Κυτταρικός μεταβολισμός:Το κλειδί για την πρώιμη ανάπτυξη και την κυτταρική μοίρα

Ένας αυξανόμενος όγκος εργασιών υποδηλώνει ότι ο μεταβολισμός των κυττάρων - οι χημικές αντιδράσεις που παρέχουν ενέργεια και δομικά υλικά - διαδραματίζει έναν ζωτικό, παραμελημένο ρόλο στα πρώτα βήματα της ζωής.

Εισαγωγή

Καθένας από εμάς ξεκινά τη ζωή ως ένα μόνο κύτταρο. Για να εξελιχθεί σε ένα πολύπλοκο, πολυκύτταρο ον, αυτό το κύτταρο πρέπει να διαιρεθεί, και μετά αυτά τα κύτταρα πρέπει να διαιρεθούν ξανά και ξανά - και μετά αυτά τα βλαστοκύτταρα αρχίζουν να εξειδικεύονται σε διαφορετικούς τύπους, με διαφορετικές μοίρες στο σώμα μας. Την πρώτη εβδομάδα, τα κύτταρά μας φτάνουν στο πρώτο τους σημείο καμπής:Πρέπει να γίνουν είτε πλακούντας είτε έμβρυο. Στη συνέχεια, στο αναπτυσσόμενο έμβρυο, τα κύτταρα σχηματίζουν τρία πρωτεύοντα στρώματα — εξώδερμα, μεσόδερμα και ενδόδερμα — τα οποία, με την πάροδο του χρόνου, γίνονται δέρμα, νευρώνες, καρδιά, έντερο κ.λπ.

Αυτοί οι προσδιορισμοί της μοίρας των κυττάρων - ποιος τύπος εξειδικευμένου κυττάρου θα γίνουν - συμβαίνουν σε στάδια σε όλη την εμβρυϊκή ανάπτυξη. Επειδή κάθε τύπος κυττάρου έχει ένα χαρακτηριστικό πρότυπο γονιδιακής δραστηριότητας, οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι οι αποφάσεις που παίρνουν τα κύτταρα υπαγορεύονται από γονίδια:συγκεκριμένα, δίκτυα γονιδίων που ενεργοποιούν και απενεργοποιούν το ένα το άλλο, ξεκινώντας έναν καταρράκτη που σχηματίζει τους σωστούς τύπους κυττάρων με τη σωστή σειρά.

Όμως τα γονίδια δεν είναι όλη η ιστορία. Νέα έρευνα έχει δείξει τον βαθμό στον οποίο ο μεταβολισμός των κυττάρων - οι χημικές αντιδράσεις μέσα σε ένα κύτταρο που παρέχουν ενέργεια και υλικά για ανάπτυξη - έχει σημαντικό, υποτιμημένο ρόλο στην κατεύθυνση της μοίρας των κυττάρων.

«Ο μεταβολισμός είναι κάτι περισσότερο από απλή φροντίδα στα βλαστοκύτταρα, ειδικά στα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα», δήλωσε ο Jan Żylicz, αναπτυξιακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης. "Είναι ένα κρίσιμο μονοπάτι που ρυθμίζει τις διαδικασίες λήψης αποφάσεων."

Κατά τη διάρκεια της στροβιλιζόμενης βιοχημικής τους δραστηριότητας, τα κύτταρα όχι μόνο παράγουν ενέργεια αλλά και συνθέτουν μεταβολίτες:μοριακά βιολογικά δομικά στοιχεία, όπως αμινοξέα, νουκλεοτίδια, υδατάνθρακες και λιπίδια. Την τελευταία ή δύο δεκαετίες, με την ανάπτυξη καλύτερων μεθόδων για τη μέτρηση των μεταβολιτών στα κύτταρα, υπήρξε ένα κύμα ενδιαφέροντος για τους διάφορους τρόπους με τους οποίους αυτά τα μικρά μόρια ρυθμίζουν τη γονιδιακή δραστηριότητα, και ειδικότερα τη μοίρα και την ανάπτυξη των κυττάρων. Τώρα, μελέτες υποδεικνύουν ότι η παρουσία ή η απουσία τους — που μπορεί να επηρεαστεί από εξωτερικούς παράγοντες, όπως το περιβάλλον και η διατροφή — μπορεί να καθορίσει την τύχη ενός κυττάρου και, με τη σειρά του, την ανάπτυξη ενός εμβρύου.

Ο αναπτυξιακός βιολόγος Jan Żylicz έχει δει πώς ένας μεμονωμένος τύπος μεταβολίτη μπορεί να αλλάξει τη μοίρα ενός κυττάρου κατά τα πρώτα στάδια της ανθρώπινης ανάπτυξης.

Ευγενική προσφορά του Jan Zylicz/UCPH, Δανία

«Πέρα από τα βιοενεργειακά, αυτά τα υποπροϊόντα του μεταβολισμού χρησιμοποιούνται επίσης για τη ρύθμιση εξειδικευμένων προγραμμάτων», όπως η διαφοροποίηση των κυττάρων και ο σχηματισμός των τριών στρωμάτων ενός εμβρύου, δήλωσε η Berna Sozen, αναπτυξιακή βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Yale που δημοσίευσε πρόσφατα έρευνα στο Nature που δείχνει πώς ο μεταβολισμός της γλυκόζης επηρεάζει τα πρώτα στάδια της εμβρυϊκής ανάπτυξης. "Οι δυνατότητες είναι τόσο συναρπαστικές. Αλλάζει πραγματικά τον τρόπο που σκεφτόμαστε την αναπτυξιακή βιολογία, τον τρόπο που σκεφτόμαστε πώς ξεκινά η δική μας ζωή."

Οι επιστήμονες παραδοσιακά πίστευαν ότι όλες οι οδηγίες που χρειάζεται ένα κύτταρο για να γίνει συγκεκριμένος τύπος κωδικοποιούνται στο DNA του. Σε αυτή την περίπτωση, όταν ένα βλαστοκύτταρο διαφοροποιείται, μέρος αυτής της εκτέλεσης περιλαμβάνει την ενεργοποίηση των γονιδίων που κωδικοποιούν τον μεταβολισμό αυτού του τύπου κυττάρου, δήλωσε ο Jared Rutter, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα. Αλλά οι μελέτες δείχνουν τώρα ότι η λειτουργία μπορεί να εκτελεστεί προς τα πίσω:Το κύτταρο ελέγχει εάν έχει τα υλικά στο περιβάλλον του. Εάν δεν μπορεί να εκτελέσει το μεταβολισμό, τότε δεν θα γίνει αυτός ο κυτταρικός τύπος, παρά τα σήματα για διαφοροποίηση. "Είναι μια επανάσταση στη σκέψη μου για το πώς ο μεταβολισμός επηρεάζει τα πράγματα", είπε ο Rutter.

Το σύνολο της εργασίας ανατρέπει τις υποθέσεις σχετικά με την καθαρή κυριαρχία των γονιδίων κατά την ανάπτυξη και μας βοηθά να κατανοήσουμε τους παράγοντες που συμβάλλουν στην επιβίωση ενός εμβρύου, στον κυτταρικό θάνατο, ακόμη και στον καρκίνο.

«Σχεδόν κάθε ερώτηση είναι στο τραπέζι», είπε η Lydia Finley, βιολόγος καρκίνου στο Memorial Sloan Kettering Cancer Center στη Νέα Υόρκη. "Το πεδίο του μεταβολισμού και της ανάπτυξης αναπτύσσεται πραγματικά τώρα, κάτι που είναι εξαιρετικά συναρπαστικό, γιατί είναι νωρίς, νωρίς."

Η Lydia Finley του Memorial Sloan Kettering Cancer Center ανακάλυψε ότι η αντικαρκινική πρωτεΐνη p53 βοηθά στην πρόληψη του καρκίνου διαχειρίζοντας τη μεταβολική κατάσταση ενός κυττάρου.

Κέντρο Καρκίνου Memorial Sloan Kettering

Πρώιμα σήματα

Ένα από τα πιο εντυπωσιακά παραδείγματα για το πώς ο μεταβολισμός μπορεί να οδηγήσει στη διαφοροποίηση των κυττάρων προέρχεται από ένα ταπεινό καλούπι λάσπης. Όταν Dictyostelium έχει άφθονα θρεπτικά συστατικά στο περιβάλλον του, αναπτύσσεται ευτυχώς και διαιρείται ως ομάδα μεμονωμένων κυττάρων. Αλλά όταν η τροφή στεγνώνει, συμβαίνει μια αλλαγή:μεμονωμένα κύτταρα συσσωματώνονται και σχηματίζουν ένα είδος πολυκύτταρου γυμνοσάλιαγκου, που σέρνεται ως ενιαία μονάδα και σχηματίζει καρποφόρα σώματα για να αναπαραχθούν. Ενώ η διαθεσιμότητα τροφής είναι το προφανές έναυσμα για την αλλαγή, μέχρι πρόσφατα κανείς δεν ήξερε πώς ακριβώς αλλάζει τη μετάβαση από τη μονοκυτταρικότητα στην πολυκύτταρη — μια μορφή μοίρας των κυττάρων — σε μοριακό επίπεδο.

Πριν από τέσσερα χρόνια, η ανοσολόγος Erika Pearce και η ομάδα της που μελετούσαν τον κυτταρικό μεταβολισμό στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins ανακάλυψαν πώς αυτός ο διακόπτης οδηγείται μεταβολικά. Υπό συνθήκες πείνας, Dictyostelium Τα μιτοχόνδρια δημιουργούν μια έκρηξη αντιδραστικών ειδών οξυγόνου - μικρά, ασταθή μόρια που μπορούν να βλάψουν τις πρωτεΐνες και το DNA και μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως μόρια σηματοδότησης. Για να προστατευθεί από τα μιτοχόνδριά του, το κύτταρο παράγει ένα αντιοξειδωτικό που ονομάζεται γλουταθειόνη.

Η γλουταθειόνη δεν βγαίνει από το πουθενά:Απαιτεί το θρεπτικό θείο. Ένα κύτταρο μούχλας που λιμοκτονεί μετατρέπει όλο το θείο του στην παραγωγή γλουταθειόνης. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει θείο για να δημιουργηθούν σύμπλοκα σιδήρου-θείου, χωρίς τα οποία το κύτταρο δεν μπορεί να δημιουργήσει νέα μιτοχόνδρια. Ως εκ τούτου, το καλούπι λάσπης «δεν έχει άλλη επιλογή από το να γίνει πολυκύτταρο», είπε ο Pearce. Δεν μπορεί πλέον να αναπτυχθεί και να εξαπλωθεί από μόνο του, γι' αυτό σχηματίζει γυμνοσάλιαγκα και ξεκινάει προς αναζήτηση τροφής.

Όταν το φαγητό είναι σπάνιο, το Dictyostelium Η μούχλα λάσπης εγκαταλείπει τον μονοκύτταρο τρόπο ζωής και μετατρέπεται σε μια αργή πολυκύτταρη μορφή με καρποφόρα σώματα (εδώ). Σε κυτταρικό επίπεδο, αυτή η αλλαγή οφείλεται στην έλλειψη ενός μόνο θρεπτικού συστατικού:του θείου.

Eye of Science/ Science Source

«Ο μεταβολισμός καθοδηγούσε ολόκληρο αυτόν τον φαινότυπο, και είτε είχατε φαγητό εκεί είτε όχι – αυτή είναι ίσως η πιο θεμελιώδης κινητήρια δύναμη», είπε ο Pearce. "Κάθε ένα από τα κύτταρά μας πιθανότατα υποβάλλεται επίσης σε αυτό."

Αυτή η ανακάλυψη έδειξε ότι η μεταβολική κατάσταση ενός κυττάρου μπορεί να πυροδοτήσει έναν καταρράκτη σηματοδότησης που αλλάζει εντελώς τη μορφή και τη συμπεριφορά ενός οργανισμού. Ωστόσο, η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο κυτταρικός μεταβολισμός μεταφράζεται σε ένα αναπτυξιακό σήμα σε οργανισμούς πιο πολύπλοκους από τα καλούπια λάσπης χρειάστηκε δουλειά δεκαετιών.

Πίσω στη δεκαετία του 1990, ο βιολόγος Navdeep Chandel ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής που εργαζόταν σε ένα μιτοχονδριακό ένζυμο που ονομάζεται οξειδάση του κυτοχρώματος c. «Ήμουν ένα νεαρό αγόρι με μεγάλη αυτοπεποίθηση που πίστευα ότι ξέρω τι κάνει η οξειδάση του κυτοχρώματος c:Παίρνει ένα ηλεκτρόνιο από το κυτόχρωμα c και το δίνει στο οξυγόνο», είπε - ένα βασικό μέρος της διαδικασίας των μιτοχονδρίων για τη δημιουργία κυτταρικής ενέργειας με τη μορφή τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP). Αλλά παραδόξως, το 1996, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι εάν το κυτόχρωμα c απελευθερωθεί από τα μιτοχόνδρια, εκπέμπει έναν καταρράκτη σημάτων που πυροδοτεί τον κυτταρικό θάνατο — επίσης ένα είδος απόφασης για την τύχη του κυττάρου.

«Έτσι [το κυτόχρωμα c] έχει μια δεύτερη λειτουργία, μια λειτουργία φεγγαρόφωτος, θα μπορούσατε να την ονομάσετε», είπε ο Chandel. Αυτός ήταν ο πρώτος υπαινιγμός ότι τα μιτοχόνδρια έκαναν περισσότερα από την απλή παροχή ATP:επηρέαζαν επίσης τη λήψη αποφάσεων στα κύτταρα. Ο Chandel, τώρα μιτοχονδριακός βιολόγος στο Northwestern University Feinberg School of Medicine, εργάζεται έκτοτε για την αποσαφήνιση της μιτοχονδριακής σηματοδότησης.

Δουλεύοντας με ανθρώπινα βλαστοκύτταρα πριν από περισσότερο από μια δεκαετία, ανακάλυψε ότι η μετάλλαξη ενός κρίσιμου μιτοχονδριακού ενζύμου εμπόδιζε τα κύτταρα να διαφοροποιηθούν σε λιποκύτταρα όπως θα έπρεπε. Το 2013, το εργαστήριό του έδειξε ότι τα αντιδραστικά είδη οξυγόνου που παράγονται από τα μιτοχόνδρια ήταν απαραίτητα σήματα στην ανάπτυξη του δέρματος του ποντικιού. Στη συνέχεια, το 2023, σε ένα πείραμα που δημοσιεύτηκε στο Nature , αυτός και η ομάδα του διαπίστωσαν ξανά ότι η εξειδίκευση των κυττάρων δεν θα μπορούσε να συμβεί χωρίς υγιή, λειτουργικά μιτοχόνδρια. Σε ένα μοντέλο ποντικού, βλαστοκύτταρα με ελαττωματικά μιτοχόνδρια απελευθέρωσαν μια απόκριση στρες - έναν καταρράκτη μοριακών σημάτων που ενεργοποίησαν γονίδια απόκρισης στρες στον πυρήνα - και στη συνέχεια τα κύτταρα σταμάτησαν, ανίκανα να γίνουν κύτταρα πνεύμονα. Οι πνεύμονες των ποντικών απέτυχαν να αναπτυχθούν και πέθαναν.

Ο Navdeep Chandel, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Northwestern, πέρασε την καριέρα του διευκρινίζοντας πώς τα μιτοχονδριακά σήματα επηρεάζουν την εξειδίκευση των κυττάρων και την ανάπτυξη των ζώων.

Βορειοδυτική Ιατρική

Η απάντηση στο στρες, κατέληξε ο Chandel, ήταν ένα μήνυμα έκτακτης ανάγκης προς τον πυρήνα να σταματήσει την ανάπτυξη όταν τα μιτοχόνδρια αντιμετώπισαν μεταβολικό πρόβλημα.

«Όταν ξεκινήσαμε αυτά τα πειράματα, οι περισσότεροι έλεγαν:«Θεέ μου, τι ανόητο πείραμα, θα αποκτήσεις νεκρά κύτταρα», είπε. "Αλλά περιμένετε. Δεν το έχουμε δει αυτό. Έχουμε δει συγκεκριμένα ελαττώματα — τα ελαττώματα δεν διαφοροποιούνται [κελιά]. Νομίζω ότι είναι πολύ ωραίο."

Τα τελευταία χρόνια, άλλα ερευνητικά προγράμματα έχουν συνδέσει ανεξάρτητα την απόκριση στρες έκτακτης ανάγκης των μιτοχονδρίων με την αποτυχία των κυττάρων να διαφοροποιηθούν. Για παράδειγμα, στις μύγες των φρούτων, ελαττώματα στα μεταβολικά ένζυμα σε ένα υποσύνολο ιστών μπορεί να πυροδοτήσουν μια απόκριση στρες που σταματά την ανάπτυξη και την ανάπτυξη ολόκληρου του ζώου. Μπλοκάροντας γενετικά την απόκριση στο στρες, οι ερευνητές αντέστρεψαν το αποτέλεσμα.

Πιο πρόσφατα, τον Φεβρουάριο του 2025 στο Science, Ο ενδοκρινολόγος Scott Soleimanpour στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν διαπίστωσε ότι σε ποντίκια με ελαττωματικά μιτοχόνδρια, τα βήτα κύτταρα (ειδικά κύτταρα που παράγουν ινσουλίνη) αποδιαφοροποιούνταν - έχασαν την ταυτότητά τους ως βήτα κύτταρα και επέστρεφαν σε μια πιο ανώριμη κατάσταση. Αναστέλλοντας την απόκριση στο στρες, η ομάδα του θα μπορούσε να κάνει τα βήτα κύτταρα να διαφοροποιηθούν εκ νέου, όπως και ο Chandel θα μπορούσε να αποκαταστήσει τα κύτταρα του πνεύμονα στα ποντίκια του, εάν κατέστειλε την απόκρισή τους στο στρες.

Οι ερευνητές γνώριζαν ήδη ότι τα μιτοχόνδρια υπό στρες μπορούν να στείλουν σήματα σε άλλα μέρη του κυττάρου. Αυτές οι μελέτες βοηθούν στην αποσαφήνιση του μηνύματος. "Το ζώο γνωρίζει ότι κάτι δεν πάει καλά σε μεταβολικό επίπεδο και εκπέμπει σήματα για να επιβραδύνει την ανάπτυξη", δήλωσε ο γενετιστής Jason Tennessen του Πανεπιστημίου της Ιντιάνα, ο οποίος ηγήθηκε των μελετών για τις μύγες των φρούτων.

Η έρευνα έχει αναστρέψει τον τρόπο με τον οποίο ο Tennessen σκέφτεται για τη σχέση μεταξύ γενετικής και μεταβολισμού. "Αντί να σκεφτόμαστε ότι τα δίκτυα έκφρασης γονιδίων απλώς αλληλεπιδρούν με τον μεταβολισμό, είναι πραγματικά ο μεταβολισμός που οδηγεί [τη λήψη αποφάσεων για την ανάπτυξη]", είπε, "και τα δίκτυα έκφρασης γονιδίων είναι τα εργαλεία με τα οποία συμβαίνει αυτό."

Αυτή η ιδέα - ότι ο μεταβολισμός των κυττάρων είναι ένα αναπόσπαστο αλλά αναγγελθέν μέρος της αναπτυξιακής διαδικασίας - δεν είναι φανταστική. Σε ένα άλλο πεδίο της βιολογίας, την επιγενετική, οι ερευνητές έχουν ήδη λεπτομερώς τη διαδικασία με την οποία οι μεταβολίτες ενεργοποιούν και απενεργοποιούν τα γονίδια. Χρειάζονταν όμως την εργασία των αναπτυξιακών βιολόγων για να συνδέσουν περισσότερες από τις κουκκίδες.

Ο Μεταβολικός Πυρήνας

Σχεδόν όλοι οι διαφορετικοί τύποι κυττάρων στο σώμα σας - ηπατικά κύτταρα, καρδιακά κύτταρα, κύτταρα δέρματος, βήτα κύτταρα και ούτω καθεξής - περιέχουν το ίδιο γονιδίωμα στους πυρήνες τους. Αυτό που τα διαφοροποιεί είναι ο τρόπος με τον οποίο ρυθμίζεται η γονιδιακή δραστηριότητα. Σε κάθε τύπο κυττάρου, ένα διαφορετικό σύνολο γονιδίων εκφράζεται για τη δημιουργία των πρωτεϊνών και του RNA που τους επιτρέπουν να λειτουργούν σωστά στους αντίστοιχους ρόλους τους σε ένα ώριμο σώμα.

Οι επιγενετιστές που μελετούν αυτή τη διαδικασία έχουν, τις τελευταίες δεκαετίες, διευκρίνισε ένα πολύπλοκο σύστημα μέσω του οποίου οι πρωτεΐνες και τα ένζυμα ενεργοποιούν ή καταστέλλουν ορισμένα γονίδια. Ο μήκους μέτρων κλώνος DNA σε κάθε κύτταρο τυλίγεται γύρω από πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες. Με τη βοήθεια συγκεκριμένων ενζύμων, μόρια που οι επιστήμονες αποκαλούν «χημικές τροποποιήσεις» ή «επιγενετικά σημάδια» προσκολλώνται στις ιστόνες και προκαλούν το DNA να ξετυλίγεται, εκθέτοντας διαφορετικά γονίδια για ενεργοποίηση. Αυτές οι τροποποιήσεις μπορούν έτσι να ενεργοποιήσουν ορισμένα γονίδια και να απενεργοποιήσουν άλλα, επηρεάζοντας τις βιοχημικές διεργασίες σε ένα κύτταρο και επομένως τις λειτουργίες που εκτελεί το κύτταρο.

Mark Belan/Quanta Magazine

«Αυτές οι χημικές τροποποιήσεις που διακοσμούν [ιστόνες] και τροποποιούν την έκφραση των γονιδίων - είναι μεταβολίτες, τελεία», είπε η Finley, η βιολόγος του καρκίνου. "Οι ίδιες οι χημικές τροποποιήσεις είναι μεταβολίτες και η αφαίρεσή τους εξαρτάται από τους μεταβολίτες."

Πριν από δεκαπέντε χρόνια, όταν η Κάθριν Γουέλεν ήταν μεταδιδακτορική μελέτη των καρκινικών κυττάρων, ανακάλυψε ότι τα επιγενετικά σημάδια στις ιστόνες αλλάζουν ως απόκριση στην παρουσία θρεπτικών συστατικών. Όταν τα τρόφιμα είναι άφθονα, τα μιτοχόνδρια παράγουν έναν μεταβολίτη που ονομάζεται ακετυλο-CoA. Διαχέεται στον πυρήνα, όπου βρίσκεται το γονιδίωμα, μέσω μεγάλων πόρων. Εκεί, τα ένζυμα διασπούν τους μεταβολίτες σε επιγενετικά σημάδια γνωστά ως ομάδες ακετυλίου και τα τοποθετούν σε ιστόνες για να ενεργοποιήσουν ένα σύνολο γονιδίων. Ωστόσο, όταν τα κύτταρα λιμοκτονούν, τα ένζυμα αφαιρούν τις ομάδες ακετυλίου. Ορισμένες από αυτές τις ομάδες ακετυλίου μετατρέπονται ξανά σε ακετυλο-CoA και καταναλώνονται για ενέργεια, ενώ άλλες ανακυκλώνονται για να ενεργοποιήσουν ένα διαφορετικό σύνολο γονιδίων.

Είναι σαφές ότι υπάρχει μεγάλη μεταβολική δραστηριότητα στον πυρήνα. Ο Wellen αναρωτήθηκε αν ο πυρήνας είχε τον δικό του μοναδικό μεταβολισμό και επομένως μπορούσε να θεωρηθεί «μεταβολικό διαμέρισμα». Σε συνεργασία με τον Nate Snyder, βιοχημικό στην Ιατρική Σχολή Lewis Katz στο Temple University, ο Wellen και άλλοι ερευνητές ανέπτυξαν νέες μεθόδους για τη μέτρηση των μεταβολιτών σε διαφορετικά μέρη του κυττάρου και είδαν ότι η μεταβολική δραστηριότητα στον πυρήνα δεν είναι ίδια με τη δραστηριότητα που εμφανίζεται αλλού.

«Αν και αυτό μπορεί να ακούγεται προφανές, δεν ήταν», είπε ο Wellen. Η μεταβολική δραστηριότητα του πυρήνα ήταν συγκεκριμένη για τις λειτουργίες σε αυτό το διαμέρισμα, συμπεριλαμβανομένης της επιγενετικής δραστηριότητας. «Υπάρχουν πολλά μεταβολικά ένζυμα που βρίσκονται στην πραγματικότητα στον πυρήνα και ρυθμίζονται δυναμικά στον πυρήνα», είπε ο Wellen, ο οποίος τώρα διευθύνει ένα εργαστήριο στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. "Ήμασταν πραγματικά ενθουσιασμένοι που το βρήκαμε."

Αυτή η ιδέα του πυρήνα ως μεταβολικού διαμερίσματος ήταν θεμελιώδης για την κατανόηση του πώς ο μεταβολισμός επηρεάζει την εμβρυϊκή ανάπτυξη. Στα πρώιμα εμβρυϊκά κύτταρα, καθώς λαμβάνονται αναπτυξιακές αποφάσεις που κατευθύνουν τα κύτταρα να γίνουν εξώδερμα, μεσόδερμα και ενδόδερμα, όλα τα επιγενετικά σημάδια στις ιστόνες επανατοποθετούνται. Μπορούν να αφαιρεθούν, να προστεθούν και να μετακινηθούν για να ενεργοποιηθούν ορισμένα γονίδια και να καταστείλουν άλλα.

«Αυτό που προκαλεί ενδιαφέρον είναι ότι όλα αυτά συνδέονται με μια μαζική συσσώρευση μεταβολικών ενζύμων στον πυρήνα», δήλωσε ο Żylicz, ο αναπτυξιακός βιολόγος. Αυτά τα ένζυμα παράγουν μόρια, τα οποία στη συνέχεια ενεργοποιούν άλλα ένζυμα που αφαιρούν επιγενετικά σημάδια και αφήνουν νέα καθώς τα κύτταρα αναπτύσσονται, διαιρούνται και παίρνουν διαφορετικές τύχες.

Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το κύτταρο μετακινεί πολλά ένζυμα από το κυτταρόπλασμα και τα μιτοχόνδρια στον πυρήνα. Με αυτόν τον τρόπο, οι μεταβολίτες που είναι απαραίτητοι για τη γονιδιακή δραστηριότητα μπορούν να παραχθούν τοπικά, στον πυρήνα, όπου χρειάζονται, είπε ο Żylicz. "Η στιγμή που επαναπρογραμματίζετε το επιγονιδίωμα - συμβαίνει να είναι την ίδια στιγμή που χρησιμοποιείτε πραγματικά αυτόν τον πυρήνα ως μεταβολικό διαμέρισμα."

Στην αρχή της ανθρώπινης ανάπτυξης, το έμβρυο είναι μια μπάλα από κύτταρα. Τα κύτταρα στο εξωτερικό σχηματίζουν τον πλακούντα. τα κύτταρα στο εσωτερικό σχηματίζουν το έμβρυο. Η κύρια διαφορά μεταξύ αυτών των δύο τύπων κυττάρων είναι στη δραστηριότητα των μεταβολικών γονιδίων. Πρόσφατα, η ομάδα του Żylicz εντόπισε διαφορές μεταξύ αυτών των κυττάρων στο άλφα-κετογλουταρικό, έναν καλά μελετημένο μεταβολίτη, και έδειξε ότι ο μεταβολίτης επιτάχυνε τη διαφοροποίηση των βλαστοκυττάρων σε κύτταρα που θα γίνουν ο πλακούντας.

Το άλφα-κετογλουταρικό όχι μόνο ελέγχει τη διαφοροποίηση στα βλαστοκύτταρα. κάνει το ίδιο στα καρκινικά κύτταρα, η ομάδα του Finley και άλλες ομάδες που βρέθηκαν πριν από μερικά χρόνια. Μελέτησαν την p53, μια πρωτεΐνη που είναι πολύ γνωστή για τις αντικαρκινικές της επιδράσεις. Το γονίδιο του είναι το πιο συχνά μεταλλαγμένο γονίδιο στον ανθρώπινο καρκίνο. Η μελέτη τους, που δημοσιεύτηκε στο Nature , διαπίστωσε ότι η ρ53 προκάλεσε τη συσσώρευση άλφα-κετογλουταρικού. αυτό το άλφα-κετογλουταρικό άλλαξε τη μοίρα των καρκινικών κυττάρων, έτσι ώστε να είναι λιγότερο πιθανό να σχηματίσουν όγκους. Αυτό ήταν εντυπωσιακό και απροσδόκητο επειδή οι ερευνητές είχαν υποθέσει ότι το p53 έχει αντικαρκινική δράση ρυθμίζοντας άμεσα τη δραστηριότητα των γονιδίων. Λειτουργεί επίσης αλλάζοντας τον μεταβολισμό.

"Αυτό είναι ιδιαίτερα συναρπαστικό γιατί αν η αλλαγή του μεταβολισμού μπορεί να αλλάξει τη μοίρα των κυττάρων με ουσιαστικό τρόπο, υπάρχει η πιθανότητα να μπορείτε να το χειριστείτε θεραπευτικά, όπου οι παρεκκλίνουσες αποφάσεις διαφοροποίησης είναι αιτίες για τη νόσο - όπως σε πολλές μορφές καρκίνου", δήλωσε ο Rutter, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Κατά κάποιο τρόπο, αυτή η αλληλεπίδραση μεταξύ μεταβολισμού και γονιδίων είναι προφανής:Γνωρίζουμε ότι η ζωή επηρεάζεται τόσο από τα γονίδιά της όσο και από το περιβάλλον της. Αυτό το νέο, συναρπαστικό πεδίο έρευνας δείχνει σε μοριακό επίπεδο πώς τα υλικά που είναι διαθέσιμα στα κύτταρά μας επηρεάζουν τη μοίρα τους και τη δική μας.

Επόμενο άρθρο

Πώς εξελίχθηκε η πολυκύτταρα ζωή;