Kvasinková kolonie jako model pro studium vzniku nádorů?

Kvasinky. Lidstvo je využívá již odpradávna.
Kdo z nás by nevěděl nic o výrobě piva a chleba? Bezesporu jsou pro člověka důležité, ale víme, co kvasinky jsou a co dokážou? Tradičně jsou kvasinky popisovány jako jednobuněčné houbové organismy. Ve vědě jsou často využívány jako modelové organismy pro studium základních procesů probíhajících v jednotlivých buňkách. Kvasinkové buňky však v přírodních podmínkách vytvářejí složité a organizované mnohobuněčné struktury, jakými jsou například biofilmy a kolonie. Existence v buněčných komunitách tvořících tyto struktury umožňuje kvasinkám lépe přežívat nepříznivé přírodní podmínky (například snížení množství dostupných živin, různé povětrnostní vlivy a vysychání). Navíc, tvorba a vývoj těchto struktur vyžaduje spuštění procesů, které jsou charakteristické pro mnohobuněčné organismy. Příkladem je buněčná diferenciace a komunikace mezi buňkami. Nedávno publikované výsledky dokonce poukázaly na paralely mezi procesy probíhajícími ve vyvíjející se kvasinkové kolonii a procesy týkajícími se tvorby nádorů.

Kvasinková kolonie je tedy složitě organizované společenství buněk, které vzniká buď z jedné buňky (tzv. mikrokolonie) nebo z buněčné suspenze (tzv. obří kolonie) růstem na pevném médiu. Během růstu kolonií kvasinek Saccharomyces cerevisiae na respiračním médiu dochází ke změnám fyziologie kolonie a můžeme pozorovat dvě odlišné vývojové fáze spojené se změnami pH v okolí kolonie. Tyto fáze se střídají. Po průchodu první tzv. acidickou fází začnou kolonie produkovat a do okolí uvolňovat plynný amoniak, který vyvolá přechod do následné alkalické

fáze. Plynný amoniak přitom funguje jako signální molekula, pomocí které kvasinkové kolonie synchronizují svůj růst a následný vývoj. Amoniak se rovněž účastní regulace výrazných změn v morfologii kolonií i v morfologii a metabolismu buněk, které přechod do alkalické fáze provázejí (Palková et al., 1997).

Velmi zajímavé je též vnitřní uspořádání kvasinkové kolonie. V rámci kolonie nedochází pouze k horizontální diferenciaci na vnitřní část, kde se nacházejí převážně nepučící buňky, a na vnější část (okraj) kolonie, kde probíhá buněčné dělení, díky němuž se kolonie rozrůstá a dostává se snáze k živinám v okolí. V kolonii můžeme také pozorovat výraznou vertikální diferenciaci. Při přechodu z acidické do alkalické fáze vývoje dochází uvnitř kolonie ke vzniku dvou výrazně se lišících buněčných subpopulací. Ve spodní části kolonie se nacházejí takzvané L buňky. Tyto buňky jsou menší (2–3 µm v průměru), mají velkou vakuolu a větší počet mitochondrií s dobře vyvinutými kristami. V horní části kolonie se nacházejí takzvané U buňky, které jsou větší (přibližně 4 µm v průměru), mají několik menších vakuol, výrazné lipidické partikule a velké mitochondrie s redukovanými kristami. U a L buňky se neliší pouze na morfologické úrovni, ale také jejich metabolismus je zcela odlišný (Čáp et al., 2012).

U buňky jsou metabolicky aktivní buňky, které mají zapnuté některé dráhy regulované živinami (např. TORC1 dráhu), ale i některé dráhy adaptační (např. autofagii). U buňky mají aktivní metabolismus aminokyselin i vysokou vnitrobuněčnou hladinu aminokyselin (např. glutaminu) a produkují amoniak. Naopak U buňky snižují respiraci a mají některé znaky hladovějících buněk (např. hromadění zásobních látek jako je glykogen a trehalosa a aktivní autofagie). U buňky jsou celkově velmi životaschopné a odolné vůči různým stresovým faktorům. L buňky se naopak chovají jako buňky hladovějící (navzdory tomu, že se pozičně nacházejí v blízkosti živin v médiu), mají respiračně aktivní mitochondrie a vyšší hladinu volných kyslíkových radikálů (ROS). Celkově jsou tyto buňky méně životaschopné než U buňky. L buňky rovněž aktivují různé degradační procesy a uvolňují do svého okolí některé živiny, které jsou zřejmě následně spotřebovávány U buňkami (Čáp et al., 2012, 2015). Rozdíly v mitochondriích, respiraci a hladině ROS u U a L buněk hrají zřejmě roli při regulaci diferenciace U a L buněk prostřednictvím signální dráhy spouštěné mitochondriemi, tzv. RTG dráha (Podholová et al., 2016).

Z výše uvedených poznatků vyplynulo, že mezi U a L buňkami diferencovaných kolonií dochází k výměně živin a odpadních látek způsobem, který je podobný výměně probíhající pomocí Coriho cyklu mezi nádorovými buňky a játry a výměně glutaminamoniak popsané mezi nádorovými a svalovými buňkami. U buňky se navíc překvapivě v řadě svých charakteristik podobají buňkám pevných nádorů, u kterých se také často spouští tzv. aerobní glykolýza, využívají glutamin jako zdroj živin, produkují amoniak, mají aktivní autofagii a často snižují respiraci (více viz obrázek 2) (Čáp et al., 2012). Z tohoto pohledu, mohou být nová zjištění týkající se metabolických a především regulačních procesů probíhajících v kvasinkových koloniích diferencovaných na U a L buňky v budoucnu důležitá pro nalezení rolí podobných procesů a regulací u nádorových buněk i pro pochopení vztahu nádorových a zdravých buněk u savců.

Kvasinková kolonie, díky své mnohobuněčné komplexitě a výše popsaným jedinečným vlastnostem, může tedy sloužit jako model pro studium vývoje a interakcí morfologicky a metabolicky rozdílných buněčných subpopulací a díky studiu regulace dějů vedoucích k diferenciaci kolonie může v budoucnu poodhalit některé nové aspekty vývoje nádorů. Výzkum diferenciace kvasinkových kolonií je kromě národní podpory (GAČR), podporován i mezinárodně v rámci programu Norských fondů.
Mgr. Vítězslav Plocek a prof. RNDr. Zdena Palková, CSc.

Citace: Palková, Z., Janderová, B., Gabriel, J., Zikánová, B., Pospíšek, M., Forstová, J.: Ammonia mediates communication between yeast colonies; Nature. (1997) 390:532-6. Čáp, M., Stěpánek, L., Harant, K., Váchová, L., Palková, Z.: Cell differentiation within a yeast colony: metabolic and regulatory parallels with a tumor-affected organism; Mol Cell. (2012) 46:436-48. doi: 10.1016/j.molcel.2012.04.001. Epub 2012 May 3. Čáp, M., Váchová, L., Palková, Z.: Longevity of U cells of differentiated yeast colonies grown on respiratory medium depends on active glycolysis; Cell Cycle. (2015) 14(21):3488-97. doi: 10.1080/15384101.2015.1093706. Podholová, K., Plocek, V., Rešetárová, S., Kučerová, H., Hlaváček, O., Váchová, L., Palková, Z: Divergent branches of mitochondrial signaling regulate specific genes and the viability of specialized cell types of differentiated yeast colonies; Oncotarget. (2016) 7:15299-314. doi: 10.18632/oncotarget.8084.

Obrázek 2: Schéma metabolických a regulačních procesů v U a L buňkách diferencovaných kvasinkových kolonií a podobné procesy probíhající v nádorových buňkách a některých tkáních nádorem postiženého organismu (převzato z časopisu Molecular Cell, Čáp et al. 2012, ©2012 se svolením Elsevier)
Obrázek 1: Konfokální mikroskopie vertikálního řezu diferencovanou kvasinkovou kolonií

Ohodnoťte tento článek!