Pahlawan tersembunyi sel Anda: Bagaimana mitokondria menyeimbangkan energi dan kelangsungan hidup

Dalam wahyu yang menarik dari penelitian baru -baru ini, mitokondria telah ditunjukkan tidak hanya untuk memberi daya pada sel tetapi juga untuk memproduksi blok bangunan seluler yang penting, menyeimbangkan peran ini, terutama di bawah tekanan.

Para ilmuwan menemukan pembagian kerja yang dinamis di dalam mitokondria, menghasilkan satu kelompok yang berfokus pada menghasilkan energi dan yang lain untuk memproduksi komponen struktural. Terobosan ini memberikan wawasan mendalam tentang strategi kelangsungan hidup kanker dan berpotensi regenerasi jaringan terkait penuaan.

Beyond Energy: Membangun Blok Kehidupan

Banyak dari kita ingat belajar dalam biologi sekolah menengah bahwa mitokondria adalah “pembangkit listrik” sel. Struktur kecil berbentuk kacang ini mengubah nutrisi dari makanan menjadi ATP, sering digambarkan sebagai “mata uang energi” sel. Sel menggunakan energi ini untuk tugas -tugas penting, seperti pengkodean memori dalam sel saraf atau bahan kimia detoksifikasi dalam sel hati.

Meskipun deskripsi ini akurat, itu hanya menceritakan sebagian dari cerita. Di luar energi, sel juga membutuhkan blok bangunan – bahan baku yang diperlukan untuk mereplikasi komponen mereka. Blok bangunan ini memastikan bahwa ketika sel tumbuh dan membelah, setiap sel baru mewarisi set bagian yang lengkap dan sama.

Kontrol mitokondria atas blok bangunan seluler

Selama bertahun -tahun, tidak jelas di mana di dalam sel blok bangunan ini dibuat. Tetapi selama dekade terakhir, para ilmuwan telah belajar bahwa mitokondria mengendalikan proses ini juga. Alih -alih menggunakan nutrisi untuk membuat ATP, mitokondria dapat menggunakannya untuk membuat blok bangunan seluler yang akan terbentuk DNAprotein baru, dan membran sel baru.

Bagaimana mitokondria memilih mana dari dua jalur yang berlawanan ini yang harus diambil?

“Itu adalah pertanyaan yang ingin kami jawab,” kata Craig Thompson, MD, anggota program Cancer Biology and Genetics di Sloan Kettering Institute di Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSK) dan penulis senior sebuah makalah baru yang diterbitkan yang diterbitkan baru -baru ini Alam. “Bagaimana mitokondria menyeimbangkan dua fungsi penting yang mereka lakukan untuk semua sel dalam tubuh kita?”

Bagaimana sel bertahan hidup di bawah tekanan

Dalam keadaan yang khas, katanya, mudah bagi sel untuk menyaring neraca mereka. Ketika nutrisi berlimpah – ketika sel kita mendapatkan semua nutrisi yang mereka butuhkan dan kemudian beberapa – sel dapat menggunakan nutrisi tersebut untuk membuat pasokan ATP yang memadai dan juga untuk membuat blok bangunan seluler yang cukup untuk pertumbuhan dan pembagian.

Tetapi apa yang terjadi selama masa stres, ketika nutrisi langka dan permintaan untuk ATP dan blok bangunan seluler tinggi? Tidak ada yang tahu jawaban atas pertanyaan itu.

Spesialisasi mitokondria dalam kondisi stres

Untuk menghargai dilema yang dihadapi sel, kata Dr. Thompson, pertimbangkan apa yang terjadi ketika Anda memotong diri sendiri.

“Darah mulai mengalir keluar, dan dengan itu nutrisi yang biasanya menopang jaringan. Sel -sel sekarang berada dalam situasi yang membuat stres. Mereka sangat membutuhkan ATP untuk dibelanjakan pada proses penyembuhan dan mereka juga sangat membutuhkan persediaan baru untuk memperbaiki jaringan yang terluka. Bagaimana sel memutuskan antara tuntutan yang bersaing ini belum jelas. ”

Dalam makalah baru mereka, Dr. Thompson dan rekan -rekannya menunjukkan dengan sangat detail bagaimana mitokondria mengatasi masalah yang menjengkelkan ini. Melalui proses yang dramatis dan dinamis dari transformasi fisik dan kimia, mitokondria membentuk subpopulasi berbeda yang berspesialisasi untuk memenuhi masing -masing tuntutan yang bersaing.

Hasil akhirnya adalah pembagian kerja yang hampir sempurna, dengan satu subpopulasi yang dilengkapi dengan mesin untuk membuat ATP, dan satu subpopulasi yang dilengkapi dengan mesin untuk membangun struktur sel baru.

Temuan baru tidak hanya menjawab pertanyaan mendasar tentang biologi sel, mereka memiliki implikasi langsung untuk memahami kanker – lambang dari peristiwa biologis yang penuh tekanan.

Pendekatan yang tidak terduga untuk fungsi mitokondria

Dr. Thompson dan rekan -rekannya, yang dipimpin oleh Keunwoo Ryu, PhD, seorang rekan postdoctoral di laboratorium, dimulai dengan menanyakan apa yang akan terjadi jika mereka menempatkan sel dalam situasi yang membuat stres, di mana, misalnya, ada jumlah glukosa nutrisi yang rendah rendah nutrisi dan secara bersamaan permintaan tinggi untuk ATP. Anda mungkin curiga bahwa sel -sel akan lebih menyukai membuat ATP dengan mengorbankan pembuatan blok bangunan seluler. Namun, bukan apa yang ditemukan para peneliti.

“Meningkatnya permintaan untuk ATP sama sekali tidak membahayakan kemampuan sel untuk membuat molekul lain untuk pertumbuhan,” kata Dr. Thompson.

Itu adalah temuan yang sangat aneh, yang tampaknya “melanggar hukum termodinamika,” tambahnya.

Seolah-olah seorang tukang roti dimulai dengan bahan-bahan untuk membuat satu pai apel 12 inci tetapi pada akhir memasak, memiliki dua pai 12 inci. Itu memberi tahu para ilmuwan bahwa sesuatu yang sangat tidak biasa terjadi.

Kontrol enzimatik dan pemisahan mitokondria

Satu petunjuk tentang misteri bagaimana mitokondria dapat melakukan dua fungsi sekaligus berasal dari melihat enzim yang dimiliki dua jalur yang berbeda. Mereka hanya menemukan satu: enzim yang disebut P5CS.

“P5CS adalah semacam protein linchpin yang diperlukan untuk membuat penilaian antara kedua jalur ini,” Dr. Thompson menjelaskan.

Ketika tim melihat secara lebih rinci tentang apa yang dilakukan P5C di sel-sel yang ditekankan, mereka melihat bahwa enzim P5C individu telah bergabung bersama untuk membuat filamen yang panjang. Namun anehnya, filamen terbentuk hanya dalam satu subpopulasi mitokondria; Di sisi lain, mereka tidak ada.

Subpopulasi mitokondria dengan filamen P5CS terasa berbeda dengan cara lain. Biasanya, dalam mitokondria yang dapat membuat ATP, membran bagian dalam mitokondria membentuk struktur lipat rumit yang disebut cristae, yang sering terlihat dalam mitokondria yang ditunjukkan dalam buku teks. Tetapi dalam mitokondria kaya dengan P5C, cristae tidak ada.

“Bisa jadi perubahan mitokondria ini memicu bagaimana sel kanker memperoleh kemampuan untuk bermetastasis, atau menyebar.”

Craig Thompson, MD Sloan Kettering Institute

Setelah menyelidik lebih lanjut, menjadi jelas bahwa kedua subpopulasi telah sepenuhnya memisahkan peran mereka, dengan satu populasi menjadi efisien hanya untuk membuat ATP dan satu populasi menjadi khusus untuk membuat blok bangunan seluler baru.

Hasil penting dari pembagian kerja ini adalah bahwa setiap subpopulasi menjadi lebih baik dalam melakukan tugasnya, yang membantu menjelaskan mengapa sel-sel yang ditekankan asli mampu membuat ATP yang cukup dan blok bangunan yang cukup untuk bertahan hidup dan tumbuh dalam kondisi yang penuh tekanan.

Dinamika mitokondria dan implikasi kanker

Tetapi bagaimana dua subpopulasi yang berbeda muncul di tempat pertama? Di sinilah ceritanya berubah mengejutkan. Para ilmuwan telah mengetahui selama beberapa dekade bahwa mitokondria adalah organel yang sangat dinamis. Mereka melalui acara fusi dan fisi, di mana mitokondria individu bergabung bersama dan kemudian terpisah, berulang -ulang.

Para ilmuwan telah berhipotesis bahwa peristiwa fusi dan fisi diperlukan untuk mendaur ulang komponen mitokondria yang rusak dari proses generasi ATP yang sangat menuntut. Itu mungkin benar. Namun, studi baru ini menunjukkan bahwa proses fusi dan fisi juga diperlukan untuk memisahkan filamen P5C ke dalam satu subpopulasi dan mesin pembuat ATP ke yang lain.

“Itu mengejutkan,” kata Dr. Thompson. “Saya percaya ini adalah pertama kalinya siapa pun menunjukkan bahwa fusi dan fisi mitokondria diperlukan untuk memisahkan fungsi mitokondria menjadi subpopulasi.”

Perubahan kanker dan mitokondria

Mengapa ini relevan dengan kanker? Nah, seperti yang diketahui siapa pun yang bekerja di lapangan, sel -sel kanker dapat bertahan hidup dalam kondisi stres yang biasanya membunuh sel -sel normal. Sebagai contoh, sel kanker dapat bertahan hidup di pusat tumor di mana nutrisi dan oksigen langka. Tidak ada sel biasa yang bisa melakukan itu.

Untuk melihat apakah perubahan mitokondria terjadi dalam konteks kanker, Dr. Thompson dan rekan -rekannya melihat sampel jaringan kanker pankreas, salah satu kanker yang paling agresif. Benar saja, tumor telah mengembangkan subpopulasi mitokondria yang terpisah, sedangkan jaringan normal di sekitarnya tidak.

“Perubahan mitokondria ini tampaknya mendorong perkembangan kanker, setidaknya pada adenokarsinoma duktus pankreas,” kata Dr. Thompson. Timnya sekarang ingin melihat apakah penemuan ini berlaku untuk jenis kanker lainnya, juga.

Mereka juga ingin menyelidiki bagaimana perubahan mitokondria ini dapat mendasari perkembangan kanker. “Bisa jadi mereka memicu bagaimana sel kanker memperoleh kemampuan untuk bermetastasis, atau menyebar,” katanya.

Bahkan ada kemungkinan koneksi dengan penuaan. “Kami berpikir bahwa memahami dinamika mitokondria ini akan sangat penting untuk pemahaman kami tentang bagaimana kami dapat memfasilitasi perbaikan jaringan dan regenerasi jaringan seiring bertambahnya usia,” kata Dr. Thompson. “Ketika kita melihat perubahan mitokondria ini, apakah itu tanda bahwa jaringan berada di bawah tekanan? Kami juga menjelajahi ide itu. ”

Referensi: “Permintaan ATP Seluler menciptakan subpopulasi mitokondria yang berbeda secara metabolik oleh Keun Woo Ryu, Tak Shun Fung, Daphne C. Baker, Michelle Saoi, Jinsung Park, Christopher A. Febres-Aldana, Rania G., Ruobing Cui, Anurag Sharma , Yi Fu, Olivia L. Jones, Xin Cai, H. Amalia Pasolli, Justin R. Cross, Charles M. Rudin dan Craig B. Thompson, 6 November 2024, Alam.
Doi: 10.1038/s41586-024-08146-w

Studi ini didukung secara finansial oleh Hunter Douglas Fellowship dalam Penelitian Kanker Payudara, Hibah Inovasi Peneliti Postdoktoral BRIA, dan National Cancer Institute (Grants R35 CA263816, P30 CA008748 dan R35 CA283988).