Kaj dela življenje? Mitohondriji lahko hranijo čas za celice | Revija Quanta

Tako kot se zdi, da ljudje na različnih mestih delujejo v različnih ritmih, tako delujejo tudi različne vrste. Starajo se po svoji hitrosti: nekatere, tako kot vinska mušica, tekmujejo do zrelosti, da se lahko razmnožujejo, preden izgine njihov kratkotrajni vir hrane, medtem ko bitja, kot so ljudje, zorijo počasi skozi desetletja, deloma zato, ker to zahteva izgradnja velikih, kompleksnih možganov. In na samem začetku življenja zarodka lahko majhne spremembe v času, kdaj in kako se različna tkiva razvijejo, dramatično spremenijo obliko organizma – mehanizem, ki ga evolucija izkorišča pri ustvarjanju novih vrst. Vendar pa ostaja skrivnost, kaj določa tempo rasti organizma.

"Naše znanje o tem, kaj nadzoruje razvojni čas, resnično zaostaja za drugimi področji razvojne biologije," je dejal Margarete Diaz Cuadros, ki vodi raziskavo o tempu razvoja v Splošni bolnišnici Massachusetts v Bostonu.

Razvojni biologi so imeli izjemen uspeh pri prepoznavanju mreže regulatornih genov ki se med seboj pogovarjajo – kaskadni sistemi povratnih zank, ki vklopijo ali izklopijo gene ob točno pravem času in na pravem mestu, da zgradijo, recimo, oko ali nogo. Toda zelo ohranjena podobnost v teh genskih mrežah med vrstami je v nasprotju z velikimi razlikami v razvojnem času. Miši in ljudje na primer uporabljajo iste sklope genov za ustvarjanje nevronov in gradnjo bodic. Vendar se možgani in hrbtenica miši izkažejo precej drugače kot pri človeku, ker je čas, ko so ti geni aktivni, drugačen, in ni jasno, zakaj je tako.

"Zdi se, da regulacija genov ne pojasni vsega o časovnem razporedu razvoja," je dejal Pierre Vanderhaeghen, ki proučuje evolucijo in razvoj možganov na KU Leuven v Belgiji. "To je nekoliko provokativno, ker je na nek način v biologiji vse treba razložiti z regulacijo genov, neposredno ali posredno."

Nove razlage za to, kaj dela življenje, se pojavljajo na podlagi inovacij – kot je napredek v kulturi matičnih celic in razpoložljivost orodij za manipulacijo presnove, ki so bili prvotno razviti za preučevanje raka – ki raziskovalcem zdaj omogočajo, da načrtujejo in se poigravajo s tempo razvoja zgodnjih zarodkov in tkiv podrobneje. V nizu dokumentov v zadnjih nekaj letih, vključno z ena ključna publikacija junija je več raziskovalnih skupin neodvisno ugotovilo zanimive povezave med tempom razvoja, hitrostjo biokemičnih reakcij in stopnjami izražanja genov, na katerih temeljijo te biokemične reakcije.

Njihove ugotovitve kažejo na skupni metronom: mitohondrije, ki so lahko časomerilci celice, ki določajo ritem za različne razvojne in biokemične procese, ki ustvarjajo in ohranjajo življenje.

Nevron ohranja čas

Pred več kot desetletjem je Vanderhaeghen izvedel eksperiment, ki je postavil temelje za sodobne študije o ohranjanju razvojnega tempa. Nevrobiologinja je bila noter njegov belgijski laboratorij gojenje matičnih celic v petrijevkah in opazovanje, koliko časa je trajalo, da so dozorele iz celičnih praznih plošč v polnopravne nevrone, ki se povezujejo in komunicirajo z drugimi. Mislil je, da bi lahko našel namige o izvoru in evoluciji človeških možganov s primerjavo teh mišjih in človeških matičnih celic, pripravljenih, da postanejo nevroni.

Prva stvar, ki jo je opazil, je bila, da so se matične celice miši diferencirale v zrele možganske celice v približno enem tednu - hitreje kot človeške matične celice, ki so rasle tri do štiri mesece.

Toda ali bi se te celice razvile na enak način v rastočih možganih in ne v izolirani posodi? Da bi ugotovil, je presadil mišji nevron v žive mišje možgane. Celica je sledila isti časovni premici kot nevroni gostiteljske miši in se razlikovala po približno enem tednu. Nato je poskusil isto stvar s človeškim nevronom in ga vsadil v mišje možgane. Na njegovo presenečenje se je človeški nevron držal svojega časa. Potreboval je skoraj eno leto, da je dozorel kljub okolju, v katerem je bil glodalec.

"To nam je dalo prvi pomemben odgovor, ki je, da ne glede na časovni mehanizem se zdi, da je veliko tega v samih nevronih," je dejal Vanderhaeghen. "Tudi če vzamete celice iz petrijevke in jih postavite v drug organizem, bodo še vedno ohranile svojo časovnico."

Kljub temu do pred nekaj leti ni bilo skoraj nič znanega o osnovnem celičnem mehanizmu.

Vanderhaeghen je začel razmišljati o tem, od kod prihajajo gradniki nevrona. "Izdelati nevrone je kot zgraditi super zapleteno zgradbo," je dejal. "Potrebujete dobro logistiko." Celice za rast in delitev ne potrebujejo le energije, ampak tudi vir surovin.

Sumil je, da bi mitohondriji lahko zagotovili te gradnike. Organeli so ključni za rast in presnovo celice. Proizvajajo energijo, zaradi česar so si prislužili vzdevek »elektrarna celice«, proizvajajo pa tudi metabolite, ki so bistveni za gradnjo aminokislin in nukleotidov ter za uravnavanje izražanja genov.

Klasičen pogled na mitohondrije je, da se skozi življenjsko dobo celice ne spremenijo. "So le ta lepa, slikovita majhna klobasa v celici in zagotavljajo energijo," je dejal Vanderhaeghen. Ko pa on in Ryohei Iwata, podoktorski znanstvenik v svojem laboratoriju, podrobneje preučil razvoj nevronov, so ugotovili, da tudi mitohondriji potrebujejo čas za razvoj.

Mladi nevroni, so sporočili iz Znanost, so imeli malo mitohondrijev, tisti, ki so jih imeli, pa so bili razdrobljeni in so ustvarili malo energije. Potem, ko so nevroni dozoreli, so mitohondriji rasli v številu, velikosti in presnovni aktivnosti. Še več, spremembe so se pri miših zgodile hitreje kot pri ljudeh. V bistvu se je sistem povečal: zorenje mitohondrijev je ostalo sinhronizirano z zorenjem nevronov pri obeh vrstah.

Vanderhaeghen in Iwata sta se odkritja zdela pomembna. In zaradi tega so se spraševali, ali so lahko mitohondriji tihi bobni, ki poganjajo ogromne razlike v tempu razvoja med vrstami.

Kako zrasti hrbtenico

Eden od klasičnih modelov za preučevanje tempa embrionalnega razvoja je vzorčenje hrbtenice. Vsi vretenčarji imajo hrbtenico, sestavljeno iz niza vretenčnih segmentov, vendar se vrste razlikujejo po njihovem številu in velikosti. Zato se pojavi naravno vprašanje o razvojnih mehanizmih, ki povzročajo to bistveno lastnost vretenčarjev in njene številne različice v živalskem kraljestvu.

Leta 1997 razvojni biolog Olivier Pourquié, zdaj na medicinski šoli Harvard, je prvi odkril molekularni oscilator, imenovan segmentacijska ura, ki poganja mehanizem, ki oblikuje hrbtenico vretenčarjev. Pri delu s piščančjimi zarodki je njegova raziskovalna skupina identificirala ključne akterje, ki se ritmično izražajo med tvorbo vsakega vretenčnega segmenta v embrionalnem tkivu. Segmentacijska ura sproži nihanje izražanja genov, kar povzroči, da celice nihajo v svoji odzivnosti na signal valovne fronte, ki se premika od glave do repa. Ko valovna fronta naleti na odzivne celice, se oblikuje segment. Na ta način mehanizem ure in vala nadzoruje periodično organizacijo hrbtenice.

Geni, ki usmerjajo segmentacijsko uro, so ohranjeni med vrstami. Vendar urna doba - čas med dvema vrhovoma v nihanju - ni. Dolga leta so bili razvojni genetiki v težavah, da bi to pojasnili: niso imeli genetskih orodij, s katerimi bi natančno manipulirali z uro v rastočem zarodku. Tako je okoli leta 2008 Pourquié začel razvijati metode za boljše seciranje mehanizma v laboratoriju.

Takrat je "zvenelo kot popolna znanstvena fantastika," je dejal. Toda ideja je v naslednjem desetletju postala bolj verjetna, ko so se Pourquiéjev laboratorij in drugi po svetu naučili gojiti embrionalne izvorne celice in celo gradijo organoide — kot mrežnica, črevesje ali mini možgani — v krožniku.

Pourquié in Diaz Cuadros, takrat njegov podiplomski študent, sta našla način za reprodukcijo ure v mišjih in človeških matičnih celicah. V zgodnjih poskusih so opazili, da ura traja približno dve uri pri miših, medtem ko traja približno pet ur, da dokonča nihanje v človeških celicah. Bilo je prvič, da je kdo identificiral obdobje segmentacijske ure pri ljudeh.

Tudi drugi laboratoriji so videli potencial teh napredkov v biologiji matičnih celic za reševanje dolgotrajnih vprašanj o časovnem razporedu razvoja. V letu 2020 sta dve raziskovalni skupini – ena pod vodstvom Miki Ebisuya v Evropskem laboratoriju za molekularno biologijo v Barceloni, drugi pa ga James Briscoe na inštitutu Francis Crick v Londonu — neodvisno odkril, da osnovni molekularni procesi v celici ostajajo v koraku s hitrostjo razvoja. Objavili so študije strani by strani in Znanost.

Ebisuyina ekipa je želela razumeti razlike v hitrosti molekularnih reakcij - izražanje genov in razgradnja beljakovin - ki poganjajo vsak cikel ure. Ugotovili so, da sta oba procesa v mišjih celicah delovala dvakrat hitreje kot v človeških.

Briscoe je namesto tega pogledal na zgodnji razvoj hrbtenjače. Tako kot cikel segmentacijske ure je bil proces diferenciacije nevronov - vključno z izražanjem genskih sekvenc in razgradnjo beljakovin - pri ljudeh sorazmerno raztegnjen v primerjavi z mišmi. "Traja dva- do trikrat dlje, da pridemo do iste stopnje razvoja z uporabo izvornih celic človeških zarodkov," je dejal Briscoe.

Bilo je, kot da bi v vsaki celici tiktakal metronom. Z vsakim zamahom nihala so številni celični procesi – izražanje genov, razgradnja beljakovin, diferenciacija celic in razvoj zarodkov – vsi sledili tempu in ostajali na času.

Toda ali je bilo to splošno pravilo za vse vretenčarje, razen za miši in ljudi? Če želite izvedeti, Ebisuyin podiplomski študent Jorge Lázaro ustvarili »živalski vrt matičnih celic«, v katerem so celice različnih sesalcev: miši, zajci, govedo, nosorogi, ljudje in marmozetke. Ko je reproduciral segmentacijsko uro vsake vrste, je videl, da je hitrost biokemičnih reakcij ostala v ritmu s segmentacijsko uro pri vsaki.

Še več, tempo ure ni ustrezal velikosti živali. Mišje celice so nihale hitreje kot nosorogove celice, človeške celice pa so nihale počasneje kot nosorogove celice, celice marmozet pa so imele najpočasnejše nihanje od vseh.

ugotovitve, objavljeno v Matična matična celica junija je predlagal, da bi lahko bila hitrost biokemičnih reakcij univerzalni mehanizem za uravnavanje razvojnega časa.

Prav tako so premaknili meje pomembnega, a spregledanega vidika osrednje dogme molekularne biologije. "Govorimo o transkripciji, prevajanju in stabilnosti beljakovin," je dejal Diaz-Cuadros. Vsi so mislili, da so enaki pri vseh vrstah sesalcev ali vretenčarjev, "toda zdaj pravimo, da je hitrost osrednje dogme odvisna od vrste, in mislim, da je to zelo fascinantno."

Naredite ali zlomite beljakovino

Ura mora torej izhajati iz mehanizma, ki določa tempo biokemičnih reakcij med vrstami. Tereza Rayon želel odkriti njegov izvor, ko je opazoval diferenciacijo motoričnih nevronov v svojem londonskem laboratoriju, kjer je študirala pri Briscoeju.

Z genskim inženiringom je razvila mišje in človeške nevrone za izražanje fluorescentnega proteina, ki močno sveti, ko ga vzbuja laser na pravi valovni dolžini. Nato je opazovala, kako se vnesene beljakovine razgrajujejo. Na njeno presenečenje so iste fluorescentne beljakovine hitreje razpadle v mišjih celicah kot v človeških celicah, pri čemer so sledile razvoju nevronov. To ji je nakazalo, da nekaj v znotrajceličnem okolju določa tempo razgradnje.

"Če bi vprašali biologa," Kako določite stabilnost beljakovine? rekli bi vam, da je odvisno od zaporedja,« je povedala Rayon, ki zdaj vodi svoj laboratorij na inštitutu Babraham v Cambridgeu v Angliji. »Vendar smo ugotovili, da temu dejansko ni tako. Menimo, da bi lahko imeli vlogo stroji, ki razgrajujejo beljakovine.

Toda ona in njena skupina sta iskali samo eno vrsto celice. Če se tipi celic v različnih tkivih razvijajo z različnimi stopnjami, ali bi se tudi njihove beljakovine razgrajevale z različno hitrostjo?

Michael Dorrity v Evropskem laboratoriju za molekularno biologijo v Heidelbergu se je ukvarjal s tem vprašanjem z razmišljanjem o tem, kako temperatura vpliva na razvoj. Številne živali, od žuželk do rib, se hitreje razvijajo, če se gojijo pri višjih temperaturah. Zanimivo je, da je opazil, da se je pri zarodkih rib zebra, vzgojenih v toplem okolju, razvojni tempo nekaterih vrst celic pospešil hitreje kot drugih.

In predznak objavil lani, se je posvetil razlagi, ki vključuje stroje, ki izdelujejo in razgrajujejo beljakovine. Nekatere vrste celic potrebujejo večji volumen ali kompleksnejše beljakovine kot druge. Kot rezultat, nekateri tipi celic kronično "obremenijo te mehanizme za nadzor kakovosti beljakovin," je dejal. Ko se temperatura dvigne, nimajo zmožnosti slediti večjim potrebam po beljakovinah, zato se njihova notranja ura ne pospeši in ne sledi tempu.

V tem smislu organizmi ne vzdržujejo ene enotne ure, ampak imajo veliko ur za številna tkiva in vrste celic. Evolucijsko gledano to ni hrošč, ampak značilnost: ko se tkiva med seboj ne razvijajo, lahko deli telesa rastejo različno hitro - kar lahko privede do evolucije različnih organizmov ali celo novih vrst.

Bilo je, kot da bi odkrili gumb za uglaševanje notranjega metronoma celice, ki jim je omogočal pospešiti ali upočasniti tempo razvoja zarodka. "Razlike v regulacijski arhitekturi genov ne pojasnjujejo teh razlik v času," je dejal Pourquié. Ugotovitve so bile objavljeno v Narava v začetku tega leta.

Ta gumb za uravnavanje presnove ni bil omejen na razvijajoči se zarodek. Iwata in Vanderhaeghen sta medtem ugotovila, kako uporabiti zdravila in genetiko za igranje s presnovnim tempom zorenja nevronov - proces, ki za razliko od segmentacijske ure, ki teče le nekaj dni, traja več tednov ali mesecev. Ko so bili mišji nevroni prisiljeni počasneje ustvarjati energijo, so tudi nevroni zoreli počasneje. Nasprotno pa bi lahko raziskovalci s farmakološkim premikanjem človeških nevronov proti hitrejši poti pospešili njihovo zorenje. Ugotovitve so bile objavljeno v Znanost januarja.

Za Vanderhaeghena je zaključek njihovih poskusov jasen: "Hitrost presnove vodi razvojni čas."

Toda tudi če je metabolizem zgornji regulator vseh drugih celičnih procesov, se morajo te razlike vrniti k genetski regulaciji. Možno je, da mitohondriji vplivajo na čas izražanja razvojnih genov ali tistih, ki so vključeni v stroje za izdelavo, vzdrževanje in recikliranje beljakovin.

Vanderhaeghen je domneval, da je ena možnost, da so presnovki iz mitohondrijev bistveni za proces, ki kondenzira ali širi zloženo DNK v genomih, tako da jo je mogoče prepisati za gradnjo beljakovin. Morda, je predlagal, ti metaboliti omejujejo hitrost transkripcije in globalno določajo tempo, s katerim se vklapljajo in izklapljajo genske regulacijske mreže. Vendar je to le ena ideja, ki jo je treba poskusno razpakirati.

Postavlja se tudi vprašanje, kaj mitohondrije sploh poganja. Diaz Cuadros meni, da mora biti odgovor v DNK: "Nekje v njihovem genomu mora obstajati razlika v zaporedju med mišjo in človekom, ki kodira to razliko v stopnji razvoja."

"Še vedno nimamo pojma, kje je ta razlika," je dejala. "Na žalost smo še zelo daleč od tega."

Iskanje tega odgovora lahko traja nekaj časa in tako kot mitohondrijska ura tudi znanstveni napredek poteka z lastnim tempom.

Popravki, 18. september 2023
V uvodu je bil stavek spremenjen, da bi pojasnili, da je hitrost izražanja genov, ne celotna presnovna stopnja, tista, ki pomaga usmerjati tempo razvoja. Članek je bil tudi posodobljen, da bi popravil, katere vrste v živalskem vrtu matičnih celic imajo najhitrejšo in najpočasnejšo oscilacijo segmentacijske ure.