Mitochondriën zijn de krachtpatsers van de cel. En voor mitochondriën, net als voor dubbelkopmotoren die op elkaar zijn gestapeld in een stoomtrein, werken met meerderen heeft zijn voordelen.

Nieuw onderzoek van de Washington University in St. Louis toont aan dat wanneer cellen zich snel delen, hun mitochondriën zijn samengesmolten. In deze configuratie, de cel kan zuurstof efficiënter gebruiken voor energie. Gefuseerde mitochondriën produceren ook een biochemisch bijproduct, aspartaat, dat is de sleutel tot celdeling.

Dit werk van onderzoekers in het lab van Gary Patti, de Michael en Tana Powell Associate Professor of Chemistry in Arts &Sciences, werd gerapporteerd in een recente publicatie in het tijdschrift eLife. Het belicht de innerlijke werking van delende cellen en laat zien hoe mitochondriën combineren om cellen te helpen zich op onverwachte manieren te vermenigvuldigen.

Gezien het feit dat kankercellen bekend staan ​​om hun snelle deling, de nieuwe bevindingen kunnen gevolgen hebben voor de diagnose en behandeling van kanker.

"De meeste onderzoeken naar prolifererende cellen worden uitgevoerd in de context van kanker, waar wetenschappers een snel groeiend kankerweefsel vergelijken met normaal weefsel dat de tumor omringt of een normaal weefsel van een andere patiënt, " zei Conghui Yao, een doctoraat kandidaat in Patti's lab aan de Washington University en eerste auteur van de nieuwe studie. "Dit soort vergelijkingen zijn fysiologisch relevant, maar hebben enkele nadelen.

"Een tumor is een heel ingewikkeld iets, niet alleen omdat het uit verschillende soorten cellen bestaat, maar ook omdat de omgeving van een tumor anders is dan die van gezond weefsel, " voegde ze eraan toe.

Bijvoorbeeld, een tumor heeft voedingsstoffen nodig om te groeien, maar het heeft niet de bloedvateninfrastructuur die normaal gesproken andere gezonde weefsels in het lichaam voorziet. Als resultaat, tumoren zijn vaak uitgehongerd voor zuurstof.

Maar zelfs in de aanwezigheid van overvloedige zuurstof, kankercellen krijgen energie door een relatief inefficiënt fermentatieproces. In plaats van zuurstof te gebruiken om glucose in hun mitochondriën te verbranden om hun sap te krijgen, kankercellen gebruiken een "aëroob glycolyse"-proces dat hun glucose omzet in lactaat. Dit proces wordt het Warburg-effect genoemd.

Hoewel het fenomeen al meer dan 90 jaar wordt waargenomen in snel delende cellen, wetenschappers begrijpen het nog steeds niet helemaal. De vroegste verklaring suggereerde dat mitochondriën in kankercellen zodanig zijn beschadigd dat ze niet normaal energie kunnen produceren.

Yao was bekend met het Warburg-effect en de implicaties ervan. Dus toen ze een experimenteel systeem opzette waarmee ze celdeling aan en uit kon zetten, ze was verrast om te zien dat haar delende cellen veel zuurstof verbruikten.

"Veel van de literatuur had gesuggereerd dat delende cellen het tegenovergestelde zouden doen, "Zei Yao. "Dus we onderzochten niet alleen waarom onze delende cellen meer zuurstof verbruikten, maar ook hoe ze meer zuurstof konden consumeren."

Een deel van de schoonheid van Yao's eerste experiment was de eenvoud:ze was in staat om het metabolisme in één specifiek type cel te meten onder twee verschillende omstandigheden:wanneer de cel aan het delen was en wanneer deze niet aan het delen was. Dat is ook hoe ze in staat was om de specifieke structurele verandering in mitochondriën aan te scherpen die de efficiëntie veroorzaakte die ze opmerkte.

"De delende cellen hadden dezelfde hoeveelheid mitochondriën per eiwit of per massa, vergeleken met niet-delende cellen, " zei Patti, wiens onderzoek is gericht op de biochemische reacties die ten grondslag liggen aan het metabolisme. "Maar toen we mitochondriën in deze delende cellen in beeld brachten, merkten we dat ze aanzienlijk langer zijn."

Langer omdat sommige aangrenzende mitochondriën waren samengesmolten tot één - waardoor er meerdere, aangrenzende mitochondriën in grotere, efficiënter, energieopwekkende machines.

Het andere opmerkelijke dat "mega-mitochondriën" bijzonder goed zijn in het creëren, Yao ontdekte, is een molecuul genaamd aspartaat dat essentieel is voor cellen om te repliceren.

"Recent werk van andere laboratoria heeft ons geleerd dat een van de belangrijkste redenen waarom delende cellen zuurstof moeten verbruiken, het maken van aspartaat is. Dus het was logisch voor ons dat mitochondriale fusie in delende cellen de productie van aspartaat zou verhogen, ' zei Yao.

Yao en Patti zijn niet de eersten die mitochondriale fusie observeren. Maar ze behoren tot de eersten die mitochondriale fusie ondervragen met geavanceerde metabolomische technologieën, het mogelijk maken om op moleculair niveau inzicht te krijgen in het proces met betrekking tot celdeling. De biochemische veranderingen die ze hebben waargenomen, kunnen processen vertegenwoordigen die het doelwit kunnen zijn van kwaadaardige kankercellen.

"Er wordt vaak beweerd dat snel delende kankercellen de fermentatie verhogen ten koste van het afnemende zuurstofverbruik voor mitochondriale activiteit, " zei Patti. "Onze resultaten suggereren dat ten minste enkele snel delende cellen beide processen verhogen onder normale zuurstofrijke omstandigheden.

"Omdat het gebruik van voedingsstoffen door snel delende kankercellen de basis is voor verschillende medicijnen en diagnostische tests, deze bevindingen kunnen een belangrijke klinische betekenis hebben en kunnen een metabole kwetsbaarheid bij kanker vertegenwoordigen, ' voegde Patti eraan toe.