老化とミトコンドリアの関係に関する博士課程の研究中に、Martin Picard はエネルギーを生成する細胞小器官の顕微鏡写真を頻繁に見ました。しかし、彼が最初にミトコンドリアが生きた人間の細胞内で動いている高速化されたビデオを見たのは、卒業研究のかなり後半になってからで、その光景は啓示としてもたらされました.
蛍光染料でタグ付けされたミトコンドリアは、細胞のスープのような内部を這うネオンの波線でした.伸び縮みし、融合して再び分裂し、互いに寄り添い、別の道を歩みました.彼らのネットワークへの熱心な熱意は、魚やアリのような複雑な生き物の間の社会的交流をピカードに思い出させました。 「彼らはもう少し原始的に見えるだけです」と彼は言いました.
現在、彼自身の研究室や他の研究室で何年にもわたって動的なミトコンドリア相互作用の重要性を強調してきた研究の後、彼はその比較をより文字通りに強調しています.最近では、Neuroscience &Biobehavioral Reviews で 、コロンビア大学のミトコンドリア心理生物学者であるピカード、およびスイス連邦工科大学ローザンヌ校の神経科学者カルメン サンディは、ミトコンドリアは最初に知られている社会的オルガネラとして理解される必要があると主張しました.
証拠として、彼らは、ミトコンドリアが驚くほど相互に依存していること、およびそれらの機能が細胞の発電所としてのよく知られた役割をはるかに超えていることを示す一連の発見を引用しています。 .これらの多様な目的のために、コロニー内のアリのように、ミトコンドリアはタスクを分割し、グループを形成し、活動を同期させ、環境と相互の両方に応答します.ピカードとサンディは、「ソーシャル レンズ」は、個々のミトコンドリアの挙動を説明するだけでなく、人間の健康に影響を与えるミトコンドリアの集団を明らかにするために不可欠である可能性があると書いています。
「社会的」というラベルにはいくつかの懸念があるものの、ミトコンドリアが細胞内および細胞間で確立する賑やかなシグナル伝達ネットワークを理解することが、健康と病気に関する秘密を解き明かすのに役立つ可能性があることに、他の科学者は概ね同意しています。 「ミトコンドリアがどのように連携しているかを理解し、それを操作する方法を学べば」と James Eberwine は述べています。 ペンシルベニア大学の分子神経生物学者である彼は、「私たちは生物学についてさらに多くの洞察を得ることができるでしょう.」
社会性の深いルーツ
ミトコンドリアのようなオルガネラがどのように社会的になり得るかを理解するには、社会性が進化の深いルーツを持つ現象であることを覚えておくと役に立ちます。細菌は最も単純な生物の 1 つであるにもかかわらず、驚くべき群集行動を示します。それらは独立して、または一緒に行動し、通信および協力して複雑な構造を形成することができます。
約 20 億年前の単細胞生物の全盛期、ミトコンドリアの先駆者はバクテリアで、より大きな細胞の内部にニッチを見つけてエネルギーを供給していました。この共生は非常に有益であったため、多細胞生物の進化を促進した可能性があります。細菌起源の遺物として、ミトコンドリアは、核内の細胞遺伝子とは別に、独自の小さなゲノムをまだ持っています.
しかし、私たちのミトコンドリアはすべて母親の卵子から受け継がれますが、個々のミトコンドリアはゲノムレベルで異なります.いくつかのミトコンドリアはゲノムのコピーを 12 個もっていますが、他のミトコンドリアは 1 つしか持っていないか、まったく持っていません。ゲノム自体も微妙な遺伝的変異を持っていることがよくあります。一部の突然変異はミトコンドリアの機能不全を引き起こし、淘汰される可能性がありますが、エバーワインは、一般的に、ミトコンドリアの遺伝的多様性は、異なる行動や機能を可能にする良いことだと推測しています.
遺伝子レベルを超えても、多様化はミトコンドリアの役割の鍵です。胚発生の間、細胞が分裂して分化するにつれて、ミトコンドリアは驚くべき範囲のデザインと機能に展開します。すべてのミトコンドリアは、アデノシン三リン酸 (ATP) の形でエネルギーを生成する能力を持っていますが、さまざまな組織で他の専門性を帯びています。たとえば、副腎皮質では、ホルモンのコルチゾールが作られます。肝臓では、アンモニアの解毒を助けます。
しかし、ミトコンドリアは個々の存在のように見えるだけでなく、ライフ サイクル全体でさまざまに混ざり合っています。科学者たちは、ミトコンドリアが融合し、膜を単一の分岐構造に融合させ、分裂によって個々に分裂することを何十年も前から知っていました.これらの 2 つのプロセスは、細胞の状態と必要性に応じて常に流動的であると、カリフォルニア大学デービス校の Jodi Nunnari 氏は述べています。彼の研究室は、これらのダイナミクスに関する研究の先駆者です。
これらのミトコンドリアのランデブーは複数の目的に役立ちますが、そのうちの少なくとも 1 つは協力的であると思われます。ゲノムを欠いているミトコンドリアや機能不全のミトコンドリアは、健康な隣人と融合することで「救出」できます。接続された構造は、化学シグナルとタンパク質を共有するための導管を作成し、融合はミトコンドリア間でタンパク質をより均等に割り当てるのに役立つ可能性がある、と Nunnari は述べた。しかし、融合はすべてを混ぜ合わせるわけではありません。 「それも重要です。ネットワーク内にいるときでも、少しの個性を維持するために」と彼女は言いました.
電磁信号?
ミトコンドリアには融合以外の相互作用の方法があることがますます明らかになりつつあります.また、ミトコンドリアが移動しにくい一部の細胞に見られる、ナノトンネルと呼ばれる長い突起を介して、膜に簡単に結合する「キスアンドラン」イベントを介して、物質を相互に移動させることもできます。
2015 年、フィラデルフィア小児病院の Douglas Wallace 研究室のポスドクとして、Picard と彼の同僚は、別の興味深いコミュニケーション方法を発見しました。哺乳動物細胞では、ミトコンドリアが接触する部位で、クリステ（顕微鏡写真のグリルマークに似た暗い内膜のひだ）を整列させる接続を形成できます。そのような整列が起こるためには、ミトコンドリアがクリステの位置に関する信号を互いに伝達し、それに応じてそれらを再整列させる必要があります.
ピカードは、彼の最善の推測は、「転送されているある種の電磁信号があるということです」と述べました。これらの内膜の折り目では、食物に由来する分子を使用して荷電イオンを膜全体に送り込み、約 180 ミリボルトの膜電位を作り出します。その結果、イオンが膜を横切って押し戻されて差が均等になり、ATP を生成するために使用されます。また、電流と付随する磁場も生成します。電磁信号が実際にミトコンドリア間で中継されている場合、その信号は細胞小器官間で発生する化学信号よりも速く伝播します。その追加の速度に機能上の重要性があるかどうかはまだわかっていません.
研究者たちは、発見される相互作用の範囲をおそらく使い尽くしていません。 「私たちは、ミトコンドリアがどのように相互に通信しているかを理解しようとする試みの始まりにすぎません」とジョンズ・ホプキンス医学の心臓生理学者であるブライアン・オルークは言いました.
別の謎は、そのすべてのコミュニケーションが何をしているのかを正確に取り囲んでいます。国立がん研究所の細胞生物学者であるナタリー・ポラット・シュリオムは、これらの社会的行動が生物全体の効率を向上させるというのが1つの大まかな答えだと示唆しています。 「これらの反応はすべて、代謝の最適化、機能の最適化に向けて調整されているという意味です」と彼女は言いました.
同期の長所と短所
場合によっては、たとえば、ミトコンドリアのおしゃべりは、一緒に働く細胞全体でエネルギー生産を同期させることがあります。数年前、Porat-Shliom と彼女の同僚は、協調して唾液を分泌する唾液腺の腺房細胞を研究していました。麻酔をかけたラットの唾液腺細胞を調べたチームは、腺房細胞の同期がミトコンドリアにまで及ぶことに気付きました。多くの場合、ミトコンドリアの膜電位は、細胞が動いていなくても、約 12 秒ごとに上昇したり下降したりしていました。 tの分泌。
Porat-Shliom は、ミトコンドリアが寿命の短い分子を相互に中継して、細胞間で振動を結合していると考えています。これは、促されたときに唾液を分泌するためのエネルギーのバーストを調整するのに役立つ可能性があります。「すべての細胞が同時に適切な大きさで反応するようにするためです」と彼女は言いました.
他のグループは、他の細胞タイプで、フラッシュと呼ばれることもある同様の同期振動を発見しました。しかし、この現象は普遍的なものではない、と Porat-Shliom は付け加えた:肝臓の細胞などの一部の細胞は、おそらく異なる機能を実行するため、同じように代謝を同期させない.
実際、同期は必ずしも良いことではないかもしれない、と O'Rourke 氏は述べています。彼の研究室では何年もの間、心筋細胞 (心臓の筋肉) 細胞の収縮を促進するミトコンドリア間の結合振動を研究してきました。彼と彼の同僚が、単離された心筋細胞のミトコンドリアの小さなパッチをレーザーで刺激したとき、巨大な細胞全体のミトコンドリアのほとんどが最終的にタンデムに振動し始めました.
O'Rourke は、この結合を潜在的に危険な結果をもたらすストレス反応と見なしています。彼のチームの結果は、同期された活動が細胞の収縮を抑制し、ある心臓細胞から次の心臓細胞への電気信号の伝達を損ない、心臓の協調反応を混乱させる可能性があることを示唆しています。彼らが動物の心臓組織を調べたところ、心臓が血液供給の中断から回復しているときに発生する可能性がある心不整脈に、連成振動が寄与している可能性があることがわかりました。唾液腺細胞とは異なり、ATP のパルス生成は心臓では意味をなさない、と O'Rourke 氏は述べた。臓器は収縮中および収縮の間の両方でエネルギーを常に必要とするからである.
一般に、細胞内のミトコンドリアの多様性だけでなく、集団行動への傾向についても評価が高まっています。ドイツのゲッティンゲン大学の細胞生物学者である Nuno Raimundo は、ミトコンドリアはしばしばグループを形成したり、異なる振る舞いをしたり、「同時に異なることを行うことができる」異なる集団を形成したりします.
たとえば、神経科学者は、ミトコンドリアがニューロンのランドスケープのさまざまな部分で独特の外観を呈していることにしばしば注目しています。いくつかの種類のニューロンの中心にあるミトコンドリアは、ラグビー ボールやチューブに似ていることがあります。ミトコンドリアは、他のニューロンからの信号を受信する細長い樹状突起で、長い枝分かれしたネットワークを形成します。軸索の発信シグナルの部位では、ミトコンドリアはテニス ボールのように見えます。最近の研究によると、これらの形状により、オルガネラは、細胞全体のイオンのさまざまなニーズに合わせて、さまざまな量のカルシウムを取り込むことができます.
アナロジーでさえ強力です
Picard と Sandi にとって、オルガネラの多様性、相互作用性、見かけ上の協同性について繰り返し文書化された事例は、生物におけるミトコンドリアの社会的ネットワークの存在を示しています。そして、これらのネットワークは細胞の範囲を超えて広がる可能性があります:副腎のミトコンドリアによって作られるコルチゾールは、他の場所のミトコンドリアに影響を与え、ストレスを伝達する長距離手段を作り出すことができる、と Sandi は付け加えた.
ミトコンドリアの精神生物学者として、心理的ストレスがミトコンドリアのレベルでどのように感じられるか、またその生理学的結果がどのようなものになるかを研究しているピカードにとって、オルガネラの社交性は、生命のより広い相互接続性の 1 つの要素です。本質的に、社会性は社会性を生み、社会性を生みます。ミトコンドリアの社会性は細胞の協力を促進し、それが互いに依存する器官の形成と複雑な生物の創造を可能にします.動物の社会的性質は、はしごの下段に見られる社会性の延長である、とピカードは述べた.
しかし、ミトコンドリアの相互作用を研究することの重要性に熱心な一部の科学者でさえ、ミトコンドリアの相互作用を社会的であると分類することをためらっています. 「類推には力があります」とヌンナリは言いました。「しかし…私はミトコンドリアを擬人化しないようにしています。」
問題の一部は、「社会的」または「協力的」などの記述が、オルガネラにとって不適切であると感じる程度の主体性を暗示していることです。 「それは、彼らがグループになりたいとか、したくないということではありません」とライムンドは言いました。 「それは、彼らが行動するようにプログラムされた方法です。」
しかし彼はまた、ミトコンドリアをソーシャルネットワークのようなものの参加者として見ることは有用な視点であると示唆しました.科学者は通常、ミトコンドリアの研究に還元主義的アプローチを採用してきました。ミトコンドリアの生物学を支える個々の遺伝子とタンパク質を分析しています。その研究は、ミトコンドリア相互作用の基本を理解するために不可欠であるが、相互作用自体に対処するために増強されるべきである.そのためには、ミトコンドリアを、情報を共同で処理しながら独立して処理するエンティティとして扱う必要がある場合があります.
健康と病気の手がかり
Raimundo は、ミトコンドリアのこのネットワーク化されたビューは、さまざまな種類のオルガネラ間のシグナル伝達の研究にも広く重要である可能性があると述べました。ミトコンドリアは、ミトコンドリアタンパク質のほとんどの遺伝子が存在する核と密接な関係があることが何十年も前から知られていました.しかし、ミトコンドリアは他のオルガネラとも多くの相互作用を持っていることが明らかになりつつあります.
ミトコンドリアのネットワークの研究は、すでにいくつかの病気への洞察をもたらしています。たとえば、一部の科学者は、エネルギー代謝の欠陥がパーキンソン病に関与していると疑っていますが、これまでのところ、患者と健康な人の神経ミトコンドリアの間に明確な違いは見つかっていません.しかし、ルクセンブルグ衛生研究所の馮和が率いる研究チームは最近、パーキンソン病患者の腸ニューロンの 700 ギガバイト相当の顕微鏡ビデオを処理するようコンピューターに指示しました。このシステムは、オルガネラの密度、相互の近接性、および相互作用に関して、細胞内のミトコンドリア ネットワークを数学的に特徴付ける約 20 の特徴を特定しました。少数の患者のみを調査したこの研究では、特徴が患者を健康な人と集合的に区別できることがわかりました。彼には、パーキンソン病のミトコンドリア ネットワークの効率が低下している可能性があり、この非効率性がこの病気の一因になっている可能性があるように思われます。より還元主義的なアプローチでは見逃されがちな生物学の層を捉えることで、そのようなネットワーク研究は「私たちの体内のさまざまな細胞タイプの [私たちの理解] を再構築することができます」と彼は言いました.
最終的には、ネットワーク アプローチによって新しい治療法の手がかりが得られる可能性があると、Picard 氏は述べています。しかし彼は、ミトコンドリアのコミュニケーションを改善することの価値について、すでに考えを持っています。 2013 年のある研究では、彼と彼の同僚は、マウスに 3 時間回し車を与え、その後、ふくらはぎの筋肉のミトコンドリアを詳しく調べました。オルガネラが互いに接触する場所では、クリステを整列させるのと同じ種類の新しい接続が形成されました。これは、運動を健康にする理由の一部は、運動がミトコンドリア間のコミュニケーションを促進することであることを意味している可能性があります. 「それは彼らをより社交的にします」とピカードは言いました。
