Celler skal rydde op i deres proteiner for at kunne håndtere stress

Alle cellerne i din krop eller for den sags skyld alle cellerne i et bøgetræ, en valmue eller en struds er i stand til at tilpasse sig til omgivelserne ved at justere deres genetiske apparat og tænde eller slukke for tusindvis af gener og genetiske signalveje.

Det gør både du, bøgetræet, valmuen og strudsen, når I udsættes for stressfaktorer som varme- eller kuldestress, trusler fra bakterier, kemisk stress eller alt muligt andet, der kan true cellerne og dermed hele organismen.

Nu viser ny dansk forskning, at før cellerne kan få gavn af at aktivere det genetiske stressrespons, skal de først rydde op i alle deres proteiner, for at proteinerne ikke forstyrrer de mange involverede signalveje, der helst skal fungere som smurt i olie.

Forskningen er offentliggjort i EMBO Journal.

”Indtil nu har den her proces været understuderet, men vi viser, at det formentlig er en essentiel og universel mekanisme, og den viden hjælper os med at forstå, hvordan celler tilpasser sig omgivelserne. Uanset hvilken proces cellerne igangsætter, kræver det, at de har ryddet op i proteinerne fra de forrige processer, for at det ikke går helt galt,” forklarer professor Morten Petersen fra Biologisk Institut ved Københavns Universitet.

Forskellige situationer kræver, at cellerne tilpasser sig nye omstændigheder

Tager vi et skridt tilbage, så handler det nye forskningsarbejde om, hvordan celler etablerer en midlertidig tilstand eller en ny identitet i forhold til deres genetiske udtryk.

Celler kan på forskellige tidspunkter have behov for at ændre deres tilstand. Det kan for eksempel dreje sig om, at en celle skal tilpasse sig til, at det bliver varmere i omgivelserne. Taler vi om en celle i en valmue på en spirende forårsmark lidt uden for Holbæk, kan man let forestille sig, hvordan den celle kan få behov for bedre at kunne tolerere varme, i takt med at sommeren rykker tættere på.

Det kan også dreje sig om celler, der skal ændre identitet fra at være differentieret som én bestemt type celle og går imod at blive til en stamcelle. Det kaldes for de-differentiering. Derefter kan cellen re-differentiere sig til en anden celletype. Her har cellen behov for at ændre sin identitet, og det skal ske ved at ændre det genetiske udtryk.

”Den sidste proces er især interessant, når vi taler om medicin og i mange andre sundhedsmæssige kontekster. Kan man få syge celler til at gå tilbage til stamcellestatus og starte forfra, kan man potentielt set også kurere en masse sygdomme, som skyldes defekte celler. Derfor er der mange forskellige perspektiver i at forstå, hvad der er nødvendigt, for at cellerne kan skifte identitet,” fortæller Morten Petersen.

Når organismer justerer identitet, skal der ryddes op i cellerne

Når en celle skal ændre tilstand, har den som det første brug for at komme af med de proteiner, der definerer dens nuværende tilstand eller identitet.

Lad os som eksempel se på valmuen, som måske har tilpasset sig til at kunne klare de frostklare nætter i starten af april. Nu skal den pludselig ændre tilstand til at klare de varme sommerdage.

Det vil sige, at den i sig har en masse proteiner, der er nødvendige for at håndtere kulde, og de skal ud af systemet, for at der kan skabes plads til proteiner, der kan håndtere varme.

”Det er allerede velstuderet, hvordan cellerne tilpasser sig genetisk og epigenetisk, men indtil videre har der været meget få studier af, hvad cellerne gør med alle proteinerne. Dem skal der også ryddes op i, for at cellen kan etablere en ny identitet eller tilstand. Det er ikke nok bare at slukke for generne,” forklarer Morten Petersen.

Unik mekanisme rydder op i proteinerne

I Morten Petersen forskning viser han, at en helt specifik mekanisme, der hedder autofagi, er nødvendig, for at cellerne kan skifte identitet som svar på en ydre stress.

Autofagi er meget simpelt den mekanisme, som celler benytter til at rydde ud i alt muligt, som cellerne ikke længere har brug for. Det kan dreje sig om hele organeller inde i cellerne, men det kan også dreje sig om proteiner.

I forsøg med planteceller fra planten arabidopsis har forskeren slået autofagien i stykker ved at ødelægge de relevante gener for mekanismen. Resultatet af øvelsen viser, at det fuldstændigt ødelægger cellernes evne til at tilpasse sig ændringer i omgivelserne.

Cellerne får svært ved at differentiere sig og kan slet ikke skifte tilstand som modsvar på forskellige former for ekstracellulært stress.

Forskeren undersøgte også, hvad der sker med celler, som går tilbage til stamcellestadiet for derefter at re-differentiere imod en ny identitet.

”Stamcellerne, som mangler autofagi, har også meget svært ved at opstarte de programmer, som skal redifferentiere dem. Men når de endelig genstarter, har cellerne brug for autofagien til at styre intensiteten på de cellulære programmer. Så cellerne, hvor autofagi ikke fungerer, går helt agurk og starter en sneboldeffekt,” forklarer Morten Petersen.

Resultatet af manglende oprydning i celler gav i Morten Petersens forsøg også meget skravlede planter, som fik det meget svært, når omgivelserne ændrede sig blot en smule.

Vil lære mere om de bagvedliggende mekanismer

Morten Petersen siger, at selvom forskerne nu er blevet klogere på noget, som ser ud til at være en hel generel mekanisme i alle dyre- og planteceller på Jorden, er der alligevel meget, som de ikke forstår, og som vil være emner for fremtidig forskning.

Blandt andet vil forskerne fremadrettet gå dybere ned i forståelsen af de mekanismer, som kommer i spil, når autofagi skal iværksættes for at rydde op i cellernes proteiner mellem identiteter.

”Det har ret stor værdi at forstå, hvordan de her processer foregår, fordi de spiller ind i alt fra at vedligeholde en celles helbred til, hvordan vi tilpasser os omgivelserne. Derfor er disse processer relevante for blandt andet at forstå mange forskellige sygdomme, men også for at forstå hvordan vi fungerer biologisk,” siger Morten Petersen.