מחקר חדש חושף כיצד המיטוכונדריה מסתגלות למחסור בחומרים מזינים, ומציעה תובנות לגבי מנגנוני הישרדות תאי סרטן.
במחקר שפורסם לאחרונה ב טֶבַע, חוקרים מארצות הברית של אמריקה חקרו כיצד תאים מפרידים מסלולים מטבוליים מתחרים בתוך המיטוכונדריה, כלומר זרחון חמצוני (OXPHOS) וסינתזה רדוקטיבית של פרולין ואורניתין.
הם מצאו כי היתוך וביקוע מיטוכונדריאלי מאפשרים לתאים לאזן דרישות מטבוליות מתחרות על ידי יצירת שתי תת-אוכלוסיות מיטוכונדריאליות מיוחדות: תת-קבוצה אחת המכילה P5CS (pyrroline-5-carboxylate synthase), אשר חסרה סינתזה של cristae ואדנוזין טריפוספט (ATP), והשנייה מיועדת ל OXPHOS.
רֶקַע
תאי יונק מכילים 50 עד 1,000 מיטוכונדריות שעוברות כל הזמן איחוי וביקוע כדי לשמור על תפקודם, להעלים פגמים ולהתאים את עצמם לצרכים התאיים. המיטוכונדריה, הידועה בעיקר בייצור ATP באמצעות OXPHOS, ממלאות גם תפקיד מפתח ביצירת מולקולות חיוניות הנחוצות לצמיחת תאים. כאשר חומרים מזינים נמצאים בשפע, המיטוכונדריה יכולה להשתמש במשאבים עודפים כדי לתמוך בפונקציות הביוסינתטיות הללו. עם זאת, במהלך מחסור בחומרים מזינים, לא ברור כיצד המיטוכונדריה מאזנת את ייצור האנרגיה שלהם עם הצורך לסנתז מולקולות חיוניות לתחזוקת התא.
בעוד שהמסלולים של OXPHOS וביוסינתזה (כמו חומצת אמינו וחילוף חומרים של פחמן אחד) נחקרו באופן נרחב בנפרד, כיצד המיטוכונדריה מנהלות את התהליכים הללו יחד – במיוחד תחת לחץ ביו-אנרגטי ותזונתי – עדיין לא מובן. מכיוון שהבנת האיזון הזה חיונית לתובנות לגבי צמיחה והישרדות התא, החוקרים במחקר הנוכחי בחנו כיצד תהליכים מתחרים אלו מאוזנים בתוך המיטוכונדריה כדי לענות על הצרכים המטבוליים של התא.
לגבי המחקר
החוקרים השתמשו בניתוח אינטראקציית חלבון-חלבון STRING (PPI) כדי לזהות צבירי אנזימים מיטוכונדריאליים בהתבסס על תפקידים תפקודיים. פיברובלסטים עובריים של עכברים (MEFs) תורבו במדיום חסר גלוקוז או גלקטוז כדי להסתמך על OXPHOS לייצור ATP. (U-13ג) מעקב אחר גלוטמין הופעל כדי לחקור מסלולים מטבוליים של גלוטמט לתוך מחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית (TCA) וביוסינתזה רדוקטיבית.
פעילות המיטוכונדריה עברה מניפולציות בטיפולים שונים, ונוקאאוט P5CS פותח באמצעות עריכת גנים. היווצרות החוטים של P5CS הוערכה באמצעות הדמיה בתנאי תזונה שונים ומצבי שגשוג. צורות P5CS מוטנטיות באו לידי ביטוי כדי לבדוק דינמיקה של חוטים בסינתזה של פרולין, עם תוספת פרולין ואורניתין כדי להעריך את השפעתם.
לבחינת אשכול P5CS in vivoנותחו קטעי רקמה מאדנוקרצינומה דוקטלי של הלבלב (PDAC) עבור חוטי P5CS במיטוכונדריה. מדווחים כי גידולים אלו נאבקים לספק אנרגיה מספקת לתאים שלהם כשהם גדלים עקב מגבלות באספקת הדם ובזמינות החומרים המזינים. מיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה גילתה הפרדת P5CS מסינתאז ATP. אינטראקציות בין קומפלקסים של P5CS ו-ATP סינתאז אושרו, ופוטנציאל הממברנה המיטוכונדריאלי הוערך.
תכונות אולטרה-סטרוקטורליות של מיטוכונדריה המכילות P5CS נותחו באמצעות מיקרוסקופ אור ואלקטרונים קורלטיבי (CLEM). OPA1-knockout MEFs נחקרו עבור היווצרות cristae וביוסינתזה של פרולין. דינמיקה מיטוכונדריה ב-Mfn1/2-/- חסרי היתוך ו-Drp1-/- MEFs חסרי ביקוע הוערכה עבור מורפולוגיה מיטוכונדריאלית, פעילות OXPHOS וסינתזה של פרולין.
תוצאות
אנזימים מיטוכונדריאליים סווגו לשלושה אשכולות פונקציונליים: מחזור TCA (אשכול 1), ביוסינתזה של חומצות אמינו (אשכול 2) ומטבוליזם של פחמן אחד (אשכול 3), כאשר P5CS מגשר על כל שלושת המסלולים. סינתזת פרולין נשמרה כאשר תאים הסתמכו על OXPHOS, דבר המצביע על איזון בין חילוף חומרים חמצוני ומפחית.
הדמיה גילתה כי P5CS יצר חוטים במיטוכונדריה, במיוחד בתנאים תלויי OXPHOS או מתח תזונתי. מוטנט P5CS שלא הצליח ליצור חוטים הביא לסינתזת פרולין מופחתת, המאשר את הצורך ביצירת חוטים. הוספת פרולין או אורניתין הפוכה היווצרות נימה של P5CS, מה שמצביע על כך שהביקוש המטבולי מווסת תהליך זה.
In vivoנצפתה התקבצות P5CS בתת-קבוצה של מיטוכונדריה בתאי גידול בלבלב, בעוד שלרקמות נורמליות סמוכות לא היה מקבץ זה. בתאי הגידול, במיטוכונדריה המכילות P5CS חסרו רכיבי ATP synthase, בעוד אלו המועשרים בסינתאז ATP לא הכילו P5CS. נמצא כי P5CS קשור פחות לסינתאז ATP כאשר המיטוכונדריה הופרדו, למרות שרמות החלבון הכוללות נותרו ללא שינוי.
מיטוכונדריה המכילות P5CS הראו פוטנציאל ממברנה גבוה יותר, מה שמרמז שהן עוסקות בחילוף חומרים מופחת עבור סינתזת פרולין ואורניתין, בעוד שהמיטוכונדריה המועשרות בסינתאז ב-ATP מעורבות פחות בתהליך זה. יתר על כן, רמות מופחתות של ניקוטינמיד אדנין דינוקלאוטיד (NADH) פגעו בסינתזה של פרולין, מה שמאשר שסביבה מיטוכונדריאלית רדוקטיבית חיונית לייצור פרולין.
יתר על כן, מיטוכונדריה המכילות P5CS הראו אובדן כמעט מוחלט של קריסטות, שהוחלפו בערימות של חוטי חלבון, בעוד שמיטוכונדריה מועשרת בסינתאז ב-ATP נמצאו כשומרות על קריסטות. המיטוכונדריה המכילות P5CS חסרה את הרכיב המורכב של MICOS MIC60 ו-ATP synthase subunit ATP5I. חוסר ב-OPA1 שיבש את ה-cristae אך לא מנע ביוסינתזה של פרולין.
הדמיה של תאים חיים הראתה שמיטוכונדריה המכילות P5CS התמזגו לרשתות גדולות יותר במדיום גלקטוז. תאים חסרי היתוך לא הצליחו להפריד בין P5CS לסינתאז ATP, והראו פעילות נשימתית לקויה אך שמרו על סינתזת פרולין. תאים חסרי ביקוע הראו מיטוכונדריה מוארכות, לא הצליחו להפריד את P5CS, והראו סינתזת פרולין מופחתת, ופוגעת בייצור הקולגן. הצגת מחדש של DRP1 שיחזר סינתזה של פרולין וקולגן, המקשר בין ביקוע מיטוכונדריאלי לביו-סינתזה של פרולין.
מַסְקָנָה
לסיכום, בעוד שאיחוי מיטוכונדריה וביקוע עוזרים לשמור על דמיון בין המיטוכונדריה, הם גם עוזרים ליצור ולתחזק קבוצות מיוחדות של מיטוכונדריה בתוך תא, כולל תאי סרטן הלבלב, כך שכל קבוצה מתמקדת במשימות שונות. היכולת של המיטוכונדריה להסתגל למחסור בחומרים מזינים על ידי הצגתם בשתי צורות שונות עשויה להיות אסטרטגיית הישרדות מפתח אפילו עבור תאים סרטניים. תגלית זו מציעה יעד טיפולי מבטיח לעיכוב פוטנציאל של צמיחת גידול על ידי שיבוש יכולת ההסתגלות המטבולית שלהם.
