Page 1Rectangle 52 Przejdź do treści
Esther Landhuis / QuantaMagazine.org

Tajemna moc komórkowego kubła na śmieci

Roberto Zoncu, Sabatini Lab, Whitehead Institute
Tajemna moc komórkowego kubła na śmieci
Tajemna moc komórkowego kubła na śmieci

Latem 2008 roku na konferencji zorganizowanej w stanie Maine biochemik David Sabatini przedstawił wstępne, niepublikowane wcześniej wyniki badań, które przeprowadził w Whitehead Institute for Biomedical Research. Prezentacja nie poszła dobrze. Zespół Sabatiniego próbował między innymi ustalić, gdzie w komórkach gromadzi się kinaza mTOR. Informacja ta pozwoliłaby wyjaśnić, dlaczego wywiera ona tak ogromny wpływ na różne procesy rozwoju komórek. Sęk w tym, że z referatu wynikało, iż kinaza mTOR jest rozmieszczona na powierzchni organelli zwanych lizosomami.

Publiczność zareagowała dość sceptycznie. „Kolejne osoby wstawały i mówiły mi: «David, to nie ma sensu, przecież lizosom to tylko taki komórkowy kubeł na śmieci. Po co komórka miałaby go w taki sposób dekorować?»”, opowiada Sabatini.

Od tamtej prezentacji minęło dziewięć lat i lizosomy zaskarbiły sobie większy szacunek. Kolejne badania wykazały, że pełnią też inne funkcje – przede wszystkim dostarczają jądru komórkowemu niezwykle ważnych informacji, które mają wpływ na ekspresję genów. Dowodem zmiany statusu lizosomów była IV Konferencja Gordon Reseach na temat chorób lizosomalnych, zorganizowana w dniach 5-10 marca 2017 w Bardze we Włoszech. Ponadto w październiku zeszłego roku na łamach „Annual Reviews of Cell and Developmental Biology” ukazał się artykuł "The Lysosome as a Regulatory Hub". Autorzy, Rishika Perera i Roberto Zoncu, naukowcy z San Francisco Bay Area, podkreślali, że w świetle niedawnych odkryć „lizosomów nie traktuje się już jako katabolicznego ślepego zaułka, lecz jako niezwykle istotny węzeł sygnałowy, co ma doniosłe konsekwencje dla naszej wiedzy o logice metabolizmu, zarówno patologicznego, jak i przebiegającego prawidłowo”.

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Okazało się, że lizosom gromadzi informacje metaboliczne z całej komórki i przekazuje je jądru. Jest niczym wścibski śmieciarz, który grzebie w kuble i poznaje sekrety wszystkich lokatorów domu. Bada cząsteczkowe odpadki, dzięki czemu zyskuje wyjątkową wiedzę. Bez owej wiedzy niektóre wyrafinowane funkcje kontrolne, pełnione przez jądro, nie byłyby możliwe.

Lizosomy odkryto w latach 50. XX wieku. Belgijski biochemik Christian de Duve pracował nad oczyszczeniem białek występujących w szczurzych wątrobach, gdy pewnego razu natknął się na wewnątrzkomórkowe struktury przypominające kształtem worek. Nazwał je greckim słowem oznaczającym „ciało trawiące”, gdyż zawartość owego worka miała odczyn silnie kwaśny, a do tego znajdowały się w nim enzymy zdolne rozłożyć praktycznie rzecz biorąc dowolną biomolekułę. W 1974 roku De Duve otrzymał za swe odkrycie nagrodę Nobla. Biolodzy nie darzyli jednak nowo poznanego organellum szczególnym entuzjazmem. Zoncu, biochemik z University of California w Berkeley przypomina, że lizosomy nazywano „komórkowymi śmietnikami i uważano je za nieinteresujące”.

Oczywiście wszyscy zdawali sobie sprawę, że lizosomy pełnią zasadniczą funkcję – wszak systemy trawienia i wydalania są niezwykle ważne. Lizosomy odpowiadają za rozkładanie uszkodzonych, zdeformowanych, nadmiarowych lub niepożądanych białek i organelli, a także niepotrzebnych cukrów i tłuszczy. Jeśli na skutek wady genetycznej nie wytarzaają wszystkich swoich sześćdziesięciu kilku enzymów, w komórce zaczynają się gromadzić niechciane substancje. Określa się to mianem lizosomalnych chorób spichrzeniowych; do owego grona zaliczają się na przykład choroba Taya-Sachsa lub choroba Niemanna-Picka. Ponadto seria eksperymentów przeprowadzonych przez Yoshinoriego Ohsumi na Uniwersytecie Tokijskim i w japońskim Narodowym Instytucie Biologii Podstawowej wykazała w latach 90., że lizosomy przyczyniają się też do niezwykle istotnych procesów autofagii, dzięki czemu w razie potrzeby komórka może wykorzystać własne organella jako źródło rozmaitych zasobów a także walczyć z chorobami i starzeniem się. W 2016 Oshumi dostał Nobla – był to drugi przypadek, gdy nagrodę przyznano badaczowi zajmującemu się skromnym komórkowym śmietnikiem.

W latach 80., kiedy Andrea Ballabio, późniejszy założyciel Telethon Institute of Genetics and Medicine w Neapolu, zaczynał swą karierę, uczeni interesowali się głównie tym, co dzieje się wewnątrz lizosomów. Ballabio wspomina, że skupiano się jedynie na chorobach, na na przykład identyfikowano enzymy, których brak powodował konkretne lizosomalne choroby spichrzeniowe.

Andrea Ballabio również badał pewną chorobę lizosomalną. Do jej objawów należało łuszczenie się skóry, sztywnienie stawów, drgawki i upośledzenia rozwoju. Powodem, jak ustalono, była mutacja genu, który odgrywa zasadniczą funkcję w aktywacji grupy enzymów zwanych sulfatazami (wiele z nich to enzymy lizosomalne).

Między innymi za sprawą tego odkrycia Ballabio nabrał przekonania, że w komórkach z pewnością działają systemy, które pobudzają aktywność lizosomów, a także, że lizosomów przybywa, jeśli przybywa komórkowych śmieci. Uczony uznał, że „wymagałoby to skomplikowanej koordynacji działania różnych genów”, zabrał się więc za poszukiwanie głównych regulatorów genowych.

W 2009 roku udało się poznać jeden z nich: czynnik transkrypcyjny EB. Jest to białko wiążące DNA w jądrze komórkowym, które reguluje działanie wielu genów odpowiedzialnych za lizosomy.

Nie wiedziano z początku, skąd czynnik transkrypcyjny EB zna potrzeby komórki. Odpowiedzi dostarczyły badania pierwotnie nic wspólnego z lizosomami.

Węzeł sygnalizacyjny

Roberto Zoncu zaczął staż podoktorski w laboratorium Sabatiniego w 2008 roku. Lizosomy niespecjalnie się dlań liczyły. Laboratorium skupiało się (i tak jest do dziś) na kinazie mTOR, zwanej ssaczym celem rapamycyny, którą Sabatini odkrył w 1994 roku. Kinaza ta przewija się w wielu chorobach, między innymi w nowotworach i cukrzycy. W zaskakująco różnych okolicznościach wysyła komórce sygnał do rozwoju lub podziału. „Zadawaliśmy sobie pytanie, jak to się dzieje? – mówi Sabatini. – W jaki sposób mTOR wyczuwa tyle rzeczy, integruje tyle sygnałów i steruje rozwojem?”.

Istotna wskazówka pojawiła się, kiedy zespół prześledził ruch kinazy w komórce. Jeśli komórkę umieszczano w środowisku pozbawionym aminokwasów, białko mTOR zdawało się równo rozkładać w cytoplazmie. Gdy zaś pojawiały się aminokwasy, mTOR natychmiast gromadziło się w klastry w ściśle określonych miejscach, prowadzone tam przez inne białka, zwane GTPazami Rag. Kinaza mTOR aktywowała się dopiero, gdy dotarła do właściwego punktu – ale nie dlatego, by sygnał do działania przekazały jej GTPazy Rag. „Utknęliśmy w martwym punkcie”, opowiadał Sabatini.

Zoncu wziął się więc za ustalenie, dlaczego w obecności aminokwasów białko mTOR gromadzi się w wybranych miejscach i czego tam szuka. Najważniejszy eksperyment polegał na zabarwieniu komórek sparowanymi, fluorescencyjnymi przeciwciałami: czerwonym, które łączyło się z kinazą mTOR i zielonym, łączącym się z białkami różnych organelli (dla każdej fazy eksperymentu wybierano inne organellum). Następnie Zoncu zbadał komórki pod mikroskopem, by sprawdzić, gdzie spotykają się czerwone i zielone znaczniki. Pozwoliło to określić, jakie jeszcze białka znajdują się w miejscach, gdzie gromadzi się mTOR.

Pierwszymi ważnymi kandydatami były białka związane z mitochondriami, czyli organellami zasadniczymi dla metabolizmu. Jednak czerwone i zielone znaczniki zupełnie na siebie nie zachodziły. Zoncu wziął się za kolejne organella, jedne po drugich. I nic. „Traciłem już nadzieję”, wspomina.

Aż wreszcie przyszła pora na białka lizosomów. „Nagle wszystko idealnie się do siebie dopasowało”. Czerwone przeciwciała wiążące kinazę mTOR i zielone przeciwciała wiążące lizosomowy marker LAMP2 nakładały się na siebie w stu procentach.

Śmietnik w nowym świetle

Odkrycie to stanowiło potwierdzenie wyników przedstawianych przez Sabatiniego na konferencji w Maine w 2008 roku, ale nawet Zoncu przyznaje, że sceptycyzm tamtejszej publiczności miał uzasadnienie. Lizosomy „mogły wszak być jedynie lądowiskiem”, wygodnym przyczółkiem, w którym aktywowała się kinaza mTOR.

Późniejsze eksperymenty sugerowały jednak, że jest inaczej. Zoncu wyodrębnił lizosomy i napełnił je aminokwasami. Okazało się, że im więcej aminokwasów, tym więcej kinazy mTOR gromadzi się i aktywuje na powierzchni lizosomu. Kinaza mTOR tworzy w komórkach dwa kompleksy białek; na lizosomach znajdujemy kompleks mTORC1. Wyniki, opublikowane w 2011 roku dowodzą, że mTORC1 reaguje z zawartością lizosomów, zupełnie jak gdyby informowały one kinazę o swych aminokwasach, a kinaza w odpowiedzi dostosowywała zachowanie do tej informacji.

Komórkowa rozmowa coraz bardziej ożywiona

Poznawszy nawzajem swoje wyniki zespoły Ballabia i Sabatiniego postanowiły połączyć siły i wkrótce odkryły, w jaki sposób przebiega interakcja między mTORC1 i czynnikiem transkrypcyjnym EB. Wyniki opublikowano w roku 2012. Do zdrowego, dobrze odżywionego lizosomu trafia mnóstwo białek. Lizosom rozkłada je na aminokwasy. Owe aminokwasy współpracują z białkami na powierzchni lizosomu, by przyłączyć kinazę mTORC1 i ją aktywować. Z kolei kinaza mTORC1 trzyma cytoplazmowy czynnik transkrypcyjny EB poza jądrem komórkowym. Jeśli komórka głoduje lub znajduje się w kłopotach, mTORC1 odłącza się od lizosomów, a czynnik transkrypcyjny odzyskuje wolność. Udaje się wówczas do jądra komórkowego i aktywuje określone geny, by komórka zaczęła wytwarzać więcej enzymów lizosomowych.

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Głód nie jest jedynym warunkiem, by tak się stało. Ballabio i jego współpracownicy wykazali, że czynnik transkrypcyjny EB trafia do jądra, by pomóc komórce radzić sobie z innymi niepokojącymi scenariuszami. Uczony mówi, że są dowody, iż zastosowanie czynnika transkrypcyjnego w terapii genowej u myszy pozwala złagodzić objawy lizosomalnych chorób spichrzeniowych, a także otyłości i cukrzycy spowodowanych niewłaściwą dietą oraz chorób neurodegeneracyjnych podobnych do Alzheiemera lub Parkinsona.

Na początku marca, podczas kolejnej konferencji Gordon Research poświęconej lizosomom, Ballabio opowiadał w rozmowie telefonicznej z magazynem „Quanta” jak ogromne zmiany zaszły na tym polu badań. Kiedyś skupiano się wyłącznie na lizosomowych chorobach spichrzeniowych. Teraz specjaliści od chorób działąją ręka w rękę z uczonymi prowadzącymi badania podstawowe. Dawniej interesujące było tylko to, co w środku. Obecnie liczy się także powierzchnia lizosomów, pośrednicząca wszak w interakcjach między czynnikiem transkrypcyjnym EB, kinazą mTOR i mniej więcej dwustoma innymi zidentyfikowanymi dotąd białkami w komórce.

W lepszym rozumieniu lizosomów mogą pomóc też nowotwory. Nowotwór potrzebuje mnóstwo środków odżywczych, musi zatem „przeprogramować swój żołądek – czyli lizosomy w komórkach rakowych – by przyjmowały i przetwarzały więcej pożywienia”, mówi Rishika Perera, biolożka z University of California w San Francisco.

Perera razem z Zoncu bada różnice między lizosomami w normalnych i zezłośliwiałych komórkach. Próbują także zidentyfikować białka na powierzchni lizosomu, które pozwalają wydostawać się pożywieniu, wykorzystywanemu następnie przez komórki nowotworowe. Niewykluczone, że białka te da się wykorzystać jako narzędzie wprowadzania do komórek nowotworowych lekarstw i toksyn.

Inną intrygującą perspektywę nakreślił Ralph A. Nixon, neurolog z New York University Langone Medical Center, również uczestnik marcowej konferencji. Eksperymenty przeprowadzone między innymi przez jego zespół wskazują na związek niewydolności lizosomów ze starzeniem się komórek, skracaniem się długości życia i rozmaitymi chorobami neurodegeracyjnymi. W roku 2015 Nixon i jego współpracownicy dowiedli, że niektóre mutacje genetyczne związane z chorobą Alzheimera dezaktywują pompę protonową, odpowiedzialną za utrzymanie odpowiedniego pH lizosomów. Dokonuje się wówczas zmiana poziomu kwasowości i zmiana poziomu równowagi jonów oraz metabolitów, co zaburza przemianę materii.

Zdaniem Nixona w takiej sytuacji neurony mogą być szczególnie narażone na kłopoty i właśnie dlatego choroby lizosmalne często dają objawy neurologiczne. Jeśli w przyszłości dzięki interwencji farmakologicznej naprawi się niesprawne pompy protonowe lub inne zakłócenia w działaniu lizosomów, uda się może zahamować część objawów Alzheimera lub podobnych chorób. U myszy przeprowadzono już pierwsze eksperymenty z lekami, które zwiększają poziom autofagii lub tempo tworzenia lizosomów – jeśli chodzi o choroby neurodegeneracyjne, wstępne wyniki są według Nixona nader obiecujące.

Lizosom wydawał się dawniej koszem na śmieci; „ciekawa była tylko jego zawartość”, mówi Nixon. Okazało się jednak, że to również platforma sygnałowa, niezwykle ważna dla zdrowia komórki. Perera dodaje, że onkolodzy od dawna pragnęli się dowiedzieć więcej na temat sygnałów, które pozwalają komórkom nowotworowym rozwijać się i mnożyć, a także na temat pozyskiwania pożywienia przez owe komórki. Nowe odkrycia dotyczące lizosomów pokazały, że „to tylko dwa różne aspekty tego samego problemu”.

Tłum. Jan Dzierzgowski

Artykuł przedrukowano za zgodą QuantaMagazine.org, redakcyjnie niezależnej publikacji Simons Foundation, której misją jest popularyzowanie wiedzy na temat rozwoju badań w dziedzinie matematyki i fizyki oraz nauk przyrodniczych.

Data publikacji: