Průlomový objev odhaluje tajemství stárnutí buněk

Vědci z Okinawského institutu vědy a technologie (OIST) společně s týmem výzkumníků z Tokijské univerzity, Nagojské univerzity a Nagojské městské univerzity odhalili zajímavý fakt: poškození buněčné membrány má vliv na proces stárnutí buněk. Tato objevná studie byla zveřejněna v prestižním časopise Nature.

Buněčná membrána je tenká a elastická bariéra, která obklopuje každou buňku. Funguje jako strážce, který propouští určité látky dovnitř a ven, zatímco jiným brání v průchodu. Přestože chrání buňku, je náchylná k poškození při každodenních činnostech v důsledku svalových kontrakcí, zranění, infekcí, působení chemických látek, teplotního šoku, záření, oxidačního stresu a dalších faktorů. Tým japonských vědců se proto zaměřil na pochopení toho, co se děje, když membrány buňky utrpí poškození, a jak to ovlivňuje osud buněk.

Výzkumníci použili pekařské kvasinky jako model, aby prozkoumali, jak různé geny ovlivňují schopnost buněk opravovat poškození membrány. Zjistili, že některé geny hrají klíčovou roli v ochraně buněk před poškozením, a mohou dokonce prodloužit životnost buněk. Kvasinky, jimž tyto geny chyběly, byly citlivější na chemické látky, které poškozují membránu. Naopak kvasinky s nadměrnou aktivitou genů pro opravu membrán žily déle.

Další experimenty se zaměřily na lidské buňky, konkrétně plicní a kožní fibroblasty. Tým zjistil, že i u těchto buněk může poškození membrány vést k předčasnému stárnutí a změnám ve fungování buněk.

Dříve se mělo za to, že mechanické poškození buněčné membrány může pouze vést ke dvěma jednoduchým scénářům: buď k uzdravení, nebo k smrti buňky. V tomto výzkumu však vědci odhalili nečekaný třetí důsledek  – buněčné stárnutí.

„Když jsem tento projekt zahajoval, chtěl jsem jednoduše pochopit mechanismy opravy poškozené buněčné membrány,“ vzpomíná profesorka Keiko Kono, vedoucí oddělení membranologie na OIST a hlavní autorka této studie. „Nečekaně jsme nakonec zjistili, že poškození buněčné membrány v jistém smyslu ovlivňuje budoucnost buněk.“

Podle vědců osud buněk závisí na rozsahu poškození a následném přílivu vápenatých iontů.

Drobné poškození tenké buněčné membrány lze snadno opravit, a buňky tak mohou bez problémů pokračovat v buněčném dělení. Nejvyšší stupeň poškození buněčné membrány vyvolává buněčnou smrt. Střední úroveň poškození však po několika dnech uvede buňky do stavu senescence (biologického stárnutí), i když se zdá, že opětovné zacelení membrány je úspěšné.

Senescentní buňky, známé také jako „zombie buňky“, jsou stále metabolicky aktivní, ale na rozdíl od zdravých buněk vylučují specifické proteiny, které ovlivňují imunitní reakce v těle. Tento proces může mít jak pozitivní, tak negativní dopady; na jedné straně mohou urychlit hojení ran a na druhé mohou přispět k procesu stárnutí a zvýšit riziko vzniku rakoviny. To by mohlo vysvětlovat, proč se senescentní buňky často hromadí v okolí ran a míst, kde došlo k poškození – přinejmenším zpočátku zde mohou hrát užitečnou roli.

V posledních letech výzkumy naznačují, že odstranění těchto buněk může vést k omlazení tělesných funkcí u zvířat i lidí, avšak přesný mechanismus stárnutí buněk zůstává diskutovaným tématem.

Nejobvyklejším spouštěčem buněčného stárnutí je opakované dělení buněk. V laboratorních podmínkách může senescenci vyvolat mnoho dalších faktorů, jako je poškození DNA, aktivace onkogenů a epigenetické změny. Dlouho se věřilo, že všechny tyto stresy vedou k buněčnému stárnutí tím, že spustí odpověď na poškození DNA. Autoři studie však přinesli překvapivý objev: zjistili, že poškození buněčné membrány může způsobit buněčné stárnutí úplně jiným způsobem, prostřednictvím vápenatých iontů a genu, který chrání organismus před vznikem nádorů.

Když dojde k poškození buněčné membrány, vniká do ní vápník zvenčí. Tento vápník pak aktivuje gen p53, což je klíčový protein, někdy přezdívaný „strážce genomu“, protože dohlíží na správný chod buněk a v případě nebezpečí může spustit různé ochranné mechanismy. P53 následně zahajuje produkci dalšího proteinu zvaného p21. Tento protein plní roli jakéhosi brzdového pedálu, který donutí buněčný cyklus zastavit. To znamená, že buňka se přestane dělit.

Co je zajímavé, vědci objevili, že této reakci lze předejít pomocí sloučeniny, která se váže na vápníkové ionty, takže nedojde k aktivaci p53. Tato zjištění mohou přispět k vývoji strategie, jak v budoucnu dosáhnout zdravé dlouhověkosti. Význam studie je možné přirovnat k tradičnímu japonskému umění opravy keramiky zvanému kincugi. Podobně jako při opravě rozbité keramiky se i při opravě poškozené buněčné membrány vytváří nová struktura, která není stejná jako původní. Tato nová struktura může mít dlouhodobé důsledky pro chování buněk a procesy v těle.

Zdroj: Okinawa Institute of Science and Technology

Odkaz na studii: Suda, K., Moriyama, Y., Razali, N. a kol.: Poškození plazmatické membrány omezuje replikační životnost u kvasinek a indukuje předčasnou senescenci u lidských fibroblastů.Nat Aging (2024). https://doi.org/10.1038/s43587-024-00575-6