Zrozumienie tego, jak rozwijające się komórki mózgowe stają się zależne od metabolizmu tlenowego, może być kluczowe w leczeniu chorób mózgu. Nowe odkrycia ukazują drogę przekształcania zdrowych komórek w komórki rakowe i w chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera i choroba Parkinsona.

Komórki mózgu mogą przetrwać bez tlenu jedynie kilka minut. Naukowcy z Salk Institute przeanalizowali rozkład w czasie dramatycznych zmian metabolizmu w rozwijających się komórkach nerwowych, czyniących je zależnymi jedynie od metabolizmu tlenowego jako źródła energii. Odkrycia opublikowano w czasopiśmie eLife. "Obecnie stosunkowo mało rozumiemy proces kształtowania się metabolizmu neuronów. Oprócz lepszego zrozumienia tego zjawiska, praca pozwala nam lepiej zrozumieć choroby neurodegeneracyjne", twierdzą badacze.

Przesyłanie sygnałów za pomocą sieci neuronalnej jest kosztowne energetycznie, mózg intensywnie wykorzystuje więc zarówno tlen i glukozę, wykorzystując 20 procent jej całkowitego zużycia w organizmie. Według nowych badań, wraz ze wzrostem neuronu rośnie liczba rozproszonych w nim mitochondriów.

Proces powstawania neuronów rozpoczyna się już w życiu płodowym i trwa również po urodzeniu. Nawet u dorosłych w kilku obszarach mózgu mogą powstawać nowe komórki neuronalne. "Założyliśmy, że przemiany metaboliczne opisywane w naszych badaniach przechodzi każda komórka progenitorowa stająca się neuronem", podkreślają badacze. Komórki, które docelowo staną się neuronami, początkowo wykorzystują szlak glikolizy beztlenowej, który nazywany jest głównym procesem wytwarzania energii. Odbywa się to w cytoplazmie komórki i polega na przekształcaniu glukozy w energię do postaci trifosforanu adenozyny (ATP). Jednak w pewnym momencie komórki przechodzą na bardziej efektywny szlak, zwany fosforylacją oksydacyjną, który do produkcji ATP wykorzystuje dodatkowo tlen i zachodzi wewnątrz mitochondriów.

Naukowcy zbadali rzadką chorobę metaboliczną, zwaną zespołem Leigh. Okazało się, że tacy chorzy wykazują zmniejszą produkcję ATP w neuronach. W celu lepszego zrozumienia tej choroby postanowili odtworzyć ten stan in vitro, używając komórek z mutacją w mitochondrialnym DNA. Zdano sobie jednak sprawę, iż proces generowania energii podczas podziału i różnicowania zwykłych komórek nie jest dostatecznie poznany.

W nowym badaniu okazało się, że w czasie przemian komórki prekursorowej w neuron, ekspresja genów kodujących kluczowe enzymy glikolizy ulega wygaszeniu. Zmiany te powodują zatrzymanie procesu glikolizy beztlenowej w komórce, jednocześnie zwiększając ekspresję kluczowych regulatorów procesu fosforylacji oksydacyjnej. Najbardziej zaskakujące jest to, że rozwijający się neuron musi całkowicie zatrzymać glikolizę beztlenową. Kiedy naukowcy zapobiegali temu zjawisku, neurony szybko ubumierały.

"To pierwsza kompleksowa analiza zmian metabolicznych zachodzących w czasie różnicowania neuronów, a zaskakująca zależność neuronów od fosforylacji oksydacyjnej jako ich jedynego źródła energii ma bezpośrednie przełożenie na zwiększenie podatności neuronów na czynniki uszkadzające wraz z wiekiem".

Grupa planuje przyjrzeć się bliżej sposobom kontroli genów warunkujących metabolizm w różnicujących się komórkach, a także zbadać potencjalne defekty przemian energetycznych występujące m.in. w chorobie Parkinsona oraz różnice metabolizmu różnych typów neuronów.

Więcej: sciencedaily.com