Jak nádorové buňky „kradou“ mitochondrie

Když připravíte nádorové buňky o jejich životně důležité „buněčné elektrárny“ – mitochondrie – vede to k velkým překvapením. Místo očekáváné smrti si nádorové buňky poradí se ztrátou velmi originálně: mitochondrie si prostě „vypůjčí“ z okolní zdravé tkáně.

Mitochondrie mají mezi buněčnými organelami zvláštní postavení, vzhledem k tomu, že vznikly pohlcením původně volně žijícího organismu (bakterie) a jeho splynutím, takzvanou endosymbiózou, s hostitelem (viz např. Vesmír 95, 354, 2016/6). Nejdůležitější vzpomínkou na samostatnou bakteriální existenci je přítomnost vlastní mitochondriální DNA (mtDNA). Skoro každá naše buňka tak má zároveň vlastně dva genomy, jeden jaderný a druhý v mitochondriích. S vlastní DNA je spojená i produkce několika vlastních proteinů. I když mají mitochondrie svých genů v porovnání s jádrem jako šafránu, těch několik proteinů, které kódují, má naprosto zásadní funkci. Jsou nezbytné pro správné fungování mitochondrií, a tím i pro energetický metabolismus buněk. Denně v našich tělech vznikne dělením tři sta miliard nových buněk a stovky miliard dalších neustále vykonávají energeticky náročné činnosti (svaly se stahují, neurony zpracovávají informace, imunitní buňky bojují s patogeny). Pro energetický metabolismus je stěžejní adenosin trifosfát (ATP). ATP je malá, energeticky velmi bohatá molekula, která slouží buňkám jako univerzální dočasné úložiště energie, jakási baterie. V kontextu každodenní zkušenosti si to můžeme představit tak, že snídaně, kterou si dáme, obsahuje palivo – cukry, tuky a proteiny. Toto palivo je buňkami využito („spáleno“) pro tvorbu ATP, které poté slouží jako zdroj energie pro práci či dělení buněk. Jen pro ilustraci, obrat ATP v buňkách, tedy kolik se ho v našem těle denně vytvoří a zase spotřebuje, představuje přibližně 70 kg.

Mitochondrie a rakovina

Mitochondrie jsou právě ty organely, v nichž probíhá výše popsaný proces spalování potravy. I proto se jim často přezdívá „buněčné elektrárny“ (viz Vesmír 75, 553, 1996/10, Vesmír 98, 33, 2019/1). Metafora se spalováním je při popisu toho, co se v nich děje, ilustrativní ještě v jednom směru, a to je role kyslíku. Právě v těchto organelách se totiž spotřebovává kyslík, který vdechujeme, a vzniká oxid uhličitý, který vydechujeme. Ne nadarmo se procesy, k nimž v mitochondriích při tvorbě ATP dochází, označují termínem buněčná respirace či buněčné dýchání. K tomu dochází na sérii proteinových komplexů ve vnitřní mitochondriální membráně. Mitochondrie totiž, díky své endosymbiotické minulosti, disponují dvěma membránami. Vnější je odděluje od zbytku cytoplazmy, na vnitřní membráně se nachází respirační řetězec a tvoří se na ní ATP. Právě proteiny respiračního řetězce patří k těm několika málo zmiňovaným na začátku článku, které si mitochondrie kódují samy na základě vlastní DNA. Funkce mitochondrií je tedy naprosto zásadní zejména pro energeticky náročné tkáně. Proto nás nepřekvapí, že rakovinné buňky, jejichž nekontrolované dělení je právě podstatou nemoci, vyžadují velké množství energie. Toho se ostatně využívá i při diagnostice nádorů pomocí radioaktivně značené glukózy (FDG-PET), kdy lze rakovinné buňky „vystopovat“ právě na základě abnormální spotřeby této molekuly v porovnání s okolní tkání. Kromě výroby energie jsou navíc mitochondrie nezbytné i pro biosyntézu „stavebních kamenů“ pro dělící se buňky, zejména mastných kyselin pro tvorbu membrán a nukleotidů a pro replikaci vlastní i jaderné DNA. Není bez zajímavosti, že pro nádorové buňky může být právě tvorba nukleotidů důležitější než samotná produkce ATP (viz Vesmír 98, 150, 2019/3). To si totiž mohou buňky vyrobit i bez „spalování“ v mitochondriích takzvanou anaerobní glykolýzou. Pro syntézu nukleotidů je naproti tomu funkční respirace naprosto nezbytná.

Kde je vzít a (ne)krást

Rakovinné buňky se paradoxně často dostávají do situace, kdy mají mitochondrie poškozené. K poškození dochází v důsledku mutací ve zmíněné mtDNA organel, případně je výsledkem radioterapie nebo mitochondriálně cílené chemoterapie. Abychom zjistili, jak se nádorové buňky v takové situaci zachovají, nevratně jsme poškodili myším nádorovým buňkám mitochondrie (odstraněním mtDNA) a připravili je o schopnost respirace. Tyto buňky jsme pak vrátili zpět do myší, abychom mohli sledovat růst nádorů. Prvních několik dní experiment probíhal dle očekávání. Zatímco kontrolní buňky bez poškození (respirující) velmi rychle vytvoří nádory, poškozené buňky bez mtDNA (nerespirující) zprvu nádory takřka nevytvářejí. K našemu překvapení ale po několika týdnech vytvořily nádory i buňky, jimž jsme poškodili mitochondrie. Navíc když jsme tyto buňky podrobili analýze mitochondriální funkce, zjistili jsme, že jejich poškození je pryč a že v myši získaly jak mtDNA, tak opět schopnost respirovat. Abychom objasnili, jak si nádorové buňky s poškozením poradily, v podobném experimentu jsme použili unikátní model geneticky modifikované myši s červeně fluoreskujícími mitochondriemi v kombinaci s nádorovými buňkami označenými zelenou fluorescencí (a opět s poškozenými mitochondriemi). Po několika dnech od indukce nádorů jsme izolovali zeleně svítící nádorové buňky, ve kterých jsme ale tentokrát našli červeně svítící mitochondrie pocházející z myších tkání (obr. 1). Rakovinné buňky si tedy s poškozením mitochondrií poradily tak, že funkční organely „ukradly“ z okolních myších buněk, které je obklopují. V posledních letech se objevily desítky prací, které popsaly proces „krádeže“ mitochondrií ve zdravé tkáni i v kontextu velkého množství patologií včetně nádorů. Tento fenomén byl poprvé zaznamenaný v roce 2005 a odborně se nazývá horizontální mitochondriální přenos (či transfer, HMT), a to v kontrastu s vertikálním, tedy dědičným přenosem mitochondrií z mateřské do dceřiné buňky při buněčném dělení. Zajímavé je, že nádorové buňky mohou mít z krádeže mitochondrií z okolních buněk dvojí prospěch. Kromě nahrazení vlastních poškozených organel a obnovení své schopnosti se dělit, tvořit nádory, mohou navíc sebrat mitochondrie například imunitním buňkám, a tím snížit jejich schopnost s nádorem bojovat.

Tunelující mitochondrie

S kolegy jsme se zaměřili na mechanismus, jakým se mitochondrie dostávají z dárcovské („okradené“) buňky do nádorové. Organely by musely na své cestě překonat minimálně dvakrát buněčnou membránu, přitom jsou to relativně objemné struktury, řádově větší, než pro jaké existují v membráně transportní mechanismy. Jedním z možných řešení, které si buňky našly, je jejich propojení tunýlky (v originále tunneling nanotubes) tvořenými buněčnou membránou a dost širokými, aby jimi mitochondrie prošly (obr. 2). Tyto tunýlky pak v sobě často obsahují mikrotubuly, dlouhá vlákna, která jsou jednou ze základních složek cytoskeletu a zároveň slouží jako „kolejnice“ pro přepravu nákladů v buňce či mezi buňkami (k alegorii „přepravy“ mitochondrií po železnici se za chvíli ještě vrátíme). Překvapivé jsou rozměry, zejména pak délka, které mohou nanotrubičky dosahovat. Ta může mnohonásobně překonávat velikost buňky, která se zpravidla pohybuje v desítkách mikrometrů, samozřejmě v závislosti na typu buňky. Při šířce zlomků či maximálně jednotek mikrometrů a délce stovek mikrometrů jsou tyto struktury krásnou demonstrací pevnosti buněčné membrány a cytoskeletu. Zajímavá je i různorodost v jejich „architektuře“, kterou začínáme poznávat díky dnes již několika desítkám studií, které se jimi zabývají. Díky tomu víme, že nanotrubičky mohou a nemusejí obsahovat tubulinová vlákna, vždy však obsahují aktinový cytoskelet (viz také Vesmír 81, 252, 2002/5), nebo že některé jsou ve skutečnosti tvořené spleteným svazkem jednotlivých tenkých nanotrubiček (připomínají tak pomlázku), rozlišitelných až pod elektronovým mikroskopem. Na tomto místě musíme dodat, že kromě nanotrubiček existují i jiné způsoby, jakými se mohou mitochondrie mezi buňkami přenášet. V první řadě jde o různé druhy váčků odvozených z buněčných membrán, do kterých dárcovská buňka mitochondrie uzavře. Ty pak putují k akceptorové buňce, se kterou váček splyne, a mitochondrie se tak dostanou do její cytoplazmy. Nelze nezmínit, že tímto způsobem se mohou mitochondrie přenášet na mnohem větší vzdálenosti, dokumentován byl i přenos mezi orgány z buněk tukové tkáně do srdečního svalu. Mitochondrie, či dokonce samotné úseky mtDNA, mohou mezi buňkami putovat dokonce i „nahé“ bez jakéhokoliv obalu, což je překvapivé vzhledem k tomu, že si už skoro dvě miliardy let „hoví“ uvnitř buněk.

Cesta mitochondrií a Miro1

I přes zmíněné alternativy nanotrubičky stále zůstávají nejčastějším způsobem, jakým se mitochondrie mezi buňkami přenášejí, a i my jsme jejich roli v tomto procesu potvrdili (obr. 3). Když se vrátíme k alegorii s železnicí, mitochondrie jsou naším nákladem, mikrotubuly kolejemi, po nichž se skrz nanotrubičku pohybují pomocí molekulárních motorů, které plní roli lokomotiv a náš náklad táhnou. Kromě mikrotubulů a molekulárních motorů jsou důležitou součástí i takzvané adaptorové proteiny. Ty si lze v tomto scénáři představit jako nákladní vagon či spřáhlo, které zajišťuje spojení našeho nákladu (mitochondrie) s lokomotivou (molekulárním motorem). My jsme se v naší práci zaměřili na adaptorový protein Miro1. Nyní se potřetí vrátíme ke zmíněnému experimentu, v němž jsme pozorovali, jak nádorové buňky s poškozenými mitochondriemi „kradou“ zdravé organely z myších tkání. Když jsme z myších tkání odstranili adaptorový protein Miro1 (naše spřáhlo), výrazně jsme omezili schopnost nádorových buněk ukrást mitochondrie, a tím zpomalili formování nádoru. Pomocí série dalších experimentů jsme pak popsali pravděpodobný mechanismus, jakým je Miro1 v transportu mitochondrií zapojeno a co nastává, když chybí. Zjistili jsme, že mitochondrie ztrácejí schopnost pohybovat se po mikrotubulech – chybí spřáhlo, které by náš náklad spojilo s lokomotivou v podobě molekulárních motorů. Kvůli tomu shora se mitochondrie hůře dostávají do nanotrubiček a potažmo i do nádorových buněk. Těm pak déle trvá, než se jim podaří mitochondrie ukrást, což se projeví zpomalením růstu nádoru (obr. 4). Závěrem je třeba říct, že proteinů spojených s transportem mitochondrií je mnohem více než jen „náš“ Miro1, a situace je tedy ve skutečnosti o dost složitější než v naší železniční alegorii. Navíc výsledky, o kterých byla v minulém odstavci řeč, byly získány na myším modelu rakoviny, a k praktické aplikaci je tedy stále velmi daleko. Na druhou stranu jde o důležitý výsledek základního výzkumu, který přispívá k pochopení procesů, jež umožňují nádorovým buňkám překonávat poškození. Každý takový poznatek nám může v budoucnu pomoct v boji s rakovinou – podle hesla poznej svého nepřítele. l nádorové bunky v kontrolní myši nádorové bunky bez mtDNA v kontrolní myši nádorové bunky v kontrolní myši bez Miro1 nádorové bunky bez mtDNA v myši bez Miro1 „Překvapivé jsou rozměry, zejména pak délka, které mohou nanotrubičky dosahovat. Ta může mnohonásobně překonávat velikost buňky, která se zpravidla pohybuje v desítkách mikrometrů.“

ZDROJ: Vesmír, 6. 5. 2025, str. 53