เมื่อเราอายุมากขึ้น เซลล์และ DNA ของเราจะได้รับความเสียหายเกิดขึ้น และร่างกายของเราก็ได้พัฒนากลไกที่รับรู้ความเสียหายที่เกิดขึ้นกับ DNA โดยใช้เอ็นไซม์ที่เรียกว่า Poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) ซึ่งจะใช้ Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) ไปซ่อมแซม DNA และส่งเสริมการอยู่รอดของเซลล์ แต่ผลที่ตามมาของการใช้ NAD+ โดย PARP1 ในเซลล์ที่ได้รับความเสียหายจาก DNA นั้นยังไม่ชัดเจน
Digman และทีมงานจาก UC Irvine เผยแพร่ผลการศึกษาใน Molecular Biology of the Cell ซึ่งได้แสดงหลักฐานเกี่ยวกับ การตอบสนองของระบบเผาผลาญแบบใหม่ที่สนับสนุนการอยู่รอดของเซลล์เมื่อได้รับความเสียหาย ผลการศึกษาของพวกเขาบ่งชี้ว่า เซลล์จะเกิดการเปลี่ยนแปลงของระบบเผาผลาญเมื่อต้องเผชิญกับการกระตุ้น PARP ซึ่งเกี่ยวข้องกับการปรับเปลี่ยนเส้นทางที่เซลล์ใช้ในการสร้างพลังงาน
“จากการศึกษาของเรา ได้ให้แนวคิดสำคัญเกี่ยวกับกลไกของการปรับเปลี่ยนกระบวนการเผาผลาญที่เหนี่ยวนำให้เกิดได้ ซึ่งมีความสำคัญต่อการอยู่รอดของเซลล์ต่อความเสียหายของ DNA ที่ซับซ้อน” นักวิจัยกล่าว
ผลลัพธ์เหล่านี้ช่วยอธิบาย เส้นทางเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับความแก่ชราและความเสียหายที่เกิดขึ้น ซึ่งถือเป็นสิ่งสำคัญต่อการพัฒนาการรักษาแบบใหม่ที่เรียกว่า เซโนไลติกส์ (Senolytic) ที่ใช้ในการกำจัดเซลล์ที่แก่และไม่เพิ่มจำนวนอีก ร่วมกับยาต้านมะเร็ง
เซลล์สามารถผลิตพลังงานได้ผ่าน 2 ช่องทาง
โดยทั่วไป เซลล์สามารถสร้างพลังงานจากการสลายน้ำตาลกลูโคสผ่านกระบวนการที่เรียกว่า ไกลโคไลซิส (Glycolysis) และอีกวิธีที่เซลล์ใช้สร้างพลังงาน คือ จากปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับ NAD+ และ NADH ซึ่งเป็นรูปแบบที่พกพาอิเล็กตรอนในกลไกที่เรียกว่า ออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชัน (Oxidative phosphorylation) Digman และเพื่อนร่วมงานพบว่า การกระตุ้น PARP1 จากความเสียหายของ DNA ที่เกิดจากการทดลอง ไม่เพียงแต่กระตุ้นให้เกิดการใช้งาน NAD+ จนหมดไป เท่านั้น แต่ยังทำให้สมดุลของการเผาผลาญเปลี่ยนแปลงจากไกลโคไลซิสไปเป็นออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชันอีกด้วย กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อเซลล์ได้รับความเสียหายในระดับหนึ่ง เซลล์จะเริ่มพึ่งพาการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนเพื่อสร้างพลังงานมากกว่าการสลายน้ำตาล
ความเสียหายของเซลล์ทำให้เกิดการบริโภค NAD+ และการเปลี่ยนแปลงการเผาผลาญ
เพื่อระบุสถานะการเผาผลาญของเซลล์ที่ตอบสนองต่อความเสียหาย นักวิทยาศาสตร์ได้วัดอัตราการเกิดไกลโคไลซิส (อัตราการเป็นกรดนอกเซลล์ - Extracellular acidification rate หรือ ECAR) และ Oxidative phosphorylation (Oxygen consumption rate หรือ OCR) ในเซลล์มะเร็งปากมดลูกของมนุษย์ที่ได้รับความเสียหาย (เซลล์ HeLa)
ทีมวิจัยได้เหนี่ยวนำให้เซลล์ได้รับความเสียหายด้วยสารที่เรียกว่า Methyl Methanesulfonate (MMS) ซึ่งทำให้เซลล์ HeLa ต้องพึ่งการฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชันมากขึ้น ดังจะเห็นได้จากอัตราการบริโภคออกซิเจนที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับอัตราการเป็นกรดนอกเซลล์ ที่สำคัญ เมื่อนักวิจัยได้ลองยับยั้ง PARP และเสริมเซลล์ด้วย นิโคตินาไมด์โมโนนิวคลีโอไทด์ (NMN) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงการเผาผลาญอย่างรุนแรงไปสู่การฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชันของเซลล์ HeLa ให้ย้อนกลับไปใช้ไกลโคไลซิส
ผลการค้นพบเหล่านี้ให้หลักฐานว่า ความเสียหายของ DNA กระตุ้นให้ PARP ทำงาน ซึ่งจะทำให้ระดับ NAD+ ลดลง และกระตุ้นให้การเผาผลาญเปลี่ยนแปลงไปสู่การพึ่งการฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชัน
Murata et al., 2019 | Molecular Biology of the Cell : ความเสียหายของเซลล์ กระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของการเผาผลาญไปสู่การพึ่งพาฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชันอย่างมาก ซึ่งการยับยั้ง PARP หรือการเติมเต็ม NAD+ ช่วยย้อนกลับได้ รูปภาพด้านซ้ายแสดงให้เห็นการรักษาด้วยสารทำลาย MMS ซึ่งช่วยให้เกิดการพึ่งพาฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชันมากขึ้น โดยแสดงให้เห็นอัตราการบริโภคออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นมากกว่า 4 เท่าต่ออัตราส่วนกรดนอกเซลล์ (OCR/ECAR) ที่สำคัญ การยับยั้ง PARP ช่วยเปลี่ยนสมดุลของการเผาผลาญกลับไปสู่ไกลโคลิซิส
รูปภาพด้านขวาแสดงให้เห็นว่า สารตั้งต้น NAD+: NMN มีผลคล้ายกันในการย้อนกลับการพึ่งพาฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชันอย่างมาก ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่า PARP1 และการลดระดับ NAD+ ในเวลาต่อมาช่วยเปลี่ยนแปลงการเผาผลาญในเซลล์ที่ได้รับความเสียหาย
เซลล์ที่เสียหายต้องอาศัยการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนเพื่อผลิตพลังงานมากขึ้น
เพื่อแสดงให้เห็นว่า การฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดชันมีความสำคัญเพียงใดต่อการผลิตพลังงานและการอยู่รอดของเซลล์ที่เสียหาย นักวิจัยได้รักษาเซลล์ที่เสียหายด้วย Rotenone และ antimycin ซึ่งเป็นสารยับยั้งการฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดชัน เซลล์ที่เสียหาย และได้รับการรักษาด้วยสารยับยั้งเหล่านี้มีอัตราการรอดชีวิตที่ลดลงอย่างมาก แต่การยับยั้ง PARP สามารถฟื้นฟูความสามารถในการมีชีวิตของเซลล์ได้ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดชันต่อการอยู่รอดของเซลล์ที่เสียหาย และวิธีที่การทำงานของ PARP1 ช่วยควบคุมการเปลี่ยนแปลงของการเผาผลาญไปสู่การพึ่งพาการฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดชัน
Murata et al., 2019 | Molecular Biology of the Cell : การยับยั้งการฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดชันในเซลล์ที่เสียหาย ทำให้การอยู่รอดของเซลล์ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งการยับยั้ง PARP หรือการเติมเต็ม NAD+ ช่วยบรรเทาได้ ภาพซ้ายบน - แสดงเซลล์ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ที่ได้รับการรักษาด้วย MMS หรือ H2O2 ที่ทำลายเซลล์ และสารยับยั้งการฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดชัน (เช่น rotenone และ antimycin (R+A)) ร่วมกับ R+A ร่วมกับสารยับยั้ง PARP (Pi) ตามที่แสดงในรูปภาพและกราฟขวาบน สารยับยั้งการฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดชันมีผลเสียต่อการอยู่รอด แต่สารยับยั้ง PARP ช่วยย้อนกลับผลกระทบเหล่านี้ในเซลล์ที่เสียหาย ดังที่แสดงในภาพล่าง การเติม NAD+ ด้วยนิโคตินาไมด์และ NMN ช่วยเพิ่มเปอร์เซ็นต์การอยู่รอดของเซลล์ที่เสียหายที่สัมผัสกับสารยับยั้งการฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดชันอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งคล้ายกับการยับยั้ง PARP
การพึ่งพาการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนเพื่อผลิตพลังงานแตกต่างกันไปตามประเภทของเซลล์
เพื่อตรวจสอบว่า การเปลี่ยนแปลงการเผาผลาญที่เกิดจากความเสียหายซึ่งควบคุมโดย PARP1 เกิดขึ้นเฉพาะในเซลล์มะเร็ง HeLa ของมนุษย์หรือไม่ Digman และเพื่อนร่วมงานได้ตรวจสอบเซลล์มนุษย์ที่ไม่ใช่เซลล์มะเร็ง ได้แก่ เซลล์ไฟโบรบลาสต์ HFF-1 และเซลล์เรตินา ARPE-19 MMS (สารทำลายเซลล์) จะทำให้ความสามารถในการมีชีวิตของเซลล์ ARPE-19 ลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่ออาศัยการฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชันที่ควบคุมโดย PARP
ในทางกลับกัน พวกเขาไม่พบผลกระทบเหล่านี้ในเซลล์ HFF-1 ซึ่งพวกเขาสันนิษฐานว่า การพึ่งพาการฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชันที่เกิดจากความเสียหายนั้น ไม่ได้มีเฉพาะในเซลล์ HeLa เท่านั้น แต่เกิดความแปรปรวนที่ขึ้นกับประเภทของเซลล์อย่างมีนัยสำคัญ
Murata et al., 2019 | Molecular Biology of the Cell : แนวทางที่เสนอซึ่งแสดงให้เห็นผล ที่ตามมาของการกระตุ้น PARP1 ที่ส่งเสริมการอยู่รอดของเซลล์ที่เสียหาย ความเสียหายของ DNA ทำให้การกระตุ้น PARP1 สูงขึ้น ส่งผลให้ระดับเซลล์ NAD+ ลดลง PARP1 ที่เพิ่มขึ้นพร้อมกับระดับ NAD+ ที่ลดลง กระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของการเผาผลาญไปสู่การพึ่งพาการฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดชัน (Oxphos) แทนที่จะเป็นแบบไกลโคไลซิส การฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดชันจะช่วยเพิ่มการอยู่รอดของเซลล์ที่เสียหาย
“เราพบว่าการบริโภค NAD+ โดยการกระตุ้น PARP1 จะเปลี่ยนการพึ่งพาการเผาผลาญเป็น [การฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดชัน] ซึ่งมีความสำคัญต่อการอยู่รอดของเซลล์ที่เสียหาย โดยเปิดเผยการตอบสนองการเผาผลาญแบบใหม่เพื่อการอยู่รอดต่อความเสียหายของ DNA ที่ควบคุมโดย PARP1” ทีมวิจัยระบุ
Metabolic Pathway Insight อาจนำเสนอแนวทางในอนาคตสำหรับการรักษามะเร็งและ/หรือฟื้นฟูเนื้อเยื่อที่เสื่อมสภาพ
การศึกษานี้ให้คำตอบว่า ทำไมเซลล์มะเร็งหลายประเภทจึงต้องใช้การฟอสโฟรีเลชั่นแบบออกซิเดชันเพื่อการอยู่รอดในสภาวะที่มีระดับความเสียหายของ DNA สูงและมีกิจกรรม PARP ตามมา ซึ่งอาจอธิบายได้อย่างน้อยบางส่วนว่า เหตุใดเซลล์มะเร็งจึงไวต่อสารยับยั้งการฟอสโฟรีเลชั่นแบบออกซิเดชันมากกว่า บางทีการศึกษาในอนาคตอาจใช้ผลการค้นพบเหล่านี้ เพื่อหาวิธีกระตุ้นมะเร็งและการตายของเซลล์ที่แก่ชราและหยุดการแพร่กระจายเพื่อใช้ในการรักษาโรคและการบำบัดเพื่อฟื้นฟูเนื้อเยื่อ
อ้างอิง
Murata MM, Kong X, Moncada E, Chen Y, Imamura H, Wang P, Berns MW, Yokomori K, Digman MA. NAD+ consumption by PARP1 in response to DNA damage triggers metabolic shift critical for damaged cell survival. Mol Biol Cell. 2019 Sep 15;30(20):2584-2597. doi: 10.1091/mbc.E18-10-0650. Epub 2019 Aug 7. PMID: 31390283; PMCID: PMC6740200
Opmerkingen