Jak metabolismus utváří život

Výzkumníci z Evropské laboratoře molekulární biologie (EMBL) Barcelona a MPI-CBG Dresden odhalují, jak glykolýza ovlivňuje rané embryonální buňky. Glykolýza je proces přeměny cukru na energii, v raném vývoji hraje klíčovou roli. Glykolýza nejen pohání buňky – pomáhá je nasměrovat ke specifickým typům tkání v kritických okamžicích vývoje. Embryonální modely založené na kmenových buňkách, které se spoléhají na glykolýzu, vytvářejí struktury podobnější přirozeným embryím. Porozumění tomu, jak se embryonální modely založené na kmenových buňkách vyvíjejí „in vitro“, zlepšuje naši schopnost předpovídat a kontrolovat vývoj a otevírají potenciál pro další biologické objevy, modelování onemocnění a testování toxicity léků.

Glykolýza je starobylá metabolická aktivita. Skládá se ze souboru reakcí, které přeměňují glukózu na energii. Tento centrální proces umožňuje buňkám růst, dělit se přežít. Doprovází život od jeho vzniku, od jednotlivých buněk až po složité organismy, jako jsme my sami. Vědci rozsáhle studovali roli metabolismu v jednotlivých buňkách, aby pochopili, jak ovlivňuje jejich energetický stav, ale jen málo se jich dosud zabývalo vlivem glykolýzy na rozhodnutí, která kmenové buňky dělají.

Možnosti glykolýzy

Výzkumníci z EMBL Barcelona ve Španělsku a z Max Planckova institutu molekulární buněčné biologie a genetiky (MPI-CBG) v Drážďanech v Německu nyní odhalují možnosti glykolýzy. Ukazují, že glykolýza je schopna v různých fázích raného embryonálního vývoje řídit rozhodnutí o osudu buněk a tím o konečném vzhledu embryonálních modelů založených na kmenových buňkách.

Ve dvou po sobě jdoucích publikacích v časopise Cell Stem Cell vědci ze skupin Vikase Trivediho z EMBL Barcelona a Jesseho Veenvlieta z MPI-CBG použili gastruloidy a „trunk-like“ struktury, in vitro embryonální modely založené na myších embryonálních kmenových buňkách, ke studiu raných kroků ve formování tělesného plánu – procesu, který pokládá základ pro budoucí vývoj orgánů.

Gastruloidy a kmenovité (trunk-like) struktury jsou modely vyvinuté z kmenových buněk, které napodobují rané fáze embryonálního vývoje. Gastruloidy jsou trojrozměrné buněčné agregáty vytvořené z embryonálních kmenových buněk. Napodobují proces gastrulace, což je klíčová fáze vývoje embrya, kdy se formují tři zárodečné vrstvy: ektoderm, mezoderm a endoderm. Tyto struktury pomáhají vědcům studovat, jak se buňky organizují a jak vznikají různé tkáně. Trunk-like struktury jsou pokročilejší modely, které se vyvíjejí z gastruloidů a obsahují složitější anatomické prvky, jako je neurální trubice a základy budoucích svalů a kostí. Tyto modely jsou důležité pro studium embryonálního vývoje, protože umožňují vědcům zkoumat procesy, které by jinak byly obtížně přístupné v reálném embryu. Výzkum ukazuje, že klíčovou roli v rozhodování buněk o jejich osudu během raného vývoje hraje metabolismus, zejména glykolýza.

Klasická laboratorní práce i AI

Kristina Stapornwongkul, postdoktorandka ve skupině Trivedi a nastupující vedoucí skupiny na Institutu molekulární biotechnologie (IMBA) ve Vídni, studovala roli glykolýzy změnou koncentrace glukózy v médiu, kde buňky žijí a živí se. Alba Villaronga-Luque a Ryan Savill, oba doktorandi ve skupině Veenvliet, zkoumali, proč některé kmenovité struktury vypadají více jako přirozené embryo než jiné. Pomocí strojového učení integrovali zobrazovací data s profily aktivních genů a metabolitů v průběhu času a zjistili při tom klíčovou roli glykolýzy. Kristýna Stapornwongkul si uvědomila, že blokování glykolýzy narušuje tvorbu dvou důležitých typů tkání: mezodermu – z něhož se později vyvinou svaly, kosti nebo krev – a endodermu – z něhož vznikají orgány, jako jsou játra nebo plíce. Místo toho se více buněk rozhodlo přeměnit se na ektodermovou tkáň, typ, který nakonec dá vzniknout našemu nervovému systému. Studie ukazuje, že glykolýza pomáhá aktivovat klíčové signální dráhy, které vedou buňky k vývoji směrem k mezodermu a endodermu. Když byla glykolýza blokována, signály oslabily a buňky se vyvinuly v ektodermové buňky. Když však byly tyto signály uměle zesíleny, normální rozhodování o buněčném osudu se obnovilo, a to i bez toho, aby ke glykolýze došlo. To zdůrazňuje klíčovou roli metabolismu jakožto regulátoru/aktivátoru specifických signálních drah, které ovlivňují buněčná rozhodování. Schopnost řídit osud buněk změnou složení média znamená, že je možné také nasměrovat buněčnou diferenciaci směrem k typu tkáně, o který se zajímáme.

Dvojí role glykolýzy

„Nejvíce mě překvapila tato jasná dvojí role glykolýzy: její bioenergetická funkce důležitá pro růst a její signální funkce klíčová pro rozhodování o osudu buněk. Když jsme glykolýzu inhibovali (zpomalili, blokovali), jasně jsme viděli ztrátu endodermu a mezodermu, ale byli jsme schopni tyto typy buněk zachránit aktivací signálních drah, a to i bez glykolýzy, tedy bez obnovení růstu. To ukazuje, že dokážeme oddělit bioenergetickou roli glykolýzy od její role regulátora signální dráhy, což zdůrazňuje existenci dvou odlišných funkcí během raného vývoje,“ řekla Stapornwongkulová.

Metabolismus je určující

„Na Kristinině práci je vzrušující hierarchický vztah mezi metabolismem a signalizací, alespoň v nejranějších fázích vývoje organismu. Tento výsledek přispívá k nově vznikajícímu pohledu na vztah mezi metabolismem a strukturováním, což je téma zájmu dalších laboratoří v rámci EMBL i mimo něj. Z evolučního hlediska je to vzrušující, protože metabolismus předchází signalizaci: i jednobuněčné organismy se spoléhají na metabolismus, zatímco signalizace se objevila v evoluci později. To podnítilo mou zvědavost ohledně role metabolismu při vzniku mnohobuněčnosti. Tato studie představuje začátek vzrušujícího nového směru pro mou skupinu,“ řekl Trivedi.

In vitro výzkum na modelových embryích

Villaronga-Luque a Savill zjistili, že rané změny v metabolismu způsobují rozdíly ve vzhledu struktur podobných embryonálnímu kmenu (trunk-like structures) v konečném stavu (model vývoje embryonálního kmenu založený na kmenových buňkách), který tvoří tkáně, z nichž vzniká páteř (mezoderm) a mícha (ektoderm). Tyto struktury umožňují studovat vývoj embryí savců, který je jinak skryt v děloze matek, na velkém počtu vzorků bez nutnosti experimentů na zvířatech. Přestože se mnoho charakteristik těchto embryonálních modelů založených na kmenových buňkách podobá vlastnostem embrya, nejsou schopny se vyvinout v plně funkční organismy.

Hlavní překážkou jejich širokého použití je, že jsou mnohem variabilnější než embryo: i když jsou pěstovány za stejných podmínek, některé shluky kmenových buněk se vyvinou do struktur velmi podobných embryu, zatímco jiné ne. Taková variabilita ztěžuje jejich použití pro výzkumné účely jako je modelování onemocnění nebo studia toxicity, které vyžadují vysoce reprodukovatelné výsledky.

I buňky mají „chuť na sladké“

Villaronga-Luque a Savill pozorovali, že konkrétně rovnováha mezi dvěma různými procesy, které produkují energii – glykolýzou a oxidativní fosforylací – ovlivňuje variabilitu embryonálních modelů založených na kmenových buňkách. Při glykolýze buňky vyrábějí energii rozkladem glukózy. Kmenovité struktury s jakousi „chutí na sladké“, které se více spoléhají na glykolýzu, aby získaly energii rozkladem cukru, se vyvíjejí nejpodobněji embryu, zatímco ty, které „chuť na sladké“ postrádaly, většinou vytvořily ektoderm. Stejně jako Stapornwongkulová zjistili, že glykolýza aktivuje signální dráhy, které ovlivňují buněčná rozhodnutí, a posléze i to, jak moc se struktury podobají skutečnému embryu. Nakonec ukázali, že posílení glykolýzy přidáním léků zlepšilo vzhled kmenových struktur. „Abychom odhalili důvod této variability v embryonálních modelech založených na kmenových buňkách, je potřeba mít měření v rané fázi vývoje, abychom zjistili, co se pokazí. Taková měření však obvykle vzorek zničí, takže jsme nevěděli, zda se z něj vyvine úspěšná struktura, či nikoli. To jsme nyní dokázali zvládnout,“ řekl Villaronga-Luque. „Kombinací kvantitativní zobrazovací analýzy se strojovým učením jsme zjistili klíčové charakteristiky struktur, které mohou předpovědět, jak jejich vývoj bude pokračovat. S touto prediktivní silou v ruce jsme pak mohli zkoumat expresní profily struktur, jejichž konečný stav by jinak nebyl znám,“ řekl Savill.

Začátek nových studií raného vývoje

„Díky schopnosti předpovědět budoucí vzhled embryonálního modelu založeného na kmenových buňkách náš tým mohl ukázat, že raný metabolický stav ovládá, jak moc se bude model podobat embryu. A to lze regulovat změnou metabolické aktivity pomocí léků. Taková prediktivní síla embryonálních modelů založených na kmenových buňkách a také dalších typů organoidů má potenciál nejen pomoci k novým zásadním biologickým objevům, ale také ke zlepšení embryonálních modelů založených na kmenových buňkách pro aplikace, které vyžadují vysokou reprodukovatelnost, včetně modelování onemocnění, genetického screeningu a studií toxicity,“ řekl Veenvliet.

Tyto studie představují začátek nového směru pro vývojovou a tkáňovou biologii. Dostávají metabolismus do centra pozornosti pro studium raných fází vývoje a dávají výzkumné komunitě nový nástroj pro studium raného vývoje embryí. Je zajímavé, že obě studie ukazují, že v různých fázích embryogeneze glykolýza působí podobným mechanismem, aby zajistila správný vývoj tělesného plánu.

Pozn.: Výzkum v laboratoři Veenvliet byl podpořen programem Evropské unie Horizon Europe Research and Innovation Program na základě grantové dohody s ID: 101071203 (SUMO – Supervised Morphogenesis in Gastruloids), grantem Deutsches Zentrum zum Schutz von Versuchstieren (Bf3R), (60-01ung.P589i-0) und Erforschung von Ersatz- und Ergänzungsmethoden zur Einschränkung von Tierversuchen (SET) grant.

Zdroj: Tisková zpráva EMBL