پیچ و تاب جدید در مسیر بیوشیمیایی 80 ساله —

اما با تجدید علاقه به متابولیسم سرطان در دهه گذشته، محققان به این نکته پی می‌برند که بیوشیمی سلولی بیش از چیزی که تصور می‌شد وجود دارد.

جدیدترین پیچیدگی داستان از سوی تیمی از دانشمندان در موسسه اسلون کترینگ می‌آید که گزارش می‌دهند یک مسیر متابولیک قبلاً ناشناخته را کشف کرده‌اند – یک نسخه جایگزین از چرخه معروف کربس، که به عنوان چرخه اسید تری کربوکسیلیک (TCA) نیز شناخته می‌شود.

چرخه TCA یا کربس – به نام هانس کربس، بیوشیمیدان آلمانی الاصل که آن را در سال 1937 کشف کرد – یک مرکز مرکزی متابولیسم سلولی است. این بخش اصلی فرآیندی است که در آن سلول ها قندها را می سوزانند تا ATP، مولکول حامل انرژی سلول بسازند. در شکل استاندارد آن، چرخه به طور کامل در میتوکندری سلول اتفاق می افتد.

لیدیا فینلی، زیست‌شناس سلولی در این زمینه می‌گوید: «ما و سایر دانشمندان برای مدتی متوجه شده‌ایم که در میزان استفاده سلول‌ها از بخش‌هایی از چرخه TCA تفاوت‌هایی وجود دارد، که نشان می‌دهد سلول‌ها ممکن است راه‌های متعددی برای برآوردن نیازهای متابولیک اساسی خود داشته باشند. SKI که تیم را رهبری کرد. اکنون، با این آخرین تحقیقات، می‌توان گفت که یک جایگزین کامل برای چرخه TCA متعارف وجود دارد و نحوه عملکرد آن را توضیح می‌دهیم.

مفاهیمی برای درک متابولیسم سلول های سرطانی

از طریق چندین خط شواهد همگرا، تیم دکتر فینلی نشان داد که یک نسخه جایگزین از چرخه TCA تا حدی در میتوکندری و بخشی در سیتوزول انجام می شود. به جای سوزاندن قند برای انرژی، این نسخه جایگزین از چرخه TCA به سلول ها اجازه می دهد تا از کربن موجود در قند برای ساخت مولکول های مهم مانند لیپیدها برای غشای سلولی استفاده کنند.

این تیم نشان داد که نه تنها این، بلکه استفاده سلول از یک یا آن نسخه از چرخه TCA با تغییراتی در هویت آن همراه است.

این یافته ها، که در 9 مارس 2022، در طبیعت، پیامدهای گسترده ای برای درک اینکه چگونه سلول ها متابولیسم خود را برای برآوردن نیازهای در حال تغییر تطبیق می دهند، دارند. آنها همچنین ممکن است راه های دیگری را برای درمان سرطان با هدف قرار دادن متابولیسم تومور پیشنهاد کنند.

کنار هم قرار دادن قطعات پازل

نتایج جدید از همکاری سازنده در آزمایشگاه فینلی بین دانشجوی فارغ التحصیل گرستنر اسلون کترینگ، پیج آرنولد و دانشجوی دکترای MD-PhD Tri-Institutional، بنجامین جکسون به دست آمد.

آرنولد از تکنیک‌های ردیابی کربن برای مطالعه جریان کربن در چرخه TCA در انواع مختلف سلول استفاده می‌کرد. برای مثال، او متوجه شده بود که به نظر می‌رسد در میزان قرار دادن کربن‌های خود در چرخه TCA در مقابل نادیده گرفتن یک قسمت از آن، تفاوت‌هایی وجود دارد.

تقریباً در همان زمان، جکسون از روش‌های محاسباتی برای تجزیه و تحلیل داده‌های در دسترس عموم از آزمایش‌هایی استفاده می‌کرد که در آن‌ها از ابزار ویرایش ژنوم CRISPR برای از بین بردن سیستماتیک ژن‌های آنزیم‌های مختلف، یک به یک، استفاده می‌شد تا ببیند چه تأثیری بر سلول‌ها دارد. .

دکتر فینلی خاطرنشان می کند: «شما فرض می کنید که اگر چرخه TCA یک ماژول عملکردی باشد، هر یک از آن آنزیم ها باید اثر نسبتاً مشابهی را هنگام حذف آن داشته باشند. “آنچه بن متوجه شد این است که در واقع اینطور نیست.”

جکسون می گوید: «به نظر می رسید آنزیم های متابولیک دو ماژول مجزا را تشکیل می دهند. این شواهد حکایتی را تأیید می‌کند که نشان می‌دهد بخش‌های مختلفی از چرخه TCA وجود دارد که سلول‌ها می‌توانند از آن‌ها استفاده کنند یا استفاده نکنند.»

مطالعات CRISPR که جکسون تجزیه و تحلیل کرد، در رده های سلولی سرطانی انجام شد – به عبارت دیگر، سلول هایی که “طبیعی” نیستند. آرنولد می خواست بداند که آیا عادی نیز در این چرخه جایگزین یا غیر متعارف مشارکت دارد. آزمایشگاه فینلی اغلب با سلول های بنیادی جنینی کار می کند، بنابراین آرنولد به راحتی به این سلول های طبیعی دسترسی داشت. آرنولد جریان کربن ها را از طریق آنها ردیابی کرد و دریافت که آنها همچنین در چرخه TCA غیر متعارف درگیر هستند.

درس هایی از 80 سال پیش

به نظر می‌رسد این دو مجموعه آزمایش تأیید می‌کنند که واقعاً یک روش جایگزین برای انجام چرخه TCA وجود دارد، راهی که در کتاب‌های درسی وجود ندارد. اما چرا کربس آن را از دست داده بود؟

برای تلاش برای پاسخ به این سوال، آرنولد تصمیم گرفت مقالات اصلی کربس را در دهه های 1930 و 40 مرور کند. او در کمال تعجب متوجه شد که کربس اکتشافات اساسی خود را در یک نوع بافت خاص انجام داده است: ماهیچه سینه کبوتر.

آرنولد می گوید: «هیچ کس واقعاً در مورد آن صحبت نمی کند. اما ما را به این فکر واداشت که آیا انواع سلول های مختلف ترجیحات متفاوتی برای استفاده از چرخه سنتی TCA یا این نسخه جایگزین دارند.

او تصمیم گرفت آزمایش های اصلی کربس را فقط در یک ظرف به جای ماهیچه کبوتر بازسازی کند. او از سلول‌های ماهیچه‌ای بنیادی مانند موش برای رشد پیش‌ساز فیبر عضلانی به نام myotube استفاده کرد و سپس کربن‌ها را ردیابی کرد. هنگامی که او این کار را انجام داد، چیز جالبی دید: “زمانی که سلول ها هنوز در مرحله ای شبیه به ساقه بودند، به نظر می رسید که بسیاری از این چرخه غیر متعارف TCA را انجام می دهند، شبیه به سلول های بنیادی جنینی و سلول های سرطانی.” “اما به محض اینکه سلول ها به myotubes تمایز یافتند، بلافاصله به چرخه سنتی تر TCA روی آوردند. این مطابق با آنچه کربس در بافت ماهیچه کبوتر دید است.”

برای این تیم، این نتیجه ارتباط واضحی بین تغییرات در هویت سلولی و استفاده از مسیرهای بیوشیمیایی خاص را نشان داد. برای آزمایش اینکه آیا تغییر در سرنوشت سلول ضروری با استفاده از مسیرهای مختلف، این تیم آزمایش‌های دیگری را انجام دادند که در آن‌ها از نظر شیمیایی یا ژنتیکی آنزیم‌های خاصی را در چرخه‌ها مسدود کردند و پرسیدند که آیا سلول‌ها هنوز هم می‌توانند سرنوشت خود را تغییر دهند. آنها نتوانستند. این یافته حاکی از آن است که تغییرات در سرنوشت سلول به مسیرهای بیوشیمیایی متفاوتی نیاز دارد.

سوزاندن یا ساختن

اصلاً چرا یک سلول باید شکل دیگری از چرخه TCA را انتخاب کند؟ به گفته دکتر فینلی، چرخه کربس در به حداکثر رساندن تولید ATP واقعا خوب است. این به سلول ها کمک می کند تا تمام مواد مغذی خود را به دی اکسید کربن بسوزانند.

دکتر فینلی می‌گوید: «اگر چیزی که واقعاً به آن اهمیت می‌دهید ساخت ATP باشد، عالی است. “اما اگر می خواهید رشد کنید، ATP در واقع معرف محدود کننده نیست. شما در واقع باید آن کربن ها را برای تولید زیست توده جدید حفظ کنید. این کاری است که چرخه غیر متعارف TCA انجام می دهد: به شما امکان می دهد کربن ها را از گلوکز بگیرید و آنها را به سیتوزول صادر کنید. ، جایی که می توان از آنها برای ساخت مولکول های دیگر استفاده کرد. بنابراین، به جای سوزاندن کربن، می توانید آن را حفظ کنید.”

این چرخه رشد محور ممکن است ارتباط خاصی با سرطان داشته باشد که مشخصه بارز آن رشد نامحدود است.

دکتر فینلی هشدار می‌دهد که آزمایش‌های آزمایشگاهی آن‌ها همگی در یک ظرف به جای روی حیوانات انجام شده است. این تیم به شدت علاقه مند به درک اینکه آیا و در چه زمانی در داخل بدن رخ می دهد، هم در حیوانات عادی و هم در تومورها علاقه مند است.

دکتر فینلی می‌گوید: «این به ما کمک می‌کند تا بدانیم که آیا ممکن است یک هدف خوب برای داروی سرطان باشد یا خیر».

یک فرصت غیرمنتظره به دلیل همه گیری کووید

دکتر فینلی فکر می کند که هر چه محققان بیشتر به دنبال مسیرهای بیوشیمیایی جایگزین بگردند، ممکن است بیشتر پیدا کنند. از برخی جهات، کشف یک چرخه غیر متعارف TCA توسط آنها به دلیل تعطیلی برنامه ریزی نشده در آزمایشگاه، به دلیل همه گیری COVID-19 تسهیل شد.

همانطور که جکسون توضیح می دهد: “من در خانه بودم و به دلیل بیماری همه گیر نمی توانستیم به آزمایشگاه بیایم. بنابراین زمان بسیار اتفاقی برای کار روی این پروژه و رفع تمام اشکالات کد شد.”

برای آرنولد نیز، خرابی مربوط به بیماری همه گیر فرصتی را فراهم کرد تا واقعاً در ادبیات تاریخی تحقیق کند و داده های آزمایشگاه های دیگر را که در آنها فکر می کرد می تواند شواهدی از عملکرد این چرخه دیگر ببیند، بررسی کند.

جکسون می‌گوید: «در پایان، کار محاسباتی که من انجام دادم و مدلی که پیج می‌ساخت، گرد هم آمدند و به یک همکاری واقعاً رضایت‌بخش تبدیل شد».

پایانی مناسب برای این داستان وجود دارد. زمانی که کربس مقاله اصلی خود را در مورد چرخه TCA به طبیعت، رد شد در آن زمان، ویراستاران فضایی نداشتند. این بار، خوشبختانه، آنها انجام می دهند.