მეთილენის ლურჯი და პროგერია: რას გვასწავლის უჯრედული დაბერების მოდელი

ერთ გენში ერთი ასოს ცვლილება ბავშვებს შემზარავი სისწრაფით აბერებს. თმის ცვენა, სახსრების გაშეშება, არტერიების შევიწროება და სიცოცხლის მოსალოდნელი ხანგრძლივობა, რომელიც მხოლოდ თინეიჯერობის წლებამდე აღწევს. ამ დაავადებას ჰაჩინსონ-გილფორდის პროგერიის სინდრომი ეწოდება. წლების განმავლობაში მისი კვლევა ბირთვზე იყო ფოკუსირებული — იქ, სადაც მუტანტური ცილა ზიანს იწვევს. მერილენდის უნივერსიტეტის 2016 წლის კვლევამ სხვა კითხვა დასვა: როგორ გამოიყურება მიტოქონდრიები ამ უჯრედებში? პასუხმა უჯრედის ორი განყოფილება ერთმანეთთან დააკავშირა, ხოლო საუკუნის წინანდელმა ლურჯმა საღებავმა ორივეზე იმოქმედა.

ეს არის სიონგისა და მისი კოლეგების კვლევა, რომელიც გამოქვეყნდა ჟურნალ Aging Cell-ში 2016 წელს. კვლევა მთლიანად კულტურაში გაზრდილ უჯრედებზე ჩატარდა. ქვემოთ განხილული ყველაფერი ამ ფაქტის გათვალისწინებით უნდა წავიკითხოთ. შედეგები რეალური და კონკრეტულია. ასევე კონკრეტულია ის ზღვარი, რომელიც მათ მკურნალობისგან აშორებს.

მოდელი: ერთი მუტაცია, ერთი წებოვანი ცილა

პროგერია იწყება LMNA გენის 1824 პოზიციაზე C-ის T-ით ჩანაცვლებით. ეს ცვლილება ამინომჟავას არ ცვლის. ის ააქტიურებს სპლაისინგის ფარულ უბანს, რის შედეგადაც ლამინ A-ს ცილას 50 ამინომჟავა აკლდება. შემოკლებული პროდუქტი, რომელსაც პროგერინი ეწოდება, კარგავს გაჭრის უბანს, რომელიც ჩვეულებრივ უჯრედს მისი ფარნეზილის სამაგრის მოცილების საშუალებას აძლევს. ამიტომ პროგერინი მუდმივად ფარნეზილირებული რჩება და ბირთვის შიდა მემბრანაზეა მიმაგრებული, მაშინ როცა ნორმალური ლამინ A მას ციკლურად უერთდება და სცილდება.

ბირთვში გამოწვეული შედეგები კარგად არის დოკუმენტირებული და მიკროსკოპითაც ჩანს. გლუვი ოვალური ფორმის შენარჩუნების ნაცვლად, ბირთვები გამობერილობებსა და ნაოჭებს ივითარებს. ჰეტეროქრომატინი — მჭიდროდ შეფუთული, ტრანსკრიფციულად არააქტიური დნმ, რომელიც ჩვეულებრივ ბირთვის კიდეს გასდევს — თხელდება. ათასობით გენის ექსპრესია იცვლება. წარმოიდგინეთ ბირთვის ლამინა, როგორც შპალერის უკან მოთავსებული საყრდენი კარკასი: როდესაც კარკასის ერთი ნაწილი არასწორ პოზიციაშია შედუღებული, კედელი იბერება და შპალერის ნახატი მთელ ოთახში მახინჯდება.

კვლევაში გამოიყენეს პროგერიის მქონე პაციენტების კანის ფიბრობლასტები და იმავე პასაჟის საკონტროლო უჯრედები, აგრეთვე მეორე უჯრედული ხაზი, რომელიც ისე იყო მოდიფიცირებული, რომ ნორმალურ ფიბრობლასტებს უშუალოდ პროგერინი წარმოექმნათ. მოდიფიცირებულ უჯრედებში იგივე დეფექტები განვითარდა, რაც მათ მიზეზად პროგერინს მიუთითებს და არა პაციენტების სამედიცინო ისტორიას ან კულტურაში გატარებულ დროს. სიმძიმე რაოდენობაზე იყო დამოკიდებული: იმ ხაზში, სადაც მეტი პროგერინი წარმოიქმნებოდა, ყველა მხრივ უფრო მძიმე დეფექტები გამოვლინდა.

როგორ გამოიყურებოდა მიტოქონდრიები

ჯანმრთელი ფიბრობლასტების მიტოქონდრიები ბირთვის გარშემო განტოტვილ ქსელს ქმნის — გრძელ მილაკებს, რომლებიც ციტოჩონჩხის ბილიკების გასწვრივ გადაადგილდება. პროგერიის უჯრედულ ხაზებში ეს ქსელი აღარ არსებობდა. მიტოქონდრიების უფრო დიდი წილი ფრაგმენტირებული იყო, ბევრი მათგანი შეშუპებული ჩანდა, ხოლო ელექტრონულმა მიკროსკოპიამ ძლიერ დაზიანებული ორგანელების რაოდენობის დაახლოებით ორმაგი ზრდა აჩვენა. ინტერვალური გადაღებით გამოჩნდა, რომ საკონტროლო უჯრედებთან შედარებით ისინი უფრო მოკლე მანძილზე და უფრო ნელა გადაადგილდებოდა.

ფორმის ცვლილებას ფუნქციის ცვლილებაც მოჰყვა. მოიმატა მიტოქონდრიული სუპეროქსიდისა და მთლიან უჯრედში ოქსიდანტების დონემ. მეტ უჯრედში გამოვლინდა მემბრანული პოტენციალის დარღვევა. ATP-ის წარმოქმნა შემცირდა. ცალ-ცალკე არცერთი ეს შედეგი გასაკვირი არ არის, რადგან დაზიანებული მიტოქონდრიები ჟანგბადის რეაქტიულ ფორმებს გამოყოფს და ნაკლებ ენერგიას წარმოქმნის. ახალი იყო სავარაუდო მიზეზი. PGC-1alpha — ტრანსკრიფციული კოაქტივატორი, რომელიც მიტოქონდრიების ბიოგენეზს მართავს ისეთი ქვემდგომი ფაქტორების მეშვეობით, როგორიცაა NRF1, TFAM და შერწყმისა და გაყოფის რეგულატორები MFN1, MFN2, OPA1, FIS1 და DRP1 — პროგერიის უჯრედებში mRNA-ის დონეზე დაახლოებით რვაჯერ იყო შემცირებული, რასაც ცილის რაოდენობის შესაბამისი კლებაც ახლდა. ჩანდა, რომ პროგერინი მიტოქონდრიების წარმოქმნისა და შენარჩუნების მთავარ ჩამრთველს თრგუნავდა. ბირთვის ლამინის დაზიანებასა და ენერგეტიკულ მეტაბოლიზმს შორის ეს კავშირი მიტოქონდრიული ენერგიის წარმოქმნის უფრო ფართო სურათის ნაწილია, ხოლო იმავე ბალანსის ოქსიდანტებთან დაკავშირებული მხარე განხილულია ოქსიდაციური სტრესისა და ROS-ის კონტროლის თემაში.

რა შეცვალა მეთილენის ლურჯმა

მკვლევრები უჯრედებზე 100 ნანომოლარული მეთილენის ლურჯით, დაბალი კონცენტრაციით, უწყვეტად მოქმედებდნენ რამდენიმე კვირის განმავლობაში. უჯრედული კულტურის თვალსაზრისით, ეს ხანგრძლივი, მსუბუქი ზემოქმედებაა და არა პრეპარატის ხანმოკლე პულსი. მეთილენის ლურჯი დაჟანგულ და აღდგენილ ფორმებს შორის ციკლურად გადადის და მიტოქონდრიებში ელექტრონების გადატანა შეუძლია. ამიტომ მას აღწერენ, როგორც მიტოქონდრიებზე მიმართულ ჟანგვა-აღდგენით ნაერთს და არა ჩვეულებრივ ანტიოქსიდანტს, რომელიც ერთი ოქსიდანტის განეიტრალებისას იხარჯება.

მიტოქონდრიებმა რეაგირება მოახდინა როგორც ნორმალურ, ისე პროგერიის უჯრედებში. ATP-ის დონე გაიზარდა, ოქსიდანტების დონე შემცირდა და ძლიერ დეფექტური მიტოქონდრიების წილი დაეცა. PGC-1alpha-ს ექსპრესია ნაწილობრივ აღდგა, ისევე როგორც მის ქვემდგომ ზოგიერთ სამიზნესთან დაკავშირებული მაჩვენებლები. ამ ეტაპზე ეს მიტოქონდრიების ფუნქციის ზოგადი მხარდაჭერის ეფექტია და არა პროგერიისთვის სპეციფიკური შედეგი.

მოულოდნელი იყო ბირთვთან დაკავშირებული შედეგები, რომლებიც მხოლოდ დაავადებულ უჯრედებში გამოვლინდა. ფორმის რაოდენობრივმა ანალიზმა აჩვენა, რომ ბირთვის გამობერილობები შემცირდა. ლამინების A და C საერთო რაოდენობა გაიზარდა. ყველაზე თვალსაჩინო კი პროგერინის გადანაწილება იყო: ზემოქმედების გარეშე დარჩენილ პროგერიის უჯრედებში პროგერინის მხოლოდ დაახლოებით 30 პროცენტი იყო ნუკლეოპლაზმის ხსნად ფრაქციაში, დანარჩენი კი მემბრანაზე რჩებოდა მიმაგრებული. ზემოქმედების შემდეგ ხსნადი წილი დაახლოებით 65 პროცენტამდე გაიზარდა, რაც ნორმალური ლამინის ქცევასთან ახლოსაა. მემბრანისგან გათავისუფლებული პროგერინი ნაკლებ მეზობელ მოლეკულას იყოლებს, და ლამინების A და C ხსნადი ფრაქციებიც აღდგა.

ამ გათავისუფლების შედეგად ბირთვის ორი ფენოტიპური მახასიათებელი გაუმჯობესდა. ბირთვის გარშემო არსებული ჰეტეროქრომატინი, რომელიც ელექტრონული მიკროსკოპიითა და ჰეტეროქრომატინის ცილა HP1-alpha-ზე შეღებვით შეისწავლეს, თვალსაჩინოდ აღდგა. RNA-ის სეკვენირებამ კი აჩვენა, რომ ტრანსკრიპტომი ნორმალურ მდგომარეობას უახლოვდებოდა: ზემოქმედების გარეშე დარჩენილი პროგერიის უჯრედები საკონტროლო უჯრედებისგან 3,200-ზე მეტი გენის მიხედვით განსხვავდებოდა, ხოლო დამუშავებული პროგერიის უჯრედები — დაახლოებით 1,670 გენის მიხედვით. ნორმალურ უჯრედებში იმავე ზემოქმედებამ მხოლოდ რამდენიმე ათეული გენი შეცვალა, რაც მიუთითებს, რომ ბირთვული ეფექტი პროგერინს უკავშირდება და არა ტრანსკრიფციის ზოგად მკვეთრ ცვლილებას. პრინციპი, რომ უჯრედული და ცხოველური მოდელები უფრო ვიწრო კითხვებს პასუხობს, ვიდრე სათაურებიდან შეიძლება გვეგონოს, ახსნილია სტატიაში როგორ წავიკითხოთ მეთილენის ლურჯის კვლევები.

რატომ არ არის ეს მკურნალობა

ოთხი შეზღუდვა ამ კვლევას მის სათანადო ადგილას — ლაბორატორიაში — ტოვებს.

პირველი: ყველაფერი ლაბორატორიულ ჭურჭელში მოხდა. კულტურაში გაზრდილ ფიბრობლასტებს არ გააჩნია სისხლმომარაგება, იმუნური გარემო, ქსოვილის არქიტექტურა და მთელი ორგანიზმის ფარმაკოლოგიური პროცესები, რომლებიც განსაზღვრავს, მიაღწევს თუ არა ნაერთი საერთოდ სამიზნეს. ამ ნაშრომში არც ცხოველისთვის მიუციათ ნივთიერება და არც პაციენტისთვის ჩაუტარებიათ მკურნალობა.

მეორე: პროგერიის ფიბრობლასტები მხოლოდ ერთი ტიპის უჯრედის მოდელია. დაავადების ფატალური შედეგები ძირითადად არტერიების, ძვლისა და ცხიმოვანი ქსოვილის დაზიანებას უკავშირდება, კვლევამ კი მხოლოდ ფიბრობლასტები და გლუვი კუნთის ერთი პრეპარატი შეამოწმა. სხვა ქსოვილები შეიძლება სხვაგვარად იქცეოდეს.

მესამე: ბირთვის აღდგენა კულტურის საკვებ გარემოში ნანომოლარული კონცენტრაციით უწყვეტი, რამდენიმეკვირიანი ზემოქმედების შედეგად მოხდა. ლაბორატორიულ ჭურჭელში არსებული კონცენტრაციები დოზები არ არის, და ნაშრომში არაფერი გარდაქმნის საკვებ გარემოში 100 ნანომოლარულ კონცენტრაციას ადამიანისთვის განკუთვნილ გამოყენების სქემად. მედიცინის სხვა სფეროებში მეთილენის ლურჯს დოზაზე დამოკიდებული რეაქცია და უსაფრთხოების საკუთარი პროფილი აქვს, ეს კვლევა კი სახლის პირობებში გამოყენების საფუძველს არ იძლევა. უსაფრთხოების ზოგადი კონტექსტი განხილულია სტატიაში მეთილენის ლურჯის უსაფრთხოება და გვერდითი ეფექტები.

მეოთხე: პროგერია ნორმალური დაბერება არ არის. ეს იშვიათი, ერთი მუტაციით გამოწვეული დაავადებაა, რომლის დროსაც ბირთვის საყრდენი კარკასი სპეციფიკური გზით ზიანდება. ნაერთი, რომელიც კულტურაში გაზრდილ უჯრედებში ამ კონკრეტულ დაზიანებას ამსუბუქებს, ცოტას გვეუბნება იმ ადამიანების დაბერებაზე, რომლებსაც ეს მუტაცია არ აქვთ. უჯრედული ფენოტიპი ბირთვსა და მიტოქონდრიებს შორის ურთიერთქმედების შესწავლის შესაძლებლობას იძლევა და არა სიცოცხლის გახანგრძლივების შედეგს.

ამიტომ სამართლიანი შეჯამება პირობითია. პროგერიის ფიბრობლასტებში პროგერინი თრგუნავს PGC-1alpha-ს და მიტოქონდრიებს ფრაგმენტირებულს, ნელა მოძრავს, ოქსიდანტებით დატვირთულსა და ენერგიით ღარიბს ტოვებს. დაბალი კონცენტრაციის მეთილენის ლურჯმა ყველა უჯრედში მიტოქონდრიული მაჩვენებლები აღადგინა და, დამატებით, დაავადებულ უჯრედებში პროგერინი ბირთვის მემბრანისგან გაათავისუფლა, რასაც ბირთვის ფორმის, ჰეტეროქრომატინისა და გენების ექსპრესიის ნაწილობრივი აღდგენა მოჰყვა. ეს ორმაგი მოქმედება კვლევას ყურადღების ღირსად აქცევს. ის მეთილენის ლურჯს არც პროგერიისა და არც დაბერების სამკურნალო საშუალებად არ აქცევს.