7 Minutės
Greitas mitochondrijų "power-up" padeda vėžio ląstelėms ištverti mechaninį stresą
Vėžio ląstelės išskiria greitą energijos protrūkį, kai jos yra fiziškai suspaustos, o tai sukelia mitochondrijų migraciją aplink branduolį ir papildomo ATP pristatymą. Šis naujai aprašytas mechanizmas, pastebėtas tiek laboratorinių eksperimentų metu, tiek pacientų biopsijose, padeda ląstelėms taisyti DNR pažeidimus ir išlikti ekstremaliomis sąlygomis.
Nature Communications paskelbtoje studijoje, atliktoje Barselonos Genominio reguliavimo centre (CRG), pranešama, kad mechaninis suvaržymas skatina akivaizdų ir labai greitą branduolio ATP padidėjimą, kurį tiekia mitochondrijos. Toks spartus atsakas, regis, apsaugo genomą, kai ląstelės mechaniniu būdu deformuojamos — pavyzdžiui, prasigrūdusios per siauromis erdvėmis naviko mikroaplinkoje arba patekusios į kraujagysles. Tai gali būti anksčiau neįvertintas faktorius, prisidedantis prie vėžio ląstelių išlikimo ir invazijos.
Eksperimentinis metodas ir pagrindiniai pastebėjimai
Tyrėjai naudojo specialiai sukurtą gyvų ląstelių mikroskopijos sistemą, kuri fiziškai suspaudžia atskiras ląsteles iki maždaug trijų mikronų pločio — tai maždaug viena trijųdešimt pagaliuko žmogaus plauko skersmens dalis. Tokiomis sąlygomis komanda stebėjo įspūdingą mitochondrijų persiorientavimą HeLa vėžio ląstelių kultūroje: organelės susitelkė aplink ir net įleidinėjo branduolį, formuodamos siaurą apskritimą, kurį autoriai pavadino branduoliui priskirtomis mitochondrijomis (angl. nucleus-associated mitochondria, NAMs).
Susiaurintoje vėžio ląstelėje mitochondrijos (rožinės spalvos) kaupiasi branduolio periferijoje (branduolys nurodytas cianine spalva) ir net branduolio „įdubose“ (įlenkimuose). Kreditas: Rito Ghose and Fabio Pezzano/Centro de Regulación Genómica. Šis vaizdas aiškiai iliustruoja, kaip organelės fiziškai prisiglaudžia prie branduolio, sudarydamos struktūras, kurios gali turėti tiesioginį poveikį vietinei energijos tiekimo dinamikai.
Norėdami patikrinti, ar toks persiskirstymas keičia branduolio energetinį foną, mokslininkai naudojo fluorescencinį ATP jutiklį, nukreiptą į branduolį. Per kelias sekundes po suspaudimo branduolio ATP signalas padidėjo maždaug 60 procentų. Šis šuolis užfiksuotas daugiau nei 80 procentų suspaustų HeLa ląstelių, tuo tarpu laisvai plūduriuojančiose, nesuspaustose ląstelėse jis praktiškai nepasireiškė, kas rodo labai greitą ir mechaniniu būdu sukeliamą metabolinį atsaką.
Kodėl branduolio ATP yra svarbus
Mechaninė branduolio deformacija sukelia fizinę įtampą kromatinui ir DNR grandinei. Dvigubos DNR grandinės pertrūkiai ir topologinė įtampa reikalauja ATP priklausomų taisymo mechanizmų — fermentų ir chromatino pergrupavimo veiklos, kurioms reikalinga energija, kad prieitų prie pažeistos DNR ir ją susiūtų. Studija parodė, kad ląstelės, patiriančios NAM skatintą ATP padidėjimą, per kelias valandas užtaisė DNR pažeidimus ir toliau dalijosi, tuo tarpu ląstelės, kurių šis atsakas buvo slopinamas, nesugebėjo efektyviai pašalinti pažeidimų ir patyrė proliferacijos sutrikimų.
Kelios suspaustos vėžio ląstelės rodinyje: mitochondrijos rodomos rožine spalva, branduolys — cianine. Ten, kur matomas mitochondrijų kaupimasis branduolio įlinkiuose, aiškiai identifikuojamas NAM reiškinys. HeLa ląstelių in vitro modelyje šio fenotipo pasireiškimo dažnis siekė 83,6 proc. Kreditas: Rito Ghose and Fabio Pezzano/Centro de Regulación Genómica. Tokie duomenys pabrėžia, kad fenomenas nėra retas laboratorinėse sąlygose ir gali būti reikšmingas biologiniu požiūriu.
Ląstelėms būtinas karkasas ir farmakologiniai bandymai
Autoriai žemėlapiavo citoskeleto ir membranų struktūras, kurios leidžia mitochondrijoms kauptis aplink branduolį. Netoli branduolio dangalo sutankėjo aktino filamentai, o endoplazminis tinklas (ER) suformavo tamprų tinklelį, kartu sulaikantį mitochondrijas prie branduolio paviršiaus. Aktino sutrikdymas naudojant latrunkuliną A išardė šį karkasą, užkirto kelią NAM formavimuisi ir panaikino ATP protrūkį — tai patvirtina, kad citoskeletas ir ER–mitochondrijų kontaktai yra esminiai mechanizme.
Toks mechanistinis paaiškinimas atveria terapinę galimybę: vietoje to, kad sistemingai slopintume mitochondrijų funkciją — kas būtų toksiška ir sveikiems audiniams — vaistai, kurie selektyviai pažeistų karkaso formavimą ar mitochondrijų pririšimą, galėtų sumažinti vėžio ląstelių atsparumą mechaniniam stresui ir apriboti invaziją. Praktikoje tai galėtų reikšti mažesnį šalutinį poveikį nei globalaus mitochondrijų inhibicija, tačiau reikės išvystyti selektyvius junginius ar biologinius agentus.
Duomenys iš pacientų mėginių ir ligos reikšmė
Norėdami patikrinti klinikinę prasmę, tyrėjai išanalizavo 17 krūties navikų biopsijų iš pacientų. NAM tipo mitochondrijų halojai pasirodė dažniau invaziniuose naviko frontuose (5,4 proc. branduolių) nei tankiame naviko centre (1,8 proc.) — maždaug trigubas padidėjimas, atitinkantis hipotezę, kad šis mechanizmas palengvina invaziją. Nors bendra teigiamų branduolių dalis audinyje yra nedidelė, erdvinis išsidėstymas invaziniuose frontuose patvirtina, kad NAMs įsijungia ten, kur mechaninės užduotys yra didžiausios.
Autoriai pabrėžia, kad mechanizmas nebūtinai yra būdingas tik vėžiui. Daugelis ląstelių tipų susiduria su mechaniniais iššūkiais — imuninės ląstelės prasigrūda per limfmazgius, migruojančios neuronų ląstelės keičiasi forma, embrionų ląstelės formuoja audinius — ir jos gali naudoti panašų lokalaus ATP tiekimo mechanizmą, siekdamos išsaugoti genomo integralumą esant stresui. Todėl tyrimo reikšmė gali būti platesnė nei vien onkologija, apimanti fundamentalią ląstelės adaptaciją į fizinius iššūkius.
Pasekmės vėžio metastazei ir terapijai
Šis atradimas peržiūrėja mitochondrijų, kaip dinamiškų reagentuojančių organelių, suvokimą: jos gali būti greitai mobilizuojamos į poreikio taškus, o ne tik pasyvios ląstelės „baterijos“. Onkologijos kontekste pasekmės yra dviem planais: pirma, NAM inicijuojami ATP protrūkiai gali padėti cirkuliuojančioms arba invazuojančioms vėžio ląstelėms įveikti mechaninius metastazių iššūkius; antra, molekulinė mašina, kuri sukuria NAMs, yra potenciali pažeidžiamybė. Tikslinant aktino pagrindu veikiančius karkasus, ER–mitochondrijų kontaktus arba signalus, kurie inicijuoja mitochondrijų persikėlimą, galima sumažinti metastazines ląstelių savybes, galbūt su mažesne sistemine toksinėmis pasekmėmis nei globalūs mitochondrijų inhibitoriai.
Pagrindiniai autoriai ir bendradarbiai išskyrė šį konceptualų poslinkį: „Tai verčia mus kitaip pažvelgti į mitochondrijų vaidmenį žmogaus organizme. Jos nėra statinės baterijos, kurios paprasčiausiai tiekia energiją ląstelėms, o labiau judrūs pirmieji reagentai, kuriuos galima pakviesti ekstremaliose situacijose, kai ląstelės tiesiogine prasme yra spaudžiamos iki ribos,“ sakė bendraautorė ir korespondentė Dr. Sara Sdelci. Vienas iš pirmųjų autorių, Dr. Fabio Pezzano, pridūrė: „Tai aiškus ženklas, kad ląstelės adaptuojasi prie įtampos ir persitvarko savo metabolizmą.“
Bendraautorius ir pirmasis autorius Dr. Ritobrata (Rito) Ghose pažymėjo, kad NAM buvimas pacientų biopsijose sustiprino atradimo klinikinę reikšmę: stebėjimas „ant žemės“, už laboratorijos ribų, įtikino komandą, jog fenomenas iš tiesų svarbus navikams. Bendraautorius ir korespondentas Dr. Verena Ruprecht siūlė, kad mechaninių streso atsakų tyrinėjimas yra palyginti mažai ištirtas vėžio biologijos aspektas, kuris gali atverti naujus terapinius kelius.
Ekspertų įžvalga
"Šis darbas elegantiškai sujungia mechanines jėgas su subceliuline energijos perskirstymo ir DNR taisymo mechanika," teigia ląstelių biologė Dr. Elaine Morgan (fiktyvus ekspertas), tyrinėjanti citoskeleto mechaniką. "Jei sugebėsime apibrėžti molekulinius trosus, kurie pritvirtina mitochondrijas suspaudimo metu, gali būti įmanoma sukurti mažas molekules arba biologinius preparatus, kurie selektyviai blokuoja tą persikėlimą navikų ląstelėse, nepažeisdami sisteminio metabolizmo. Tai būtų didžiulis žingsnis anti-metastazinės terapijos link."
Išvada
Nucleus-associated mitochondria (NAMs) ir jų greitas ATP tiekiamasis mechanizmas mechaninio suvaržymo metu atskleidžia naują ląstelės adaptacijos sluoksnį. Tiesiogiai tiekiant energiją branduoliui, mitochondrijos padeda palaikyti genomo vientisumą esant fiziniam stresui — ypatybei, kurią vėžio ląstelės išnaudoja išlikimui ir invazijai. Žemėlapiuojant struktūrinius ir signalinius šio atsako komponentus, identifikuojami potencialūs taikiniai metastazės ribojimui, tuo pačiu saugant normalius audinius. Tolimesni tyrimai turės nustatyti, kiek plačiai NAM formavimasis pasitaiko skirtinguose ląstelių tipuose ir ar galima sukurti selektyvius inhibitorių tipus, kurie saugiai užblokuotų šį mechaninį išlikimo perjungiklį vėžio ląstelėse.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą