Celler navigerar ständigt i en dynamisk miljö och möter ständigt föränderliga förhållanden och utmaningar. Men hur anpassar sig celler snabbt till dessa miljöfluktuationer?

En ny Moffitt Cancer Center-studie, publicerad i iScience , svarar på den frågan genom att utmana vår förståelse av hur celler fungerar. Ett team av forskare föreslår att celler har ett tidigare okänt informationsbehandlingssystem som gör att de kan fatta snabba beslut oberoende av sina gener.

I decennier har forskare sett DNA som den enda källan till cellulär information. Denna DNA-ritning instruerar celler om hur man bygger proteiner och utför viktiga funktioner. Ny forskning vid Moffitt ledd av Dipesh Niraula, Ph.D., och Robert Gatenby, M.D., har dock upptäckt ett icke-genomiskt informationssystem som fungerar tillsammans med DNA, vilket gör det möjligt för celler att samla information från omgivningen och reagera snabbt på förändringar.

Studien fokuserade på rollen av jongradienter över cellmembranet. Dessa gradienter, upprätthållna av specialiserade pumpar, kräver stor energiförbrukning för att generera varierande transmembranelektriska potentialer. Forskarna föreslog att gradienterna representerar en enorm reservoar av information som gör att celler kan övervaka sin miljö kontinuerligt.

När information tas emot någon gång på cellmembranet interagerar den med specialiserade grindar i jonspecifika kanaler, som sedan öppnas, vilket tillåter dessa joner att flöda längs de redan existerande gradienterna för att bilda en kommunikationskanal. Jonflödena utlöser en kaskad av händelser intill membranet, vilket gör att cellen kan analysera och snabbt svara på informationen. När jonflödena är stora eller långvariga kan de orsaka självmontering av mikrotubuli och mikrofilament för cytoskelettet.

Typiskt ger cytoskelettnätverket mekaniskt stöd för cellen och är ansvarigt för cellform och rörelse. Men forskarna noterade att proteiner från cytoskelettet också är utmärkta jonledare. Detta gör att cytoskelettet kan fungera som ett mycket dynamiskt intracellulärt ledningsnätverk för att överföra jonbaserad information från membranet till de intracellulära organellerna, inklusive mitokondrier, endoplasmatiskt retikulum och kärnan. Forskarna föreslog att detta system, som möjliggör snabba och lokala svar på specifika signaler, också kan generera samordnade regionala eller globala svar på större miljöförändringar.

"Vår forskning avslöjar cellers förmåga att utnyttja transmembrana jongradienter som ett kommunikationsmedel, vilket gör att de kan känna av och reagera på förändringar i sin omgivning snabbt", säger Niraula, en tillämpad forskare vid avdelningen för maskininlärning. "Detta komplicerade nätverk gör det möjligt för celler att fatta snabba och informerade beslut, avgörande för deras överlevnad och funktion."

Forskarna tror att detta icke-genomiska informationssystem är avgörande för att bilda och bibehålla normal flercellig vävnad, och antyder att de väl beskrivna jonflödena i neuroner representerar ett specialiserat exempel på detta breda informationsnätverk.

Avbrott i denna dynamik kan också vara en kritisk komponent i cancerutvecklingen. Teamet visade att deras modell överensstämde med flera experimentella observationer och lyfte fram flera testbara förutsägelser som härrör från deras modell, vilket förhoppningsvis banar väg för framtida experiment för att validera deras teori och belysa inveckladheten i cellulärt beslutsfattande.

"Denna studie utmanar det implicita antagandet inom biologin att genomet är den enda informationskällan, och att kärnan fungerar som en slags central processor. Vi presenterar ett helt nytt nätverk av information som möjliggör snabb anpassning och sofistikerad kommunikation som är nödvändig för cellöverlevnad och förmodligen djupt involverad i den intercellulära signaleringen som tillåter fungerande multicellulära organismer", säger Gatenby, meddirektör för Center of Excellence for Evolutionary Therapy vid Moffitt.

Mer information: Dipesh Niraula et al, Modellering av icke-genetisk informationsdynamik i celler med hjälp av reservoarberäkning, iScience (2024). DOI:10.1016/j.isci.2024.109614

Journalinformation: iScience

Tillhandahålls av H. Lee Moffitt Cancer Center &Research Institute