Двигайся, сотовая сигнализация. Ученые, стремящиеся понять эмбриональное развитие, должны освободить место для метаболизма, согласно новому исследованию, проведенному биологом-специалистом Гарвардской медицинской школы Оливье Пурки, которое также имеет значение для регенеративной медицины и исследований рака.
На протяжении десятилетий ученые провозглашали клеточную сигнализацию – то есть коммуникацию внутри клеток и между ними – королем эмбрионального развития, определяя, какие клетки идут, куда и какими тканями они в конечном итоге становятся. Энергетический метаболизм, думали мы, гудел на заднем плане, единообразный для каждой клетки.
Новое исследование, опубликованное в Developmental Cell, показывает, что определенный тип метаболизма – тот, который также является отличительной чертой раковых клеток – на самом деле варьируется в разных частях эмбриона, увеличиваясь в тех областях, где организм занят более длительным ростом.
Исследования показывают, что эта метаболическая активность не только играет пассивную роль, но и помогает интегрировать клеточную сигнализацию, чтобы контролировать удлинение эмбриона и судьбу клеток.
В сопутствующей статье отдельной исследовательской группы в том же журнале повторяются выводы.
По словам Пуркье, профессора генетики в HMS, профессора патологии Фрэнка Берра Мэллори в больнице Бригама и женщин и сотрудника Гарвардского института стволовых клеток, работа привлекает внимание к игнорируемому игроку в эмбриональном развитии.
"До сих пор эта область была связана с генами и белками; теперь мы также должны включить метаболиты, потому что мы показываем, что они контролируют экспрессию генов и передачу сигналов," он сказал.
"Биологи, занимающиеся развитием, многому научились, играя с генами и белками, но мы немного застряли, потому что нам не хватало некоторых факторов," Pourquié добавлен. "Я думаю, что метаболизм многое объяснит в явлениях, которые мы изучаем."
Авторы говорят, что работа может привести к лучшему пониманию физиологии рака. Это также открывает перед исследователями возможность улучшить свое понимание метаболических потребностей стволовых клеток, чтобы они могли лучше создавать ткани для регенеративной медицины.
В болезни и в здравии
Клетки животных обычно производят энергию, расщепляя кислород. При низком уровне кислорода, например, во время тренировок, клетки могут вырабатывать энергию, расщепляя сахар в процессе, называемом гликолизом.
В результате феномена, известного как эффект Варбурга, большинство раковых клеток активизируют гликолиз, даже когда доступен кислород.
Ученым также была известна метаболическая активность, подобная Варбургу, на определенных этапах эмбрионального развития, но до сих пор ее назначение в нормальных и раковых клетках оставалось туманным.
Команда Пурке, в которую вошли сотрудники из Института генетики и биологии молекулярной и целлюлярной медицины (IGBMC) во Франции, искала ответы, изучая гликолиз, подобный Варбургу, в эмбрионах кур и мышей с разрешением, невиданным ранее.
Первый сюрприз прибыл, когда исследователи обнаружили, что пик гликолиза идет вдоль спиноподобной оси в хвостовой зачатке, где зародыш был занят более длинным ростом, и исчезает к середине или туловищу эмбриона.
Затем произошло второе неожиданное открытие. Хотя биологи предположили, что эффект Варбурга способствует пролиферации раковых клеток, гликолиз в эмбрионах не отражается на пролиферации клеток. Вместо этого высокий гликолиз совпадал с высокой передачей клеточных сигналов.
В частности, пик гликолиза увеличивался там, где клетки были заняты разговором надвое "языки," FGF (фактор роста фибробластов) и передача сигналов Wnt. Эти сигналы контролируют рост клеток и дифференциацию так называемых параксиальных клеток мезодермы в мышечные и скелетные ткани. Они также имеют тенденцию выходить из строя при многих раковых заболеваниях.
Пурки и его команда заметили еще одну метаболическую параллель между эмбрионами и раковыми клетками: области с высоким гликолизом имели низкий или кислый внеклеточный pH, "это именно то, что вы увидите во многих опухолях," он сказал.
"Многие аспекты метаболизма эмбрионов напоминают раковые клетки," сказал Пурки. "Я был очень удивлен тем, насколько они похожи."
Это сходство вселяет надежду на то, что изучение того, что метаболизм Варбурга влияет на развитие эмбрионов, проливает свет на его роль в развитии рака и, возможно, однажды укажет на новые возможности лечения рака.
"В течение многих лет люди говорили, что раковые клетки имеют эмбриональный фенотип," сказал Пурки. "Здесь мы предоставляем подробный метаболический анализ, чтобы показать, что мы можем далеко продвинуть аналогию с раковыми клетками."
Результаты подтверждают теорию о том, что эффект Варбурга возникает из-за того, что раковые клетки "воспроизвести эмбриональную программу, которая присутствует, когда клетки пролиферируют и растут," он сказал, а не теорию о том, что их метаболизм "полностью запутался."
Но только время и дальнейшие эксперименты покажут.
"Метаболизм очень сложен, поэтому для его включения в наши исследования потребуется много работы," сказал Пурки. "Но это интересно."