Celler i hela kroppen pratar med varandra om åldrande | Quanta Magazine

Åldrande kan tyckas vara en oreglerad process: Allteftersom tiden går, samlar våra celler och kroppar oundvikligen skador och bucklor som orsakar dysfunktioner, misslyckanden och i slutändan döden. Men 1993 ändrade en upptäckt den tolkningen av händelser. Forskare hittade en mutation i en enda gen som fördubblade en masks livslängd; efterföljande arbete visade att relaterade gener, alla involverade i responsen på insulin, är nyckelregulatorer för åldrande hos en mängd djur, från maskar och flugor till människor. Upptäckten antydde att åldrande inte är en slumpmässig process - faktiskt, specifika gener reglerar det - och öppnade dörren för ytterligare forskning om hur åldrandet fortskrider på molekylär nivå.

Nyligen dokumenterade en uppsättning papper en ny biokemisk väg som reglerar åldrandet, en baserad på signaler som skickas mellan mitokondrier, de organeller som är mest kända som cellens kraftpaket. Genom att arbeta med maskar fann forskarna att skador på mitokondrier i hjärnceller utlöste ett reparationssvar som sedan förstärktes, vilket utlöste liknande reaktioner i mitokondrier i hela maskens kropp. Effekten av denna reparationsaktivitet var att förlänga organismens livslängd: maskarna med reparerade mitokondriella skador levde 50 % längre.

Dessutom var cellerna i könscellerna - cellerna som producerar ägg och spermier - centrala i detta anti-aging kommunikationssystem. Det är ett fynd som lägger till nya dimensioner till de fertilitetsproblem som antyds när människor pratar om åldrande och deras "biologiska klocka". Några av fynden var rapporterade i Vetenskap Förskott och andra publicerades på vetenskaplig förtrycksserver biorxiv.org på hösten.

Forskningen bygger på ett färskt arbete som tyder på det mitokondrier är sociala organeller som kan prata med varandra även när de är i olika vävnader. I huvudsak fungerar mitokondrierna som cellulära walkie-talkies, och skickar meddelanden i hela kroppen som påverkar hela organismens överlevnad och livslängd.

"Det viktiga här är att förutom genetiska program finns det också en mycket viktig faktor för att reglera åldrandet, vilket är kommunikationen mellan vävnader," sa David Vilchez, som studerar åldrande vid universitetet i Köln och inte var involverad i den nya forskningen.

Cellbiologen Andrew Dillin upptäckte de första tipsen om denna nya väg som reglerar livslängden för ungefär ett decennium sedan. Han letade efter livsförlängande gener i Caenorhabditis elegans maskar när han upptäckte att genetisk skada på mitokondrierna förlängde maskarnas liv med 50 %.

Det var oväntat. Dillin hade antagit att defekta mitokondrier skulle påskynda döden snarare än förlänga livet - trots allt är mitokondrier centrala för cellfunktion. Ändå tvingade maskarna att leva längre av någon anledning att försvaga mitokondriernas smidiga funktion.

Mer spännande var det faktum att skadade mitokondrier i maskarnas nervsystem verkade driva effekten. "Det säger verkligen att vissa mitokondrier är viktigare än andra", säger Dillin, som nu är professor vid University of California, Berkeley. "Neuronerna dikterar detta över resten av organismen, och det var verkligen överraskande."

Nu har Dillin och hans team utökat denna upptäckt genom att upptäcka nya detaljer om hur mitokondrier i hjärnan kommunicerar med celler över maskens kropp för att förlänga livet.

Först var han tvungen att förstå varför skador på hjärnans mitokondrier möjligen kunde ha en gynnsam effekt på organismen. En mitokondries process för att generera energi kräver oerhört komplext molekylärt maskineri med dussintals olika proteindelar. När saker går snett, till exempel när vissa komponenter saknas eller är felveckade, aktiverar mitokondrier en stressreaktion, känd som det ovikta proteinsvaret, som levererar reparationsenzymer för att hjälpa komplexen att monteras ordentligt och återställa mitokondriernas funktion. På så sätt håller det ovikta proteinsvaret cellerna friska.

Dillin förväntade sig att denna process endast skulle utvecklas inuti nervcellerna med skadade mitokondrier. Ändå observerade han att celler i andra vävnader i maskens kropp också aktiverade reparationssvar även om deras mitokondrier var intakta.

Det är denna reparationsaktivitet som hjälpte maskarna att leva längre. Som att regelbundet ta en bil till en mekaniker, verkade det ovikta proteinsvaret hålla cellerna i gott skick och fungera som anti-aging-detaljer. Det som förblev mystiskt var hur detta ovikta proteinsvar kommunicerades till resten av organismen.

Efter en del undersökningar upptäckte Dillins team att mitokondrierna i stressade neuroner använde vesiklar - bubbelliknande behållare som flyttar material runt cellen eller mellan celler - för att föra en signal som kallas Wnt bortom nervcellerna till andra celler i kroppen. Biologer visste redan att Wnt spelar en roll för att skapa kroppsmönstret under tidig embryonal utveckling, under vilken det också utlöser reparationsprocesser som det ovikta proteinsvaret. Ändå, hur kunde Wnt-signalering, när den aktiverades hos en vuxen, undvika att aktivera det embryonala programmet?

Dillin misstänkte att det måste finnas en annan signal som Wnt interagerade med. Efter ytterligare arbete upptäckte forskarna att en gen som uttrycks i mitokondrierna i könslinjen - och i inga andra mitokondrier - kan avbryta Wnts utvecklingsprocesser. Det resultatet antydde för honom det könscellsceller spelar avgörande roller att vidarebefordra Wnt-signalen mellan nervsystemet och vävnader i resten av kroppen.

"Grönlinjen är absolut nödvändig för detta", sa Dillin. Det är dock inte klart om könslinjemitokondrierna fungerar som förstärkare, tar emot signalen från hjärnans mitokondrier och överför den till andra vävnader, eller om de mottagande vävnaderna "lyssnar" efter signaler från båda källorna.

Hur som helst, styrkan på könslinjesignalen reglerar organismens livslängd, sa Dillin. När en mask åldras sjunker kvaliteten på dess ägg eller spermier - vad vi kallar en biologisk klockas tickande. Nedgången återspeglas också i könscellernas förändrade förmåga att överföra signaler från hjärnans mitokondrier, föreslog han. När masken blir äldre sänder dess könslinje reparationssignalen mindre effektivt, och därför minskar dess kropp också.

Forskare vet ännu inte om dessa fynd gäller människor och hur vi åldras. Ändå är hypotesen vettig ur en bredare evolutionär synvinkel, sa Dillin. Så länge som könscellerna är friska skickar de signaler för att överleva för att säkerställa att deras värdorganism överlever för att fortplanta sig. Men eftersom kvaliteten på könscellerna sjunker, finns det ingen evolutionär anledning att fortsätta förlänga livslängden ytterligare; ur evolutionens perspektiv existerar livet för att reproducera sig själv.

Det faktum att mitokondrier kan prata sinsemellan kan verka något alarmerande, men det finns en förklaring. För länge sedan var mitokondrier frilevande bakterier som slog sig samman med en annan typ av primitiva celler för att arbeta tillsammans i det som blev våra moderna komplexa celler. Så deras förmåga att kommunicera är förmodligen en kvarleva från mitokondriernas frilevande bakteriella förfader.

"Denna lilla sak som har tickat inuti celler i miljarder år behåller fortfarande sitt bakteriella ursprung," sa Dillin. Och om hans forskning om maskar håller i sig i mer komplexa organismer som människor, är det möjligt att dina mitokondrier talar om din ålder just nu.