لماذا تهدر الخلايا السرطانية الكثير من الطاقة

البيولوجيا

تلقي دراسة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الضوء على السؤال الذي طال أمده حول لماذا تحصل الخلايا السرطانية على طاقتها من التخمر.

في عشرينيات القرن الماضي ، اكتشف الكيميائي الألماني أوتو واربورغ أن الخلايا السرطانية لا تستقلب السكر بالطريقة نفسها التي تقوم بها الخلايا السليمة في العادة. منذ ذلك الحين ، حاول العلماء معرفة سبب استخدام الخلايا السرطانية لهذا المسار البديل ، وهو أقل كفاءة بكثير.

وجد علماء الأحياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الآن إجابة محتملة لهذا السؤال الطويل الأمد. في دراسة ظهرت في Molecular Cell ، أظهروا أن هذا المسار الأيضي ، المعروف باسم التخمير ، يساعد الخلايا على تجديد كميات كبيرة من جزيء يسمى NAD+، والتي تحتاجها لتخليق الحمض النووي والجزيئات المهمة الأخرى. وتفسر النتائج التي توصلوا إليها أيضًا سبب تحول أنواع أخرى من الخلايا سريعة الانتشار ، مثل الخلايا المناعية ، إلى التخمر.

يقول ماثيو فاندر هايدن ، أستاذ مشارك في علم الأحياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمدير المشارك لمعهد كوخ لأبحاث السرطان التكاملي التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "كانت هذه بالفعل مفارقة عمرها مائة عام حاول الكثير من الناس شرحها بطرق مختلفة". "ما وجدناه هو أنه في ظل ظروف معينة ، تحتاج الخلايا إلى القيام بالمزيد من تفاعلات نقل الإلكترون هذه ، والتي تتطلب NAD+، من أجل صنع جزيئات مثل الحمض النووي."

فاندر هايدن هو المؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة ، والمؤلفون الرئيسيون هم طالب دراسات عليا سابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وما بعد الدكتوراة ألبا لوينجو .

التمثيل الغذائي غير الفعال

التخمير هو إحدى الطرق التي يمكن بها للخلايا تحويل الطاقة الموجودة في السكر إلى ATP ، وهي مادة كيميائية تستخدمها الخلايا لتخزين الطاقة لجميع احتياجاتها. ومع ذلك ، عادة ما تكسر خلايا الثدييات السكر باستخدام عملية تسمى التنفس الهوائي ، والتي تنتج الكثير من ATP. تتحول الخلايا عادةً إلى التخمر فقط عندما لا يتوفر لديها ما يكفي من الأكسجين لأداء التنفس الهوائي.

منذ اكتشاف واربورغ ، طرح العلماء العديد من النظريات حول سبب تحول الخلايا السرطانية إلى مسار التخمير غير الفعال. اقترح واربورغ في الأصل أن ميتوكوندريا الخلايا السرطانية ، حيث يحدث التنفس الهوائي ، قد تتضرر ، ولكن تبين أن هذا ليس هو الحال. ركزت التفسيرات الأخرى على الفوائد المحتملة لإنتاج ATP بطريقة مختلفة ، لكن لم تكتسب أيًا من هذه النظريات دعمًا واسع النطاق.

في هذه الدراسة ، قرر فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا محاولة التوصل إلى حل عن طريق التساؤل عما سيحدث إذا قاموا بكبح قدرة الخلايا السرطانية على إجراء التخمر. للقيام بذلك ، عالجوا الخلايا بدواء يجبرهم على تحويل جزيء يسمى البيروفات من مسار التخمير إلى مسار التنفس الهوائي.

لقد رأوا ، كما أظهر آخرون سابقًا ، أن منع التخمير يبطئ نمو الخلايا السرطانية. ثم حاولوا اكتشاف كيفية استعادة قدرة الخلايا على التكاثر ، مع الاستمرار في منع التخمير. كان أحد الأساليب التي جربوها هو تحفيز الخلايا على إنتاج جزيء NAD+، وهو جزيء يساعد الخلايا على التخلص من الإلكترونات الإضافية التي يتم تجريدها عندما تصنع الخلايا جزيئات مثل الحمض النووي والبروتينات.

عندما عالج الباحثون الخلايا بدواء يحفز إنتاج NAD+، وجدوا أن الخلايا بدأت تتكاثر بسرعة مرة أخرى ، على الرغم من أنها لا تزال غير قادرة على إجراء التخمر. قاد هذا الباحثين إلى وضع نظرية مفادها أنه عندما تنمو الخلايا بسرعة ، فإنها تحتاج إلى NAD+أكثر مما تحتاج إليه ATP. أثناء التنفس الهوائي ، تنتج الخلايا قدرًا كبيرًا من ATP وبعض NAD+. إذا تراكمت الخلايا أكثر من ATP مما يمكنها استخدامه ، يتباطأ التنفس ويبطئ إنتاج NAD+أيضًا.

يقول لي: "لقد افترضنا أنه عندما تصنع كلاً من NAD+و ATP معًا ، إذا لم تتمكن من التخلص من ATP ، فسوف تقوم بعمل نسخة احتياطية للنظام بأكمله بحيث لا يمكنك أيضًا إنشاء NAD+".

لذلك ، فإن التحول إلى طريقة أقل كفاءة لإنتاج ATP ، والتي تسمح للخلايا بتوليد المزيد من NAD+، يساعدها في الواقع على النمو بشكل أسرع. يقول Luengo: "إذا عدت إلى الوراء ونظرت إلى المسارات ، فإن ما تدركه هو أن التخمير يسمح لك بتوليد NAD+بطريقة غير مترابطة".

حل التناقض

اختبر الباحثون هذه الفكرة في أنواع أخرى من الخلايا سريعة الانتشار ، بما في ذلك الخلايا المناعية ، ووجدوا أن منع التخمير مع السماح بطرق بديلة لإنتاج NAD+مكن الخلايا من الاستمرار في الانقسام بسرعة. كما لاحظوا نفس الظاهرة في الخلايا غير الثديية مثل الخميرة ، التي تؤدي نوعًا مختلفًا من التخمير الذي ينتج الإيثانول.

يقول فاندر هايدن: "ليس على كل الخلايا المتكاثرة أن تفعل ذلك". "إنها حقًا الخلايا فقط التي تنمو بسرعة كبيرة. إذا كانت الخلايا تنمو بسرعة كبيرة لدرجة أن طلبها لتصنيع الأشياء يفوق مقدار ATP الذي تحرقه ، فهذا يحدث عندما تنقلب إلى هذا النوع من التمثيل الغذائي. لذا ، فإنه يحل ، في رأيي ، العديد من المفارقات الموجودة ".

تشير النتائج إلى أن الأدوية التي تجبر الخلايا السرطانية على العودة إلى التنفس الهوائي بدلاً من التخمير يمكن أن توفر طريقة ممكنة لعلاج الأورام. يقول الباحثون إن الأدوية التي تمنع إنتاج NAD+يمكن أن يكون لها أيضًا تأثير مفيد.

تم تمويل البحث من قبل مركز لودفيج للأورام الجزيئية ، والمؤسسة الوطنية للعلوم ، والمعاهد الوطنية للصحة ، ومعهد هوارد هيوز الطبي ، ومجلس البحوث الطبية ، و NHS Blood and Transplant ، ومؤسسة Novo Nordisk ، ومؤسسة Knut and Alice Wallenberg و Stand Up 2 Cancer ومؤسسة Lustgarten ومركز MIT للطب الدقيق للسرطان.

وجد علماء الأحياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تفسيرًا محتملاً لتأثير واربورغ ، الذي شوهد لأول مرة في الخلايا السرطانية في عشرينيات القرن الماضي وسمي على اسم أوتو واربورغ ، في الصورة.

المصدر