Що стимулює життя? Мітохондрії можуть зберігати час для клітин | Журнал Quanta

Подібно до того, як люди в різних місцях, здається, працюють у різних ритмах, так само діють і різні види. Вони старіють за власною швидкістю: деякі, як плодова мушка, мчать до зрілого віку, щоб вони могли розмножуватися, перш ніж зникне їх ефемерне джерело їжі, тоді як істоти, такі як люди, дозрівають повільно протягом десятиліть, частково тому, що цього вимагає побудова великого складного мозку. І на самому початку життя ембріона невеликі зміни в часі розвитку різних тканин можуть різко змінити форму організму — механізм, який еволюція використовує для створення нових видів. Однак те, що задає темп росту організму, залишилося загадкою.

«Наші знання про те, що контролює терміни розвитку, дійсно відстають від інших областей біології розвитку», — сказав Маргарете Діас Куадрос, який проводить дослідження, зосереджені на темпах розвитку, у Массачусетській лікарні в Бостоні.

Біологи розвитку досягли величезного успіху в ідентифікації мережі регуляторних генів які спілкуються один з одним — каскадні системи циклів зворотного зв’язку, які вмикають або вимикають гени в потрібний час і в потрібному місці, щоб побудувати, скажімо, око або ногу. Але висока збереженість подібності цих генних мереж між видами контрастує з величезними відмінностями в термінах розвитку. Миші та люди, наприклад, використовують однакові набори генів для створення нейронів і шипів. Проте мозок і хребет миші виявляються зовсім іншими, ніж у людини, тому що час, коли ці гени активні, інший, і незрозуміло, чому це так.

«Регуляція генів, здається, не пояснює все про терміни розвитку», — сказав П'єр Вандерхейген, який вивчає еволюцію та розвиток мозку в KU Leuven у Бельгії. «Тепер це трохи провокаційно, тому що в певному сенсі в біології все має пояснюватися регуляцією генів, прямо чи опосередковано».

Нові пояснення того, що турбує життя, з’являються завдяки інноваціям — таким як прогрес у культурі стовбурових клітин і доступність інструментів для маніпулювання метаболізмом, спочатку розроблених для вивчення раку — які тепер дозволяють дослідникам визначати та грати з темпами розвитку ранніх захворювань. ембріони та тканини більш детально. У серії документів за останні кілька років, в т.ч одна ключова публікація У червні кілька дослідницьких груп незалежно один від одного дійшли висновку про інтригуючі зв’язки між темпом розвитку, швидкістю біохімічних реакцій і швидкістю експресії генів, що лежить в основі цих біохімічних реакцій.

Їхні висновки вказують на загальний метроном: мітохондрії, які можуть бути хронометристами клітини, встановлюючи ритм для різноманітних процесів розвитку та біохімічних процесів, які створюють і підтримують життя.

Нейрон зберігає час

Понад десять років тому Вандерхейген провів експеримент, який заклав основу сучасних досліджень того, як підтримується темп розвитку. Був нейробіолог його бельгійська лабораторія вирощувати стовбурові клітини в чашках Петрі та спостерігати за тим, скільки часу їм знадобилося, щоб дозріти з порожніх клітинок до повноцінних нейронів, які з’єднуються та спілкуються з іншими. Він думав, що зможе знайти підказки до походження та еволюції людського мозку, порівнявши ці мишачі та людські стовбурові клітини, готові стати нейронами.

Перше, що він помітив, це те, що мишачі стовбурові клітини диференціювалися в зрілі клітини мозку приблизно за тиждень — швидше, ніж людські стовбурові клітини, для росту яких знадобилося три-чотири місяці.

Але чи розвиватимуться ці клітини однаково у зростаючому мозку, а не в ізольованій чашці? Щоб з’ясувати це, він пересадив нейрон миші в мозок живої миші. Клітина дотримувалася тієї ж шкали часу, що й нейрони миші-господаря, диференціюючись приблизно через тиждень. Потім він спробував те ж саме з людським нейроном, імплантувавши його в мозок миші. На його подив, людський нейрон тримав свій час. Йому знадобився майже рік, щоб дозріти, незважаючи на гризунє середовище.

«Це дало нам першу важливу відповідь, яка полягає в тому, що яким би не був механізм синхронізації, багато чого, здається, знаходиться в самих нейронах», — сказав Вандерхейген. «Навіть якщо ви виймете клітини з чашки Петрі та помістите їх в інший організм, вони все одно збережуть свій власний графік».

Тим не менш, практично нічого не було відомо про клітинний механізм, що лежить в основі цього, ще кілька років тому.

Вандерхейген почав думати про те, звідки беруться будівельні блоки нейрона. «Створювати нейрони — це все одно, що будувати надскладну будівлю», — сказав він. «Вам потрібна хороша логістика». Для росту та поділу клітини потребують не лише енергії, але й джерела сировини.

Він підозрював, що мітохондрії можуть забезпечити ці будівельні блоки. Органели є ключовими для росту та метаболізму клітини. Вони виробляють енергію, за що отримали прізвисько «електростанція клітини», а також виробляють метаболіти, необхідні для побудови амінокислот і нуклеотидів і для регуляції експресії генів.

Класичний погляд на мітохондрії полягає в тому, що вони не змінюються протягом життя клітини. «Вони просто гарна, мальовнича маленька сосиска в камері, і вони дають енергію», — сказав Вандерхейген. Але коли він і Рьохей Івата, постдокторант у своїй лабораторії, уважніше досліджував розвиток нейронів, вони побачили, що мітохондріям також потрібен час для розвитку.

Молоді нейрони, повідомили в наука, мало мало мітохондрій, а ті, що вони мали, були фрагментовані та виробляли мало енергії. Потім, у міру дозрівання нейронів, мітохондрії зростали в кількості, розмірі та метаболічній активності. Більше того, у мишей зміни відбувалися швидше, ніж у людей. По суті, система масштабувалася: дозрівання мітохондрій залишалося синхронізованим із дозріванням нейронів обох видів.

Відкриття вразило Вандерхейгена та Івату важливим. І це змусило їх задуматися, чи можуть мітохондрії бути тим тихим барабанним дрібом, який обумовлює великі відмінності в темпах розвитку між видами.

Як виростити хребет

Однією з класичних моделей вивчення темпів ембріонального розвитку є патернування хребта. Усі хребетні тварини мають хребет, що складається з низки хребетних сегментів, але види різняться за їх кількістю та розміром. Тому виникає природне запитання про механізми розвитку, які породжують цю важливу особливість хребетних та її численні варіації в усьому тваринному світі.

У 1997 р. біолог розвитку Олів'є Пурк'є, який тепер працює в Гарвардській медичній школі, вперше виявив молекулярний осцилятор під назвою годинник сегментації, який керує механізмом, який формує хребет хребетних. Працюючи з курячими ембріонами, його дослідницька група визначила ключові гравці, які ритмічно виражаються під час формування кожного сегмента хребта в ембріональній тканині. Годинник сегментації викликає коливання експресії генів, змушуючи клітини коливатися у своїй чутливості до сигналу хвильового фронту, який рухається від голови до хвоста. Коли хвильовий фронт зустрічає чутливі клітини, утворюється сегмент. Таким чином, механізм годинника та хвильового фронту контролює періодичну організацію хребта.

Гени, які організовують годинник сегментації, зберігаються в різних видів. Однак тактовий період — час між двома піками коливань — не є таким. Протягом багатьох років генетики розвитку не могли пояснити це: у них не було генетичних інструментів, щоб маніпулювати годинником саме у зростаючому ембріоні. Тож приблизно у 2008 році Пурк’є почав розробляти методи для кращого аналізу механізму в лабораторії.

У той час «це звучало як повна наукова фантастика», — сказав він. Але ця ідея стала більш правдоподібною протягом наступного десятиліття, коли лабораторія Пурк’є та інші в усьому світі навчилися культивувати ембріональні стовбурові клітини та навіть будують органоїди — як сітківка, кишка чи міні-мозок — у посуді.

Пурк’є та Діас Куадрос, тодішній його аспірант, знайшли спосіб відтворити годинник у стовбурових клітинах миші та людини. У ранніх експериментах вони помітили, що період годинника триває близько двох годин у мишей, тоді як для завершення коливань у клітинах людини потрібно близько п’яти годин. Це був перший раз, коли хтось визначив період сегментації годинника у людей.

Інші лабораторії також побачили потенціал цих досягнень у біології стовбурових клітин для вирішення давніх питань щодо термінів розвитку. У 2020 році дві дослідницькі групи — одна під керівництвом Мікі Ебісуя в Європейській лабораторії молекулярної біології в Барселоні та іншим Джеймс Бріско в Інституті Френсіса Кріка в Лондоні — незалежно один від одного виявили, що основні молекулярні процеси в клітині не змінюються відповідно до темпів розвитку. Вони опублікували дослідження сторона by сторона in наука.

Команда Ебісуї хотіла зрозуміти відмінності у швидкості молекулярних реакцій — експресії генів і деградації білка — які керують кожним тактом. Вони виявили, що обидва процеси працювали вдвічі швидше в мишачих клітинах, ніж у людських.

Натомість Бріско розглядав ранній розвиток спинного мозку. Подібно до тактового циклу сегментації, процес диференціації нейронів, включаючи експресію генних послідовностей і розпад білків, був пропорційно розтягнутий у людей порівняно з мишами. «Для досягнення тієї ж стадії розвитку за допомогою стовбурових клітин людського ембріона потрібно в два-три рази більше часу», — сказав Бріско.

Здавалося, ніби в кожній клітинці цокав метроном. З кожним помахом маятника різноманітні клітинні процеси — експресія генів, деградація білка, диференціювання клітин і ембріональний розвиток — усе йшло в ногу і не відставало від часу.

Але чи було це загальним правилом для всіх хребетних, крім мишей і людей? Щоб дізнатися, аспірант Ебісуя Хорхе Ласаро створив «зоопарк стовбурових клітин», де живуть клітини різних ссавців: мишей, кроликів, великої рогатої худоби, носорогів, людей і мармозеток. Коли він відтворив годинник сегментації кожного виду, він побачив, що швидкість біохімічних реакцій залишається в ритмі з періодом годинника сегментації в кожному з них.

Більше того, темп годинника не відповідав розміру тварин. Клітини миші коливалися швидше, ніж клітини носорога, але клітини людини коливалися повільніше, ніж клітини носорога, а клітини бабака мали найповільніші коливання з усіх.

Висновки, опубліковані в Клітинна стовбурова клітина у червні припустив, що швидкість біохімічних реакцій може бути універсальним механізмом регулювання часу розвитку.

Вони також розширили межі важливого, але забутого аспекту центральної догми молекулярної біології. «Ми говоримо про транскрипцію, трансляцію та стабільність білка», — сказав Діас-Куадрос. Усі думали, що вони однакові в усіх видів ссавців і хребетних, «але зараз ми говоримо, що швидкість центральної догми залежить від виду, і я думаю, що це дуже захоплююче».

Зробити або розбити білок

Таким чином, годинник має випливати з механізму, який задає темп біохімічних реакцій між видами. Тереза ​​Район хотів розкрити його походження, коли вона спостерігав за диференціацією моторних нейронів у своїй лондонській лабораторії, де вона навчалася під керівництвом Бріско.

Вона за допомогою генної інженерії розробила нейрони миші та людини для експресії флуоресцентного білка, який яскраво світиться під дією лазера з потрібною довжиною хвилі. Потім вона спостерігала, як введені білки розкладаються. На її подив, ті самі флуоресцентні білки розпадаються швидше в клітинах миші, ніж у клітинах людини, збігаючись із розвитком нейронів. Це навело їй на думку, що щось у внутрішньоклітинному середовищі задає темп деградації.

«Якби ви запитали біолога: «Як визначити стабільність білка?» вони скажуть вам, що це залежить від послідовності», – сказала Рейон, яка зараз керує власною лабораторією в Інституті Бабрагама в Кембриджі, Англія. «Однак ми виявили, що насправді це не так. Ми вважаємо, що певну роль може відіграти механізм, який розщеплює білки».

Але вона та її група шукали лише один тип камери. Якщо типи клітин у різних тканинах розвиваються з різною швидкістю, чи їхні білки також розкладаються з різною швидкістю?

Майкл Дорріті в Європейській лабораторії молекулярної біології в Гейдельберзі досліджував це питання, міркуючи про те, як температура впливає на розвиток. Багато тварин, від комах до риб, розвиваються швидше, якщо їх вирощувати при вищих температурах. Цікаво, що він спостерігав, що в ембріонах рибок даніо, вирощених у теплому середовищі, темп розвитку деяких типів клітин прискорювався швидше, ніж інших.

In препринт він опублікував минулого року, він навів пояснення механізму, який виробляє та розщеплює білки. Деяким типам клітин потрібен більший об’єм або складніші білки, ніж іншим. Як результат, деякі типи клітин хронічно «навантажують ці механізми контролю якості білка», сказав він. Коли температура підвищується, вони не в змозі задовольнити більшу потребу в білку, тому їхній внутрішній годинник не прискорюється та не встигає.

У цьому сенсі організми не підтримують єдиний єдиний годинник, але мають багато годинників для багатьох тканин і типів клітин. З точки зору еволюції, це не помилка, а особливість: коли тканини розвиваються не синхронно одна з одною, частини тіла можуть рости з різною швидкістю, що може призвести до еволюції різноманітних організмів або навіть нових видів.

Це було схоже на те, що вони відкрили ручку налаштування внутрішнього метронома клітини, яка дозволяла їм прискорювати або уповільнювати темп ембріонального розвитку. «Ці відмінності в термінах пояснюються не відмінностями в архітектурі регуляції генів», — сказав Пурк’є. Висновки були опубліковані в природа на початку цього року.

Ця ручка метаболічної настройки не обмежувалася ембріоном, що розвивається. Тим часом Івата та Вандерхейген придумали, як використовувати ліки та генетику, щоб грати з метаболічним темпом дозрівання нейронів — процесом, який, на відміну від годинника сегментації, який працює лише пару днів, займає багато тижнів або місяців. Коли мишачі нейрони були змушені генерувати енергію повільніше, нейрони також дозрівали повільніше. Навпаки, шляхом фармакологічного зміщення людських нейронів у бік швидшого шляху, дослідники можуть прискорити їх дозрівання. Висновки були опубліковані в наука у січні.

Для Вандерхейгена висновок їхніх експериментів очевидний: «Швидкість метаболізму визначає час розвитку».

Проте, навіть якщо метаболізм є головним регулятором усіх інших клітинних процесів, ці відмінності мають повернутися до генетичної регуляції. Цілком можливо, що мітохондрії впливають на терміни експресії генів розвитку або тих, які беруть участь у механізмі створення, підтримки та переробки білків.

Одна з можливостей, припустив Вандерхейген, полягає в тому, що метаболіти з мітохондрій важливі для процесу, який конденсує або розширює складену ДНК у геномах, щоб її можна було транскрибувати для побудови білків. Можливо, припустив він, ці метаболіти обмежують швидкість транскрипції та глобально встановлюють темп, з яким вмикаються та вимикаються регуляторні мережі генів. Однак це лише одна ідея, яка потребує експериментального розпакування.

Існує також питання про те, що в першу чергу змушує мітохондрії працювати. Діас Куадрос вважає, що відповідь має лежати в ДНК: «Десь у їхньому геномі має бути різниця в послідовності між мишею та людиною, яка кодує цю різницю в швидкості розвитку».

«Ми досі не знаємо, де ця різниця», — сказала вона. «На жаль, ми ще дуже далекі від цього».

Пошук цієї відповіді може зайняти час, і, як і мітохондріальний годинник, науковий прогрес рухається у власному темпі.

Виправлення, 18 вересня 2023 р
У вступі речення було переглянуто, щоб уточнити, що саме швидкість експресії генів, а не загальна швидкість метаболізму, допомагає керувати темпом розвитку. Статтю також оновлено, щоб виправити, які види в зоопарку стовбурових клітин мають найшвидші та найповільніші коливання годинника сегментації.