Ce face viața să bifeze? Mitocondriile pot păstra timpul pentru celule | Revista Quanta

Așa cum oamenii din locuri diferite par să opereze în ritmuri diferite, la fel și speciile diferite. Ei îmbătrânesc la ritmul lor: unii, cum ar fi musca de fructe, se îndreaptă spre maturitate, astfel încât să se poată reproduce înainte ca sursa lor efemeră de hrană să dispară, în timp ce creaturi precum oamenii se maturizează lent de-a lungul deceniilor, în parte pentru că construirea unui creier mare și complex necesită acest lucru. Și chiar la începutul vieții unui embrion, mici modificări ale momentului când și cum se dezvoltă diferite țesuturi pot modifica dramatic forma unui organism - un mecanism pe care evoluția îl exploatează pentru a crea noi specii. Cu toate acestea, ceea ce stabilește ritmul de creștere a unui organism a rămas un mister.

„Cunoștințele noastre despre ceea ce controlează timpul de dezvoltare au rămas cu adevărat în urmă cu alte domenii ale biologiei dezvoltării”, a spus Margarete Diaz Cuadros, care conduce cercetări axate pe tempo de dezvoltare la Massachusetts General Hospital din Boston.

Biologii de dezvoltare au avut un succes extraordinar în identificarea rețele de gene reglatoare care vorbesc între ele – sisteme în cascadă de bucle de feedback care activează sau dezactivează genele exact la momentul și locul potrivit pentru a construi, să zicem, un ochi sau un picior. Dar asemănarea extrem de conservată a acestor rețele de gene între specii contrastează cu diferențe uriașe în timpul dezvoltării. Șoarecii și oamenii, de exemplu, folosesc aceleași seturi de gene pentru a crea neuroni și pentru a construi coloane. Cu toate acestea, creierul și coloana vertebrală a unui șoarece apar diferit față de cele ale unui om, deoarece momentul în care acele gene sunt active este diferit și nu este clar de ce este așa.

„Reglementarea genelor nu pare să explice totul despre sincronizarea dezvoltării”, a spus Pierre Vanderhaeghen, care studiază evoluția și dezvoltarea creierului la KU Leuven din Belgia. „Acum, acest lucru este puțin provocator pentru că într-un fel, în biologie, totul ar trebui explicat prin reglarea genelor, direct sau indirect.”

Noi explicații pentru ceea ce face viața să funcționeze apar din inovații - cum ar fi progresele în cultura de celule stem și disponibilitatea instrumentelor de manipulare a metabolismului, dezvoltate inițial pentru a studia cancerul - care le permit acum cercetătorilor să traseze și să se joace cu ritmul dezvoltării timpurii. embrioni și țesuturi mai detaliat. Într-un șir de lucrări din ultimii ani, inclusiv o publicație cheie în iunie, mai multe echipe de cercetare au convergit în mod independent către conexiuni interesante între ritmul de dezvoltare, ritmul reacțiilor biochimice și ratele de expresie a genelor care stau la baza acelor reacții biochimice.

Descoperirile lor indică un metronom comun: mitocondriile, care pot fi cronometrajul celulei, stabilind ritmul pentru o varietate de procese de dezvoltare și biochimice care creează și mențin viața.

Un neuron ține timpul

În urmă cu mai bine de un deceniu, Vanderhaeghen a făcut un experiment care a pus bazele unor studii moderne despre modul în care este păstrat tempo-ul de dezvoltare. Neurobiologul era în laboratorul său belgian creșterea celulelor stem în vase Petri și observarea cât de mult le-a luat pentru a se maturiza de la plăci celulare goale la neuroni cu drepturi depline care se conectează și comunică cu ceilalți. S-a gândit că ar putea găsi indicii despre originea și evoluția creierului uman comparând aceste celule stem de șoarece și umane pregătite să devină neuroni.

Primul lucru pe care l-a observat a fost că celulele stem de șoarece s-au diferențiat în celule mature ale creierului în aproximativ o săptămână - mai repede decât celulele stem umane, cărora le-a luat timpul să crească peste trei până la patru luni.

Dar s-ar dezvolta acele celule în același mod într-un creier în creștere, mai degrabă decât într-un vas izolat? Pentru a afla, a transplantat un neuron de șoarece într-un creier viu de șoarece. Celula a urmat aceeași cronologie ca și neuronii șoarecelui gazdă, diferențierea după aproximativ o săptămână. Apoi a încercat același lucru cu un neuron uman, implantându-l într-un creier de șoarece. Spre uimirea lui, neuronul uman și-a păstrat timpul. A durat aproape un an pentru a se maturiza, în ciuda mediului său de rozătoare.

„Asta ne-a oferit un prim răspuns important, și anume că, indiferent de mecanismul de sincronizare, o mare parte pare să fie în neuroni înșiși”, a spus Vanderhaeghen. „Chiar dacă scoateți celulele din vasul Petri și le puneți într-un alt organism, ele își vor păstra propria cronologie.”

Cu toate acestea, nu se știa practic nimic despre mecanismul celular de bază până acum câțiva ani.

Vanderhaeghen a început să se gândească de unde provin elementele de bază ale unui neuron. „Pentru a face neuroni, este ca și cum ai construi o clădire super complicată”, a spus el. „Ai nevoie de o logistică bună.” Celulele au nevoie nu doar de energie, ci și de o sursă de materii prime pentru a crește și a se diviza.

El a bănuit că mitocondriile ar putea asigura aceste blocuri. Organelele sunt cheia creșterii și metabolismului unei celule. Ei produc energie, câștigându-le porecla de „centrala electrică a celulei” și, de asemenea, produc metaboliți esențiali pentru construirea de aminoacizi și nucleotide și pentru reglarea expresiei genelor.

Viziunea clasică a mitocondriilor este că acestea nu se schimbă pe durata de viață a unei celule. „Sunt doar acest cârnați drăguț și pitoresc din celulă și oferă energie”, a spus Vanderhaeghen. Dar când el şi Ryohei Iwata, un savant postdoctoral în laboratorul său, s-a uitat mai atent la dezvoltarea neuronilor, au văzut că și mitocondriile au nevoie de timp pentru a se dezvolta.

Neuroni tineri, au raportat ei în Ştiinţă, aveau puține mitocondrii, iar cele pe care le aveau erau fragmentate și generau puțină energie. Apoi, pe măsură ce neuronii s-au maturizat, mitocondriile au crescut în număr, dimensiune și activitate metabolică. Mai mult, schimbările au avut loc mai repede la șoareci decât la oameni. În esență, sistemul a scalat: maturarea mitocondriilor a rămas sincronizată cu maturizarea neuronilor la ambele specii.

Descoperirea i-a părut importante pe Vanderhaeghen și Iwata. Și i-a făcut să se întrebe dacă mitocondriile ar putea fi ritmul liniștit al tobei care conduce la diferențele vaste de tempo de dezvoltare între specii.

Cum să crești o coloană vertebrală

Unul dintre modelele clasice de studiere a tempo-ului dezvoltării embrionare este modelarea coloanei vertebrale. Toate vertebratele au o coloană vertebrală compusă dintr-un șir de segmente vertebrale, dar speciile variază ca număr și dimensiune. Prin urmare, apare o întrebare firească cu privire la mecanismele de dezvoltare care dau naștere acestei trăsături esențiale a vertebratelor și a numeroaselor sale variații de-a lungul regnului animal.

În 1997, biologul dezvoltării Olivier Pourquié, acum la Harvard Medical School, a descoperit pentru prima dată un oscilator molecular numit ceas de segmentare care conduce mecanismul care modelează coloana vertebrală a vertebratelor. Lucrând cu embrioni de pui, echipa sa de cercetare a identificat actorii cheie care sunt exprimați ritmic în timpul formării fiecărui segment vertebral în țesutul embrionar. Ceasul de segmentare declanșează oscilații ale expresiei genelor, determinând celulele să fluctueze în răspunsul lor la un semnal de front de undă care se mișcă de la cap la coadă. Când frontul de undă întâlnește celule receptive, se formează un segment. În acest fel, mecanismul de ceas și front de undă controlează organizarea periodică a coloanei vertebrale.

Genele care orchestrează ceasul de segmentare sunt conservate între specii. Cu toate acestea, perioada de ceas - timpul dintre două vârfuri într-o oscilație - nu este. Timp de mulți ani, geneticienii în dezvoltare nu au putut explica acest lucru: nu au avut instrumentele genetice pentru a manipula exact ceasul într-un embrion în creștere. Așadar, în jurul anului 2008, Pourquié a început să dezvolte metode pentru a diseca mai bine mecanismul în laborator.

La acea vreme, „suna ca o ficțiune științifico-fantastică totală”, a spus el. Dar ideea a devenit mai plauzibilă în următorul deceniu, pe măsură ce laboratorul lui Pourquié și alții din întreaga lume au învățat să cultive celule stem embrionare și chiar să construiască organoizi — ca o retină, intestin sau mini-creier — într-o farfurie.

Pourquié și Diaz Cuadros, pe atunci studentul său absolvent, au găsit o modalitate de a reproduce ceasul în celulele stem umane și de șoarece. În experimentele timpurii, ei au observat că perioada de ceas durează aproximativ două ore la șoareci, în timp ce este nevoie de aproximativ cinci ore pentru a finaliza o oscilație în celulele umane. A fost prima dată când cineva a identificat perioada ceasului de segmentare la oameni.

Alte laboratoare au văzut, de asemenea, potențialul acestor progrese în biologia celulelor stem pentru a aborda întrebările de lungă durată despre sincronizarea dezvoltării. În 2020, două grupuri de cercetare - unul condus de Miki Ebisuya la Laboratorul European de Biologie Moleculară din Barcelona și celălalt de James Briscoe la Institutul Francis Crick din Londra - a descoperit în mod independent că procesele moleculare de bază din celulă rămân în ritm cu ritmul de dezvoltare. Au publicat studii parte by parte in Ştiinţă.

Echipa lui Ebisuya a vrut să înțeleagă diferențele în rata reacțiilor moleculare - expresia genelor și degradarea proteinelor - care conduc fiecare ciclu de ceas. Ei au descoperit că ambele procese au funcționat de două ori mai repede în celulele de șoarece decât în ​​cele umane.

Briscoe sa uitat în schimb la dezvoltarea timpurie a măduvei spinării. La fel ca și ciclul de segmentare a ceasului, procesul de diferențiere a neuronilor - inclusiv expresia secvențelor de gene și descompunerea proteinelor - a fost extins proporțional la oameni, comparativ cu șoarecii. „Este nevoie de două până la trei ori mai mult pentru a ajunge la același stadiu de dezvoltare folosind celule stem embrionare umane”, a spus Briscoe.

Era ca și cum, în interiorul fiecărei celule, un metronom ticăie. Cu fiecare balansare a pendulului, o varietate de procese celulare - expresia genelor, degradarea proteinelor, diferențierea celulelor și dezvoltarea embrionară - au ținut ritmul și au rămas la timp.

Dar a fost aceasta o regulă generală pentru toate vertebratele, dincolo de șoareci și oameni? Pentru a afla, studentul absolvent al lui Ebisuya Jorge Lázaro a creat o „grădină zoologică cu celule stem”, care găzduiește celule de la o varietate de mamifere: șoareci, iepuri, vite, rinoceri, oameni și marmosets. Când a reprodus ceasul de segmentare al fiecărei specii, a văzut că viteza reacțiilor biochimice a rămas în ritm cu perioada ceasului de segmentare în fiecare specie.

Mai mult, tempo-urile ceasului nu s-au adaptat la dimensiunea animalelor. Celulele de șoarece au oscilat mai repede decât celulele de rinocer, dar celulele umane au oscilat mai lent decât celulele de rinocer, iar celulele de marmoset au avut cele mai lente oscilații dintre toate.

Descoperirile, publicat în Cell Stem Cell în iunie, a sugerat că viteza reacțiilor biochimice ar putea fi un mecanism universal pentru reglarea timpului de dezvoltare.

Ei au depășit, de asemenea, limitele unui aspect important, dar trecut cu vederea, al dogmei centrale a biologiei moleculare. „Vorbim despre transcripție, traducere și stabilitatea proteinelor”, a spus Diaz-Cuadros. Toată lumea credea că sunt la fel la toate speciile de mamifere sau vertebrate, „dar acum ceea ce spunem este că viteza dogmei centrale este specifică speciei și cred că este destul de fascinant.”

Faceți sau spargeți o proteină

Așadar, ceasul trebuie să provină dintr-un mecanism care stabilește ritmul reacțiilor biochimice între specii. Tereza Rayon a vrut să-i descopere originile când ea observat neuronii motori care se diferențiază în laboratorul ei din Londra, unde a studiat sub Briscoe.

Ea a conceput genetic dezvoltarea neuronilor de șoarece și umani pentru a exprima proteine ​​fluorescente, care strălucește puternic atunci când sunt excitate de un laser la lungimea de undă potrivită. Apoi a urmărit proteinele introduse în timp ce se degradau. Spre surprinderea ei, aceleași proteine ​​fluorescente s-au destrămat mai repede în celulele de șoarece decât în ​​celulele umane, păstrând timpul cu dezvoltarea neuronilor. Asta i-a sugerat că ceva în mediul intracelular stabilește ritmul degradării.

„Dacă ar fi să întrebi un biolog, „Cum determinați stabilitatea unei proteine?” ți-ar spune că depinde de secvență”, a spus Rayon, care acum își conduce propriul laborator la Institutul Babraham din Cambridge, Anglia. „Cu toate acestea, am constatat că de fapt nu este cazul. Credem că ar putea fi mașina care degradează proteinele care ar putea juca un rol.”

Dar ea și grupul ei căutau doar într-un singur tip de celulă. Dacă tipurile de celule din diferite țesuturi se dezvoltă la viteze diferite, proteinele lor s-ar degrada și ele la viteze diferite?

Michael Dorrity la Laboratorul European de Biologie Moleculară din Heidelberg a cercetat această întrebare gândindu-se la modul în care temperatura afectează dezvoltarea. Multe animale, de la insecte la pești, se dezvoltă mai repede atunci când sunt crescute la temperaturi mai ridicate. În mod intrigant, el a observat că la embrionii de pește zebră crescuți într-un mediu cald, tempo-ul de dezvoltare al unor tipuri de celule a accelerat mai repede decât cel al altora.

In o preimprimare El a postat anul trecut, el a răspuns la o explicație care implică mașinile care produce și degradează proteinele. Unele tipuri de celule necesită un volum mai mare sau proteine ​​mai complexe decât altele. Ca urmare, unele tipuri de celule „pun o sarcină cronică asupra acestor mecanisme de control al calității proteinelor”, a spus el. Când temperatura crește, ei nu au capacitatea de a ține pasul cu nevoile mai mari de proteine, așa că ceasul lor intern nu reușește să accelereze și să țină pasul.

În acest sens, organismele nu mențin un singur ceas unificat, ci au multe ceasuri pentru multe țesuturi și tipuri de celule. Din punct de vedere evolutiv, aceasta nu este o eroare, ci o caracteristică: atunci când țesuturile se dezvoltă nesincron unele cu altele, părțile corpului pot crește cu ritmuri diferite - ceea ce poate duce la evoluția diverselor organisme sau chiar a unor noi specii.

Era ca și cum ar fi descoperit butonul de acordare al metronomului intern al celulei, care le permitea să accelereze sau să decelereze tempo-ul dezvoltării embrionare. „Nu sunt diferențele în arhitectura de reglementare a genelor care explică aceste diferențe de sincronizare”, a spus Pourquié. Constatările au fost publicat în Natură mai devreme anul asta.

Acest buton de reglare metabolică nu a fost limitat la embrionul în curs de dezvoltare. Între timp, Iwata și Vanderhaeghen și-au dat seama cum să folosească medicamentele și genetica pentru a se juca cu ritmul metabolic al neuronilor în maturare - un proces care, spre deosebire de ceasul de segmentare, care rulează doar câteva zile, durează multe săptămâni sau luni. Când neuronii de șoarece au fost forțați să genereze energie mai lent, neuronii s-au maturizat și ei mai lent. În schimb, prin deplasarea farmacologică a neuronilor umani către o cale mai rapidă, cercetătorii ar putea accelera maturizarea acestora. Constatările au fost publicat în Ştiinţă în ianuarie.

Pentru Vanderhaeghen, concluzia experimentelor lor este clară: „Rata metabolică determină sincronizarea dezvoltării”.

Cu toate acestea, chiar dacă metabolismul este regulatorul din amonte al tuturor celorlalte procese celulare, acele diferențe trebuie să revină la reglarea genetică. Este posibil ca mitocondriile să influențeze momentul exprimării genelor de dezvoltare sau a celor implicați în mașinile de fabricare, întreținere și reciclare a proteinelor.

O posibilitate, a speculat Vanderhaeghen, este că metaboliții din mitocondrii sunt esențiali pentru procesul care condensează sau extinde ADN-ul pliat în genomi, astfel încât să poată fi transcriși pentru a construi proteine. Poate, a sugerat el, acei metaboliți limitează rata de transcripție și stabilesc la nivel global ritmul în care rețelele de reglare a genelor sunt pornite și oprite. Aceasta este doar o idee, totuși, care necesită despachetare experimentală.

Există, de asemenea, întrebarea ce face mitocondriile să bifeze în primul rând. Diaz Cuadros crede că răspunsul trebuie să se afle în ADN: „Undeva în genomul lor, trebuie să existe o diferență de secvență între șoarece și om care codifică această diferență în rata de dezvoltare.”

„Încă nu avem idee unde este această diferență”, a spus ea. „Din păcate, suntem încă foarte departe de asta.”

Găsirea acestui răspuns poate dura timp și, la fel ca ceasul mitocondrial, progresul științific continuă la un ritm propriu.

Corecții, 18 septembrie 2023
În introducere, o propoziție a fost revizuită pentru a clarifica faptul că rata de exprimare a genelor, nu rata metabolică generală, este cea care ajută la direcționarea ritmului de dezvoltare. Articolul a fost, de asemenea, actualizat pentru a corecta speciile din grădina zoologică cu celule stem au cele mai rapide și mai lente oscilații ale ceasului de segmentare.