Martin Picard, a Columbia Egyetem kutatója a mitokondriumok és az öregedés kapcsolatát kutató doktori tanulmányai vége felé járt, amikor tengernyi, mitokondriumokat ábrázoló felvétel megtekintése után először látott egy felgyorsított videót arról, hogyan mozognak ezek az energiatermelő sejtszervecskék a sejten belül. A fluoreszcens címkével megjelölt mitokondriumok jöttek-mentek a sejtben, réseken átbújva, egymást megközelítve, összeolvadva, majd szétválva, akár egy halraj vagy egy hangyaboly tagjai.
A szakértő és mások azóta fontos előrelépéseket tettek a mitokondriumok dinamikus interakcióinak kutatásában, amelyek tovább erősítették ezt az analógiát. Picard és Carmen Sandi, az ETH Lausanne idegkutatója nemrégiben megjelent tanulmányukban már egyenesen amellett érvelnek, hogy a mitokondriumot elsősorban társas sejtszervecskeként lehet és kell értelmezni.
Erre való bizonyítékként egy sor olyan felfedezést listáznak, amelyek mind azt mutatják, hogy a mitokondrium meglepően független szervecske, és a szerepe messze túlmutat azon, amit a hagyományos elképzelés szerint a sejt erőműveként betölt. A mitokondrium az utóbbi évek megfigyelései alapján hormonokat termelnek, immunválaszt vezérelnek és alapvetően befolyásolják a sejtek fejlődési irányát.
Ezen sokrétű feladatok ellátására pedig a hangyákhoz hasonlóan csoportokat formálnak, összeegyeztetik működésüket, és mind a környezetre, mind egymásra reagálnak.
Ezen jelenségek „társas szempontú” értelmezése pedig nemcsak az egyes mitokondriumok működésének szempontjából lehet gyümölcsöző, de annak feltárásában is sokat segíthet, hogyan befolyásolják a mitokondriális kollektívák az emberi egészséget, írja Picard és Sandi.
Bár egyes kutatók vitatják a társas szemlélet „erőltetését”, abban a többség egyetért, hogy a mitokondriumok között megfigyelt, forgalmas kommunikációs hálózatok vizsgálata kulcsfontosságú lehet az egészség és betegség máig nem ismert folyamatainak feltárásában. És ha megértjük, hogyan működnek együtt a mitokondriumok, talán működésüket is befolyásolni tudjuk majd, amivel a biológia jobb megértésén túl új terápiás lehetőségek is járhatnak, mondja James Eberwine, a Pennsylvaniai Egyetem kutatója.
A társas gyökerek
Annak megértéséhez, hogyan beszélhetünk a sejtszervecskék körében társas kapcsolatokról, először is azt kell felidéznünk, hogy a társas lét mély evolúciós gyökerekkel bír. A baktériumok például rendkívül egyszerű organizmusok, mégis nagyon komplex közösségi viselkedésekre képesek: egyedül is tudnak működni, de közösségekben is létezhetnek, ahol intenzíven kommunikálnak és kooperálnak, hogy komplex struktúrákat alkossanak.
A mitokondriumok elődei pedig úgy 2 milliárd évvel ezelőtt maguk is baktériumok voltak, a jelenlegi uralkodó elmélet szerint. Ezek a baktériumok aztán nagyobb méretű sejtekkel léptek szimbiózisba, és ezek belsejében kezdtek élni, energiával látva el a gazdasejteket. Ez a munkamegosztás annyira kedvezőnek bizonyult, hogy valószínűleg kulcsszerepet játszott a többsejtű élet kialakulásában. A mitokondriumok az evolúció során számos önálló funkciójukat elvesztették, de máig megőriztek néhány fontos bakteriális vonást, így például saját genomjuk van, amely a sejtmagi génektől függetlenül létezik és öröklődik.
A mitokondriumok genetikai szinten ugyanakkor jóval bonyolultabbak annál, mint amit iskolai tanulmányaink alapján elképzelhetünk róluk. Bár minden mitokondrium az anyai petesejtből származik, az egyes sejtszervecskék genomja nagyon eltérő lehet.
Egyes szervecskék a genom több tucat másolatát hordozzák, míg mások csak egy példányban, vagy egyben sem tartalmazzák a genetikai anyagot. És a genomok maguk is eltérnek, kisebb-nagyobb varianciákat hordoznak.
És bár egyes mutációk, amelyek a mitokondrium hibás működéséhez vezetnek, kiirtódnak a sejtből, mások megmaradnak, és ez a genetikai sokféleség valószínűleg fontos szerepet játszik a különféle viselkedésekben és működésekben, mondja Eberwine.
A diverzifikálódás a genetikai szinten túl is kulcsszerepet kap a mitokondriumok életében. Az embrionális fejlődés során, ahogy a sejtek osztódnak és különböző típusú szövetekké fejlődnek, a mitokondriumok is sokféle irányba és funkcióra váltanak. Bár minden ilyen sejtszervecske képes ATP-t, vagyis kémiai energiát termelni és raktározni, az egyes szövetekben más speciális funkciókat is ellátnak.
A mellékvesekéregben például a mitokondriumok termelik a kortizol nevű hormont, a májban pedig az ammónia semlegesítésében vállalnak kulcsszerepet.
Fúziók és jelzések
Ráadásul azon túl, hogy egyesével végzik a dolgukat, életciklusuk során elég sokat tartózkodnak egymás társaságában is. A szakértők évtizedek óta tudják, hogy a mitokondriumok képesek összeolvadni, majd szétválni – attól függően, hogy a sejt milyen állapotban van, és mire van szüksége, mondja Jodi Nunnari, a Kaliforniai Egyetem kutatója, a mitokondriális dinamika vizsgálatának egyik úttörője.
Az ilyen mitokondriális „randevúk” többféle célt szolgálhatnak, és legalább egy esetben kooperatív együttműködésről van szó. Utóbbi esetben az egyes mitokondriumok azért egyesülnek szomszédjukkal, mert hiányzik vagy nem működik megfelelően a genomjuk. Ha egyesülnek egy „teljes” társsal, osztozhatnak a kémiai jelzéseken és a fehérjéken is. A fúzió során ugyanakkor nem minden keveredik, a mitokondriumok ebben az esetben is megőrzik önállóságuk egy részét, mondja Nunnari.
Az is egyre világosabbnak tűnik, hogy a mitokondriumok más módokon is interakcióba kerülnek egymással a fúzión kívül.
Képesek egymásnak molekulákat átadni membránjaik ideiglenes egymáshoz érintése révén, vagy hosszú csöveken, úgynevezett nanoalagutakon keresztül, amikor éppen nem annyira mobilisak.
Picard és kollégái 2015-ben egy másik fajta kommunikációt is megfigyeltek. Az emlős sejtekben a mitokondriumok érintkezési pontjain a belső membránok redői is egymáshoz rendeződnek.
Ez pedig csak úgy lehetséges, ha a sejtszervecskék kommunikálják ezek helyzetét egymásnak. Picardék szerint a legvalószínűbb, hogy valamiféle elektromágneses jelzőrendszerről van szó.
A belső membránok ioncsatornákat tartalmaznak, és ezek nyitása és zárása révén membránpotenciált, feszültséget generálnak. Amikor a membrán két oldalán levő feszültségkülönbség kiegyenlítődik, nemcsak ATP generálódik, de a töltött részecskék áramlása miatt egy elektromágneses mező is létrejön. Elképzelhető, hogy ezt érzékelik a szomszédos mitokondriumok. És ha tényleg képesek erre, ez a fajta kommunikáció jóval gyorsabb lehet a kémiai jelzések terjedésénél. Hogy a feltételezett kommunikációnak és a membránok összerendezésének mi a funkciója, az ugyanakkor egyelőre rejtély.
Az interakciók feltárása ráadásul a szakértők szerint még korántsem fejeződött be. Még csak most kezdjük megérteni, hogyan kommunikálnak egymással a mitokondriumok, mondja Brian O’Rourke, a Johns Hopkins Egyetem orvosi karának kardiológusa.
Szinkronban és azon kívül
A másik nagy rejtély, hogy a kommunikáció mire szolgál. Natalie Porat-Shliom, az amerikai Nemzeti Rákkutató Intézet sejtbiológusa szerint ezek a társasnak nevezhető interakciók arra szolgálnak, hogy a hatékonyságot növeljék, valamiféleképpen optimálisabb anyagcserét és működést tesznek lehetővé az egész szervezet számára.
A mitokondriális kommunikáció például a sejtszinten túl, az egyes sejtek között is szinkronba hozhatja az energiatermelést. Porat-Shliom és kollégái néhány évvel ezelőtt a nyálmirigyek sejtjeit vizsgálták, amelyek összehangolva működnek, amikor nyálat szekretálnak. Patkányokon végzett vizsgálatok alapján ezen sejtek működésekor nemcsak a sejtek, de mitokondriumaik is össze vannak hangolva: a membránpotenciál sejteken átívelően 12 másodperces ciklusokban változott, akkor is, amikor a sejtek nem szekretáltak nyálat.
A szakértők szerint a sejtszervecskék rövid életű molekulákat továbbítanak egymásnak az oszcillációk összehangolása végett. Ilyen módon szükség esetén egyszerre nagy mennyiségben is képes nyál termelődni.
Más kutatócsoportok más típusú sejteknél figyeltek meg hasonló összehangolt oszcillációkat. Viszont úgy tűnik, hogy a jelenség nem univerzális, például a májban egyáltalán nincs összehangolva a sejtek és a mitokondriumok működése – talán azért, mert eltérő funkciókat látnak el.
A szinkronizáció ugyanis nem mindig szerencsés. O’Rourke és társai évek óta szívizomsejtekkel kísérleteznek, és vizsgálataik során többek közt azt is megnézték, hogy mi történik, ha lézerrel összehangolják a hatalmas izomsejtek mitokondriumainak működését. az eredmények alapján úgy tűnik, hogy ilyen esetekben a szinkronizált működés elnyomhatja a sejt összehúzódását, megakasztva az elektromos jelek terjedését, és ezzel szétzilálva az izomsejtek koordinált működését. Élő állatmodellekben az ilyen jelenségek ritmuszavarokhoz vezettek.
Vagyis a mitokondriumok szintjén úgy tűnik, hogy a szívnél nem jó a túlzott összehangolás, mert ellentétben a nyálmirigyekkel, a szívizomsejteknek folyamatosan magas szintű energiaellátás kell
– mondja O’Rourke.
Kollektív szemlélet
Összességében elmondható, hogy egyre nagyobb tudományos érdeklődés veszi körül a mitokondriumokat és azok kollektív működéseit. A sejtszervecskék előszeretettel csoportosulnak a sejteken belül, és a különböző csoportok más-más módon viselkednek, valószínűleg eltérő feladatokat látva el. Az idegkutatók például már évekkel ezelőtt észlelték, hogy a neuronok egyes részein a mitokondriumok nagyon eltérő kinézettel bírnak.
Egyes idegsejtek közepén például rögbilabdához hasonló alakot vesznek fel, vagy csöveket formálnak. A dendritekben, amelyek más neuronok jelzéseit veszik, a mitokondriumok hosszú, elágazó hálózatokat alkotnak, míg az axonokban apró labdákat formálnak.
Ezek az eltérő formák a legfrissebb kutatások szerint többek közt azért érdekesek, mert eltérő mennyiségű kalcium felvételét teszik lehetővé.
Picard és Sandi ezeket a diverzifikálódásokat, interakciókat és kooperációkat társas viselkedésként értelmezik, amely olykor a sejten túlra is kiterjedhet. A kortizol például más sejtek mitokondriumait is képes befolyásolni, nagy távolságú kommunikációt téve lehetővé. Picard számára egyébként a mitokondriumok „társas élete” egyáltalán nem meglepő, hiszen mintegy megalapozza a magasabb szintű csoportos interakciókat.
Ahogy mondja, a mitokondriumok kooperációja elősegíti a sejtek együttműködését, amelyek így szerveket képesek alkotni, a különböző szervek pedig együttesen egy komplex organizmust formálnak, amely más hasonló organizmusokkal kerül interakciókba.
Ez a fajta megközelítés pedig azért is értékes lehet, mert a múltban a mitokondriumokat hajlamosak voltak redukcionista szemlélettel vizsgálni a szakértők. Vagyis egyes génekre, fehérjékre „szétszedve” őket próbálták megérteni működésüket. A kutatás új irányvonala viszont megmutatja, mennyire fontos környezetükbe beágyazott, azzal interakciókba kerülő sejtszervecskékként vizsgálni a mitokondriumokat, és hogy ez mennyire elengedhetetlen a tényleges működés megértéséhez.
A mitokondriumok ráadásul egymáson kívül más sejtszervecskékkel is kapcsolatban vannak. Évtizedek óta ismert például, hogy szoros kapcsolatot ápolnak a sejtmaggal, amely a mitokondriális fehérjék jelentős részének génjeit tartalmazza. De más szervecskékkel is folyamatosan interakciókba kerülnek.
Új terápiák?
Ezek a megfigyelések a sejt működésének mélyebb megértésén túl már egyes betegségekkel kapcsolatban is új információkat tártak fel. A Parkinson-kór kapcsán például nagy rejtélynek tűnt, hogy bár a betegségnek nyilvánvaló köze van az ATP anyagcseréjéhez, külsőre semmiféle eltérés nem látszik a betegek mitokondriumai és az egészséges sejtszervecskék között.
A Luxemburgi Egészségügyi Intézet kutatóinak nemrégiben közzétett vizsgálata szerint azonban kis számú beteg mintái alapján úgy tűnik, hogy a mitokondriumok kollektív működésében vannak eltérések a betegeknél az egészségesekhez képest. Nagy mennyiségű mikroszkópos videó elemzése alapján Feng He és társai megállapították, hogy a Parkinson-kóros betegekben a mitokondriális hálózatok kevésbé hatékonyan látszanak működni, ami szerepet játszhat a betegség alakulásában.
A hálózatos megközelítés Picard reményei szerint idővel új terápiák kifejlesztéséhez is vezethet. A szakértőnek máris vannak elképzelései arra vonatkozóan, hogyan lehetne jobb kommunikációra késztetni a mitokondriumokat, ami például a már említett Parkinson-kóros betegeknél hasznos lehet.
Egy 2013-as vizsgálatban egereket futtattak társaival, majd megvizsgálták, hogy a lábizmaikban hogyan viselkednek a mitokondriumok.
Úgy tűnik, hogy ahol egymáshoz értek a sejtszervecskék az intenzív testmozgás miatt, ott új kapcsolódások alakultak ki a sejtszervecskék között. Ez pedig része lehet az arra vonatkozó magyarázatnak is, hogy mi teszi olyan egészségessé a testmozgást.
