Các tế bào trên khắp cơ thể nói chuyện với nhau về sự lão hóa | Tạp chí Quanta

Lão hóa có thể giống như một quá trình không được kiểm soát: Khi thời gian trôi qua, các tế bào và cơ thể của chúng ta chắc chắn sẽ tích tụ các vết lõm và vết lõm gây ra rối loạn chức năng, hư hỏng và cuối cùng là tử vong. Tuy nhiên, vào năm 1993, một khám phá đã đảo ngược cách giải thích các sự kiện đó. Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một đột biến ở một gen duy nhất giúp tăng gấp đôi tuổi thọ của giun; nghiên cứu tiếp theo cho thấy các gen liên quan, tất cả đều tham gia vào phản ứng với insulin, là những yếu tố chính điều chỉnh quá trình lão hóa ở nhiều loài động vật, từ giun và ruồi đến con người. Khám phá này cho thấy rằng lão hóa không phải là một quá trình ngẫu nhiên - thực ra, các gen cụ thể điều chỉnh nó - và mở ra cơ hội nghiên cứu sâu hơn về quá trình lão hóa diễn ra ở cấp độ phân tử.

Gần đây, một bộ tài liệu đã ghi lại một con đường sinh hóa mới điều chỉnh quá trình lão hóa, một con đường dựa trên các tín hiệu được truyền giữa ty thể, các bào quan được biết đến như là nhà máy điện của tế bào. Khi làm việc với giun, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng tổn thương ty thể trong tế bào não đã kích hoạt phản ứng sửa chữa sau đó được khuếch đại, gây ra các phản ứng tương tự ở ty thể trên khắp cơ thể giun. Hiệu quả của hoạt động sửa chữa này là kéo dài tuổi thọ của sinh vật: Những con giun bị tổn thương ty thể được sửa chữa sống lâu hơn 50%.

Hơn nữa, các tế bào trong dòng mầm – tế bào sản xuất trứng và tinh trùng – là trung tâm của hệ thống liên lạc chống lão hóa này. Đó là một phát hiện bổ sung thêm những khía cạnh mới cho mối lo ngại về khả năng sinh sản khi mọi người nói về sự lão hóa và “đồng hồ sinh học” của họ. Một số phát hiện đã được báo cáo trong Những tiến bộ khoa học và những thứ khác đã được đăng trên máy chủ in sẵn khoa học biorxiv.org vào mùa thu.

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên một nhóm nghiên cứu gần đây cho thấy rằng ty thể là cơ quan xã hội có thể nói chuyện với nhau ngay cả khi chúng ở trong các mô khác nhau. Về bản chất, ty thể hoạt động như bộ đàm của tế bào, gửi tin nhắn khắp cơ thể ảnh hưởng đến sự tồn tại và tuổi thọ của toàn bộ sinh vật.

“Điều quan trọng ở đây là ngoài các chương trình di truyền, còn có một yếu tố rất quan trọng để điều chỉnh quá trình lão hóa, đó là sự giao tiếp giữa các mô”, ông nói. David Vilchez, người nghiên cứu về lão hóa tại Đại học Cologne và không tham gia vào nghiên cứu mới.

Nhà sinh học tế bào Andrew Dillin đã phát hiện ra những gợi ý đầu tiên về con đường mới lạ điều chỉnh tuổi thọ này khoảng một thập kỷ trước. Anh ấy đang săn lùng các gen kéo dài sự sống trong Caenorhabd viêm Elegans giun khi ông phát hiện ra rằng việc gây tổn hại về mặt di truyền cho ty thể đã kéo dài tuổi thọ của giun thêm 50%.

Đó là bất ngờ. Dillin đã cho rằng ty thể bị khiếm khuyết sẽ đẩy nhanh cái chết hơn là kéo dài sự sống - xét cho cùng, ty thể là trung tâm của hoạt động tế bào. Tuy nhiên, vì lý do nào đó, việc tăng cường hoạt động trơn tru của ty thể đã buộc giun sống lâu hơn.

Thú vị hơn nữa là thực tế là ty thể bị hư hỏng trong hệ thống thần kinh của giun dường như đang gây ra hiệu ứng này. “Nó thực sự nói lên rằng một số ty thể quan trọng hơn những ty thể khác,” Dillin, hiện là giáo sư tại Đại học California, Berkeley, cho biết. “Các tế bào thần kinh ra lệnh điều này cho phần còn lại của cơ thể và điều đó thực sự đáng ngạc nhiên.”

Giờ đây, Dillin và nhóm của ông đã mở rộng phát hiện đó bằng cách khám phá những chi tiết mới về cách ty thể trong não giao tiếp với các tế bào trên cơ thể giun để kéo dài sự sống.

Đầu tiên, ông phải hiểu tại sao tổn thương ty thể của não lại có thể mang lại tác dụng có lợi cho cơ thể. Quá trình tạo ra năng lượng của ty thể đòi hỏi bộ máy phân tử cực kỳ phức tạp với hàng chục phần protein khác nhau. Khi mọi thứ trở nên không ổn, chẳng hạn như khi một số thành phần bị thiếu hoặc không được gấp lại, ty thể sẽ kích hoạt phản ứng căng thẳng, được gọi là phản ứng protein mở ra, cung cấp các enzym sửa chữa để giúp các phức hợp lắp ráp đúng cách và khôi phục chức năng của ty thể. Bằng cách này, phản ứng protein mở ra sẽ giúp các tế bào khỏe mạnh.

Dillin mong đợi quá trình này chỉ diễn ra bên trong các tế bào thần kinh có ty thể bị tổn thương. Tuy nhiên, ông quan sát thấy các tế bào trong các mô khác của cơ thể giun cũng bật phản ứng sửa chữa mặc dù ty thể của chúng còn nguyên vẹn.

Chính hoạt động sửa chữa này đã giúp giun sống lâu hơn. Giống như thường xuyên đưa ô tô đến thợ cơ khí, phản ứng protein mở ra dường như giữ cho các tế bào hoạt động tốt và hoạt động như một chi tiết chống lão hóa. Điều vẫn còn bí ẩn là làm thế nào phản ứng protein mở ra này được truyền đạt đến phần còn lại của sinh vật.

Sau một số cuộc điều tra, nhóm của Dillin đã phát hiện ra rằng ty thể trong các tế bào thần kinh bị căng thẳng đang sử dụng các túi - các vật chứa giống như bong bóng di chuyển vật chất xung quanh tế bào hoặc giữa các tế bào - để truyền tín hiệu gọi là Wnt vượt ra ngoài tế bào thần kinh đến các tế bào khác trong cơ thể. Các nhà sinh học đã biết rằng Wnt đóng vai trò thiết lập mô hình cơ thể trong quá trình phát triển phôi sớm, trong thời gian đó nó cũng kích hoạt các quá trình sửa chữa như phản ứng protein chưa được mở ra. Tuy nhiên, làm thế nào tín hiệu Wnt khi được bật ở người lớn có thể tránh được việc kích hoạt chương trình phôi thai?

Dillin nghi ngờ rằng phải có một tín hiệu khác mà Wnt tương tác. Sau khi nghiên cứu sâu hơn, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng một gen biểu hiện trong ty thể của dòng mầm – và không có trong ty thể nào khác – có thể làm gián đoạn quá trình phát triển của Wnt. Kết quả đó gợi ý cho anh ta rằng Tế bào mầm đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển tiếp tín hiệu Wnt giữa hệ thần kinh và các mô khắp phần còn lại của cơ thể.

“Dòng mầm thực sự cần thiết cho việc này,” Dillin nói. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ liệu ty thể của dòng mầm có hoạt động như bộ khuếch đại, nhận tín hiệu từ ty thể của não và truyền nó đến các mô khác hay không, hay liệu các mô nhận đang “lắng nghe” tín hiệu từ cả hai nguồn.

Dù bằng cách nào, cường độ tín hiệu dòng mầm sẽ điều chỉnh tuổi thọ của sinh vật, Dillin nói. Khi giun già đi, chất lượng trứng hoặc tinh trùng của nó giảm sút - điều mà chúng ta gọi là tiếng tích tắc của đồng hồ sinh học. Ông đề xuất, sự suy giảm còn được phản ánh ở khả năng thay đổi khả năng truyền tín hiệu từ ty thể của não của tế bào mầm. Khi giun lớn lên, dòng mầm của nó truyền tín hiệu sửa chữa kém hiệu quả hơn và do đó cơ thể của nó cũng suy giảm.

Các nhà khoa học vẫn chưa biết liệu những phát hiện này có áp dụng được cho con người và chúng ta già đi như thế nào hay không. Tuy nhiên, giả thuyết này có ý nghĩa nếu xét từ quan điểm tiến hóa rộng hơn, Dillin nói. Miễn là các tế bào mầm khỏe mạnh, chúng sẽ gửi tín hiệu ủng hộ sự sống sót để đảm bảo rằng sinh vật chủ của chúng sống sót để sinh sản. Nhưng khi chất lượng của tế bào mầm suy giảm, không có lý do tiến hóa nào để tiếp tục kéo dài tuổi thọ hơn nữa; từ quan điểm tiến hóa, sự sống tồn tại để tự tái tạo.

Việc các ty thể có thể nói chuyện với nhau có vẻ hơi đáng báo động, nhưng vẫn có lời giải thích. Cách đây rất lâu, ty thể là vi khuẩn sống tự do đã hợp tác với một loại tế bào nguyên thủy khác để hoạt động cùng nhau trong cái mà sau này trở thành tế bào phức hợp hiện đại của chúng ta. Vì vậy, khả năng giao tiếp của chúng có lẽ là di tích từ tổ tiên vi khuẩn sống tự do của ty thể.

Dillin nói: “Thứ nhỏ bé này đã tích tắc bên trong tế bào hàng tỷ năm vẫn giữ được nguồn gốc vi khuẩn của nó. Và nếu nghiên cứu của ông về giun phù hợp với những sinh vật phức tạp hơn như con người, thì có thể ty thể của bạn hiện đang nói về tuổi của bạn.