Program apoptozy odkryty: Jak uszkodzenia genetyczne spowodowane przez naturalny związek metyleugenol w komórkach wątroby prowadzą do śmierci komórki

Zespół wokół Max Carlsson (z prawej), główny autor badania, oraz Philipp Demuth (współautor badania) odkryli mechanizm. (TUK/view)

Naturalny składnik methyleugenol występuje w różnych roślinach przyprawowych i dostaje się do naszego organizmu wraz z pożywieniem. W wątrobie jest aktywowany przez metabolizm obcy i może powodować uszkodzenia genetyczne, które tam wywołują. Zespół badawczy z Technische Universität Kaiserslautern (TUK) pod kierownictwem profesora Jörga Fahrera udało się wyjaśnić mechanizm śmierci komórki wywołany tymi uszkodzeniami. Kluczową rolę odgrywa tutaj białko p53, które znacząco aktywuje program śmierci komórki, zapobiegając tym samym przeżyciu silnie uszkodzonych komórek wątroby. Wyniki badań opublikowano niedawno w renomowanym czasopiśmie Cell Death & Disease.

Rak wątroby należy do najczęstszych nowotworów i jest powiązany przyczynowo z infekcjami wirusowymi wątroby, chorobami stłuszczeniowymi, przewlekłym spożywaniem alkoholu oraz mykotoksynami w pożywieniu. Ponadto podejrzewa się, że roślinne toksyny mogą przyczyniać się do powstawania raka wątroby. Do tych substancji należy methyleugenol, który naturalnie występuje w wielu ziołach i przyprawach, takich jak bazylia, estragon i koper, i dostaje się do naszego organizmu wraz z pożywieniem. „Dotychczas wiadomo było, że methyleugenol jest metabolizowany przez określone enzymy w wątrobie i w wyniku tego może wywoływać uszkodzenia genetyczne, tzw. addukt DNA” — mówi profesor Jörg Fahrer z kierunku chemii żywności i toksykologii na TUK.

Aby dowiedzieć się, jak komórki reagują na te uszkodzenia genetyczne wywołane methyleugenolem, zespół pod kierownictwem profesora Fahrera zastosował różne metody biochemiczne, biologii komórkowej i bioanalityczne. W badaniach brały również udział grupy robocze profesor Elki Richling oraz byłego profesora doktora Aleksandra Cartusa. Ponadto naukowcy z Uniwersytetu Medycznego w Moguncji i Uniwersytetu Justusa-Liebiga w Gießen współpracowali przy tym projekcie, który był finansowany w ramach projektu z dotacji z niemieckiego funduszu badawczego (Deutsche Forschungsgemeinschaft).

Zespół badawczy najpierw za pomocą metody spektrometrii masowej wykazał i zmierzył tworzenie adduktów DNA w komórkach wątroby oraz innych modelach komórkowych. Po raz pierwszy udowodniono, że uszkodzenia te blokują proces replikacji DNA, czyli podwojenia DNA. Jest to niezbędne do prawidłowego przekazywania materiału genetycznego podczas podziału komórki. Dzięki wysokorozdzielczej konfokalnej mikroskopii i analizom biochemicznym białek zespół scharakteryzował aktywację odpowiedzi na uszkodzenia DNA. „Ten program ochronny komórki prowadził między innymi do aktywacji białka p53, które jest supresorem nowotworów” — dodaje Max Carlsson, doktorant w grupie Fahrera i pierwszy autor badania. Wspólnie z dr. Anastasią Vollmer, która również uzyskała doktorat w tej tematyce, przeprowadzili kluczowe eksperymenty w ramach tego badania.

Następnie zespół skoncentrował się na toksyczności uszkodzeń DNA. Dalsze badania wykazały, że wysoki poziom adduktów DNA wywołuje programowaną śmierć komórki, zwaną apoptozą, w której kluczowe znaczenie mają mitochondria. „Mitochondria to elektrownie naszych komórek, które również biorą udział w procesach śmierci komórki” — wyjaśnia profesor Fahrer. Przy użyciu metod biologii molekularnej i konfokalnej mikroskopii naukowcy wykazali, że uszkodzenia DNA powodują wysoką regulację niektórych genów śmierci komórki, co prowadzi do aktywacji Bax. „Jest to proapoptotyczne białko, które po aktywacji przemieszcza się na zewnątrz mitochondrium i tworzy pory” — wyjaśnia Max Carlsson.

Aby ostatecznie wyjaśnić rolę p53 w wywołanym programie śmierci komórki, badanie przeprowadzono z użyciem inhibitorów farmakologicznych i metod genetycznych w różnych modelach komórkowych. Naukowcy wykazali, że utrata p53 hamuje aktywację Bax i uniemożliwia rozpoczęcie procesu śmierci komórki w komórkach wątroby.

„Podsumowując, nasze wyniki wskazują, że w komórkach z silnym uszkodzeniem DNA wywołanym methyleugenolem uruchamia się mitochondrialowa, p53-zależna ścieżka śmierci komórki” — mówi profesor Fahrer. Może to stanowić mechanizm supresji nowotworów, który pomaga eliminować silnie uszkodzone komórki i zapobiegać powstawaniu trwałych zmian genetycznych.

Publikacja
Carlsson MJ, Vollmer AS, Demuth P, Heylmann D, Reich D, Quarz C, Rasenberger B, Nikolova T, Hofmann TG, Christmann M, Fuhlbrueck JA, Stegmüller S, Richling E, Cartus AT i Fahrer J. p53 wywołuje mitochondrialną apoptozę po uszkodzeniu DNA wywołanym przez stres replikacyjny związany z hepatotoksyną methyleugenol. Cell Death Dis. 2022, 13(11): 1009.
Doi: 10.1038/s41419-022-05446-9
https://www.nature.com/articles/s41419-022-05446-9

Kontakt
Prof. Dr. Jörg Fahrer
Chemia żywności i toksykologia
Wydział Chemii
TU Kaiserslautern
Telefon: 0631/2052974
E-mail: fahrer@chemie.uni-kl.de