Metilensko modrilo in progerija: spoznanja iz modela celičnega staranja

Sprememba ene same črke v enem genu povzroči, da se otroci starajo s srhljivo hitrostjo. Izpadanje las, togi sklepi, zožene arterije in pričakovana življenjska doba, ki sega le v najstniška leta. Ta bolezen je Hutchinson-Gilfordov sindrom progerije, njeno raziskovanje pa se je več let osredotočalo na jedro, kjer mutirana beljakovina povzroča škodo. Raziskava Univerze v Marylandu iz leta 2016 je zastavila drugačno vprašanje: kakšni so mitohondriji v teh celicah? Odgovor je povezal dva predela celice, stoletno modro barvilo pa je vplivalo na oba.

Raziskavo so izvedli Xiong in sodelavci, objavljena pa je bila v reviji Aging Cell leta 2016. V celoti je potekala na gojenih celicah. To dejstvo je izhodišče za vse, kar sledi. Ugotovitve so resnične in konkretne. Prav tako konkretna je njihova oddaljenost od kakršnega koli zdravljenja.

Model: ena mutacija, ena lepljiva beljakovina

Progerija se začne z zamenjavo C s T na mestu 1824 v genu LMNA. Sprememba ne spremeni aminokisline. Aktivira skrito mesto izrezovanja, zaradi česar se iz beljakovine lamin A odstrani 50 aminokislin. Skrajšani produkt, imenovan progerin, izgubi mesto cepitve, ki bi celici običajno omogočilo odstranitev njegovega farnezilnega sidra. Progerin zato ostane trajno farneziliran in pritrjen na notranjo jedrno membrano, medtem ko bi se normalen lamin A izmenično vezal nanjo in sproščal z nje.

Posledice za jedro so dobro dokumentirane in vidne pod mikroskopom. Jedra dobijo izbokline in gube, namesto da bi ohranila gladko ovalno obliko. Heterokromatin, gosto zgoščena, transkripcijsko neaktivna DNA, ki običajno obdaja rob jedra, se stanjša. Izražanje tisočev genov se spremeni. Jedrno lamino si predstavljajte kot ogrodje za tapeto: ko je en del ogrodja privarjen v napačnem položaju, se stena izboči, vzorec tapete pa se popači po vsej sobi.

Raziskava je uporabila kožne fibroblaste bolnikov s progerijo in kontrolne celice z enakim številom pasaž ter dodatno celično linijo, prirejeno tako, da so normalni fibroblasti neposredno proizvajali progerin. Prirejene celice so razvile enake nepravilnosti, kar vzrok pripisuje progerinu, ne pa zdravstveni zgodovini bolnikov ali času v kulturi. Resnost je sledila količini: linija, ki je izražala več progerina, je pri vseh meritvah kazala hujše nepravilnosti.

Kakšni so bili mitohondriji

Mitohondriji zdravih fibroblastov tvorijo razvejano mrežo okoli jedra z dolgimi cevastimi strukturami, ki se premikajo po poteh citoskeleta. V linijah s progerijo te mreže ni bilo več. Večji delež mitohondrijev je bil razdrobljen, številni so bili nabrekli, elektronska mikroskopija pa je pokazala približno dvakrat več močno poškodovanih organelov. Snemanje v časovnih presledkih je pokazalo, da so se premikali na krajše razdalje in počasneje kot v kontrolnih celicah.

Delovanje je sledilo obliki. Ravni mitohondrijskega superoksida in oksidantov v celotni celici so se povečale. Več celic je imelo porušen membranski potencial. Proizvodnja ATP se je zmanjšala. Nič od tega samo po sebi ni presenetljivo, saj poškodovani mitohondriji sproščajo reaktivne kisikove zvrsti in proizvajajo manj energije. Nov je bil predlagani vzrok. PGC-1alpha, transkripcijski koaktivator, ki spodbuja biogenezo mitohondrijev prek dejavnikov, kot sta NRF1 in TFAM, ter regulatorjev zlivanja in delitve MFN1, MFN2, OPA1, FIS1 in DRP1, je imel v celicah s progerijo približno osemkrat nižjo raven mRNA, čemur je ustrezalo tudi zmanjšanje količine beljakovine. Zdelo se je, da progerin zavira glavno stikalo za nastajanje in vzdrževanje mitohondrijev. Ta povezava med poškodbo jedrne lamine in energijsko presnovo je del širše razlage mitohondrijske proizvodnje energije, oksidantna plat istega ravnovesja pa je obravnavana pri oksidativnem stresu in uravnavanju ROS.

Kaj je spremenilo metilensko modrilo

Raziskovalci so celice več tednov neprekinjeno izpostavljali metilenskemu modrilu v nizki koncentraciji 100 nanomolarjev. Z vidika celične kulture je to dolgotrajna, blaga izpostavljenost, ne kratek sunek učinkovine. Metilensko modrilo prehaja med oksidirano in reducirano obliko ter lahko prenaša elektrone znotraj mitohondrijev. Zato ga opisujejo kot redoks spojino, ki deluje na mitohondrije, in ne kot običajen antioksidant, ki se porabi, ko nevtralizira en oksidant.

Mitohondriji so se odzvali tako v normalnih celicah kot v celicah s progerijo. Raven ATP se je povečala, ravni oksidantov so se zmanjšale, delež močno okvarjenih mitohondrijev pa se je skrčil. Izražanje PGC-1alpha se je delno obnovilo, skupaj z nekaterimi njegovimi nadaljnjimi tarčami. Do te točke gre za splošen učinek podpore mitohondrijem, ne za učinek, specifičen za progerijo.

Rezultati v jedru so bili presenečenje in so bili specifični za obolele celice. Kvantitativna analiza oblike je pokazala zmanjšanje izboklin jedra. Skupni količini laminov A in C sta se povečali. Najizrazitejša je bila prerazporeditev progerina: v celicah s progerijo brez obravnave je bilo le približno 30 odstotkov progerina v topni nukleoplazemski frakciji, preostanek pa je bil zasidran v membrani. Po obravnavi se je topni delež povečal na približno 65 odstotkov, kar je blizu običajnemu vedenju laminov. Progerin, sproščen z membrane, s seboj vleče manj sosednjih beljakovin, zato sta se obnovili tudi topni frakciji laminov A in C.

Po tej sprostitvi sta se izboljšala dva jedrna fenotipa. Heterokromatin ob robu jedra, pregledan z elektronsko mikroskopijo in z barvanjem za heterokromatinsko beljakovino HP1-alpha, se je vidno obnovil. Sekvenciranje RNA pa je pokazalo, da se transkriptom vrača proti normalnemu stanju: celice s progerijo brez obravnave so se od kontrolnih razlikovale pri več kot 3,200 genih, obravnavane celice s progerijo pa pri približno 1,670. V normalnih celicah je enaka obravnava spremenila le nekaj deset genov, kar nakazuje, da je učinek na jedro povezan s progerinom in ne s splošnim sunkovitim vplivom na transkripcijo. Načelo, da celični in živalski modeli odgovarjajo na ožja vprašanja, kot nakazujejo naslovi, je pojasnjeno v članku kako brati raziskave o metilenskem modrilu.

Zakaj to ni zdravljenje

Štiri omejitve ohranjajo to raziskavo tam, kamor spada: v laboratoriju.

Prvič, vse je potekalo v gojitvenih posodah. Fibroblasti v kulturi nimajo oskrbe s krvjo, imunskega okolja, tkivne zgradbe in farmakologije celotnega telesa, ki določa, ali spojina sploh doseže tarčo. V tej raziskavi spojine ni prejela nobena žival in zdravljen ni bil noben bolnik.

Drugič, fibroblasti s progerijo so model enega tipa celic. Bolezen povzroča smrt predvsem s prizadetostjo arterij, kosti in maščevja, raziskava pa je preverjala le fibroblaste in en preparat gladke mišičnine. Druga tkiva se lahko odzivajo drugače.

Tretjič, izboljšanje jedra je sledilo večtedenski neprekinjeni izpostavljenosti nanomolarni koncentraciji v gojišču. Koncentracije v gojitvenih posodah niso odmerki in nič v članku ne pretvarja 100 nanomolarjev v gojišču v režim uporabe pri človeku. Metilensko modrilo ima drugod v medicini svoj odnos med odmerkom in odzivom ter svoj varnostni profil, ta raziskava pa ne daje nobene podlage za domačo uporabo. Splošni varnostni kontekst sodi v članek varnost in neželeni učinki metilenskega modrila.

Četrtič, progerija ni normalno staranje. Gre za redko bolezen, ki jo povzroči ena mutacija in pri kateri se jedrno ogrodje poškoduje na poseben način. Spojina, ki v gojenih celicah ublaži to specifično poškodbo, pove le malo o staranju ljudi brez te mutacije. Celični fenotip je okno v medsebojno komunikacijo jedra in mitohondrijev, ne rezultat o dolgoživosti.

Ustrezen povzetek je zato pogojen. V fibroblastih s progerijo progerin zavira PGC-1alpha, mitohondriji pa so razdrobljeni, počasni, z visoko ravnjo oksidantov in malo energije. Metilensko modrilo v nizki koncentraciji je obnovilo kazalnike delovanja mitohondrijev v vseh celicah, v obolelih celicah pa je dodatno sprostilo progerin z jedrne membrane, ob delni obnovi oblike jedra, heterokromatina in izražanja genov. Zaradi tega dvojnega delovanja je raziskavo vredno poznati. Vendar metilensko modrilo zato ni terapija za progerijo ali staranje.