Клетки проходят повторяющиеся циклы дупликации, роста и деления ДНК. Эти циклы требуют тщательной координации контрольных точек клеточных процессов, которые не позволяют клеткам делиться, когда что-то — например, дупликация ДНК — пошло не так.
Циклинзависимый киназный комплекс был идентифицирован как регулятор этих клеточных циклов, и в 2001 году за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.
«Но были признаки того, что это не полная история», — говорит системный биолог из Университета Гронингена Маттиас Хайнеманн. Одним из признаков был тот факт, что клетки могут делиться, даже когда части комплекса циклин-зависимой киназы удалены.
Хайнеманн предположил, что метаболические колебания могут задавать темп деления клеток. "Мы знали, что метаболизм часто колеблется синхронно с клеточным циклом. Так что, возможно, это был автономный механизм управления."
Осциллятор
Хайнеманн изучал почкующиеся дрожжевые клетки, культивируемые в микрофлюидных каналах. С помощью этого метода отдельные клетки можно было наблюдать под микроскопом в течение нескольких дней. Используя флуоресцентные методы, можно было измерить концентрацию двух маркеров метаболизма: электронного переносчика НАДН и энергоносителя АТФ. Эти молекулы демонстрируют четкие колебательные паттерны, ритмы, которые обычно колеблются синхронно с клеточным циклом.
Хайнеманн добавил: «Но мы также заметили, что иногда клетки не делятся, и что эти клетки по-прежнему демонстрируют метаболические колебания."
Таким образом, метаболизм оказался независимым от клеточного цикла осциллятором, который будет быстро колебаться, если клетки будут хорошо питаться; плохое питание, с другой стороны, снижает темп. «Мы утверждаем, что метаболизм и циклинзависимый киназный комплекс — это связанные осцилляторы, которые вместе управляют ростом и делением эукариотических клеток.«Или, другими словами, циклинзависимый киназный комплекс — это оркестр, а метаболические колебания бьют ритм, как это делает дирижер.
Компромисс
«Но когда метаболизм замедляется или слишком сильно ускоряется, клеточный цикл не успевает за этим и останавливается», — говорит Хайнеманн. Оба колебания имеют свою собственную частоту, и в нормальных условиях эти два колебания связаны и компромисс друг с другом на общей частоте, которая затем управляет процессом деления клеток.
Дальнейшие эксперименты показали, что осцилляторы метаболизма и клеточного цикла на самом деле могут быть разделены.
Общая картина, которую Хейнеманн и его коллеги обрисовали в статье Molecular Cell, представляет собой систему, в которой метаболический осциллятор протягивает циклин-зависимый киназный комплекс через его цикл и динамически контролирует возникновение различных событий клеточного цикла.
Новая перспектива
Биологам, возможно, придется изменить свой взгляд на регуляцию клеточного цикла. "Текущий взгляд слишком узок и не может объяснить, почему клетки все еще делятся, когда часть комплекса циклин-зависимой киназы удаляется.«Ведущая роль, которую играет метаболизм, также имеет смысл с эволюционной точки зрения:« Можно было бы ожидать, что самые ранние клетки или прото-клетки будут иметь простую систему управления для регулирования деления, и метаболизм будет очевидным кандидатом."Эта новая перспектива в конечном итоге может иметь клиническое значение. «Большинство опухолевых клеток имеют очень высокий метаболизм. Вмешательство в метаболические процессы может быть способом остановить их размножение."