Wetenschap
Onderzoek suggereert dat cellen een verborgen communicatiesysteem bezitten
Cellen navigeren voortdurend door een dynamische omgeving en worden geconfronteerd met steeds veranderende omstandigheden en uitdagingen. Maar hoe passen cellen zich snel aan deze omgevingsschommelingen aan?
Een nieuwe studie van het Moffitt Cancer Center, gepubliceerd in iScience , beantwoordt die vraag door ons begrip van hoe cellen functioneren uit te dagen. Een team van onderzoekers suggereert dat cellen over een voorheen onbekend informatieverwerkingssysteem beschikken waarmee ze snelle beslissingen kunnen nemen, onafhankelijk van hun genen.
Decennia lang hebben wetenschappers DNA gezien als de enige bron van cellulaire informatie. Deze DNA-blauwdruk instrueert cellen hoe ze eiwitten moeten bouwen en essentiële functies moeten uitvoeren. Nieuw onderzoek bij Moffitt onder leiding van Dipesh Niraula, Ph.D., en Robert Gatenby, M.D., heeft echter een niet-genomisch informatiesysteem ontdekt dat naast DNA werkt, waardoor cellen informatie uit de omgeving kunnen verzamelen en snel op veranderingen kunnen reageren.
De studie concentreerde zich op de rol van ionengradiënten over het celmembraan. Deze gradiënten, die in stand worden gehouden door gespecialiseerde pompen, vereisen een groot energieverbruik om variërende transmembraan elektrische spanningen te genereren. De onderzoekers stelden voor dat de gradiënten een enorm reservoir aan informatie vertegenwoordigen waarmee cellen hun omgeving continu kunnen monitoren.
Wanneer informatie op een bepaald punt op het celmembraan wordt ontvangen, interageert deze met gespecialiseerde poorten in ionspecifieke kanalen, die vervolgens opengaan, waardoor die ionen langs de reeds bestaande gradiënten kunnen stromen om een communicatiekanaal te vormen. De ionenstromen veroorzaken een cascade van gebeurtenissen naast het membraan, waardoor de cel de informatie kan analyseren en er snel op kan reageren. Wanneer de ionenstromen groot of langdurig zijn, kunnen ze zelfassemblage van de microtubuli en microfilamenten voor het cytoskelet veroorzaken.
Doorgaans biedt het cytoskeletnetwerk mechanische ondersteuning voor de cel en is het verantwoordelijk voor de vorm en beweging van de cel. De onderzoekers merkten echter op dat eiwitten uit het cytoskelet ook uitstekende ionengeleiders zijn. Hierdoor kan het cytoskelet fungeren als een zeer dynamisch intracellulair bedradingsnetwerk om op ionen gebaseerde informatie van het membraan naar de intracellulaire organellen te verzenden, waaronder mitochondriën, endoplasmatisch reticulum en de kern. De onderzoekers suggereerden dat dit systeem, dat snelle en lokale reacties op specifieke signalen mogelijk maakt, ook gecoördineerde regionale of mondiale reacties op grotere veranderingen in het milieu kan genereren.
"Ons onderzoek onthult het vermogen van cellen om transmembraanionengradiënten te benutten als communicatiemiddel, waardoor ze snel veranderingen in hun omgeving kunnen waarnemen en erop kunnen reageren", zegt Niraula, een toegepast onderzoeker bij de afdeling Machine Learning. "Dit ingewikkelde netwerk stelt cellen in staat snelle en weloverwogen beslissingen te nemen, die van cruciaal belang zijn voor hun overleving en functioneren."
De onderzoekers zijn van mening dat dit niet-genomische informatiesysteem cruciaal is voor de vorming en het behoud van normaal meercellig weefsel, en suggereren dat de goed beschreven ionenstromen in neuronen een gespecialiseerd voorbeeld vertegenwoordigen van dit brede informatienetwerk.
Verstoring van deze dynamiek kan ook een cruciaal onderdeel zijn van de ontwikkeling van kanker. Het team demonstreerde dat hun model consistent was met meerdere experimentele observaties en benadrukte verschillende testbare voorspellingen die uit hun model voortkwamen, waardoor hopelijk de weg werd vrijgemaakt voor toekomstige experimenten om hun theorie te valideren en licht te werpen op de complexiteit van cellulaire besluitvorming.
"Deze studie daagt de impliciete aanname in de biologie uit dat het genoom de enige bron van informatie is, en dat de kern als een soort centrale processor fungeert. We presenteren een geheel nieuw netwerk van informatie dat snelle aanpassing en geavanceerde communicatie mogelijk maakt die nodig is voor celoverleving en waarschijnlijk diep betrokken bij de intercellulaire signalering die functionerende meercellige organismen mogelijk maakt", zegt Gatenby, mededirecteur van het Center of Excellence for Evolutionary Therapy bij Moffitt.