Naukowcy rozwiązują zagadkę przetrwania komórek

Nowe odkrycia mogą potencjalnie poprawić naszą wiedzę na temat nowotworów i wielu innych chorób.

Naukowcy z La Jolla Institute of Immunology (LJI) odkryli niedawno rolę enzymu zwanego transferazą O-GlcNAc (OGT) w utrzymaniu zdrowych komórek. Wyniki opublikowane w Obrady Narodowych Akademii Naukdostarczają ważnych informacji na temat biologii komórkowej i mogą utorować drogę do ważnych przełomów medycznych.

„Wiele chorób jest powiązanych z funkcją OGT” – mówi instruktor LJI, dr Xiang Li, który był pierwszym autorem nowego badania. „Na przykład kilka badań wykazało nieprawidłową funkcję OGT w raku, cukrzycy i chorobach sercowo-naczyniowych”.

Nowe badanie, które było prowadzone przez Lee i współkierowane przez profesor LJI Anjana Rao, PhD, i LJI Associate Professor Samuel Myers, PhD, jest pierwszym, które pokazuje, że OGT kontroluje przeżycie komórek poprzez regulację ważnego białka zwanego mTOR.

Komórki polegają na mTOR, aby utrzymać funkcjonowanie swoich mitochondrialnych elektrowni. Bez funkcjonalnego mTOR komórki zawodzą w prawie wszystkich swoich podstawowych funkcjach, od syntezy białek po proliferację komórek. Nic dziwnego, że dysfunkcja mTOR jest również cechą charakterystyczną wielu chorób.

„OGT jest ważny dla każdej komórki w ciele” – wyjaśnia Myers. „Dzięki tym badaniom mamy teraz model, który możemy wykorzystać do przyszłych badań nad tym, co robi każda część OGT”.

tylko OGT

OGT to enzym zwany transferazą. Ten typ enzymu pełni funkcję zwaną glikozylacją, w której cząsteczki cukru są dodawane do nowo syntetyzowanych białek. OGT jest wyjątkowy wśród transpozonów, ponieważ modyfikuje białka wewnątrzkomórkowe, a nie białka na powierzchni komórki lub białka wydzielane.

W rzeczywistości funkcja OGT w glikozylacji jest tak ważna, że ​​bez niej komórki embrionalne umarłyby. Ale do tej pory naukowcy nie wiedzieli dlaczego.

Jak wyjaśnia Myers, to podstawowa natura OGT sprawia, że ​​tak trudno jest się go uczyć. Naukowcy zwykle badają enzymy i inne białka, rozwijając komórki pozbawione genów dla tych białek. Generują nowe, dysfunkcyjne komórki, a następnie badają, jak coś poszło nie tak.

Ale w przypadku OGT ten rodzaj doświadczenia zakończy się, zanim jeszcze się zacznie. Ponieważ istnieje tylko jeden OGT, naukowcy nie byli w stanie go usunąć ani ograniczyć jego funkcji bez zabijania tych samych komórek, które potrzebowali do badania. „Wiedzieliśmy, że OGT jest niezbędny do przeżycia komórek, ale przez ponad 20 lat nie wiedzieliśmy dlaczego” – mówi Lee.

W nowym badaniu Li był w stanie obejść ten problem, używając systemu indukującego do usunięcia genu OGT. Pracował z embrionalnymi komórkami macierzystymi myszy, a następnie użył indukowanej wersji białka znanego jako Cre, aby usunąć gen OGT. Oznacza to, że komórki mogą rosnąć normalnie, dopóki naukowcy nie zdecydują się aktywować tego procesu, po czym komórki, które utraciły gen OGT, przestaną się rozmnażać i obumierają.

Zespół odkrył, że usunięcie genu OGT doprowadziło do nieprawidłowego wzrostu funkcji kluczowego enzymu zwanego mTOR, który reguluje metabolizm komórek. Delecja genu OGT napędzała również istotny, ale potencjalnie niebezpieczny proces w komórkach zwany mitochondrialną fosforylacją oksydacyjną.

Dlaczego mitochondrialna fosforylacja oksydacyjna jest tak niebezpieczna? Ten proces w komórkach jest częścią delikatnej ścieżki, która umożliwia komórkom wytwarzanie ATP (cząsteczki, która dostarcza komórkom energii). ATP może być wytwarzany przez glikolizę, jak również przez mitochondrialną fosforylację oksydacyjną, a brak równowagi w tej równowadze może mieć katastrofalne konsekwencje dla komórek.

Na szczęście OGT chroni aktywność mTOR i sprawność mitochondriów, utrzymując płynną syntezę białek i regulując aminokwasy.[{” attribute=””>acid levels within cells. Importantly, the researchers discovered the same protective role for OGT in CD8+ T cells, which suggests the enzyme works the same way across mammalian cell types, not just in mouse embryonic stem cells.

Researchers to the rescue

Even the dysfunctional cells lacking OGT weren’t doomed forever. The scientists were able to “rescue” the dysfunctional cells using a new cutting-edge technology for gene editing called CRISPR/Cas9.

By asking whether a second gene in the mouse embryonic stem cells would restore the growth of cells lacking OGT, Li found that mTOR and mitochondrial oxidative phosphorylation were hyperactivated in cells lacking OGT, and the cells could be rescued by damping down their function.

This is good news for scientists hoping to learn more about OGT’s role in the body. “Now that we can delete the gene for OGT while keeping cells alive, we can try restoring just pieces of OGT to learn more about how OGT works to keep cells alive,” says Myers.

Li says his new discovery may allow researchers to further study the role of OGT and potentially find therapeutic targets to counteract abnormal activity. “In the future, we hope our research could help shed light on issues related to dysfunctional OGT in cancer and other diseases,” Li says.

Reference: “OGT controls mammalian cell viability by regulating the proteasome/mTOR/ mitochondrial axis” by Xiang Li, Xiaojing Yue, Hugo Sepulveda, Rajan A. Burt, David A. Scott, Steven A. Carr, Samuel A. Myers and Anjana Rao, 10 January 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2218332120

The study was funded by the National Institutes of Health, the National Cancer Institute, a CIRM UCSD Interdisciplinary Stem Cell Research & Training Grant II, and Pew Charitable Trusts.