Mokslininkai išsiaiškino, kaip ląstelės „prisiminė“ ankstesnius pokyčius

Kas nutiktų, jei ląstelė, susidūrusi su trumpu stresu, vėliau į tą patį signalą sureaguotų greičiau? Iš pirmo žvilgsnio tai skamba kaip biologinė versija užrašų knygelės, kurioje organizmas pasižymi ankstesnę patirtį. Tačiau laboratorijose vis dažniau matoma, kad ląstelės po tam tikrų pokyčių iš tiesų kurį laiką elgiasi kitaip nei niekada su tuo signalu nesusidūrusios.

Ne viskas ląstelėje prasideda nuo nulio

Ląstelės nuolat gauna informaciją iš aplinkos: keičiasi temperatūra, maisto medžiagų kiekis, deguonies koncentracija, atsiranda uždegimą skatinančių molekulių ar kitų dirgiklių. Įprastai manoma, kad signalui pasibaigus sistema turėtų grįžti į pradinę būseną. Vis dėlto dalis procesų negrįžta visiškai.

Ankstesnis dirgiklis gali pakeisti tai, kaip ląstelė perskaito savo genetinę informaciją. Dėl to, susidūrusi su tuo pačiu ar panašiu signalu dar kartą, ji kartais sureaguoja greičiau, stipriau arba, priešingai, silpniau. Šis reiškinys vadinamas ląsteline atmintimi. Tai nėra sąmoningas prisiminimas ir neatsiranda naujų „prisiminimų“ genų. Pokytis slypi reguliavimo sistemoje, kuri nulemia, kurie genai bus aktyvūs, o kurie – nutildyti.

Mokslininkams svarbu tai, kad toks poveikis gali išlikti ir tada, kai pradinio signalo jau seniai nebėra. Kai kuriais atvejais jis trunka kelias valandas ar dienas, kitais – gerokai ilgiau. Toks mechanizmas padeda ląstelėms prisitaikyti prie pasikartojančių sąlygų, tačiau gali turėti ir nepageidaujamų pasekmių.

Pagrindinis vaidmuo tenka epigenetikai

Ląstelės „atminties“ pagrindas dažnai siejamas su epigenetiniais pokyčiais. Epigenetika tiria, kaip reguliuojamas genų aktyvumas nekeičiant pačios DNR raidžių sekos. Kitaip tariant, genetinis tekstas lieka toks pats, tačiau pasikeičia jo perskaitymo taisyklės.

Vienas svarbiausių mechanizmų yra chromatino – DNR ir ją supančių baltymų – pertvarkymas. Kai chromatinas tampa laisviau prieinamas, tam tikri genai gali būti greičiau įjungiami. Jei jis susispaudžia, tų genų aktyvumas slopsta. Po pirmojo dirgiklio ląstelėje gali išlikti tokia struktūra, kuri kitą kartą leidžia greičiau pasiekti konkrečias genetinės informacijos dalis.

Prie šio proceso prisideda ir cheminės žymės ant DNR bei histonų – baltymų, aplink kuriuos susisuka DNR. Jos veikia tarsi laikini signalai, nurodantys, kuriuos genus verta aktyvinti. Svarbu tai, kad šios žymės nėra visiškai nekintamos. Ląstelė gali jas pašalinti, pakeisti arba pertvarkyti priklausomai nuo naujų sąlygų.

Tyrėjai taip pat stebi vadinamuosius transkripcijos veiksnius – baltymus, kurie prisijungia prie DNR ir paleidžia genų veiklą. Kai kurių jų po pirmojo stimulo ląstelėje lieka daugiau arba jie greičiau pasiekia reikiamas DNR vietas. Dėl to pakartotinis atsakas tampa spartesnis. Būtent šių mechanizmų derinys ir sukuria biologinės atminties įspūdį.

Atmintis tikrinama ne spėjant, o kartojant eksperimentą

Kad įrodytų, jog ląstelė išsaugo ankstesnio poveikio pėdsaką, mokslininkai dažniausiai naudoja kelių etapų eksperimentus. Pirmiausia ląstelės trumpam veikiamos pasirinktu dirgikliu. Vėliau jis pašalinamas, o ląstelėms leidžiama grįžti į įprastą būseną. Po tam tikro laiko tas pats signalas perduodamas dar kartą.

Tada lyginamas ląstelių atsakas: matuojama, kurie genai suaktyvėjo, kiek pagaminta konkrečių baltymų, kaip pasikeitė ląstelės metabolizmas ar elgsena. Jei anksčiau dirgiklio gavusios ląstelės sureaguoja kitaip nei kontrolinės, kurios su juo nesusidūrė, tyrėjai ieško tokio skirtumo molekulinio paaiškinimo.

Tam pasitelkiamas genų aktyvumo nustatymas, chromatino prieinamumo analizė ir metodai, leidžiantys aptikti epigenetines žymes. Kai kuriais atvejais atskiri reguliavimo mechanizmai dirbtinai blokuojami. Jei pašalinus tam tikrą baltymą ar cheminę žymę ląstelinė atmintis išnyksta, tai suteikia svarbų įrodymą, kad būtent šis mechanizmas buvo atsakingas už ilgiau išliekantį pokytį.

Tyrėjams ypač rūpi atskirti tikrąją atmintį nuo paprasto biologinio nuovargio. Pavyzdžiui, ląstelė gali antrą kartą reaguoti silpniau ne todėl, kad „išmoko“ valdyti atsaką, o todėl, kad po pirmojo poveikio dar neatsigavo. Dėl to eksperimentai kartojami skirtingais intervalais ir įvairiomis sąlygomis.

Nuo imuniteto iki ligų tyrimų

Ląstelinė atmintis gali būti naudinga. Įgimtosios imuninės sistemos ląstelės, susidūrusios su infekcijos ar uždegimo signalais, kartais vėliau reaguoja greičiau. Tai padeda organizmui pasirengti pasikartojančiai grėsmei, nors toks pasirengimas nėra toks tikslus kaip įgytosios imuninės sistemos atmintis.

Panašūs procesai stebimi tiriant medžiagų apykaitą, audinių atsistatymą ir augalų prisitaikymą prie aplinkos. Augalo ląstelė, patyrusi sausrą ar temperatūros svyravimus, vėliau gali aktyviau įjungti su apsauga susijusius genus. Tokie pokyčiai leidžia organizmui greičiau reaguoti į pasikartojančias sąlygas.

Tačiau ilgai išliekantis ląstelės atsakas ne visada naudingas. Jei uždegiminė sistema tampa pernelyg jautri, ji gali prisidėti prie lėtinių ligų. Epigenetinė atmintis taip pat nagrinėjama vėžio tyrimuose, nes navikinės ląstelės geba išlaikyti būsenas, padedančias išgyventi nepalankiomis sąlygomis ar išvengti gydymo poveikio.

Šis supratimas gali paskatinti naujus gydymo būdus. Užuot bandžius keisti pačią DNR, būtų galima laikinai paveikti genų reguliavimą, perprogramuoti ląstelės atsaką arba pašalinti nepageidaujamą epigenetinį pėdsaką. Vis dėlto iki praktinių vaistų dar toli: ląstelinės atminties mechanizmai priklauso nuo audinio, dirgiklio, laiko ir daugybės kitų aplinkybių.

Tai, ką kasdienėje kalboje vadiname ląstelės prisiminimu, iš tiesų yra subtilus pasirengimas kitam susidūrimui. Ląstelė nekaupia pasakojimų apie praeitį, tačiau jos molekulinė sistema gali išsaugoti ankstesnio įvykio pėdsaką – tokį, kuris vėliau pakeičia reakcijos greitį, stiprumą ir kryptį.