كيف تعمل الميتوكوندريا تحت الضغط مثل السرطان؟

يتذكر الكثير منا من دروس علم الأحياء في المدرسة الثانوية أن الميتوكوندريا هي "محطات الطاقة" في الخلية.

هذه الهياكل الصغيرة التي تشبه حبة الفاصوليا هي التي تحول العناصر الغذائية من الطعام إلى ATP، عملة الطاقة في الخلية.

تنفق الخلايا هذه العملة في كل مرة تقوم فيها بأنشطة خلوية أساسية، سواء كان ذلك تشفير الذكريات في الخلايا العصبية أو إزالة السموم من المواد الكيميائية في خلايا الكبد.

هذه القصة حقيقية، ولكنها غير مكتملة، فالخلايا لا تحتاج إلى الطاقة فقط لتعيش، بل تحتاج أيضًا إلى لبنات البناء ـ المواد الخام التي تستخدم في صنع نسخ من مكوناتها بحيث تتلقى كل خلية جديدة حصة كاملة ومتساوية من الأجزاء عندما تنمو وتنقسم، وفق ما نشهر موقع ميديكال إكسبريس.

لسنوات عديدة، لم يكن من الواضح أين يتم تصنيع هذه الكتل البنائية في الخلية.

ولكن على مدى العقد الماضي، تعلم العلماء أن الميتوكوندريا تتحكم في هذه العملية أيضًا، فبدلًا من استخدام العناصر الغذائية لإنتاج ATP، يمكن للميتوكوندريا استخدامها لصنع الكتل البنائية الخلوية التي ستشكل الحمض النووي والبروتينات الجديدة والأغشية الخلوية الجديدة.

كيف تختار الميتوكوندريا أي من هذين المسارين المتعارضين؟

يقول كريج تومسون، دكتور في الطب، وعضو برنامج علم الأحياء والوراثة السرطانية في معهد سلون كيترينج في مركز ميموريال سلون كيترينج للسرطان (MSK) والمؤلف الرئيسي لورقة بحثية جديدة نُشرت في مجلة Nature: "كان هذا هو السؤال الذي سعينا للإجابة عليه، كيف توازن الميتوكوندريا هاتين الوظيفتين الأساسيتين اللتين تؤديهما لجميع الخلايا في أجسامنا؟".

ويقول إنه في ظل الظروف العادية، من السهل على الخلايا أن تتوازن مع موازناتها، فعندما تكون العناصر الغذائية وفيرة ـ عندما تحصل خلايانا على كل العناصر الغذائية التي تحتاج إليها، بل وأكثر ـ تستطيع الخلايا أن تستخدم هذه العناصر الغذائية لتوفير إمدادات كافية من ثلاثي فوسفات الأدينوزين، وكذلك لتكوين ما يكفي من اللبنات الأساسية للخلايا للنمو والانقسام.

ولكن ماذا يحدث أثناء أوقات التوتر، عندما تكون العناصر الغذائية نادرة ويكون الطلب على كل من ATP وكتل البناء الخلوية مرتفعًا؟ لم يكن أحد يعرف إجابة هذا السؤال.

كيف تبقى الخلايا على قيد الحياة تحت الضغط؟

ولكي نفهم المعضلة التي تواجهها الخلية، يقول الدكتور تومسون، علينا أن نفكر فيما يحدث عندما تقطع نفسك.

وأضاف: "يبدأ الدم في التدفق، ومعه العناصر الغذائية التي تدعم الأنسجة عادة، تصبح الخلايا الآن في موقف مرهق. فهي تحتاج بشكل عاجل إلى ATP لإنفاقه على عملية الشفاء، كما تحتاج بشكل عاجل إلى إمدادات جديدة لإصلاح الأنسجة المصابة، ولم يتضح بعد كيف تختار الخلية بين هذه المطالب المتنافسة".

في بحثهم الجديد، يوضح الدكتور تومسون وزملاؤه بالتفصيل الدقيق كيف تعالج الميتوكوندريا هذه المشكلة المحيرة. فمن خلال عملية درامية وديناميكية من التحول الفيزيائي والكيميائي، تشكل الميتوكوندريا مجموعات فرعية متميزة متخصصة في تلبية كل من المطالب المتنافسة.

النتيجة النهائية هي تقسيم العمل بشكل مثالي تقريبًا، حيث يتم تجهيز مجموعة فرعية واحدة بالآلات اللازمة لصنع ATP، ويتم تجهيز مجموعة فرعية أخرى بالآلات اللازمة لبناء هياكل خلوية جديدة.

إن النتائج الجديدة لا تجيب على سؤال أساسي حول علم الأحياء الخلوي فحسب، بل لها آثار مباشرة على فهم السرطان - وهو تجسيد لحدث بيولوجي مرهق.

بدأ الدكتور تومسون وزملاؤه، بقيادة الدكتور كيونوو ريو، وهو زميل ما بعد الدكتوراه في المختبر، بالسؤال عما قد يحدث إذا وضعوا الخلايا في موقف مرهق، حيث يكون هناك على سبيل المثال كمية منخفضة من الجلوكوز الغذائي وفي نفس الوقت طلب مرتفع على ATP. قد يظن المرء أن الخلايا ستفضل إنتاج ATP على حساب إنتاج كتل البناء الخلوية. لكن هذا ليس ما وجده الباحثون.

ويقول الدكتور تومسون: "إن الطلب المتزايد على ATP لم يؤثر بأي شكل من الأشكال على قدرة الخلايا على إنتاج جزيئات أخرى للنمو".

وأضاف: "كان هذا الاكتشاف غريبًا جدًا، ويبدو أنه يخالف قوانين الديناميكا الحرارية".

يبدو الأمر وكأن الخباز بدأ بالمكونات اللازمة لعمل فطيرة تفاح واحدة بقطر 12 بوصة، ولكن في نهاية الطهي، حصل على فطيرتين بقطر 12 بوصة، وهذا أخبر العلماء أن شيئًا غير عادي للغاية يحدث.

تقسيم العمل في الميتوكوندريا

كان أحد الأدلة على لغز قدرة الميتوكوندريا على أداء وظيفتين في وقت واحد هو النظر إلى الإنزيمات المشتركة بين المسارين المختلفين.

وقد وجدوا إنزيمًا واحدًا فقط: إنزيم يسمى P5CS.

يوضح الدكتور تومسون قائلًا: "إن P5CS هو نوع من البروتينات المحورية الضرورية للحكم بين هذين المسارين".

وعندما نظر الفريق بمزيد من التفصيل إلى ما كان يفعله إنزيم P5CS في الخلايا المجهدة، رأوا أن إنزيمات P5CS الفردية قد انضمت معًا لتكوين خيوط طويلة. ولكن من الغريب أن الخيوط تشكلت في مجموعة فرعية واحدة فقط من الميتوكوندريا؛ أما في المجموعة الأخرى، فكانت غائبة.

كانت المجموعة الفرعية من الميتوكوندريا التي تحتوي على خيوط P5CS مختلفة بشكل ملحوظ بطرق أخرى.

عادةً، في الميتوكوندريا التي يمكنها إنتاج ATP، يشكل الغشاء الداخلي للميتوكوندريا هياكل مطوية معقدة تسمى cristae، والتي غالبًا ما تكون مرئية في الميتوكوندريا المعروضة في الكتب المدرسية، ولكن في الميتوكوندريا الغنية بخيوط P5CS، كانت الكريستae غائبة.

وبعد مزيد من البحث، أصبح من الواضح أن المجموعتين الفرعيتين قامتا بفصل أدوارهما بشكل كامل، حيث أصبحت مجموعة فرعية واحدة مخصصة لإنتاج ATP فقط، وأصبحت مجموعة فرعية أخرى متخصصة في إنتاج كتل بناء خلوية جديدة.

إن النتيجة الأساسية لهذا التقسيم للعمل هي أن كل مجموعة فرعية أصبحت أفضل في أداء وظيفتها، وهو ما يساعد في تفسير سبب قدرة تلك الخلايا الأصلية التي تعرضت للضغط على إنتاج ما يكفي من ATP وكمية كافية من اللبنات الأساسية للبقاء والنمو في ظل الظروف المجهدة.

انشطار واندماج الميتوكوندريا

ولكن كيف نشأت هاتان المجموعتان الفرعيتان المتميزتان في المقام الأول؟ وهنا تصبح القصة أكثر تشويقا.

فقد عرف العلماء منذ عقود أن الميتوكوندريا عبارة عن عضيات شديدة الديناميكية. فهي تمر بأحداث اندماج وانشطار، حيث تنضم الميتوكوندريا الفردية إلى بعضها البعض ثم تنفصل عن بعضها البعض، مرارا وتكرارا.

افترض العلماء أن أحداث الاندماج والانشطار ضرورية لإعادة تدوير مكونات الميتوكوندريا التالفة من عملية إنتاج ATP الشاقة للغاية، قد يكون هذا صحيحًا، لكن هذه الدراسة الجديدة تُظهر أن عملية الاندماج والانشطار مطلوبة أيضًا لفصل خيوط P5CS إلى مجموعة فرعية واحدة وآليات إنتاج ATP إلى مجموعة أخرى.

يقول الدكتور تومسون: "كانت هذه مفاجأة. أعتقد أن هذه هي المرة الأولى التي يثبت فيها أي شخص أن اندماج الميتوكوندريا وانشطارها ضروريان لفصل وظائف الميتوكوندريا إلى مجموعات فرعية".

كيف يرتبط اكتشاف الميتوكوندريا بالخلايا السرطانية؟

ولكن لماذا يرتبط هذا الأمر بالسرطان؟ حسنًا، كما يعلم أي شخص يعمل في هذا المجال، فإن الخلايا السرطانية قادرة على البقاء في ظل ظروف مرهقة تؤدي عادة إلى قتل الخلايا الطبيعية. على سبيل المثال، تستطيع الخلايا السرطانية البقاء في قلب الورم حيث تكون العناصر الغذائية والأكسجين شحيحة، ولا تستطيع أي خلية عادية أن تفعل ذلك.

وللتحقق من ما إذا كانت التغيرات التي تطرأ على الميتوكوندريا تحدث في سياق السرطان، قام الدكتور تومسون وزملاؤه بفحص عينات من أنسجة سرطان البنكرياس، وهو أحد أكثر أنواع السرطان عدوانية. ومن المؤكد أن الأورام طورت مجموعات فرعية منفصلة من الميتوكوندريا، في حين لم تفعل الأنسجة الطبيعية المحيطة ذلك.

يقول الدكتور تومسون: "يبدو أن هذه التغيرات في الميتوكوندريا هي التي تدفع إلى تطور السرطان، على الأقل في سرطان القناة البنكرياسية". ويسعى فريقه الآن لمعرفة ما إذا كان هذا الاكتشاف ينطبق على أنواع أخرى من السرطان أيضًا.

كما يريدون التحقيق في كيفية تأثير هذه التغيرات في الميتوكوندريا على تطور السرطان. ويقول: "ربما تكون هذه التغيرات مسؤولة عن اكتساب الخلايا السرطانية القدرة على الانتشار".

وهناك حتى ارتباط محتمل بين الشيخوخة والتقدم في السن.

يقول الدكتور تومسون: "نعتقد أن فهم ديناميكيات الميتوكوندريا هذه سيكون أمرًا بالغ الأهمية لفهمنا لكيفية تسهيل إصلاح الأنسجة وتجديدها مع تقدمنا ​​في السن، عندما نرى هذه التغيرات في الميتوكوندريا".