حل یک تناقض 100 ساله: چرا سلول‌های سرطانی این همه انرژی را هدر می‌دهند؟

مطالعه‌ای که در دانشگاه MIT انجام شد به این سوال قدیمی پاسخ می‌دهد: چرا سلول‌های سرطانی انرژی خود را از تخمیر به دست می‌آورند؟

اتو واربورگ، شیمی‌دان آلمانی در حدود سال 1920 متوجه شد که روش متابولیزه کردن قند توسط سلول‌های سرطانی از روش سلول‌های سالم متفاوت است. از آن زمان تا به حال، دانشمندان در تلاش برای فهمیدن این بودند که چرا سلول‌های سرطانی از این مسیر جایگزین که کارآیی بسیار کمتری دارد، استفاده می‌کنند.

اکنون زیست شناسان MIT پاسخی احتمالی برای این سوال دیرینه یافته‌اند. آن‌ها در مطالعه‌ای جدید نشان دادند که این مسیر متابولیکی، معروف به تخمیر، به سلول‌ها کمک می‌کند مقادیر زیادی از مولکول +NAD  را که برای سنتز DNA و سایر مولکول‌های مهم به آن احتیاج دارند، تولید کنند. یافته‌های آن‌ها همچنین نشان می‌دهد که چرا انواع دیگر سلول‌هایی که تقسیم سریع دارند، مانند سلول‌های ایمنی از تخمیر استفاده می‌کنند.

متیو وندر هیدن، دانشیار زیست شناسی در MIT و مدیر وابسته موسسه تحقیقات سرطان یکپارچه MIT ، می‌گوید: «این موضوع واقعا یک تناقض صد ساله بوده است که افراد زیادی تا به حال سعی کرده‌اند آن را به روش‌های مختلف توضیح دهند. آنچه ما دریافتیم این است که در شرایط خاص، سلول‌ها برای ساختن مولکول‌هایی مانند DNA نیاز به انجام بیشتر واکنش‌های انتقال الکترون دارند که واکنش انتقال الکترون به +NAD  نیاز دارد.»

وندرهایدن نویسنده ارشد این مطالعه جدید است.

متابولیسم ناکارآمد

تخمیر یکی از روش‌هایی است که سلول‌ها می‌توانند از طریق آن، انرژی موجود در قند را به ATP تبدیل کنند. ATP مولکولی است که سلول‌ها برای ذخیره انرژی مورد نیاز واکنش‌های خود، از آن استفاده می‌کنند. با این حال، سلول‌های پستانداران معمولا با استفاده از فرآیندی به نام تنفس هوازی، قند را تجزیه می‌کنند. تنفس هوازی ATP بسیار بیشتری نسبت به تخمیر تولید می‌کند. معمولا سلول‌ها  فقط زمانی که اکسیژن کافی برای انجام تنفس هوازی ندارند تخمیر انجام می‌دهند.

از زمان کشف واربورگ، دانشمندان تئوری‌های زیادی را در مورد چرایی استفاده سلول‌های سرطانی از مسیر ناکارآمد تخمیر ارائه داده‌اند. در ابتدا واربورگ پیشنهاد كرد كه ممکن است میتوكندری سلول‌های سرطانی، اندامک سلولی‌ که در آن تنفس هوازی اتفاق می‌افتد، آسیب دیده باشند، اما بعد مشخص شد كه این مورد نیست. توضیحات دیگر بر مزایای احتمالی تولید ATP در روش دیگر(تخمیر) تمرکز داشت، اما هیچ یک از این نظریه‌ها حمایت گسترده‌ای کسب نکردند.

تیم MIT تصمیم گرفت که در این مطالعه، با پرسیدن این سوال که اگر سلول‌های سرطانی توانایی تخمیر را سرکوب کنند، چه اتفاقی می‌افتد، به راه‌ حلی برای یافتن جواب اصلی دست یابد. آن‌ها به منظور انجام این کار، سلول‌ها را تحت تاثیر یک دارو قرار دادند. این دارو سلول‌های سرطانی را وادار می‌کند تا مولکولی به نام پیروات را از مسیر تخمیر به مسیر تنفس هوازی هدایت کنند.

آن‌ها مشاهده کردند که جلوگیری از تخمیر، رشد سلول‌های سرطانی را کند می‌کند. که این در تحقیقات افراد دیگرهم دیده شده است. سپس، آن‌ها سعی کردند دریابند که چگونه در حالی که همچنان تخمیر را مسدود می‌کنند توانایی تکثیر سلول‌ها را بازیابی کنند. یکی از روش‌هایی که آن‌ها امتحان کردند، تحریک سلول‌ها برای تولید +NAD بود.  +NAD مولکولی است که با حذف الکترون‌های اضافی تولید شده توسط سلول‌ در هنگام ساختن مولکول‌هایی مانند DNA و پروتئین، به سلول کمک می‌کند.

هنگامی که محققان سلول‌ها را تحت تاثیر داروی تحریک کننده تولید +NAD  قرار دادند، مشاهده کردند که سلول‌ها مجددا به سرعت در حال تکثیر هستند، با وجود اینکه همچنان قادر به تخمیر نبودند. این امر باعث شد محققان این نظریه را مطرح كنند كه وقتی سلول‌ها به سرعت در حال رشد هستند، به +NAD بیشتری نسبت به ATP  نیاز دارند. در طول تنفس هوازی، سلول‌ها مقدار زیادی ATP و مقداری +NAD تولید می‌کنند. اگر ATP ذخیره شده توسط سلول‌ بیش از اندازه مورد استفاده آن باشد، تنفس کند شده و تولید +NAD نیز کند می‌شود.

Zhaoqi Li، یکی از نویسنده‌های اصلی این مقاله، می‌گوید: « ما فرض کردیم که وقتی +NAD و ATP را با هم می‌سازید، اگر نتوانید از ATP استفاده کنید، کل سیستم به عقب بر می‌گردد به طوری که قادر به تولید +NAD هم نخواهید بود.»

بنابراین، تغییر روش تولید کارآمدتر ATP که به سلول‌ها امکان تولید NAD + بیشتری را می‌دهد ، در واقع به رشد سریع آنها کمک می‌کند.

در ادامه Alba Luengo، یکی دیگر از نویسندگان اصلی این مقاله، می‌گوید: «اگر به مسیرها نگاه کنید، متوجه می‌شوید که تخمیر به سلول این امکان را می‌دهد که +NAD  را بدون محدودیت تولید کند.»

حل این پارادوکس

محققان این ایده را در انواع دیگر سلول‌های دارای تکثیر سریع از جمله سلول‌های ایمنی بدن آزمایش کردند و دریافتند که جلوگیری از تخمیر اما اجازه دادن به روش‌های جایگزین برای تولید +NAD  به سلول‌ها این اجازه را می‌دهد تا به سرعت تقسیم شوند. آن‌ها همچنین همین پدیده را در سلول‌های غیر پستانداران مانند مخمر مشاهده كردند. این سلول‌ها نوع دیگری از تخمیر را از خود نشان می‌دهند كه اتانول تولید می‌كند.

وندرهیدن می گوید: «همه سلول‌های در حال تکثیر مجبور به این کار نیستند. در واقع فقط سلول‌هایی که خیلی سریع رشد می‌کنند به این روش نیاز دارند. یعنی اگر سلول‌ها آنقدر سریع رشد کنند که تقاضای آن‌ها برای تولید مواد از میزان سوختن ATP بیشتر باشد، در این زمان است که آن‌ها از این نوع متابولیسم استفاده می‌کنند. بنابراین بسیاری از پارادوکس‌های موجود در ذهن من این گونه حل شدند.»

این یافته‌ها نشان می‌دهد داروهایی که سلول‌های سرطانی را وادار می‌کنند به جای تخمیر دوباره به تنفس هوازی روی بیاورند، می‌توانند راهی برای درمان تومورها ارائه دهند. محققان می‌گویند داروهایی که تولید +NAD را مهار می‌کنند نیز می‌توانند اثر مفیدی داشته باشند.

مترجم: فاطمه بهادری

گردآورنده: سینا کهنه پوشی

منبع: https://scitechdaily.com/solving-a-100-year-old-paradox-why-cancer-cells-waste-so-much-energy/