Studie dotycząca komórek drożdżowych: odkryto białko wywołujące śmierć komórki – czy podobny proces zachodzi także w komórkach ludzkich?

Profesor Dr. Johannes Herrmann (z lewej), SreeDivya Saladi i Felix Boos. (Zdjęcie: Koziel/TUK)

Gdy komórki umierają, inicjują śmierć komórkową. U wyższych organizmów zapewnia się, że cały organizm nie odnosi szkody. Jednak także u jednokomórkowców występuje ten mechanizm. Dlaczego do tej pory było to niejasne? Naukowcy z Kaiserslautern właśnie znaleźli rozwiązanie. Odkryli w komórkach drożdży białko występujące w dwóch formach. W zdrowych komórkach pełni funkcję enzymu, a w uszkodzonych inicjuje śmierć komórki. Podobny proces mógłby działać także w komórkach ludzkich. Z punktu widzenia ewolucji ma to sens, ponieważ w ten sposób z organizmów jednokomórkowych są selekcjonowane komórki, które są „niezdolne” lub nieadekwatne. Badanie ukazało się w czasopiśmie „Molecular Cell”.

Każdy organizm składa się z komórek. Niezależnie od tego, czy chodzi o ludzi, zwierzęta czy rośliny – ich budowa i funkcje są bardzo podobne. Podczas gdy na przykład komórki błony śluzowej jamy ustnej żyją tylko kilka dni i są ciągle wymieniane, większość komórek nerwowych towarzyszy nam przez całe życie, osiągając wiek 80 czy 90 lat. „Gdy komórki umierają, zwykle uruchamiają specjalny program, który fachowo nazywa się apoptozą”, mówi profesor dr Johannes Herrmann, kierujący zakładem biologii komórki na Politechnice Kaiserslautern (TUK).

Ten „program samobójczy” zapewnia, że umierające komórki nie wywołują szkodliwych skutków dla całego organizmu. „Od dawna wiadomo, że komórki, które podczas rozwoju embrionalnego muszą ustąpić innym strukturom, są usuwane przez apoptozę”, kontynuuje. Mniej zrozumiałe jest natomiast, dlaczego także jednokomórkowce, takie jak drożdże, mają taki program, który w dużej mierze przypomina ten u ludzi i zwierząt. Organizmy jednokomórkowe nie przechodzą rozwoju embrionalnego i nie zachodzi tutaj przebudowa tkanek.

SreeDivya Saladi i Felix Boos, którzy pracują w zespole Herrmanna, znaleźli właśnie wyjaśnienie dla podstawowego znaczenia śmierci komórki. Boos, który przed doktoratem studiował matematykę i biologię w Kaiserslautern, zajmował się jako doktorant długością życia białek w komórkach drożdży piekarskich. „Używamy tego organizmu jednokomórkowego jako modelu testowego”, mówi doktorant, „ponieważ jest podobny do komórek ludzkich pod wieloma względami”.

Boos zastosował nową metodę, która pozwala na jednoczesne zmierzenie czasu życia setek białek. W tym celu używa się spektrometrii mas, dzięki której można dokładnie identyfikować białka – podobnie jak odcisk palca, przypisany tylko jednej osobie. Głównym obiektem zainteresowania Boosa są białka mitochondriów, czyli „elektrowni” naszych komórek. „Naukowcy wiedzą sporo na temat ich produkcji, ale do tej pory bardzo mało na temat ich rozkładu”, mówi Boos. W swojej analizie zauważył, że białka rozkładały się dość powoli i w bardzo jednolity sposób. Jednakże pojawiły się wyjątki. Szczególnie jedno białko zwróciło jego uwagę. „Białko Nde1 jest rozkładane szczególnie szybko”, kontynuuje. „Wydaje się, że duża część tego białka jest usuwana zaraz po jego powstaniu. Chcieliśmy się dowiedzieć, co stoi za tak krótkim okresem życia tego białka”.

Prace kontynuowała jego koleżanka SreeDivya Saladi. Doktorantka odkryła, że oprócz znanej funkcji, to białko ma jeszcze inną. „Jest enzymem, który jest ważny dla oddychania”, mówi. „Może też inicjować śmierć komórki”. Naukowczyni zbadała, dlaczego jest toksyczne dla komórki. Okazało się, że występuje w dwóch formach. „W zdrowych komórkach służy głównie jako enzym”, mówi badaczka. Inaczej jest jednak w komórkach, w których mitochondria nie działają prawidłowo. „Tu pojawia się druga wersja tego białka. Te białka nie znajdują się, jak wersja zdrowa, wewnątrz mitochondriów, lecz na ich powierzchni”, mówi. W zdrowych komórkach ta powierzchniowa forma jest szybko rozkładana. „To wyjaśnia też wysoką szybkość rozkładu tego białka”, dodaje Boos. „W uszkodzonych komórkach nie jest to jednak przypadek. Białka się gromadzą, co prowadzi do śmierci komórki”, kontynuuje Saladi.

„Ewolucja wykształciła zatem wyrafinowany mechanizm selekcji, który zapewnia, że komórki z defektami są celowo eliminowane”, podsumowuje Herrmann. „Jest to na przykład ważne u organizmów jednokomórkowych, gdy komórki rosną przez gnicie. „Wiele funkcji mitochondriów nie jest wtedy potrzebnych”, dodaje profesor. „Komórki, które są mniej sprawne, czyli gorzej przystosowane do warunków, są w ten sposób selekcjonowane. To wyjaśnia, dlaczego organizmy jednokomórkowe korzystają z apoptozy”.

Podobny białko występuje także u zwierząt i ludzi. „Od dawna wiadomo, że może ono wywołać śmierć komórki u człowieka”, mówi profesor z Kaiserslautern. Do tej pory nie było jasne, w jakich warunkach i w jakim celu to się dzieje. Czy opisany powyżej mechanizm działa tak samo u ludzi, musi wyjaśnić dalsze badania. Jednak podobieństwa między tymi typami komórek są bardzo duże, „dlatego przypuszczamy, że odkryliśmy nową ogólną funkcję apoptozy, która polega na selekcji komórek na podstawie ich funkcji”, mówi Herrmann.

Doktorantka SreeDivya Saladi pracowała trzy lata w grupie profesora Herrmanna. Obecnie wróciła do Indii, aby dalej badać rolę mitochondriów.

Badanie ukazało się w renomowanym czasopiśmie „Molecular Cell”: „NADH dehydrogenase Nde1 wykonuje śmierć komórki po zintegrowaniu sygnałów z metabolizmu i proteostazy na powierzchni mitochondrium”
DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.09.027

Odpowiedz na pytania:

Felix Boos
Zakład Biologii Komórki
E-mail: fboos[at]rhrk.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-2409

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