Żywe komórki, budujące organizm, odczytują sygnały pochodzące z zewnątrz, w tym od innych komórek, przy pomocy receptorów biochemicznych. Naukowcy od jakiegoś czasu zastanawiają się, na ile to odczytywanie sygnałów przez komórki jest precyzyjne ? wątpliwości budzi bowiem zaobserwowany fakt, że identyczne genetycznie komórki odpowiadają w różny sposób na ten sam bodziec. Czy to oznacza, że odpowiedzi komórek są losowe? To ważne pytanie, gdyż wiele z nowoczesnych leków, np. przeciwnowotworowych, działa poprzez ingerowanie w odpowiedź komórek na dany czynnik. Jeśli odpowiedź komórek byłaby losowa, to i skuteczność tych leków byłaby przypadkowa i nieprzewidywalna.
Odpowiedź na pytanie, skąd bierze się różnorodność w reakcjach identycznych genetycznie komórek na ten sam czynnik przynoszą wyniki badań, przeprowadzonych przez mgr. inż. Piotra Topolewskiego pod kierunkiem dr. Michała Komorowskiego, profesora Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie. Wyniki te zostały opublikowane na łamach prestiżowego czasopisma naukowego Science Signaling. Badania były finansowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu FIRST TEAM ze środków pochodzących z programu Inteligentny Rozwój (POIR).
Nasz organizm składa się z tysięcy miliardów żywych komórek, które wciąż komunikują się ze sobą, wysyłając i odbierając różne sygnały. Tymi sygnałami są tysiące różnych cząsteczek, takich jak hormony, czynniki wzrostu czy cytokiny. Te chemiczne impulsy są odbierane przez komórki za pomocą wyspecjalizowanych receptorów, znajdujących się w błonie komórkowej. Połączenie stymulanta z receptorem uruchamia wewnątrz komórki kaskadę reakcji biochemicznych (tzw. szlak sygnałowy), prowadzącą do wygenerowania specyficznej odpowiedzi komórki na dany sygnał.
<Schemat tworzenia i obrazowania komórek dwujądrzastych. Komórki zostały wstępnie zabarwione na dwa kolory (zielony lub czerwony) tak, aby po fuzji połączone komórki zawierały oba barwniki (żółty kolor) pozwalając zidentyfikować fuzję i zmierzyć odpowiedź komórek w obrazowaniu mikroskopowym (pasek skali 20 ?m)>
?Wydawać by się mogło, że komórki, które są identyczne genetycznie, powinny odpowiadać w ten sam sposób na ten sam sygnał. Dzieje się jednak inaczej. Obserwujemy, że gdy identyczne komórki zastymulujemy badaną substancją, generują one bardzo różne odpowiedzi. Skoro te odpowiedzi są aż tak różnorodne, to czy odpowiedzi nie są ?losowe? a komórki właściwie nie wiedzą, co się stało? Naszym celem było poznanie przyczyn generowania przez komórki różnych odpowiedzi, a więc lepsze zrozumienie funkcjonowania komórkowych szlaków sygnałowych. To pytanie, wynikające głównie z ciekawości, jak ewolucja ukształtowała funkcjonowanie szlaków sygnałowych, ma też ważne praktyczne aspekty. Zaburzenia w procesach przesyłania sygnałów występują w przebiegu wielu chorób, w tym nowotworów oraz przewlekłych chorób zapalnych, a ingerencja w te procesy leży u podstaw działania wielu leków. Konstruując te leki, początkowo zakładano, że aktywacja konkretnego receptora i konkretnego szlaku sygnałowego prowadzi do konkretnej odpowiedzi komórki, a zatem jej farmakologiczna blokada lub aktywacja powinna wywołać precyzyjną zmianę w zachowaniu komórki. W praktyce jednak leki, zaprojektowane według tej koncepcji, okazały się dużo mniej skuteczne niż tego oczekiwano. Dlatego konieczne jest lepsze zrozumienie, dlaczego obserwujemy tak duże zróżnicowanie w odpowiedziach komórek na ten sam sygnał?? mówi dr Michał Komorowski.
Naukowcy podejrzewali, że za różnorodność odpowiedzi genetycznie identycznych komórek na te same bodźce mogą odpowiadać czysto losowe efekty reakcji biochemicznych wewnątrz komórki lub różny skład biochemiczny poszczególnych komórek. ?Żeby rozróżnić te dwa źródła różnorodności, trzeba by zastymulować daną substancją komórki o identycznej zawartości molekularnej i zobaczyć, czy reagują tak samo czy różnie. Ale taki eksperyment jest niemożliwy do wykonania, bo nie ma dwóch identycznych biochemicznie komórek. Żywe komórki zmieniają się z każdą sekundą, stale produkowane i degradowane są enzymy czy inne białka regulatorowe oraz zachodzą w nich ciągłe przemiany metaboliczne. Rozwiązaniem tego dylematu, które zastosowaliśmy, było użycie do eksperymentu komórek dwujądrzastych. Jedną komórkę z dwoma jądrami potraktowaliśmy jako przybliżenie dwóch komórek z identycznym składem molekularnym. Wytworzone komórki dwujądrzaste zastymulowaliśmy cytokinami, czyli cząsteczkami sygnalizującymi procesy zapalne organizmu, i okazało się, że odpowiedzi w obu jądrach są praktycznie takie same. Stąd nasz wniosek, że obserwowana w naturze zmienność w odpowiedziach na ten sam sygnał wynika z tego, że komórki mają różny skład biochemiczny. Zawartość molekularna komórki wydaje się determinować stosunkowo dokładnie jej odpowiedź na bodziec zewnętrzny. Percepcja świata zewnętrznego przez komórki jest więc dość precyzyjna, ale ponieważ każda komórka jest inna, to widzi ten świat w trochę inny sposób? ? wyjaśnia mgr Piotr Topolewski.
Warszawski zespół zamierza kontynuować badania nad sygnalizacją komórkową. Obecnie poszukuje postdoca zainteresowanego pracą nad tymi zagadnieniami. Więcej informacji na stronie.
Mgr inż. Piotr Topolewski jest biotechnologiem, absolwentem Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego, odbywał staże naukowe w Wageningen University (Holandia), Uniwersytecie Piotr i Marii Curie w Paryżu oraz brał udział w licznych szkoleniach, m. in. na Uniwersytecie Rice?a w Houston (USA) czy w Centrum EMBO w Heidelbergu (Niemcy). Opublikowana praca jest elementem jego pracy doktorskiej.
Dr hab. Michał Komorowski jest matematykiem, ukończył Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Szkołę Główną Handlową. Pracował naukowo na Wydziale Statystyki Uniwersytetu w Warwick (w Wielkiej Brytanii), gdzie uzyskał tytuł doktora oraz w grupie Theoretical Systems Biology w Imperial College London (także w Wielkiej Brytanii). Jest laureatem prestiżowego grantu EMBO (Excellence In Life Sciences) dla utalentowanych młodych naukowców. Obecnie jest profesorem w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie, gdzie zajmuje się sygnalizacją komórkową oraz teorią informacji. Wcześniejsze prace jego zespołu w pokrewnej tematyce ukazały się w innych prestiżowych czasopismach takich jak Cell Systems i Nature Communications.
Program FIRST TEAM jest realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.
