Wyjaśnienie mechanobiologii dobowego zegara biologicznego
Zegar dobowy umożliwia organizmowi pozyskiwanie potrzebnych mu zasobów w optymalnym czasie i jednoczesne planowanie aktywności narządów, tkanek i komórek. U ssaków za kontrolę rytmu dobowego odpowiadają geny, przy czym niektóre białka są wytwarzane przez same geny również w cyklu dobowym. Jeśli wziąć pod uwagę, że białka te biorą udział w kluczowych procesach komórkowych, na przykład w cyklu komórkowym i różnicowaniu, jakiekolwiek zaburzenia zegara dobowego mogą mieć bardzo poważne konsekwencje. Mamy coraz więcej dowodów na to, że mechaniczne środowisko komórki wpływa na jej funkcjonowanie. Na przykład postęp cyklu komórkowego zależy od dostępnej przestrzeni, nacisku wywieranego przez sąsiednie komórki i sztywności macierzy pozakomórkowej. Czynniki te wpływają również na różnicowanie komórek podczas rozwoju, a nawet określają, czy komórka obumrze, czy stanie się guzem. Pamiętając, że komórki zależne od rytmu dobowego dzielą w tkance wspólne mikrośrodowisko i są ze sobą połączone, zespół projektu MECHADIAN zbadał po raz pierwszy – przy wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie” – jak czynniki mechaniczne wpływają na zegar dobowy. Analizując fibroblasty, najważniejsze komórki tkanki łącznej, zespół dowiedział się, że czynniki mechaniczne w środowisku mają istotny wpływ na działanie zegarów dobowych tych komórek. Gdy środowisko ulegało zniszczeniu, na przykład w wyniku odniesionych obrażeń, zegar dobowy wyraźnie na tym cierpiał. „Zmieniając środowisko komórek, odkryliśmy nowe ścieżki sygnałowe, które regulują działanie zegara dobowego. To oczywiście nasuwa pewne pytania, na przykład jakie będą konsekwencje zaburzenia jego działania w uszkodzonej tkance?”, mówi główny badacz i stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie” Juan Francisco Abenza z Instytutu Bioinżynierii w Katalonii.
Która godzina?
Komórki jądra nadskrzyżowaniowego w podwzgórzu mózgu koordynują dobowy rytm wszystkich tych czynników biologicznych, które składają się na ssaki. Ten obszar w mózgu odbiera informacje z siatkówki, na tej podstawie szacuje przybliżoną porę dnia i wysyła endokrynologiczne i neurokrynologiczne sygnały do wszystkich komórek, by „ustawić im czas”. Ekspresja genów w tych komórkach zmienia się w rytmie 24-godzinnym, w pętli sprzężenia zwrotnego, i w ten sposób reguluje działanie setek białek, wpływając na aktywność genomową każdej komórki. Aby lepiej zrozumieć ten proces, podczas prac nad projektem MECHADIAN za pomocą mikroskopii konfokalnej zbadano tysiące pojedynczych komórek fibroblastów NIH3T3. Wyniki odniesiono do narzędzi do mikrofabrykacji, takich jak mikrodruk białek macierzy pozakomórkowej. Równolegle prowadzono testy gojenia ran. Zespół przeprowadził statystyczną ocenę różnicy w dobowej ekspresji genów komórek wzrastających w różnych warunkach, zwracając szczególną uwagę na trwałość zegarów dobowych opartych na ekspresji REVERBα, jednego z podstawowych białek dobowych. „Zaskoczyło nas, że po pewnych zmianach mechanicznych, na przykład po nagłej zmianie gęstości komórek, komórki nie przeszły w tryb dobowy nawet po próbach wymuszenia poprzez stosowanie wstrząsu hormonalnego. To podkreśla, jak ważny jest kontekst mechaniczny”, wyjaśnia Abenza. Kolejnym osiągnięciem było odkrycie precyzyjnego związku molekularnego między zegarem dobowym a mechanoodczuwaniem w komórkach – sposobem, w jaki komórki „odczuwają” właściwości mechaniczne swojego otoczenia. Wyniki są przygotowywane do publikacji.
Ku chronomedycynie
Wyniki projektu MECHADIAN podkreślają znaczenie pamiętania zarówno o czasie, jak i środowisku mechanicznym podczas badania zachowań komórek. Te czynniki mogą pomóc w rozwiązaniu niektórych nierozwiązanych zagadek biologicznych, i bardzo prawdopodobne, że przyczynią się do rozwoju nowej dziedziny wiedzy, tak zwanej chronobiologii, która ma na celu określenie optymalnego czasu podawania leków lub przeprowadzania operacji. „Ponieważ ludzie coraz częściej eliminują ze swojego życia światło naturalne, nasze rytmy dobowe ulegają coraz większym zaburzeniom, a to zagraża zdrowiu fizycznemu i psychicznemu”, dodaje Abenza. „Po ujawnieniu związku między mechaniką komórkową a zegarem dobowym fibroblastów rozwijających się w komórkach chcemy zbadać to zjawisko w bardziej złożonych układach, takich jak kultury trójwymiarowe, organoidy, a z czasem nawet na organizmie”.
Słowa kluczowe
MECHADIAN, dobowy, komórka, zegar, organ, tkanka, komórka, jądra nadskrzyżowaniowe, podwzgórze, mechanika, fibroblast
