Undersøgelser tyder på, at celler har et skjult kommunikationssystem

Celler navigerer konstant i et dynamisk miljø og står over for stadigt skiftende forhold og udfordringer. Men hvordan tilpasser celler sig hurtigt til disse miljømæssige udsving?

En ny Moffitt Cancer Center-undersøgelse, offentliggjort i iScience , besvarer det spørgsmål ved at udfordre vores forståelse af, hvordan celler fungerer. Et team af forskere foreslår, at celler besidder et hidtil ukendt informationsbehandlingssystem, der giver dem mulighed for at træffe hurtige beslutninger uafhængigt af deres gener.

I årtier har videnskabsmænd set DNA som den eneste kilde til cellulær information. Denne DNA-plan instruerer celler i, hvordan de opbygger proteiner og udfører væsentlige funktioner. Ny forskning hos Moffitt ledet af Dipesh Niraula, Ph.D., og Robert Gatenby, M.D., har imidlertid opdaget et ikke-genomisk informationssystem, der fungerer sammen med DNA, hvilket gør det muligt for celler at indsamle information fra miljøet og reagere hurtigt på ændringer.

Undersøgelsen fokuserede på rollen af ​​iongradienter på tværs af cellemembranen. Disse gradienter, vedligeholdt af specialiserede pumper, kræver store energiforbrug for at generere varierende transmembrane elektriske potentialer. Forskerne foreslog, at gradienterne repræsenterer et enormt reservoir af information, der gør det muligt for celler at overvåge deres miljø kontinuerligt.

Når information modtages på et tidspunkt på cellemembranen, interagerer den med specialiserede porte i ionspecifikke kanaler, som derefter åbner, hvilket tillader disse ioner at flyde langs de allerede eksisterende gradienter for at danne en kommunikationskanal. Ionstrømmene udløser en kaskade af begivenheder ved siden af ​​membranen, hvilket gør det muligt for cellen at analysere og hurtigt reagere på informationen. Når ionstrømmene er store eller langvarige, kan de forårsage selvsamling af mikrotubuli og mikrofilamenter til cytoskelettet.

Typisk giver cytoskeletnetværket mekanisk støtte til cellen og er ansvarlig for celleform og bevægelse. Forskerne bemærkede dog, at proteiner fra cytoskelettet også er fremragende ionledere. Dette gør det muligt for cytoskelettet at fungere som et meget dynamisk intracellulært ledningsnetværk til at overføre ion-baseret information fra membranen til de intracellulære organeller, herunder mitokondrier, endoplasmatisk retikulum og kernen. Forskerne foreslog, at dette system, som giver mulighed for hurtige og lokale reaktioner på specifikke signaler, også kan generere koordinerede regionale eller globale reaktioner på større miljøændringer.

"Vores forskning afslører cellernes evne til at udnytte transmembrane iongradienter som et kommunikationsmiddel, så de kan fornemme og reagere på ændringer i deres omgivelser hurtigt," sagde Niraula, en anvendt forskningsforsker i Department of Machine Learning. "Dette indviklede netværk gør det muligt for celler at træffe hurtige og informerede beslutninger, der er afgørende for deres overlevelse og funktion."

Forskerne mener, at dette ikke-genomiske informationssystem er afgørende for dannelse og opretholdelse af normalt flercellet væv, og antyder, at de velbeskrevne ionstrømme i neuroner repræsenterer et specialiseret eksempel på dette brede informationsnetværk.

Afbrydelse af denne dynamik kan også være en kritisk komponent i kræftudvikling. Holdet demonstrerede, at deres model var i overensstemmelse med flere eksperimentelle observationer og fremhævede adskillige testbare forudsigelser, der stammer fra deres model, hvilket forhåbentlig banede vejen for fremtidige eksperimenter for at validere deres teori og kaste lys over forviklingerne ved cellulær beslutningstagning.

"Dette studie udfordrer den implicitte antagelse i biologien om, at genomet er den eneste kilde til information, og at kernen fungerer som en slags central processor. Vi præsenterer et helt nyt netværk af information, der tillader hurtig tilpasning og sofistikeret kommunikation, der er nødvendig for celleoverlevelse. og sandsynligvis dybt involveret i den intercellulære signalering, der tillader fungerende multicellulære organismer," sagde Gatenby, meddirektør for Center of Excellence for Evolutionary Therapy ved Moffitt.

Flere oplysninger: Dipesh Niraula et al., Modellering af ikke-genetisk informationsdynamik i celler ved hjælp af reservoirberegning, iScience (2024). DOI:10.1016/j.isci.2024.109614

Journaloplysninger: iScience

Leveret af H. Lee Moffitt Cancer Center &Research Institute