על ידי שימוש בטכניקה גנטית שפותחה במרכז הרפואי Southwestern Southwestern, המאלצת תאים להיפטר ממיטוכונדריה, החוקרים מקבלים תובנות חדשות לגבי תפקודם של אברונים קריטיים אלה. הממצאים שלהם, שפורסמו ב תָאהוסף לידע מהותי על תפקיד המיטוכונדריה בתאים ובאבולוציה ועלולה בסופו של דבר להוביל לטיפולים חדשים בחולים עם מחלות מיטוכונדריות כמו תסמונת ליי ותסמונת Kearns-Sayre, שיכולות להשפיע על מערכות איברים רבות.
הכלי החדש שלנו מאפשר לנו ללמוד כיצד שינויים בשפע המיטוכונדריאלי והגנום המיטוכונדריאלי משפיעים על תאים ואורגניזמים. "
ג'ון וו, דוקטורט, פרופסור חבר לביולוגיה מולקולרית ב- UT Southwestern
ד"ר וו בינה את המחקר עם דניאל שמיץ, דוקטורט, סטודנט לשעבר לתואר שני במעבדת WU, שהוא כיום עמית פוסט-דוקטורט באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי.
מיטוכונדריה הם אברונים שנמצאים בתאים של מרבית האורגניזמים האוקריוטיים, כולל בעלי חיים, צמחים ופטריות, שתאים שלהם מכילים גרעין כבול ממברנה ואברונים אחרים הקשורים לממברנה. יש להם חומר גנטי משלהם, שהועברו אך ורק דרך נקבות של מין. מיטוכונדריה נחשבים שמקורם כתאים פרוקריוטיים-חסרי אברונים כבולים ממברנה-ופלשו לתאים אוקריוטיים אבותיים ויצרו איתם קשר סימביוטי.
החוקרים ידעו זה מכבר כי אברונים אלה משמשים תחנות כוח של תאים, ומייצרות את המולקולה האנרגטית אדנוזין טריפוספט שמדלק את כל הפעולות הסלולריות. עם זאת, מחקרים אחרונים הראו כי המיטוכונדריה ממלאים תפקידים ישירים בוויסות מוות של תאים, מבדילים בין תאי גזע לסוגי תאים אחרים, העברת אותות מולקולריים, הזדקנות ותזמון התפתחותי.
למרות שנראה כי המיטוכונדריה מבצעת רבים מהתפקידים הללו באמצעות "מפקר" עם ה- DNA בגרעין של התא, כיצד הם מבצעים את הפונקציה הזו – ומה קורה אם מפסק זה יפסיק – לא היה ידוע.
כדי לעזור לענות על שאלות אלה, ד"ר וו, ד"ר שמיץ, ועמיתיהם ניצלו מסלול שנקרא מיטופגיה שתאים משתמשים בהם בדרך כלל כדי להיפטר מיטוכונדריה ישנה או פגומה. בעזרת הנדסה גנטית, החוקרים אילצו תאים להשפיל את כל המיטוכונדריה שלהם – תהליך המכונה "מיטופגיה אוכפה".
החוקרים השתמשו בתהליך זה על תאי גזע פלוריפוטנטיים אנושיים (HPSCs), סוג של תא שנוצר בדרך כלל בשלב מוקדם של ההתפתחות שיכולים להבדיל לסוגי תאים אחרים. למרות ששינוי זה גרם לתאים להפסיק להתחלק, החוקרים מצאו במפתיע כי התאים שהתרוקנו המיטוכונדריה יכולים לשרוד בכלי פטרי עד חמישה ימים. היו להם תוצאות דומות עם סוגים שונים של תאי גזע של עכברים ו- HPSCs המכילים מוטציה של DNA מיטוכונדריאלי פתוגני, מה שמרמז על מיטופגיה מכוסה יכול להיות כלי בר -קיימא לדידוק המיטוכונדריה על פני מינים וסוגי תאים.
כדי לקבוע כיצד הסרת המיטוכונדריה השפיעה על ה- HPSCs, החוקרים העריכו את ביטוי הגנים הגרעיניים. הם גילו כי 788 גנים הפכו פחות פעילים ו -1,696 הפכו פעילים יותר. ניתוח של הגנים שנפגעו הראה כי נראה כי HPSCs שומרים על יכולתם ליצור סוגי תאים אחרים וכי הם יכולים לפצות חלקית על היעדר המיטוכונדריה, כאשר חלבונים מקודדים על ידי גנים גרעיניים המשתלטים על ייצור אנרגיה ופונקציות אחרות מסוימות שבוצעו בדרך כלל על ידי האיברים החסרים.
ואז החוקרים, בניסיון להבין טוב יותר את המפגש בין המיטוכונדריה לגרעין התא, התמזגו ב- HPSC עם תאי גזע פלוריפוטנטיים (PSCs) מקרובי משפחת הפרימטים הקרובים ביותר של בני האדם – כולל שימפנזה, בונובו, גורילה ואורנגוטן. זה יצר תאים "מורכבים" עם שני גנומים גרעיניים ושתי קבוצות של מיטוכונדריה, אחת מכל מין. תאים מורכבים אלה הסירו באופן סלקטיבי את כל המיטוכונדריה הפרימטית הלא-אנושית, והותירו אחריה רק מיטוכונדריה אנושית.
בשלב הבא, בעזרת מיטופגיה מאולצת, המדענים יצרו HPSCs נטולי מיטוכונדריה אנושית ומיזמו אותם ל- PSC של פרימטים שאינם אנושיים, ושוב יצרו תאים הנושאים גנום גרעיני משני המינים, אך הפעם רק מיטוכונדריה לא אנושית. ניתוח של תאים מורכבים המכילים מיטוכונדריה אנושית או לא-אנושית הראה כי המיטוכונדריה היו ניתנים להחלפה ברובם למרות מיליוני שנים של הפרדה אבולוציונית, מה שגרם רק להבדלים עדינים בביטוי הגנים בתוך הגרעין המורכב.
מעניין לציין שהגנים שנבדלו זה מזה בפעילות בין תאים המכילים מיטוכונדריה אנושית ולא אנושית היו קשורים לרוב להתפתחות מוחית או למחלות נוירולוגיות. זה מעלה את האפשרות שמיטוכונדריה עשויה למלא תפקיד בהבדלי המוח בין בני אדם לקרובינו הפרימטים הקרובים ביותר. עם זאת, ד"ר וו אמר, מחקר נוסף – במיוחד מחקרים המשווים נוירונים שנעשו מ- PSCs מורכבים אלה – יהיה צורך בכדי להבין טוב יותר את ההבדלים הללו.
לבסוף, החוקרים למדו כיצד דלדול המיטוכונדריה עשויה להשפיע על ההתפתחות באורגניזמים שלמים. הם השתמשו בגרסה מקודדת גנטית של מיטופגיה מכוסה כדי להפחית את כמות המיטוכונדריה בעוברי עכברים, ואז השתילו אותן לאמהות פונדקאיות כדי להתפתח. עוברים חסרים יותר מ- 65% מהמיטוכונדריה שלהם לא הצליחו להשתיל ברחם הפונדקאית שלהם. עם זאת, אלה שנעדרו בשליש מהמיטוכונדריה שלהם חוו התפתחות עיכוב, והדביקו את המספרים המיטוכונדריים הרגילים וציר זמן התפתחותי טיפוסי ב 12.5 יום לאחר ההפריה.
יחד, אומרים החוקרים, תוצאות אלה משמשות נקודות התחלה לקווי מחקר חדשים על התפקידים השונים שהמיטוכונדריה ממלאים בתפקוד הסלולרי, רקמות והתפתחות איברים, הזדקנות והתפתחות מינים. הם מתכננים להשתמש במיטופגיה מאולצת כדי להמשיך ללמוד אברונים אלה במגוון יכולות.
חוקרים אחרים של UTSW שתרמו למחקר זה הם פיטר לי, דוקטורט, עוזר פרופסור לפתולוגיה וביולוגיה של תאים; Daiji Okamura, Ph.D., עוזר פרופסור לבקר לביולוגיה מולקולרית; Seiya Oura, Ph.D., and Leijie Li, Ph.D., חוקרים פוסט -דוקטורט; יי דינג, דוקטורט, עמיתת מחקר; Rashmi Dahiya, Ph.D., עמית מחקר בכיר; אמילי באלארד, BS, חוקרת סטודנטים לתארים מתקדמים; ומסאהירו סקוראי, דוקטורט, מדען המחקר.
ד"ר וו הוא מלומד וירג'יניה מורצ'יסון לינטיקום במחקר רפואי. ד"ר. וו ולי הם חברים במרכז הסרטן המקיף של הרולד סי סימונס.
