Element zaskoczenia Understand article
Tłumaczenie: Anna Pancerz. Badania radiowęgla pomagają zrozumieć naukowcom jak neurony pozostają stabilne, ale jednocześnie posiadają zdolność adaptacji.
30 października 1961 r. grzyb atomowy, ponad siedem razy wyższy niż Mount Everest, przesunął się nad Nową Ziemię, archipelag na Morzu Barentsa. Był to znak Car Bomby, zbudowanej przez Związek Radziecki, o mocy 50 megaton, największej bomby atomowej, jaka kiedykolwiek została zdetonowana. Fizyczna fala uderzeniowa sprawiła, że pękały okna oddalone o 900 kilometrów, ale jej polityczne oddziaływanie było jeszcze silniejsze i pomogło doprowadzić do międzynarodowego zakazu przeprowadzania testów nuklearnych na powierzchni ziemi. Teraz, ponad pół wieku później, naukowcy z Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej (EMBL) w Heidelbergu, Niemcy znaleźli pozytywną stronę tej mrocznej ery zimnej wojny: radiowęgiel, nieszkodliwą część składową efektu ubocznego tych testów, która pozwala na wgląd w to jak pracuje ludzki mózg.
Kyung-Min Noh, pracownik naukowy Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej i jej współpracownicy w USA śledzą zachowanie radiowęgla, żeby lepiej zrozumieć, jak neurony, najdłużej żyjące komórki w ciałach, pozostają stabilne, ale są wystarczająco elastyczne, żebyśmy mogli uczyć się, zapamiętywać i myśleć przez całe nasze życie. Badacze mają również nadzieję, że ich praca przyniesie nowe spojrzenie na defekty rozwojowe mózgu takie jak autyzm i inne schorzenia, takie jak choroba Alzheimera.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej Photolab/Marietta Schupp
Fakty o radiowęglu
Węgiel to podstawowy element wszystkich molekuł w naszym ciele. Prawie cały węgiel na świecie przybiera „zwykłą” formę o nazwie węgiel-12. Radiowęgiel to nieco cięższa, umiarkowanie radioaktywna forma, która występuje naturalnie w stosunkowo małych ilościach. W latach 1945 – 1963, z powodu testów atomowych, do atmosfery przedostał się radiowęgiel wytworzony przez człowieka, w ilości przewyższającej jego naturalne zasoby. Radiowęgiel znalazł się w łańcuchach pokarmowych na całym świecie, co oznaczało, że ludzie, którzy żyli w tym okresie mieli w organizmach więcej tej substancji niż stanowiła norma. Gdy jego poziom w atmosferze powrócił do normy, ich organizmy stopniowo zastępowały większość strawionego radiowęgla, zwykłym węglem, gdyż z biegiem czasu komórki same się odnowiły.
Jednakże, poszczególne części ciała odnawiają się w rożnym tempie, dlatego naukowcy mogą otrzymać odpowiedź na pytanie, które komórki i jak często są zamieniane, poprzez zmierzenie ilości radiowęgla w tkankach ludzi, którzy żyli w czasie testów atomowych. Dziesięć lat temu, zespół naukowców w Szwecji i USA użył tej techniki, żeby pokazać, że neurony w niektórych częściach mózgu odnawiają się same w ciągu życia, a inne zatrzymują swój rozwój przy narodzinach i mają tyle lat, co dana osoba. Teraz Kyung-Min i jej współpracownicy przyjęli to podejście, aby zrozumieć jedną z największych tajemnic neurobiologii: w jaki sposób neurony pozostają stabilne, ale jednocześnie posiadają zdolność adaptacji.
Odkrywanie sekretów komórek
Częściowa odpowiedź kryje się w DNA neuronów. To DNA zawiera geny, które zlecają neuronom tworzenie małych molekularnych mechanizmów – białek, które umożliwiają neuronom funkcjonowanie. Mimo, że prawie każda komórka w naszym ciele zawiera ten sam zestaw genów, każdy rodzaj komórki używa innego podzbioru genów do rozwijania jej specjalistycznej funkcji. Oznacza to, że komórka musi utrzymać pewne geny w stanie aktywnym, a inne w nieaktywnym.
Można to zrobić przez zmianę tego, w jaki sposób DNA jest zapakowane wewnątrz komórek. Zamiast unosić się w koło w zaplątanym nieładzie, DNA jest nawinięte na białka zwane histonami, przypominając nić owiniętą wokół niezliczonych malutkich szpulek. Nieaktywne DNA jest zwykle mocno zwinięte, natomiast DNA zawierające aktywne geny jest zwinięte luźniej, a zatem jest lepiej dostępne dla mechanizmu komórki odpowiadającego za odczytywanie genu. Inne białka ulepszają histony, tak aby pomagały regulować aktywność genów. Kyung-Min zaczęła interesować się biologią histonów, gdy robiła doktorat na Albert Einstein College of Medicine w Nowym Jorku, USA. Podczas badania efektów udarów w mózgu szczurów, odkryła białko, które zmieniało histony w neuronach zniszczonych przez udar. Później zaczęła badać, co dzieje się z histonami w komórkach, które trwale przestały się dzielić. Badanie akurat ich jest dość logicznym wyborem. Naukowcy wiedzą już, że komórki, które się aktywnie dzielą używają histonów w formie podstawowej lub „kanonicznej”, natomiast komórki, które zatrzymały się przed kolejnym podziałem używają innych histonów, znanych jako „zmodyfikowane” histony. Jednakże wiedzą bardzo mało o tym, co stało się z tymi histonami komórkowymi, które na stałe przestały się dzielić.
Wydaje się, że zmodyfikowane histony są związane z aktywnymi obszarami DNA, więc mogą odgrywać specyficzną rolę w procesie regulowania zachowania genów. Taki rodzaj kontroli miałby szczególnie ważny wpływ na starsze neurony, które nie tylko są najbardziej zużyte, ale również muszą zmieniać aktywność genów w bardzo dynamiczny sposób, w odpowiedzi na stale zmieniające się środowisko. W czasie badań podoktoranckich na Rockefeller University, USA, Kyung-Min i jej współpracownicy odkryli, że neurony, które przestały się dzielić, rzeczywiście przyłączyły zmodyfikowane histony do swojego DNA. Ale żeby zrozumieć, dlaczego tak się stało, najpierw musieli dowiedzieć się, kiedy to się stało: czy zmodyfikowane histony przenikały stopniowo, czy wszystkie zostały dodane naraz.
Datowanie radiowęglowe
Żeby przyjrzeć się tej kwestii w ludzkim organizmie, zespół użył radiowęgla. Technika znana jako technika akcelatorowa umożliwiła im rozróżnienie zmodyfikowanych histonów zawierających węgiel w podstawowej formie od tych, które zawierały radiowęgiel. Poprzez badanie próbek ludzi, którzy żyli w czasach testów atomowych, zaobserwowali, że przyłączenie zmodyfikowanych histonów odbywa się najprawdopodobniej przed okresem dojrzewania. „Nie jest to stopniowy proces”, mówi Kyung-Min. „We wczesnej fazie ludzkiego rozwoju następuje intensywna wymiana i mózg utrzymuje ten stan przez całe życie”.
Sugeruje to, że wymiana histonów jest istotnym krokiem w rozwoju mózgu dziecka, zachodzącym w tym samym czasie, co najbardziej dynamiczne procesy uczenia się, wyjaśnia. Co więcej, ostatnie badania genetyczne odkryły szereg wadliwych genów powiązanych z zaburzeniami rozwoju i funkcjonowania ośrodkowego układu nerwowego, takimi jak autyzm i trudności w uczeniu się. Wiele tych genów jest powiązanych z biologią histonów. “Te obserwacje stawiają kilka ogromnych pytań. Na przykład, jakie znaczenie ma naprawdę wymiana histonów podczas rozwoju?”
Odkąd Kyung-Min dołączyła do EMBL w listopadzie 2014 r., zajmowała się tymi pytaniami poprzez tworzenie neuronów w laboratorium i przeprowadzanie wielu eksperymentów, żeby dowiedzieć się, co robią histony. Jednak łatwiej powiedzieć niż zrobić: jednym z kluczowych wyzwań w dziedzinie badania neuronów jest zdobycie wystarczającej ilość właściwych komórek, aby móc przeprowadzić test. Tak więc, zespół Kyung-Min pobiera niedojrzałe jeszcze komórki z mysich zarodków i sprawia, że formują dojrzałe neurony w szalce Petriego. Co więcej, przygotowują się do pracy na typie komórki znanym jako komórka iPS – indukowana pluripotencjalna komórka macierzysta, którą również chcą przekształcić w neurony. Te komórki nie pochodzą z ludzkiego zarodka, lecz z komórek dorosłego człowieka, które zostały z powrotem odmłodzone.
Efekty poprawiania
Aby zmienić zachowanie histonów w sztucznie wyhodowanych neuronach, zespół Kyung-Min zamierza użyć nowej techniki – CRISPRw1. Pozwala ona naukowcom „poprawiać” zawartość genów w komórce poprzez wprowadzanie zmian do histonów w neuronach przekształconych z komórek iPS. Te zmiany, lub mutacje, będą wprowadzane na podstawie tych, o których już wiadomo, że odgrywają rolę w zaburzeniach rozwoju mózgu. Badania iPS pozwolą zespołowi odkryć, jak te mutacje wpływają na zachowanie neuronów.
“Mimo, że praca jest wciąż na najwcześniejszym etapie, uzyskanie więcej informacji o histonach w neuronach mogłoby pomóc w badaniach nad innymi zaburzeniami, między innymi chorobami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroba Alzheimera”, mówi Kyung-Min.
Lekarstwa mające wpływać na mechanizmy komórki, które zmieniają histony, są obecnie używane przy leczeniu niektórych typów raka, na przykład chłoniaka z limfocytów T, i badanie tych lekarstw dostarcza wgląd w to, jak atak na histony może wpłynąć na komórkę. Jedną z teorii jest to, że powodem choroby może brak ścisłego owinięcia DNA wokół histonów. „ Jeśli zacznie się odplątywać całą tą chaotyczną nić, komórka próbuje sama ustawić się w odpowiedni sposób”, mówi Kyung-Min. „Przywrócenie komórki do uporządkowanego, zdrowego stanu może stanowić nowe podejście lecznicze”.
Podziękowanie
Oryginalna wersja tego artykułu ukazała się w wiosennym wydaniu EMBLetc w 2015 r., magazynu Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej.
Web References
- w1 – Dowiedz się więcej o CRISPR, technice przekształcającej geny na stronie EMBL.
Institutions
Review
Ten fascynujący artykuł łączy wydarzenia historyczne i nowoczesne badania nad komórkami, a także pokazuje ścieżkę kariery młodego naukowca. Badanie zastosowania radioizotopów, takich jak radiowęgiel w biofizyce i biologii molekularnej może być użyte jako podłoże do dyskusji podczas lekcji fizyki lub biologii na poziomie rozszerzonym, lub na lekcji chemii na poziomie średniozaawansowanym.
Przykładowe pytania do zrozumienia i rozszerzenia tematu:
- Co to są radioizotopy i co można badać za ich pomocą?
- Opisz budowę i funkcję histonów w komórce.
- Jaki związek istnieje między DNA i histonami?
Terry Myers, Banbridge Academy, Irlandia