Studie o buňkách kvasnic: Objeveno protein, které spouští buněčnou smrt – podobný proces i u lidských buněk?

Profesor Dr. Johannes Herrmann (vlevo), SreeDivya Saladi a Felix Boos. (Foto: Koziel/TUK)

Když buňky odumírají, spouštějí buněčnou smrt. U vyšších živočichů je zajištěno, že celý organismus neutrpí škodu. Ale i u jednobuněčných organismů existuje tento mechanismus. Proč byl dosud nejasný. Výzkumníci z Kaiserslautern nyní našli řešení. Objevili u kvasinkových buněk protein, který se vyskytuje ve dvou formách. Ve zdravých buňkách funguje jako enzym, při poškození spouští buněčnou smrt. Podobný proces by mohl fungovat i u lidských buněk. Z evolučního hlediska to dává smysl, protože tak jsou u jednobuněčných organismů odstraňovány buňky, které nejsou „vhodné“, tedy přizpůsobené. Studie byla zveřejněna v odborném časopise „Molecular Cell“.

Každý organismus se skládá z buněk. Ať už u lidí, zvířat nebo rostlin – jejich struktura a funkce jsou velmi podobné. Zatímco například buňky v ústní sliznici žijí jen několik dní a jsou neustále nahrazovány, většina nervových buněk nás provází celý život a dožívají se tak 80 nebo 90 let. „Když buňky odumírají, obvykle spouštějí speciální program, který odborníci nazývají apoptóza,“ říká profesor Dr. Johannes Herrmann, který vede obor buněčné biologie na Technické univerzitě Kaiserslautern (TUK).

Tento „sebevražedný“ program zajišťuje, že odumírající buňky nezpůsobí škodlivé dopady na celý organismus. „Už dlouho je známo, že buňky, které musí při vývoji plodu ustoupit jiným strukturám, jsou odstraněny právě apoptózou,“ pokračuje. Méně pochopené je však, proč mají takový program i jednobuněčné organismy, například kvasinkové buňky, který se do značné míry shoduje s tím u lidí a zvířat. Jednobuněčné organismy nemají vývoj embrya a zde nedochází k přestavbě tkání.

SreeDivya Saladi a Felix Boos, kteří pracují v Herrmannově týmu, nyní našli vysvětlení pro základní význam buněčné smrti. Boos, který před svým doktorátem studoval matematiku a biologii v Kaiserslauternu, se jako doktorand zabýval životností proteinů v buňkách pekařských kvasinek. „Používáme tento jednobuněčný organismus jako testovací model,“ říká doktorand, „protože se u něj podobně jako u lidí v mnoha vlastnostech.“

Boos použil novou metodu, která umožňuje měřit dobu života stovek proteinů současně. Používá se při tom hmotnostní spektrometrie, která umožňuje přesně identifikovat proteiny – podobně jako otisk prstu, který lze přiřadit pouze jednomu člověku. Hlavní zaměření Boose je na proteiny mitochondrií, „které jsou motory našich buněk“. „O jejich výrobě víme docela dost, ale o jejich rozkladu zatím velmi málo,“ říká Boos. Při své analýze zjistil, že proteiny se rozkládají pomalu a velmi rovnoměrně. Výjimky však existovaly. Především jeden protein vzbudil jeho pozornost. „Obzvlášť rychle je rozkládán protein Nde1,“ pokračuje. „Zjevně je část tohoto proteinu krátce po jeho vzniku ihned odstraněna. Chtěli jsme vědět, co stojí za touto mimořádně krátkou životností.“

Jeho kolegyně SreeDivya Saladi dále pokračovala v práci. Objevila, že tento protein má kromě známé funkce ještě další. „Je to enzym, který je důležitý pro dýchání,“ říká. „Ale může také spouštět buněčnou smrt.“ Vědkyně se nyní zabývá otázkou, proč je pro buňku toxický. Ukázalo se, že se vyskytuje ve dvou formách. „Ve zdravých buňkách slouží především jako enzym,“ říká vědkyně. „Naopak v buňkách, kde mitochondrie nefungují správně, je situace odlišná.“ „Existuje druhá varianta. Tyto proteiny se nenacházejí uvnitř mitochondrií jako zdravá verze, ale na jejich povrchu,“ říká. Ve zdravých buňkách je tato povrchová varianta rychle rozložena. „To vysvětluje i vysokou rychlost rozkladu tohoto proteinu,“ doplňuje Boos. „U poškozených buněk se však toto neděje. Proteiny se hromadí, což vede ke smrti buňky,“ pokračuje Saladi.

„Evoluce tak vytvořila propracovaný selekční mechanismus, který zajišťuje, že buňky s defekty jsou úmyslně eliminovány,“ shrnuje Herrmann. „To je například u jednobuněčných organismů důležité, když buňky rostou podmíněně na plísni.“ „Mnoho funkcí mitochondrií zde vůbec není potřeba,“ dodává profesor. „Buňky, které jsou méně vhodné, tedy méně přizpůsobené daným podmínkám, jsou tímto mechanismem odstraňovány. To také vysvětluje, proč jednobuněčné organismy využívají apoptózu.“

U zvířat a lidí je podobný protein. „Už dlouho je známo, že u člověka může vyvolat buněčnou smrt,“ říká profesor z Kaiserslauternu. „Dosud však nebylo jasné, za jakých podmínek a k jakému účelu k tomu dochází.“ Je třeba další výzkum, zda se výše popsaný mechanismus u lidí funguje stejně. Přesto jsou typy buněk velmi podobné, „a proto předpokládáme, že jsme objevili novou obecnou funkci apoptózy, která selektuje buňky podle jejich funkce,“ říká Herrmann.

Doktorka SreeDivya Saladi tři roky pracovala v týmu profesora Herrmanna. Nyní je zpět v Indii, aby dále zkoumala roli mitochondrií.

Studie byla zveřejněna v prestižním odborném časopise „Molecular Cell“: „NADH dehydrogenáza Nde1 vykonává buněčnou smrt po integraci signálů z metabolismu a proteostázy na povrchu mitochondrií“
DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.09.027

Odpovězte na otázky:

Felix Boos
Obor buněčná biologie
E-mail: fboos[at]rhrk.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-2409

Prof. Dr. Johannes Herrmann
Obor buněčná biologie
E-mail: hannes.herrmann[at]biologie.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-2406