Glukoza kontroluje różnicowanie się komórek i regenerację tkanek poprzez wpływ na aktywność genów kluczowych w tych procesach – wynika z badania, które opisało czasopismo „Cell Stem Cell”. Zdaniem autorów pracy odkrycie to może zaowocować nowymi lekami na cukrzycę oraz na raka.
Glukoza jest cukrem prostym, który stanowi głównie źródło energii dla komórek naszego organizmu. Naukowcy ze Stanford University School of Medicine (Stanford, Kalifornia, USA) ujawnili w efekcie wieloletnich badań, że jest ona również głównym regulatorem różnicowania tkanek - procesu, w którym komórki macierzyste dają początek wyspecjalizowanym komórkom, budującym wszystkie tkanki ciała. W tym wypadku jej rola nie polega na dostarczaniu energii, lecz na wiązaniu się w nienaruszonej formie z białkami kontrolującymi aktywność genów odpowiedzialnych za proces różnicowania się tkanek i ich regenerację.
To odkrycie było dla naukowców tak zaskakujące, że spędzili kilka lat na potwierdzaniu swoich obserwacji, nim zdecydowali się je opublikować. "Na początku po prostu w to nie wierzyliśmy. Ale wyniki kolejnych szeroko zakrojonych eksperymentów wskazywały jasno, że glukoza wchodzi w interakcje z setkami białek w komórkach i moduluje ich funkcję, aby promować proces różnicowania się komórek" – skomentował dr Paul Khavari, współautor pracy.
Gdy jego zespół zaczął poszukiwać cząsteczek napędzających proces różnicowania komórek, nie koncentrował się na glukozie. Wykorzystując technikę określaną jako spektrometria mas z metodami analizy o wysokiej przepustowości naukowcy badali wzrost i spadek stężenia tysięcy cząsteczek biologicznych obecnych w ludzkich komórkach macierzystych skóry podczas procesu różnicowania się ich w dojrzałe keratynocyty (dojrzałe komórki nabłonka). Założyli, że cząsteczki, których poziom rośnie w trakcie różnicowania się komórek w keratynocyty, mogą odgrywać istotną rolę w tej przemianie.
W ten sposób badacze zidentyfikowali 193 cząsteczki podejrzane o udział w różnicowaniu się komórek. Wiele z nich już wcześniej powiązano z tym procesem. Zaskoczeniem okazało się to, że wśród molekuł, których poziom znacznie wzrósł, na drugim miejscu była glukoza. "Gdy zobaczyliśmy, że glukoza jest na szczycie tej listy, byliśmy oszołomieni. Spodziewaliśmy się, że poziom glukozy spadnie podczas różnicowania, ponieważ komórki zaczynają dzielić się wolniej, a ich zapotrzebowanie na energię jest mniejsze" – tłumaczył Khavari. Komórki wchodzą wówczas na ścieżkę starzenia się i - ostatecznie - śmierci. A mimo tego naukowcy zaobserwowali, że poziom glukozy znacznie wzrastał.
Wzrost stężenia glukozy w komórkach w trakcie procesu różnicowania potwierdzono też w doświadczeniach z radioaktywnymi lub fluorescencyjnymi analogami glukozy, które były wychwytywane przez komórki, jak również w doświadczeniach z biologicznymi "czujnikami" glukozy, które świecą na czerwono lub zielono w obecności biologicznie istotnych stężeń glukozy - gdy proces różnicowania postępował, komórki świeciły coraz intensywniej. Podobne obserwacje poczyniono w badaniach na innych typach komórek ludzkich (w tym rozwijających się komórkach tkanki tłuszczowej, kości i białych krwinek), a także na komórkach zmodyfikowanych genetycznie myszy, które produkowały fluorescencyjne czujniki glukozy.
"W każdej badanej przez nas tkance poziom glukozy wzrastał w trakcie różnicowania się komórek. Wskazuje to, że glukoza odgrywa generalną rolę w różnicowaniu tkankowym w całym ciele" – powiedział Khavari.
Dodatkowe doświadczenia wykazały, że wzrost poziomu glukozy w komórkach był spowodowany zarówno nasileniem importu glukozy do komórek, jak i zmniejszeniem jej eksportu poza komórki. Potwierdzono również, że zmianom w stężeniu glukozy nie towarzyszyło nasilenie procesu rozpadu glukozy, typowe dla procesu produkcji energii.
Zaintrygowani naukowcy przeprowadzili badania na organoidach (małe fragmenty tkanek imitujące organy) ludzkiej skóry hodowanych w laboratorium. Okazało się, że gdy poziom glukozy w hodowli był zbyt niski, komórki organoidów nie były w stanie prawidłowo się różnicować w dojrzałe keratynocyty. Dokładniejsze badania wykazały, że niski poziom glukozy wpłynął negatywnie na aktywność ponad 3000 genów w komórkach hodowanych organoidów. Wiele z tych genów koduje białka, które – jak wykazały wcześniejsze badania - biorą udział w różnicowaniu komórek skóry.
Różnicowanie się komórek w organoidach zostało wznowione, gdy do hodowli wprowadzono analog glukozy, który nie może być metabolizowany przez komórki. Potwierdziło to, że rola glukozy w różnicowaniu się komórek jest niezależna od jej roli jako źródła energii w procesach metabolicznych. "To był naprawdę największy szok, ponieważ byliśmy przekonani, że glukoza jest źródłem energii i niczym więcej. Ale analogi glukozy stymulują różnicowanie komórek tak samo dobrze, jak zwykła glukoza" – skomentował Khavari, cytowany w komunikacie towarzyszącym publikacji.
Naukowcy wykazali też w swoich eksperymentach, że poziom glukozy w komórkach wzrastał z powodu wzrostu produkcji białka transportującego glukozę do wnętrza komórek. Po dostaniu się do środka glukoza wiąże się z setkami białek, w tym z białkiem IRF6, które przyczynia się do wzrostu aktywności wielu genów zaangażowanych w proces różnicowania.
Już wcześniej pojawiały się sugestie, że glukoza ma swoją "drugą twarz" - przypomnieli naukowcy. Wiadomo na przykład, że komórki macierzyste zarodka, które mogą różnicować się w każdą komórkę w ciele, tracą tę zdolność, gdy są hodowane w obecności wysokiego poziomu glukozy. Dzieje się tak prawdopodobnie dlatego, że zwiększony poziom glukozy pobudza komórki do różnicowania się i utraty ich pluripotencjalnych właściwości. Ponadto osoby z wysokim poziomem glukozy z powodu cukrzycy często doświadczają upośledzonego gojenia się ran i regeneracji tkanek, ponieważ zaburzony jest u nich proces dzielenia się komórek tkanki łącznej – fibroblastów.
Co więcej, niektóre analogi glukozy okazały się obiecujące w badaniach przedklinicznych i klinicznych jako terapie przeciwnowotworowe. Choć zostały opracowane, aby pozbawić komórki rakowe energii, nowe odkrycia sugerują, że mogą one stymulować różnicowanie się komórek nowotworowych i pozbawiać je potencjału do nowotworzenia.
Zdaniem naukowców zrozumienie roli glukozy w procesie różnicowania się komórek i regeneracji tkanek może mieć implikacje dla leczenia cukrzycy, w której poziom cukru we krwi jest podwyższony, jak również dla leczenia nowotworów, których komórki są niedojrzałe i dzielą się w sposób niekontrolowany. Jak przypomniał Khavari, rak jest chorobą wynikającą z utraty zdolności komórek do różnicowania się w dojrzałą tkankę.
Najnowsze odkrycie może podważać prawdziwość powszechnie panującego przekonania, że wysoki poziom glukozy sprzyja rozwojowi raka, ponieważ dostarcza paliwa dla niekontrolowanego namnażania się komórek nowotworowych. (PAP)
Joanna Morga
jjj/ zan/
Fundacja PAP zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: naukawpolsce.pl, a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - naukawpolsce.pl. Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów wideo.
