Posiadanie dodatkowych chromosomów jest zazwyczaj problemem dla organizmu i może zakłócać rozwój lub powodować choroby. Jednak niektóre komórki na tym korzystają. Na przykład komórki nowotworowe lub drożdżaki chorobotwórcze mogą wykorzystywać dodatkowe chromosomy, aby uniknąć leczenia i stać się lekoopornymi.

Zespół naukowców z Charité — Universitätsmedizin Berlin rozszyfrował, w jaki sposób drożdże potrafią kompensować brak równowagi genetycznej. Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Natura może zaowocować nowymi podejściami do leczenia opornych na leczenie nowotworów i infekcji grzybiczych.

Typowa zdrowa komórka ludzka ma dokładnie dwie kopie 23 chromosomów, w których przechowywana jest cała informacja genetyczna danej osoby. Jeśli podczas podziału komórki wystąpi błąd, w wyniku którego powstają trzy lub więcej kopii chromosomu, jest to zbyt wiele dobrego. Geny obecne na zduplikowanym chromosomie są ogólnie „odczytywane” częściej, więc ich produkty – białka – gromadzą się do nieprawidłowego poziomu.

Może to zakłócić rozwój organizmu, jak w przypadku trisomii, takiej jak zespół Downa, lub przede wszystkim sprawić, że organizm stanie się niezdolny do życia. To sprawia, że ​​aneuploidia, termin medyczny określający nieprawidłową liczbę chromosomów, jest częstą przyczyną poronień.

Co jednak zaskakujące, istnieją również komórki i organizmy, które nauczyły się radzić sobie z nadmiarem genów i nawet czerpią z tego korzyści. Na przykład niektóre komórki nowotworowe mogą wykorzystać dodatkowe chromosomy, aby lepiej bronić się przed lekami przeciwnowotworowymi i nadal rosnąć pomimo leczenia.

Aneuploidia występuje również bardzo często u drożdży – rodzaju grzybów jednokomórkowych. Szacuje się, że jedna piąta wszystkich naturalnych szczepów drożdży piekarskich lub winiarskich Saccharomyces cerevisiae ma nieprawidłowy zestaw chromosomów.

Wszystkie białka wymieniane są szybciej

Naukowcy od lat badają, w jaki sposób komórki te radzą sobie z dodatkowymi chromosomami. Grupa badawcza kierowana przez prof. Markusa Ralsera, dyrektora Instytutu Biochemii w Charité, prześledziła nieznany wcześniej mechanizm kompensacyjny oparty na jednym gatunku drożdży.

„Udało nam się wykazać, że naturalnie występujące aneuploidalne komórki drożdży buforują szkodliwe obciążenie białkowe poprzez szybszą wymianę wszystkich białek” – wyjaśnia Ralser.

W ramach swoich badań naukowcy porównali „genetycznie zdrowe” szczepy drożdży ze szczepami, u których w laboratorium wywołano aneuploidię, oraz innymi, które zostały wyizolowane z wielu różnych nisz środowiskowych na całym świecie i miały z natury nieprawidłową liczbę chromosomów. W przeciwieństwie do szczepów wyhodowanych w laboratorium, te naturalne musiały dłużej przyzwyczajać się do nadmiaru chromosomów.

Dla każdego z około 800 badanych szczepów badacze określili aktywność genów i ilość wszystkich białek. W tym celu wykorzystali spektrometrię mas – metodę, którą można zastosować do pomiaru setek białek w pojedynczej próbce.

Analiza tych ogromnych ilości danych wykazała, że ​​większość szczepów, które przez długi czas były aneuploidalne, kompensowała białka kodowane przez dodatkowy chromosom, co oznacza, że ​​białka te były obecne na poziomie bardziej zbliżonym do zdrowych drożdży.

Następnie zespół zbadał, w jaki sposób drożdże osiągnęły ten cel. „Nasze dane pokazują, że system zwany systemem proteasomów zostaje wzmocniony, co oznacza, że ​​mechanizm recyklingu komórkowego jest bardziej aktywny” – wyjaśnia dr Julia Münzner, pierwsza autorka badania, która pracuje w Instytucie Biochemii w Charité.

„Tak więc komórki z dodatkowymi chromosomami działają na pełnych obrotach, produkując dużo, ale jednocześnie szybciej rozkładają te produkty”.

Zmniejsza to objętość dodatkowych białek, chociaż obrót innymi białkami jest również szybszy. Naukowcy podejrzewają, że komórki mają inny sposób stabilizowania nadmiaru białek, aby nie uległy nadmiernemu zdziesiątkowaniu.

Sposób na walkę z lekoopornością?

Naukowcy mają nadzieję, że nowe odkrycia można wykorzystać w walce z nowotworami opornymi na leczenie i infekcjami grzybiczymi. Podobnie jak komórki nowotworowe, drożdżaki chorobotwórcze, takie jak Candida albicans, również mogą stać się oporne na leki, jeśli mają dodatkowe chromosomy. Infekcje grzybicze, których nie można już leczyć, mogą być śmiertelne.

„Można byłoby na przykład zastosować leki spowalniające rozkład białek w komórkach, tak aby komórki ponownie musiały radzić sobie ze zwiększonym obciążeniem białkiem” – mówi Ralser.

„To mógłby być sposób na zapobieganie oporności na leczenie”. Aby to podejście zadziałało, komórki nowotworowe i patogenne drożdże musiałyby zastosować zasadę podobną do tej występującej u Saccharomyces cerevisiae, aby tolerować aneuploidię. Ustalenie tego jest kolejnym celem grupy badawczej.