Naukowcy z Instytutu Genetyki i Biotechnologii na Wydziale Biologii UW prześledzili pochodzenie i funkcjonowanie mechanizmu, który pozwala drożdżom reagować na problemy z mitochondriami – strukturami odpowiedzialnymi w komórkach za produkcję energii.
Wyniki badania, opublikowane w czasopiśmie Molecular Biology and Evolution, są ważne nie tylko dla biologii ewolucyjnej. Badany organizm – drożdżak Candida albicans – jest bowiem oportunistycznym patogenem człowieka. Zwykle niegroźny, u osób z osłabioną odpornością może wywoływać ciężkie infekcje, a jego oporność wobec leków stale rośnie. Zrozumienie, jak komórki tego grzyba radzą sobie ze stresem i defektami funkcjonowania mitochondriów, może pomóc w lepszym poznaniu mechanizmów jego chorobotwórczości.
To ważne. Zakażenia grzybicze potrafią być trudne do opanowania. Nawracają, bywa że słabo reagują na leki.
Awaria w elektrowni
Historia tego badania zaczęła się około 2 miliardów lat temu. Bo wtedy mniej więcej powstały komórki eukariotyczne – takie jak nasze, ludzkie i takie, jak komórki drożdży – zawierające jądro komórkowe i mitochondria.
Proste jednokomórkowe organizmy zwane archeonami weszły wówczas we współpracę z bakteriami. Efektem tej dawnej symbiozy są dwa genomy: jądrowy i mitochondrialny. To wtedy ukształtowała się budowa komórek eukariotycznych, w której różne elementy muszą współdziałać.
– Komórki eukariotyczne stanowią swego rodzaju ewolucyjną składankę czy mozaikę. I podobnie jak w złożonych organizacjach, w których różne działy muszą się między sobą komunikować i dopasowywać swoją pracę do siebie nawzajem, tak samo w naszych komórkach poszczególne części, mające odmienną ewolucyjną historię, muszą się „dogadywać”. Nas właśnie interesował konkretny system komunikacji, decydujący o tym, co dzieje się z mitochondriami – tłumaczy prof. dr hab. Paweł Golik.
Komórkowe „elektrownie”, czyli mitochondria, produkują energię w procesie oddychania komórkowego. Ale na tym ich rola się nie kończy. Biorą m.in. udział w metabolizmie składników odżywczych, magazynują jony wapnia, wytwarzają ciepło, regulują proces programowanej śmierci komórki, uczestniczą w sygnalizacji wewnątrzkomórkowej i odpowiedzi immunologicznej.
Jądro komórkowe kontroluje funkcjonowanie mitochondriów, ponieważ koduje białka niezbędne do utrzymania i ekspresji genomu mitochondrialnego. Istnieje jednak także sygnalizacja w przeciwnym kierunku. Dostosowanie aktywności genów jądrowych do stanu mitochondriów umożliwia szlak tzw. regulacji zstępującej.
– Białka, które nazywamy czynnikami transkrypcyjnymi Rtg, to takie „włączniki” uruchamiające aktywność określonych genów. Pozwalają komórce zareagować, dostosować się do sytuacji, gdy mitochondria nie funkcjonują do końca prawidłowo. Nas zainteresowało, jak ten mechanizm powstał, jak wyewoluował i czy u wszystkich gatunków drożdży pełni podobną funkcję – mówi prof. Golik.
Regulację zstępującą (z ang. retrograde regulation – stąd oznaczenie białek Rtg) po raz pierwszy opisano u drożdży Saccharomyces cerevisiae, czyli gatunku, do którego należą drożdże piekarskie i piwowarskie. Wykazano istnienie dwóch „włączników”, które aktywują odpowiednie geny i pomagają komórce przystosować się do spadku aktywności mitochondriów lub zmian metabolicznych.
– Jeżeli mitochondrium szwankuje, to reakcja komórki zależy od tego, jaka to komórka. To było właśnie clou tych badań: wszystkie komórki drożdży reagują na problemy z mitochondriami za pomocą tego mechanizmu, co wcześniej nie było ewidentne. Przedtem badacze uważali, że u niektórych drożdży służy on do innych celów, na przykład kontroli wykorzystania cukru o nazwie galaktoza. My pokazaliśmy, że on wszędzie odpowiada na problemy z mitochondriami, tylko w różny sposób – podkreśla biolog.
Przełącznik do innych poleceń
S. cerevisiae są gatunkiem rozprzestrzenionym na całym świecie. Dzikie szczepy występują w postaci matowego nalotu na powierzchni dojrzałych owoców, znaleźć je można w przewodach pokarmowych oraz na powierzchniach ciała owadów i zwierząt stałocieplnych, w glebie, a nawet w środowiskach wodnych.
C. albicans – o polskiej, rzadko używanej nazwie „bielnik biały” – to element flory fizjologicznej układu moczowo-płciowego i pokarmowego, a także skóry człowieka. Może występować nawet u 80% populacji, nie powodując problemów. Staje się groźny, gdy odporność organizmu z jakichś powodów zostanie poważnie obniżona.
– Można powiedzieć, że Candida albicans fizjologicznie jest trochę bardziej podobna do nas, bo w większym stopniu opiera się na procesie oddychania, gdy tymczasem drożdże piekarskie preferują fermentację. Jeśli mają dużo cukru, nawet w obecności tlenu fermentują, a nie oddychają, co jest dosyć nietypowym przystosowaniem ewolucyjnym tego gatunku. Nas ciekawiło, czy system regulacji jest specyficzny dla drożdży piekarskich, czy też może jest czymś znacznie starszym i znacznie bardziej uniwersalnym – opowiada biolog z UW.
Badania przyniosły ciekawy wynik. U C. albicans funkcja mechanizmu regulacji zstępującej jest zasadniczo zachowana i nadal występuje reakcja na problemy z mitochondriami. Ale inna.
– Mamy ten sam system przełączników, ale on włącza w odpowiedzi na problemy z mitochondriami inny zestaw genów niż w tych najbardziej znanych gatunkach drożdży. Zatem ewolucja nie polega na tym, że różne gatunki o różnych potrzebach mają różne przełączniki, tylko dostosowują sobie docelowe geny tych przełączników do specyfiki swojego metabolizmu – wyjaśnia prof. Golik.
Badacze spodziewali się różnic w tym, jakie geny odpowiadają na problemy z mitochondriami, kontrolowane przez szlak regulacji zstępującej. Nie spodziewali się, że ten sam system aktywuje zupełnie różny zestaw genów u C. albicans niż u drożdży piekarskich.
– A tymczasem okazało się, że przełącznik został ten sam, ale to, co włącza, jest kompletnie odmienne. Część badaczy nie wierzyła nawet, że ten system zachował swoją funkcję i że w tak odległych ewolucyjnie gatunkach odpowiada na problemy z mitochondriami. W tym badaniu mogliśmy pokazać, że jednak on cały czas odpowiada na problemy z mitochondriami, tylko w zupełnie odmienny sposób – mówi prof. Paweł Golik.
W ewolucji takie sytuacje się zdarzają (tego typu zjawiska nazywa się przeprogramowaniem ewolucyjnym). Ten sam mechanizm może zostać zachowany, ale z czasem zaczyna pełnić inną funkcję niż pierwotnie. W opisywanym badaniu udało się to dokładnie prześledzić i potwierdzić badając dużą liczbę różnych gatunków.
„Candida albicans" z wymazu z pochwy. Mikrofotografia o wysokiej rozdzielczości. Obraz przedstawia strzępki (włókna) oraz owalne i eliptyczne chlamydospory zabarwione na niebiesko-czarno. Różowe plamki to komórki nabłonka pochwy, a ciemne granulki to artefakty barwienia metodą Grama (niezamierzony efekt powstający w czasie przygotowania preparatu). Fot. Dr Graham Beards / Wikimedia
Doktor Jekyll i pan Hyde
Candida albicans zwykle współistnieje z człowiekiem, nie wywołując choroby. Utrzymaniu tej równowagi sprzyjają m.in. korzystne bakterie mikroflory jelitowej oraz sprawnie działający układ odpornościowy. Gdy jednak odporność organizmu spada, grzyb może szybko się namnażać, prowadząc do rozwoju grzybicy, kandydozy.
Szczególnie narażone są osoby cierpiące np. na AIDS, nowotwory, po przeszczepach narządów lub przyjmujące leki immunosupresyjne. Grzybica wywołana przez Candida albicans może się rozwinąć u ludzi stosujących niektóre leki, jak steroidy czy antybiotyki. Rozwojowi drożdżaków sprzyja też niekontrolowana cukrzyca.
Niestety grzyb ten staje się coraz bardziej odporny na farmaceutyki. Dlatego wiedza na temat ewolucji systemu regulacji zstępującej to więcej niż fascynujący przykład adaptacji genów i białek do pełnienia różnych funkcji. Może pomóc w zrozumieniu mechanizmów ważnych dla patogenności Candida albicans, a tym samym w zwalczaniu infekcji wywoływanych przez te drożdże.
Aby skutecznie rozpanoszyć się w organizmie, grzyb potrzebuje sprawnych mitochondriów, dostarczających komórce energii. Musi więc radzić sobie z ich uszkodzeniami. Tymczasem układ odpornościowy gospodarza próbuje go zniszczyć, wytwarzając reaktywne formy tlenu.
Należą do nich m.in. wolne rodniki. Te cząsteczki reagują z innymi składnikami komórek i mogą je uszkadzać, ich nadmiar może niszczyć DNA, białka i lipidy. Aby przetrwać, grzyb musi umieć się przed rodnikami chronić. Kluczową rolę w tej obronie odgrywa system regulacji oparty na białkach Rtg.
– Te same białka Rtg, które w drożdżach piekarskich przestawiają metabolizm tak, aby nawet przy niefunkcjonujących dobrze mitochondriach zapewniał niezbędne substancje, na przykład podstawowe aminokwasy, u Candidy uruchamiają system obronny przed reaktywnymi formami tlenu. Podobny problem, podobny mechanizm odpowiedzi na ten problem, ale różne rozwiązania – podkreśla prof. Golik.
Odkrycie pomaga zrozumieć, w jaki sposób Candida albicans radzi sobie ze stresem przychodzącym ze środowiska. I może w przyszłości pomóc w skuteczniejszym kontrolowaniu czy zwalczaniu wywoływanych przez ten grzyb infekcji.
– Różne gatunki zajmują, jak to mówimy w ewolucji, różne nisze ewolucyjne, co oznacza że żyją w różnych środowiskach, a środowisko w ewolucji kształtuje cechy przystosowawcze, adaptacyjne. Inne jest środowisko i tryb życia drożdży piekarskich, które w naturze korzystają z cukrów gromadzących się na skórce owoców. A inny drożdży, które bytują wewnątrz organizmu. W zależności od tego, jakie potrzeby ma komórka, jej podstawowe biochemiczne mechanizmy są wyspecjalizowane, albo w jedną, albo w drugą stronę. Albo bardziej do fermentacji, albo bardziej do oddychania. Albo do jak najskuteczniejszego wykorzystywania pokarmu, albo do jak najskuteczniejszej obrony przed reaktywnymi formami tlenu – wyjaśnia biolog.
Ewolucyjne ścieżki
Naukowcy z UW wykazali, że historia regulacji zstępującej zaczęła się ok. 235 mln lat temu, u wspólnego przodka linii Saccharomyces i Candida. Potem różne linie drożdży rozwijały się odrębnie, przystosowując do odmiennych warunków życia.
– Wiele osób nie zdaje sobie sprawy z tego, że drożdże to grupa jednokomórkowych grzybów, które może i wyglądają bardzo podobnie, ale mają bardzo długą, ewolucyjną historię, sięgającą kilkuset milionów lat. Pomiędzy różnymi gatunkami, które wszystkie wrzucamy do tego jednego worka z nazwą „drożdże” ewolucyjnie odległość może być tak wielka jak pomiędzy rybą a człowiekiem. Tak dawno temu rozeszły się ich wspólne ewolucyjne ścieżki – mówi prof. Golik.
Drożdże, jako znacznie prostsze od złożonych organizmów, świetnie nadają się do badania ewolucji podstawowych, biochemicznych mechanizmów komórkowych. Poza tym żadna inna grupa systematyczna nie została tak dokładnie i całościowo przebadana. Znamy kompletny zapis DNA ponad tysiąca różnych gatunków drożdży!
– Pokazuje to siłę modelu otwartej nauki. Duże amerykańskie laboratorium wyizolowało z tysiąca gatunków drożdży DNA i odczytało jego sekwencje. Dane zostały udostępnione, w związku z tym mogliśmy po prostu te 1000 genomów drożdżowych zaciągnąć z bazy danych i dalej je analizować. Napisałem odpowiednie programy komputerowe do tej analizy, ale nie trzeba było części laboratoryjnej robić od podstaw – podkreśla badacz.
Częścią laboratoryjną, eksperymentalną badania, z wykorzystaniem sekwencjonowania nowej generacji, kierowała dr Karolina Łabędzka-Dmoch, współautorka pracy, również z Instytutu Genetyki i Biotechnologii UW.
– Eksplorując komputerowo ponad 1000 genomów drożdży udało jeszcze nam się uchwycić, w którym momencie w ewolucji ten system oparty na dwóch przełącznikach się pojawił, kiedy z jednego genu zrobiły się dwa i wspólnie zaczęły jako przełącznik odpowiadający na problem z mitochondriami działać. U przodka wszystkich drożdży i u niektórych bardzo starych linii ewolucyjnych był jeden taki przełącznik, a potem ten gen uległ duplikacji – opowiada prof. Golik.
Odtwarzanie wydarzeń sprzed milionów czy miliardów lat ewolucji może wydawać się niemal niemożliwe, nawet jeśli dziś robi się to z pomocą komputerów. Prof. Golik porównuje ten proces do pracy językoznawców, którzy nie dysponują zapisami dawnych języków, ale potrafią odtworzyć ich historię, a nawet próbują odtworzyć, jak mogły one brzmieć kilka tysięcy lat temu.
– Porównując podobieństwa i wzory w językach, którymi mówi się w Europie współcześnie, potrafią odtworzyć historię, stwierdzić który język wydzielił się z którego, w którym momencie, a nawet próbować odtworzyć, jak brzmiał ten dawno zapomniany, bo nigdy niezapisany dialekt. Ponieważ DNA, a zwłaszcza kodowane przez DNA białka zmieniają się wolniej niż języki i w sposób znacznie bardziej przewidywalny i logiczny, toteż na podobnej zasadzie, porównując różne gatunki, które żyją obecnie, odtwarzamy to, co działo się u ich przodków setki milionów lat temu – wyjaśnia.
Czytaj więcej na: serwisnaukowy.uw.edu.pl
prof. dr hab. Paweł Golik pracuje w Instytucie Genetyki i Biotechnologii na Wydziale Biologii Uniwersytetu Warszawskiego. Jego zainteresowania naukowe obejmują m.in. badania funkcji i ewolucji kodowanych jądrowo białek zaangażowanych w metabolizm RNA w mitochondriach, wykorzystanie drożdży do modelowania ludzkich chorób związanych z zaburzeniami jądrowej kontroli ekspresji genomu mitochondrialnego, paleogenomikę i genomikę porównawczą. Fot. Michał Ignar
Materiał Partnera