Vad får livet att ticka? Mitokondrier kan hålla tid för celler | Quanta Magazine

Precis som människor på olika platser verkar verka i olika rytmer, så gör också olika arter. De åldras i sin egen takt: Vissa, som fruktflugan, rasar till vuxen ålder så att de kan fortplanta sig innan deras tillfälliga födokälla försvinner, medan varelser som människor mognar långsamt under decennier, delvis för att bygga en stor, komplex hjärna kräver det. Och i början av ett embryos liv kan små justeringar i tidpunkten för när och hur olika vävnader utvecklas dramatiskt förändra en organisms form - en mekanism som evolutionen utnyttjar för att skapa nya arter. Men vad som sätter tempot för en organisms tillväxt har förblivit ett mysterium.

"Vår kunskap om vad som styr utvecklingstidpunkten har verkligen släpat efter andra områden inom utvecklingsbiologin," sa Margarete Diaz Cuadros, som leder forskning fokuserad på utvecklingstempo vid Massachusetts General Hospital i Boston.

Utvecklingsbiologer har haft enorm framgång med att identifiera nätverk av reglerande gener som pratar med varandra - kaskadsystem av återkopplingsslingor som slår på eller av gener vid exakt rätt tid och plats för att bygga, säg, ett öga eller ett ben. Men den mycket bevarade likheten i dessa gennätverk mellan arter står i kontrast till enorma skillnader i utvecklingstidpunkt. Möss och människor, till exempel, använder samma uppsättning gener för att skapa neuroner och bygga ryggrader. Ändå blir hjärnan och ryggraden hos en mus helt annorlunda än en människas, eftersom tidpunkten för när dessa gener är aktiva är annorlunda, och det är oklart varför det är så.

"Genreglering verkar inte förklara allt om utvecklingstid," sa Pierre Vanderhaeghen, som studerar hjärnans utveckling och utveckling vid KU Leuven i Belgien. "Nu är det här lite provocerande för på ett sätt, inom biologi, borde allt förklaras av genreglering, direkt eller indirekt."

Nya förklaringar till vad som får livet att ticka upp sig från innovationer – som framsteg inom stamcellsodling och tillgången på verktyg för att manipulera ämnesomsättningen, som ursprungligen utvecklades för att studera cancer – som nu gör det möjligt för forskare att kartlägga, och leka med, utvecklingstakten hos tidiga embryon och vävnader i större detalj. I en rad tidningar under de senaste åren, bl.a en nyckelpublikation i juni har flera forskarlag oberoende konvergerat om spännande samband mellan utvecklingstempo, takten i biokemiska reaktioner och hastigheten för genuttryck som ligger till grund för dessa biokemiska reaktioner.

Deras resultat pekar på en vanlig metronom: mitokondrierna, som kan vara cellens tidtagare, som sätter rytmen för en mängd olika utvecklings- och biokemiska processer som skapar och upprätthåller liv.

En neuron håller tiden

För mer än ett decennium sedan gjorde Vanderhaeghen ett experiment som lade grunden för moderna studier om hur utvecklingstempo hålls. Neurobiologen var med hans belgiska labb odla stamceller i petriskålar och observera hur lång tid det tog att mogna från cellulära blanka blad till fullfjädrade neuroner som ansluter och kommunicerar med andra. Han trodde att han kunde hitta ledtrådar till ursprunget och utvecklingen av den mänskliga hjärnan genom att jämföra dessa mus- och mänskliga stamceller förberedda för att bli neuroner.

Det första han märkte var att musstamceller differentierade till mogna hjärnceller på ungefär en vecka - snabbare än mänskliga stamceller, som tog sin tid att växa under tre till fyra månader.

Men skulle dessa celler utvecklas på samma sätt i en växande hjärna snarare än i en isolerad maträtt? För att ta reda på det transplanterade han en musneuron till en levande mushjärna. Cellen följde samma tidslinje som värdmusens neuroner, differentierade efter ungefär en vecka. Sedan försökte han samma sak med en mänsklig neuron och implanterade den i en mushjärna. Till hans förvåning höll den mänskliga neuronen sin egen tid. Det tog nästan ett år att mogna trots sin gnagarmiljö.

"Det gav oss ett första viktigt svar, vilket är att oavsett timingmekanismen verkar mycket av det vara i neuronerna själva," sa Vanderhaeghen. "Även om du tar ut cellerna ur petriskålen och lägger dem i en annan organism, kommer de fortfarande att behålla sin egen tidslinje."

Ändå var praktiskt taget ingenting känt om den underliggande cellulära mekanismen förrän för ett par år sedan.

Vanderhaeghen började fundera på varifrån en neurons byggstenar kommer. "Att göra neuroner, det är som att bygga en superkomplicerad byggnad," sa han. "Du behöver lite bra logistik." Celler behöver inte bara energi utan också en källa till råmaterial för att växa och dela sig.

Han misstänkte att mitokondrier kunde tillhandahålla dessa byggstenar. Organellerna är nyckeln till en cells tillväxt och ämnesomsättning. De producerar energi, vilket ger dem smeknamnet "cellens kraftpaket", och de producerar också metaboliter som är nödvändiga för att konstruera aminosyror och nukleotider och för att reglera genuttryck.

Den klassiska synen på mitokondrier är att de inte förändras under en cells livslängd. "De är bara den här fina, pittoreska lilla korven i cellen, och de ger energi," sa Vanderhaeghen. Men när han och Ryohei Iwata, en postdoktor i sitt labb, tittade närmare på utvecklande neuroner, såg de att mitokondrier behöver tid för att utvecklas också.

Unga neuroner, rapporterade de in Vetenskap, hade få mitokondrier, och de de hade var fragmenterade och genererade lite energi. Sedan, när neuronerna mognade, växte mitokondrierna i antal, storlek och metabolisk aktivitet. Dessutom inträffade förändringarna snabbare hos möss än hos människor. I huvudsak skalade systemet: Mognaden av mitokondrier förblev i synk med mognaden av neuroner i båda arterna.

Upptäckten slog Vanderhaeghen och Iwata som viktiga. Och det fick dem att undra om mitokondrier kunde vara det tysta trumslaget som driver de stora skillnaderna i utvecklingstempo mellan arter.

Hur man odlar en ryggrad

En av de klassiska modellerna för att studera tempot i embryonal utveckling är mönstringen av ryggraden. Alla ryggradsdjur har en ryggrad som består av en rad ryggradssegment, men arterna varierar i antal och storlek. En naturlig fråga uppstår därför om de utvecklingsmekanismer som ger upphov till detta väsentliga ryggradsdjursdrag och dess många variationer i hela djurriket.

1997, utvecklingsbiologen Olivier Pourquié, nu vid Harvard Medical School, upptäckte först en molekylär oscillator som kallas en segmenteringsklocka som driver mekanismen som mönstrar ryggraden hos ryggradsdjuren. Genom att arbeta med kycklingembryon identifierade hans forskargrupp nyckelaktörerna som uttrycks rytmiskt under bildandet av varje kotsegment i embryonal vävnad. Segmenteringsklockan utlöser svängningar av genuttryck, vilket får celler att fluktuera i sin känslighet för en vågfrontssignal som rör sig från huvud till svans. När vågfronten möter responsiva celler bildas ett segment. På detta sätt styr klocka-och-vågfrontsmekanismen den periodiska organisationen av ryggraden.

Generna som orkestrerar segmenteringsklockan bevaras över arter. Men klockperioden - tiden mellan två toppar i en svängning - är det inte. Under många år var utvecklingsgenetiker oförberedda på att förklara detta: De hade inte de genetiska verktygen för att manipulera klockan exakt i ett växande embryo. Så runt 2008 började Pourquié utveckla metoder för att bättre dissekera mekanismen i labbet.

På den tiden "lät det som total science fiction", sa han. Men idén blev mer rimlig under det följande decenniet, eftersom Pourquiés labb och andra runt om i världen lärde sig att odla embryonala stamceller och även bygga organoider — som en näthinna, tarm eller minihjärna — i en maträtt.

Pourquié och Diaz Cuadros, då hans doktorand, hittade ett sätt att reproducera klockan i mus- och mänskliga stamceller. I tidiga experiment observerade de att klockperioden går cirka två timmar i möss, medan det tar cirka fem timmar att slutföra en svängning i mänskliga celler. Det var första gången någon hade identifierat segmenteringsklockperioden hos människor.

Andra laboratorier såg också potentialen i dessa framsteg inom stamcellsbiologi för att ta itu med långvariga frågor om utvecklingstid. År 2020 två forskargrupper — en ledd av Miki Ebisuya vid European Molecular Biology Laboratory i Barcelona och den andra av James Briscoe vid Francis Crick Institute i London — självständigt upptäckt att grundläggande molekylära processer i cellen håller sig i takt med utvecklingstakten. De publicerade studier sida by sida in Vetenskap.

Ebisuyas team ville förstå skillnader i hastigheten för molekylära reaktioner - genuttryck och proteinnedbrytning - som driver varje klockcykel. De fann att båda processerna fungerade dubbelt så snabbt i musceller som i mänskliga.

Briscoe tittade istället på den tidiga utvecklingen av ryggmärgen. Liksom segmenteringsklockcykeln sträcktes neurondifferentieringsprocessen - inklusive uttrycket av gensekvenser och nedbrytningen av proteiner - proportionellt ut hos människor jämfört med möss. "Det tar två till tre gånger längre tid att komma till samma utvecklingsstadium med mänskliga embryonala stamceller," sa Briscoe.

Det var som om en metronom inuti varje cell tickade iväg. Med varje pendelsvängning höll en mängd cellulära processer - genuttryck, proteinnedbrytning, celldifferentiering och embryonal utveckling - alla jämna steg och höll sig i tid.

Men var detta en allmän regel för alla ryggradsdjur, bortom möss och människor? För att ta reda på det, Ebisuyas doktorand Jorge Lázaro skapat en "stamcellszoo", hem till celler från en mängd olika däggdjur: möss, kaniner, nötkreatur, noshörningar, människor och silkesapa. När han reproducerade segmenteringsklockan för varje art såg han att hastigheten för biokemiska reaktioner höll sig i rytm med segmenteringsklockperioden i var och en.

Dessutom anpassades inte klocktempot med djurens storlek. Musceller svängde snabbare än noshörningsceller, men mänskliga celler svängde långsammare än noshörningscellerna, och silkesapaceller hade de långsammaste svängningarna av alla.

Resultaten, som publicerades i Cell stamcell i juni, föreslog att hastigheten på biokemiska reaktioner kan vara en universell mekanism för att reglera utvecklingstiden.

De tänjde också på gränserna för en viktig men förbisedd aspekt av molekylärbiologins centrala dogm. "Vi pratar om transkription, translation och proteinstabilitet," sa Diaz-Cuadros. Alla hade trott att de var lika i alla däggdjurs- och ryggradsdjursarter, "men nu säger vi att hastigheten på den centrala dogmen är artspecifik, och jag tycker att det är ganska fascinerande."

Gör eller bryt ett protein

Klockan måste alltså härröra från en mekanism som bestämmer takten för biokemiska reaktioner mellan arter. Teresa Rayon ville avslöja dess ursprung när hon såg motorneuroner differentiera i hennes laboratorium i London, där hon studerade under Briscoe.

Hon genetiskt modifierade utvecklande mus- och mänskliga neuroner för att uttrycka fluorescerande protein, som lyser starkt när det exciteras av en laser vid rätt våglängd. Sedan såg hon de introducerade proteinerna när de bröts ned. Till hennes förvåning gick samma fluorescerande proteiner isär snabbare i musceller än i mänskliga celler, och höll tid med neuronernas utveckling. Det antydde för henne att något i den intracellulära miljön satte tempot för nedbrytningen.

"Om du skulle fråga en biolog, "Hur bestämmer du stabiliteten hos ett protein?" de skulle berätta för dig att det beror på sekvensen, säger Rayon, som nu leder sitt eget labb vid Babraham Institute i Cambridge, England. "Men vi upptäckte att så faktiskt inte är fallet. Vi tror att det kan vara maskineriet som bryter ned proteinerna som kan spela en roll."

Men hon och hennes grupp letade bara i en enda celltyp. Om celltyper i olika vävnader utvecklas i olika hastigheter, skulle deras proteiner också brytas ned i olika takt?

Michael Dorrity vid European Molecular Biology Laboratory i Heidelberg grävde i den frågan genom att fundera på hur temperaturen påverkar utvecklingen. Många djur, från insekter till fiskar, utvecklas snabbare när de föds upp vid högre temperaturer. Spännande nog observerade han att hos zebrafisk embryon som föds upp i en varm miljö, accelererade utvecklingstempot för vissa celltyper snabbare än hos andra.

In en förtryck han skrev förra året, han insjuknade på en förklaring som involverade maskineriet som tillverkar och bryter ned proteiner. Vissa celltyper kräver en större volym eller mer komplexa proteiner än andra. Som ett resultat "lägger vissa celltyper kroniskt en belastning på dessa proteinkvalitetskontrollmekanismer", sa han. När temperaturen stiger har de inte kapaciteten att hålla jämna steg med det högre proteinbehovet, och därför misslyckas deras interna klocka att snabba upp och hålla jämna steg.

I den meningen upprätthåller organismer inte en enda enhetlig klocka, utan har många klockor för många vävnader och celltyper. Evolutionärt sett är detta inte en bugg utan en funktion: När vävnader utvecklas osynkroniserade med varandra, kan kroppsdelar växa i olika takt - vilket kan leda till utvecklingen av olika organismer eller till och med nya arter.

Det var som om de hade upptäckt avstämningsratten på cellens inre metronom, som lät dem accelerera eller bromsa tempot i embryonal utveckling. "Det är inte skillnader i genens reglerande arkitektur som förklarar dessa skillnader i timing," sa Pourquié. Fynden var som publicerades i Natur tidigare i år.

Denna metaboliska inställningsknapp var inte begränsad till det utvecklande embryot. Iwata och Vanderhaeghen, under tiden, kom på hur man använder droger och genetik för att leka med det metaboliska tempot hos mogna neuroner – en process som, till skillnad från segmenteringsklockan, som bara går i ett par dagar, tar många veckor eller månader. När musneuroner tvingades generera energi långsammare, mognade neuronerna också långsammare. Omvänt, genom att farmakologiskt flytta mänskliga neuroner mot en snabbare väg, kunde forskarna påskynda sin mognad. Fynden var som publicerades i Vetenskap i januari.

För Vanderhaeghen är slutsatsen av deras experiment tydlig: "Metabolisk hastighet driver utvecklingstiming."

Ändå, även om metabolism är uppströmsregulatorn för alla andra cellulära processer, måste dessa skillnader komma tillbaka till genetisk reglering. Det är möjligt att mitokondrier påverkar tidpunkten för uttrycket av utvecklingsgener eller de som är involverade i maskineriet för att tillverka, underhålla och återvinna proteiner.

En möjlighet, spekulerade Vanderhaeghen, är att metaboliter från mitokondrierna är väsentliga för processen som kondenserar eller expanderar veckat DNA i genom så att det kan transkriberas för att bygga proteiner. Kanske, föreslog han, begränsar dessa metaboliter hastigheten för transkription och globalt sätter takten i vilken genreglerande nätverk slås på och av. Det är dock bara en idé som behöver experimentell uppackning.

Det är också frågan om vad som får mitokondrierna att ticka i första taget. Diaz Cuadros tror att svaret måste ligga i DNA: "Någonstans i deras genom måste det finnas en sekvensskillnad mellan mus och människa som kodar för skillnaden i utvecklingshastighet."

"Vi har fortfarande ingen aning om var den skillnaden är," sa hon. – Det är vi tyvärr fortfarande väldigt långt ifrån.

Att hitta det svaret kan ta tid, och precis som den mitokondriella klockan, fortskrider vetenskapliga framsteg i ett helt eget tempo.

Rättelser, 18 september 2023
I inledningen reviderades en mening för att klargöra att det är hastigheten för genuttryck, inte den totala metaboliska hastigheten, som hjälper till att styra utvecklingstakten. Artikeln uppdaterades också för att korrigera vilka arter i stamcellszoon som har de snabbaste och långsammaste segmenterings-klockoscillationerna.