Naukowcy odkrywają nową rolę cyklu komórkowego w tworzeniu rzęsek

Niesamowity proces podziału komórki może zamienić zapłodnione jajo w dziecko, a komórkę nowotworową w nowotwór złośliwy. Ponieważ stawka jest tak wysoka, natura sprawuje ścisłą kontrolę poprzez proces zwany cyklem komórkowym, który naukowcy uważają, że w pełni rozumie.

Ale teraz okazuje się, że trzeba wiedzieć więcej. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco odkryli, że komórki mogą również wykorzystywać cykl komórkowy do kontrolowania wyglądu włosowatych wypukłości, zwanych rzęskami.

„Cykl komórkowy był szeroko badany przez dziesięciolecia i odkryliśmy, że działa on w nowy sposób” – powiedział dr Jeremy Reiter, profesor biofizyki i biochemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco oraz starszy autor książki artykuł, który ukazuje się w czasopiśmie Science. Natura 29 maja 2024 r. „Ten stary pies – cykl komórkowy – potrafi więcej sztuczek, niż nam się wydawało”.

Złam zasadę, która zapobiega rakowi

Komórki wielokomórkowe są niezbędne dla zdrowia człowieka. W płucach ich rzęski poruszają się tam i z powrotem, aby zapobiec gromadzeniu się płynów, takich jak śluz. W układzie rozrodczym pomaga w transporcie jaj przez jajowód do macicy. W mózgu oczyszczają płyn mózgowo-rdzeniowy w celu usunięcia odpadów. Kiedy działają nieprawidłowo, następuje poważna choroba.

Reiter i jego współpracownicy chcieli zrozumieć, jak rozwijają się te komórki, dlatego zastosowali technikę zwaną sekwencjonowaniem RNA jednokomórkowych, aby dowiedzieć się, które geny są włączane i wyłączane w poszczególnych wielorzęskowych komórkach płuc.

Uchwycili je na różnych etapach dojrzewania, mając nadzieję, że dojdą do instrukcji genetycznych niezbędnych do wzrostu rzęsek, i odkryli wzór przypominający cykl komórkowy.

Poprzednie badania wykazały, że podczas wzrostu rzęsek aktywnych było kilka białek cyklu komórkowego, zwanych cyklinami, a także centriole, które stabilizują dwa zestawy chromosomów podczas podziału komórki.

Jednakże zespół Reitera odkrył, że poza cyklinami wiele genów cyklu komórkowego ulegało ekspresji na wysokim poziomie w komórkach płuc, mimo że komórki te nie dzieliły się.

„Podczas opracowywania komórek zwielokrotnionych zaobserwowaliśmy tę samą sekwencyjną ekspresję regulatorów cyklu komórkowego, takich jak cykliny i CDK, jakiej spodziewalibyśmy się w komórkach macierzystych” – powiedział dr Simil Choksi, badacz w laboratorium Reitera i specjalista ds. badacz w laboratorium Reitera. Pierwszy autor artykułu.

Najwyraźniej nie był to typowy cykl komórkowy. Na przykład ten alternatywny cykl komórkowy, czyli „cykl replikacji”, jak go nazywali naukowcy, wytworzył niezwykle dużą liczbę centrioli, znacznie więcej niż cztery centriole powstałe podczas podziału komórki.

„Jeśli coś pójdzie nie tak w cyklu komórkowym i wytworzy się zbyt wiele centrioli, może to prowadzić do raka” – powiedziała Choksi. „W jakiś sposób ta ścisła zasada zapobiegania nowotworom, mówiąca o nie więcej niż czterech centriolach na komórkę, zostaje złamana, szczególnie w komórkach zwielokrotnionych, tworząc setki centrioli”.

Orkiestra komórkowa gra coś nowego

Choksi i Reiter przyjrzeli się bliżej, czym cykl replikacyjny w komórkach płuc różni się od klasycznego cyklu komórkowego polegającego na podziale komórek macierzystych, gen po genie. Pojawił się specyficzny gen nazwany E2F7. Jego ekspresja była umiarkowana w komórkach macierzystych, ale znacząco wysoka w komórkach dojrzałych i zwielokrotnionych.

W rzeczywistości, gdy E2F7 został całkowicie inaktywowany lub wyeliminowany w modelu zwierzęcym, zwielokrotnione komórki nie rozwijały się prawidłowo, co prowadziło do problemów w mózgu.

„Myśleliśmy, że jednym z pokręteł, którymi mogła obrócić się ewolucja, była regulacja E2F7, polegająca na zmianie podstawowego cyklu komórkowego na cykl mnożenia” – powiedział Reiter.

Następnie naukowcy odkryli, że zwielokrotnione komórki pozbawione E2F7 rozpoczęły syntezę nowego DNA, co jest cechą charakterystyczną podziału komórek. W ciele komórki zawieszone są setki centrioli, przeznaczonych do budowy rzęsek na powierzchni komórki.

Jeśli cykl komórkowy był jak konkretny utwór muzyczny grany przez orkiestrę molekularną, to E2F7 był nowym dyrygentem, kierując tym samym instrumentami w tej orkiestrze, aby zagrały nową nutę, cykl multiplikacji.

„Jest oczywiste, że ewolucja przystosowała cykl komórkowy do realizacji różnorodnych projektów komórkowych wykraczających poza podział komórkowy” – powiedział Reiter. „Ciekawie będzie zobaczyć, do czego jeszcze jest zdolny.”