Kako nam uklanjanje mitohondrija može pomoći u razumijevanju starenja i smrti stanica

Objavljeno u časopisu Cell

Njihova otkrića, objavljena u časopisu Cell, doprinose temeljnim saznanjima o ulozi mitohondrija u stanicama i evoluciji, a jednog bi dana mogla dovesti do novih tretmana za pacijente s mitohondrijskim bolestima poput Leighovog sindroma i Kearns-Sayreovog sindroma, koji mogu zahvatiti brojne organske sustave, piše Technology Networks.

„Naš novi alat omogućuje nam proučavanje kako promjene u količini mitohondrija i mitohondrijskog genoma utječu na stanice i organizme,“ rekao je dr. sc. Jun Wu, izvanredni profesor molekularne biologije na UT Southwesternu. Dr. Wu je vodio istraživanje zajedno s dr. sc. Danielom Schmitzom, bivšim doktorandom u Wu laboratoriju, a sada postdoktorskim istraživačem na Sveučilištu Kalifornije u Berkeleyju.

Mitohondriji su organeli prisutni u stanicama većine eukariotskih organizama, uključujući životinje, biljke i gljive, čije stanice sadrže jezgru i druge organele omeđene membranom. Imaju vlastiti genetski materijal koji se prenosi isključivo kroz žensku liniju vrste. Smatra se da su mitohondriji nastali kao prokariotske stanice – koje nemaju organele omeđene membranom – te da su ušle u predačke eukariotske stanice i s njima uspostavile simbiotski odnos.

"Elektrane stanica"

Istraživači odavno znaju da ti organeli služe kao „elektrane“ stanica, proizvodeći molekulu adenosin-trifosfat koja opskrbljuje energijom sve stanične procese. No, novija istraživanja pokazala su da mitohondriji izravno sudjeluju u regulaciji stanične smrti, diferencijaciji matičnih stanica u druge vrste stanica, prijenosu molekularnih signala, starenju i vremenskom usklađivanju razvoja.

Iako se čini da mitohondriji mnoge od tih uloga ostvaruju putem „međusobne komunikacije“ s DNK u staničnoj jezgri, način na koji to rade – i što se događa ako ta komunikacija prestane – ostao je nepoznat.

Kako bi odgovorili na ta pitanja, dr. Wu, dr. Schmitz i njihovi kolege iskoristili su proces poznat kao mitofagija, kojim se stanice inače rješavaju starih ili oštećenih mitohondrija. Pomoću genske manipulacije prisilili su stanice da razgrade sve mitohondrije – proces poznat kao „prisilna mitofagija“.

Pluripotentne matične stanice

Istraživači su ovaj postupak primijenili na ljudske pluripotentne matične stanice (hPSC), vrstu stanica koje se obično formiraju u ranom razvoju i mogu diferencirati u druge vrste stanica. Iako je ova promjena zaustavila diobu stanica, istraživači su neočekivano otkrili da stanice bez mitohondrija mogu preživjeti u Petrijevim zdjelicama i do pet dana. Slične rezultate postigli su s različitim vrstama mišjih matičnih stanica i hPSC s patogenom mutacijom mitohondrijske DNK, što sugerira da prisilna mitofagija može biti učinkovito sredstvo za uklanjanje mitohondrija kod različitih vrsta i tipova stanica.

Kako bi utvrdili kako uklanjanje mitohondrija utječe na hPSC, istraživači su analizirali izražaj gena u jezgri. Utvrdili su da je aktivnost 788 gena smanjena, a 1.696 povećana. Analiza pogođenih gena pokazala je da hPSC i dalje zadržavaju sposobnost formiranja drugih tipova stanica te da djelomično kompenziraju nedostatak mitohondrija, pri čemu proteini kodirani jezgrinim genima preuzimaju proizvodnju energije i druge funkcije koje obično obavljaju mitohondriji.

Zatim su, kako bi bolje razumjeli međusobnu komunikaciju mitohondrija i jezgre stanice, spojili hPSC s pluripotentnim matičnim stanicama (PSC) naših najbližih srodnika primata – uključujući čimpanze, bonobe, gorile i orangutane. Tako su nastale „kompozitne“ stanice s dvije jezgrine DNK i dva seta mitohondrija, po jedan od svake vrste. Ove kompozitne stanice selektivno su uklonile sve mitohondrije ne-ljudskih primata, ostavljajući samo ljudske mitohondrije.

Prisilna mitofagija

Zatim su, koristeći prisilnu mitofagiju, znanstvenici stvorili hPSC bez ljudskih mitohondrija i spojili ih s PSC ne-ljudskih primata, stvarajući stanice s jezgrama obje vrste, ali ovaj put s mitohondrijima samo ne-ljudskih primata. Analiza kompozitnih stanica s ljudskim ili ne-ljudskim mitohondrijima pokazala je da su mitohondriji uglavnom zamjenjivi unatoč milijunima godina evolucijskog razdvajanja, uzrokujući samo suptilne razlike u izražaju gena u zajedničkoj jezgri.

Na kraju, istraživači su proučavali kako iscrpljivanje mitohondrija može utjecati na razvoj cijelog organizma. Koristili su genetski kodiranu verziju prisilne mitofagije kako bi smanjili količinu mitohondrija u mišjim embrijima, a zatim ih implantirali u surogat-majke. Embriji koji su izgubili više od 65% svojih mitohondrija nisu se uspjeli implantirati u maternicu surogat-majke. Međutim, oni koji su izgubili oko trećine svojih mitohondrija imali su usporen razvoj, ali su do 12,5 dana nakon oplodnje nadoknadili normalan broj mitohondrija i tipični razvojni ritam.