Dlaczego komórki reagują różnie na ten sam bodziec

Jesteśmy o krok bliżej do rozwiązania tej zagadki dzięki badaniom prowadzonym w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN (IPPT PAN). Wyniki opublikowało prestiżowe czasopismo naukowe „Science Signaling”. Lepsze zrozumienie jak komórki reagują na bodźce ma znaczenie np. dla projektowania skutecznych leków.

 Prace badawcze prowadził mgr inż. Piotr Topolewski pod kierunkiem dr. hab. Michała Komorowskiego, prof. IPPT PAN.

20220304_komorka_grafika_1280.jpg

Jak komunikują się komórki

Organizm człowieka składa się z miliardów żywych komórek, które wciąż komunikują się ze sobą. Wysyłają i odbierają różne sygnały, aby organizm mógł prawidłowo się rozwijać czy zwalczać zagrożenia takie jak wirusy. Tymi sygnałami są różne cząsteczki biochemiczne, np. hormony, czynniki wzrostu czy cytokiny (regulujące procesy zapalne). Komórki odbierają impulsy za pomocą receptorów umieszczonych w błonie komórkowej. Gdy receptory dostają komunikat, uruchamiają wewnątrz komórki tzw. szlak sygnałowy. To kaskada reakcji biochemicznych prowadzących do wytworzenia określonej odpowiedzi na przekazany sygnał.

Czemu komórki reagują różnie na ten sam bodziec

I tu dochodzimy do najciekawszego wątku. Mogłoby się wydawać, że komórki, które są identyczne genetycznie, powinny odpowiadać w ten sam sposób na ten sam sygnał. Dzieje się jednak inaczej. Gdy identyczne komórki będziemy stymulować tą samą substancją, wygenerują stosunkowo różnorodne odpowiedzi. Czy to oznacza, że odpowiedzi są losowe, a komórki właściwie nie wiedzą, co się stało? To ważne pytanie, ponieważ nowoczesne leki (np. przeciwnowotworowe) ingerują w odpowiedź komórek na dany czynnik. Jeśli odpowiedź komórek byłaby losowa, to i skuteczność terapii byłaby nieprzewidywalna.

Tajemnica ukryta w komórce

Naukowcy zakładają, że różnorodność odpowiedzi komórek ma dwa źródła:

  1. różny skład biochemiczny poszczególnych komórek;
  2. czysto losowe efekty reakcji biochemicznych wewnątrz komórki.

Aby odróżnić te źródła, najprościej byłoby zastymulować tą samą sybstancją komórki o identycznej zawartości molekularnej i sprawdzić, czy reagują tak samo czy różnie. Sęk w tym, że takiego eksperymentu nie da się przeprowadzić, bo nie ma dwóch identycznych biochemicznie komórek.

Badania IPPT PAN

Ciekawe podejście zaproponowali naukowcy z IPPT PAN. „Przeprowadziliśmy eksperyment na komórkach dwujądrzastych. Jedną komórkę z dwoma jądrami potraktowaliśmy jako przybliżenie dwóch komórek z identycznym składem molekularnym. Następnie komórki te zastymulowaliśmy cytokinami, czyli cząsteczkami sygnalnymi układu odpornościowego” – wyjaśnia mgr inż. Piotr Topolewski.

„Odpowiedzi w obu jądrach okazały się bardzo podobne. Stąd nasz wniosek, że obserwowana w naturze zmienność w odpowiedziach na ten sam sygnał wynika głównie z tego, że komórki mają różny skład biochemiczny. Zawartość molekularna komórki wydaje się determinować stosunkowo dokładnie jej odpowiedź na bodziec zewnętrzny. Percepcja świata zewnętrznego przez komórki jest więc dość precyzyjna, ale ponieważ każda komórka jest inna, to widzi ten świat w trochę inny sposób” – tłumaczy mgr inż. Piotr Topolewski.

schemat_komorek_1.png

Ilustracja: Schemat tworzenia i obrazowania komórek dwujądrzastych. Komórki zostały wstępnie zabarwione na dwa kolory (zielony lub czerwony) tak, aby po fuzji połączone komórki zawierały oba barwniki (żółty kolor) pozwalając zidentyfikować fuzję i zmierzyć odpowiedź komórek w obrazowaniu mikroskopowym (pasek skali 20 μm).

W czym mogą pomóc wyniki badań

„Lepsze zrozumienie sygnałowania komórkowego może przyczynić się do efektywniejszego projektowania strategii terapeutycznych. Zaburzenia w procesach przesyłania sygnałów występują w wielu chorobach, w tym chorobach nowotworowych oraz przewlekłych chorobach zapalnych, a ingerencja w te procesy leży u podstaw działania wielu leków – opowiada prof. Michał Komorowski.

„Konstruując te leki, początkowo zakładano, że aktywacja konkretnego receptora i konkretnego szlaku sygnałowego prowadzi do konkretnej odpowiedzi komórki, a zatem jej farmakologiczna blokada lub aktywacja powinna wywołać precyzyjną zmianę w zachowaniu komórki. W praktyce jednak leki zaprojektowane według tej koncepcji okazały się dużo mniej skuteczne niż tego oczekiwano” ‒ przypomina profesor.

O naukowcach

Obaj naukowcy prowadzą badania w Zakładzie Biosystemów i Miękkiej Materii IPPT PAN. Prof. Michał Komorowski jest matematykiem i doświadczonym specjalistą w zakresie sygnalizacji komórkowej oraz teorii informacji. Mgr inż. Piotr Topolewski jest biotechnologiem i przygotowuje się do obrony pracy doktorskiej. Obecnie kierują pracami badawczymi w ramach dwóch projektów IPPT PAN:

  • „Odszyfrowywanie sygnalizacji biochemicznej w celu projektowania bardziej skutecznych strategii terapeutycznych”, FNP, POIR, kierownik: Michał Komorowski,
  • „Wyjaśnianie źródeł międzykomórkowej zmienności odpowiedzi na interferon gamma”, NCN, PRELUDIUM, kierownik: Piotr Topolewski.

Zespół badawczy prowadzony przez prof. Michała Komorowskiego poszukuje postdoca zainteresowanego pracą nad tymi zagadnieniami.

Publikacja naukowa

“Phenotypic variability, not noise, accounts for most of the cell-to-cell heterogeneity in IFN-γ and oncostatin M signaling responses” („Science Signaling”, 15 lutego 2022)

Źródło informacji oraz infografiki: IPPT PAN

Ilustracja otwierająca: Freepik