Nowe fakty dotyczące metabolizmu komórkowego i jego zmian wywołanych chorobą
Metabolizm komórkowy jest niezwykle złożonym, dynamicznym systemem opartym na działaniu tysięcy enzymów. „Badanie aktywności metabolicznej wewnątrz komórek zwykle polega na uśrednionych pomiarach ilościowych dotyczących wielu przedziałów subkomórkowych, co maskuje ważne informacje na temat różnic w stężeniu metabolitów w różnych organellach”, wyjaśnia Tomer Shlomi, pracownik naukowy Izraelskiego Instytutu Technicznego(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i koordynator projektu CancerFluxome. Brak danych dotyczących procesów na poziomie subkomórkowym już sam w sobie stanowi wystarczająco duże wyzwanie, jednak Shlomi dodaje, że w praktyce pomiar parametrów związanych z przemianą materii można wykonywać wyłącznie na dużych populacjach komórek, co dodatkowo komplikuje zdolność wnioskowania na temat potencjalnej zmienności aktywności metabolicznej w zależności od danej komórki.
Obserwacja aktywności metabolicznej w wysokiej rozdzielczości przestrzenno-czasowej
W pokonaniu tych wyzwań miał pomóc projekt wsparty przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), w ramach którego uczeni wykorzystali innowacyjną metodę opartą na biologii systemów, pozwalającą na ocenę stężenia metabolitów i ich przepływu (rzeczywistego tempa działania enzymów metabolicznych) w różnych przedziałach subkomórkowych. Metoda ta umożliwia również badanie dynamiki metabolitów i przepływów w cyklu komórkowym. „Uważamy, że możliwość badania aktywności metabolicznej w wysokiej rozdzielczości przestrzenno-czasowej znacząco przyczyni się do lepszego zrozumienia metabolizmu komórkowego i jego zmian w stanach chorobowych, w tym w przebiegu raka”, mówi Shlomi. Przykładem może być zastosowanie metody łączącej synchronizację komórek z dekonwolucją obliczeniową, śledzeniem izotopów, spektrometrią mas i modelowaniem sieci metabolicznej, dzięki której badacze z laboratorium Shlomi Lab(odnośnik otworzy się w nowym oknie) byli w stanie zbadać dynamikę przepływu metabolicznego w miarę progresji komórek w całej linii komórkowej. „Zastosowanie tej metody do powszechnie badanej linii komórkowej wzbogaciło naszą wiedzę na temat niezwykle istotnego systemu metabolicznego komórek o kolejny wymiar czasowy”, dodaje Shlomi. „Otóż odkryliśmy, że przepływ metaboliczny przez ten system ulega wahaniom w miarę progresji komórki w cyklu komórkowym, dostosowując swoją aktywność do zmieniających się wymagań procesów anabolicznych”.
Nieznany wcześniej szlak
Przechodząc do jeszcze trudniejszego pod względem technicznym zadania, polegającego na opisie przepływu metabolicznego na poziomie subkomórkowym i w warunkach fizjologicznych, zespół projektu opracował metodę szybkiego frakcjonowania komórek. „Proces ten pozwala wyizolować mitochondria z komórek w ciągu kilku sekund, błyskawicznie je zmrażając, co następnie umożliwia wykonanie pomiarów i modeli obliczeniowych”, tłumaczy Shlomi. Wykorzystując tę metodę do badania głównej aktywności metabolicznej, naukowcy ze Shlomi Lab odkryli nieznany wcześniej szlak, w którym kilka enzymów mitochondrialnych w cyklu Krebsa wykazywało odwróconą aktywność w określonych guzach, wspierając aktywność anaboliczną i proliferację komórek nowotworowych.
Nowy cel w leczeniu raka
Kolejne ważne odkrycie dotyczyło enzymu mitochondrialnego, którego aktywność okazała się niezbędna do wzrostu komórek raka wątroby. Dzięki temu naukowcy byli w stanie wykazać, że genetyczne wyciszenie genu kodującego ten enzym hamuje wzrost komórek raka wątrobowokomórkowego u myszy – tym samym wskazując nowy cel w leczeniu tej choroby. „Metody opracowane w ramach tego projektu zapewniają podstawowe narzędzia dla uczonych prowadzących badania nad metabolizmem, a także poszerzają naszą wiedzę na temat tego, w jaki sposób metabolizm komórkowy jest przeprogramowywany przez komórki rakowe i jak wykorzystać proces przeprogramowania w roli potencjalnego celu dla leków”, podsumowuje Shlomi. Chociaż projekt CancerFluxome został już zakończony, zespół Shlomi Lab kontynuuje prace nad nowymi metodami uzyskiwania jeszcze bardziej kompleksowego obrazu metabolizmu komórkowego, jego regulacji i wszelkich nieprawidłowości wywoływanych przez choroby.
Słowa kluczowe
CancerFluxome, wysoka rozdzielczość przestrzenno-czasowa, metabolizm komórkowy, choroba, rak, komórki nowotworowe, metabolity, przepływ metaboliczny, nowotwór, guz
