Митохондрии являются электростанциями клетки. А для митохондрий, как и для двухколлекторных двигателей, сложенных вместе в паровозе, работа в паре имеет свои преимущества.
Новое исследование Вашингтонского университета в Сент-Луисе показывает, что когда клетки делятся быстро, их митохондрии сливаются воедино. В такой конфигурации клетка способна более эффективно использовать кислород для получения энергии. Слитые митохондрии также производят биохимический побочный продукт, аспартат, который является ключом к клеточному делению.
Об этой работе исследователей из лаборатории Гэри Патти, адъюнкт-профессора химии в области искусств и наук Майкла и Таны Пауэлл, сообщалось в недавней публикации в журнале eLife. Он освещает внутреннюю работу делящихся клеток и показывает, как митохондрии объединяются, чтобы помочь клеткам размножаться неожиданным образом.
Учитывая, что раковые клетки, как известно, делятся бешеными темпами, новые результаты могут иметь значение для диагностики и лечения рака.
«Большинство исследований пролиферирующих клеток проводится в контексте рака, когда ученые сравнивают быстрорастущую раковую ткань с нормальной тканью, окружающей опухоль, или нормальной тканью другого пациента», - сказал Конхуй Яо. кандидат наук в лаборатории Патти в Вашингтонском университете и первый автор нового исследования. «Такого рода сравнения физиологически релевантны, но имеют некоторые недостатки.
«Опухоль - очень сложная вещь не только потому, что она состоит из разных видов клеток, но и потому, что окружающая среда опухоли отличается от окружающей здоровой ткани», - добавила она.
Например, опухоль нуждается в питательных веществах для роста, но у нее нет инфраструктуры кровеносных сосудов, которая обычно снабжает другие здоровые ткани организма. В результате опухоли часто страдают от кислородного голодания.
Но даже в присутствии большого количества кислорода раковые клетки получают энергию посредством относительно неэффективного процесса ферментации. Вместо того, чтобы использовать кислород для сжигания глюкозы в митохондриях, раковые клетки используют процесс «аэробного гликолиза», который превращает их глюкозу в лактат. Этот процесс называется эффектом Варбурга.
Хотя это явление наблюдается в быстро делящихся клетках уже более 90 лет, ученые до сих пор не до конца его понимают. Самое раннее из объяснений предполагало, что митохондрии в раковых клетках повреждены таким образом, что не позволяют им нормально производить энергию.
Яо был знаком с эффектом Варбурга и его последствиями. Поэтому, когда она установила экспериментальную систему, которая позволяла ей включать и выключать деление клеток, она была удивлена, увидев, что ее делящиеся клетки потребляют много кислорода.
«Большая часть литературы предполагает, что делящиеся клетки будут делать противоположное», - сказал Яо. «Поэтому мы изучали не только то, почему наши делящиеся клетки потребляют больше кислорода, но и то, как они могут потреблять больше кислорода».
Часть красоты первоначального эксперимента Яо заключалась в его простоте: она смогла измерить метаболизм в одном конкретном типе клеток в двух различных условиях - когда клетка делилась и когда она не делилась. Именно так она смогла отточить конкретные структурные изменения в митохондриях, которые привели к наблюдаемой ею эффективности.
«Делящиеся клетки имели одинаковое количество митохондрий на белок или массу по сравнению с неделящимися клетками», - говорит Патти, чьи исследования сосредоточены на биохимических реакциях, лежащих в основе метаболизма. «Но когда мы визуализировали митохондрии в этих делящихся клетках, мы заметили, что они значительно длиннее».
Дольше, потому что некоторые смежные митохондрии слились в одну, превратив несколько смежных митохондрий в более крупные, более эффективные машины, производящие энергию.
Другой примечательной вещью, которую «мега-митохондрии» особенно хорошо создают, как обнаружил Яо, является молекула под названием аспартат, необходимая для репликации клеток.
Недавняя работа, проведенная в других лабораториях, показала нам, что одной из наиболее важных причин, по которой делящиеся клетки должны потреблять кислород, является производство аспартата. Таким образом, мы поняли, что слияние митохондрий в делящихся клетках увеличит производство аспартата, - сказал Яо.
Яо и Патти не первые, кто наблюдал слияние митохондрий. Но они одними из первых исследовали слияние митохондрий с помощью сложных метаболомных технологий, что позволило понять процесс на молекулярном уровне, связанный с делением клеток. Биохимические изменения, которые они наблюдали, могут представлять собой процессы, которые могут быть нацелены на злокачественные раковые клетки.
«Часто утверждается, что быстро делящиеся раковые клетки усиливают ферментацию за счет снижения потребления кислорода для митохондриальной активности», - сказала Патти. «Наши результаты показывают, что по крайней мере некоторые быстро делящиеся клетки усиливают оба процесса в нормальных условиях насыщения кислородом.
«Поскольку использование питательных веществ быстро делящимися раковыми клетками является основой для различных лекарств и диагностических тестов, эти результаты могут иметь важное клиническое значение и могут указывать на метаболическую уязвимость при раке», - добавила Патти.