonego DNA w genomach, dzięki czemu można go transkrybować w celu budowy białek. Być może, zasugerował, metabolity te ograniczają tempo transkrypcji i globalnie wyznaczają tempo włączania i wyłączania sieci regulacyjnych genów. To jednak tylko jeden pomysł, który wymaga eksperymentalnego rozpakowania.

Istnieje również pytanie, co w ogóle sprawia, że ​​mitochondria działają. Diaz Cuadros uważa, że ​​odpowiedź musi leżeć w DNA: „Gdzieś w ich genomie musi istnieć różnica w sekwencji między myszą a człowiekiem, która koduje tę różnicę w tempie rozwoju”.

„Nadal nie mamy pojęcia, gdzie leży ta różnica” – powiedziała. „Niestety wciąż jesteśmy od tego bardzo dalecy”.

Znalezienie odpowiedzi może zająć trochę czasu i podobnie jak zegar mitochondrialny, postęp naukowy postępuje własnym tempem.

Korekty, 18 września 2023 r
We wstępie poprawiono zdanie, aby wyjaśnić, że to tempo ekspresji genów, a nie ogólne tempo metabolizmu, pomaga kierować tempem rozwoju. Artykuł został również zaktualizowany, aby skorygować, które gatunki w zoo z komórkami macierzystymi mają najszybsze i najwolniejsze oscylacje zegara segmentacji.