Každá buňka v těle, ačkoliv plní různorodé funkce, je samostatným živým organismem a jako taková musí umět hospodařit se zdroji, které má k dispozici. Savčí buňky využívají různé substráty, například glukosu a mastné kyseliny, jejichž oxidací získávají energii. Tato energie je využita k různým činnostem, jako je syntéza proteinů nebo přenos nervových signálů. Ve zdravém organismu však specializované buňky nakládají s energií rozdílnými způsoby. Například tukové buňky se zaměřují na ukládání energetických substrátů pro použití v době nedostatku, zatímco například neurony nemají žádný prostor pro skladování, a proto jim musí být energie neustále dodávána, protože jí spotřebovávají obrovské množství. Kromě velké rozmanitosti ve fungování jednotlivých typů buněk je fascinující také komunikace mezi různými buňkami v savčím organismu.
Klíčovou molekulou v energetickém metabolismu všech buněk je nikotinamidadenindinukleotid (NAD). Na schématu jsou zjednodušeně znázorněny hlavní procesy, které NAD využívají. NAD slouží k přenosu elektronů z redoxních katabolických reakcí do dýchacího řetězce pro získání energie. Fosforylovaná forma NAD (NADP) je zase nepostradatelná pro biosyntetické dráhy. Redoxní reakce jsou charakteristické tím, že přeměňují NAD a NADP mezi oxidovanou a redukovanou formou, ale neovlivňují celkové množství těchto molekul.
Existují však reakce, které NAD spotřebovávají. Nejvýznamnějšími enzymy katalyzujícími tyto reakce jsou signální proteiny z rodiny sirtuinů (SIRT). Sirtuiny deacetylují proteiny tím, že acetylový zbytek přenášejí na NAD za odštěpení nikotinamidu (Nam) a tím regulují funkci a aktivitu cílových proteinů, mezi které patří histony, transkripční faktory a enzymy. Sirtuiny působí zejména v jádře, kde regulují například genovou expresi a stabilitu chromatinu, ale také v cytosolu a mitochondriích, kde se podílí na regulaci metabolismu. Další skupinou enzymů, které spotřebovávají NAD, jsou mono- a poly-ADP-ribosyltransferasy (PARP), které kovalentně modifikují proteiny ADP-ribosylovým zbytkem za odštěpení nikotinamidu. Tímto způsobem je regulována například oprava DNA. Redoxní a neredoxní reakce tak využívají stejnou zásobu NAD, která se při vysoké aktivitě sirtuinů a PARP může vyčerpat, čímž se buňce hroutí energetický metabolismus a umírá. Obnova zásoby NAD je v organismu savců primárně zajištěna pomocí dráhy šetřící nikotinamid (nicotinamide salvage pathway), kdy nejprve dochází ke spojení Nam s fosforibosylpyrofosfátem (PRPP) za vzniku nikotinamidu mononukleotidu (NMN) enzymem nikotinamidfosforibosyltransferasou (NAMPT). V dalším kroku se NMN spojí s adenosintrifosfátem (ATP) za vzniku NAD. Tato dráha probíhá v jádře i v cytosolu a není přesně objasněno, zda k ní dochází i v mitochondriích ani jakým způsobem se NAD do mitochondrií u savčích buněk dostává. Aktivita NAMPT určuje rychlost celé biosyntetické dráhy a tím i hladinu buněčného NAD.
Jsme relativně malý tým začínajících vědců, kteří se zaměřují na studium metabolismu NAD a zejména na enzym NAMPT. Pracujeme na těchto konkrétních projektech:
- Vliv zvýšené hladiny NAD na metabolismus zdravých a poškozených buněk. S věkem přibývají chronická onemocnění a současně dochází k poklesu hladiny NAD. Pomocí různých prekurzorů nebo zvýšením množství NAMPT je možné hladinu NAD zvýšit. Lze využít zvýšení hladiny NAD jako podpůrné terapie chronických onemocnění, jako je cukrovka 2. typu? Zajímá nás, jakým způsobem zvýšení hladiny NAD ovlivní metabolismus, genovou expresi a sekreční profil různých buněčných typů s cílem potenciálního využití NAD prekursorů v medicíně.
- Sekrece NAMPT. Byla popsána extracelulární forma NAMPT, nicméně není jasné, jakým způsobem je tento enzym sekretován z buněk, ani jaká je jeho úloha v extracelulárním prostoru. Obě tyto nejasnosti se snažíme vysvětlit.
- Jaderný transport NAMPT. NAMPT je plní svou funkci jak v cytosolu, tak v jádře, a v obou těchto kompartmentech se také vyskytuje. Není však jasné, jakým způsobem dochází k transportu NAMPT mezi cytosolem a jádrem nebo jak je tento proces regulován. Naše práce, která ukázala, jak transport NAMPT do jádra souvisí s buněčným cyklem, se dostala na obálku prestižního časopisu Journal of Biological Chemistry, a v tomto tématu plánujeme nadále pokračovat
Mimoškolní spolupráce:
- Laboratoř integrační strukturní biologie, Ústav experimentální botaniky AV ČR, v. v. i.
- Fyziologický ústav Akademie věd České republiky, v. v. i.
- Česká společnost pro aterosklerózu
Vybrané publikace členů našeho týmu:
- Škop V, Guo J, Liu N, Xiao C, Hall KD, Gavrilova O, Reitman ML: The metabolic cost of physical activity in mice using a physiology-based model of energy expenditure. Molecular metabolism. 2023, 71: 101699.
- Vacurova E, Trnovska J, Svoboda P, Skop V, Novosadova V, Reguera DP, Petrezselyová S, Piavaux B, Endaya B, Spoutil F, Zudova D, Stursa J, Melcova M, Bielcikova Z, Werner L, Prochazka J, Sedlacek R, Huttl M, Hubackova SS, Haluzik M, Neuzil J: Mitochondrially targeted tamoxifen alleviates markers of obesity and type 2 diabetes mellitus in mice. Nature communications 2022, 13(1):1866.
- Škop V, Guo J, Liu N, Xiao C, Hall KD, Gavrilova O, Reitman ML: Mouse thermoregulation: introducing the concept of the thermoneutral point. Cell reports 2020, 31(2):107501.
- Svoboda P, Krizova E, Sestakova S, Vapenkova K, Knejzlik Z, Rimpelova S, Rayova D, Volfova N, Krizova I, Rumlova M, Sykora D, Kizek R, Haluzik M, Zidek V, Zidkova J, Skop V.: Nuclear transport of nicotinamide phosphoribosyltransferase is cell cycledependent in mammalian cells, and its inhibition slows cell growth. Journal of Biological Chemistry 2019, 294(22):8676-8689.
- Svoboda P, Křížová E, Čeňková K, Vápenková K, Zídková J, Zídek V, Škop V: Visfatin is actively secreted in vitro from U-937 macrophages, but only passively released from 3T3-L1 adipocytes and HepG2 hepatocytes. Physiological Research 2017, 66(4):709-714.
- Skop V, Cahova M, Dankova H, Papackova Z, Palenickova E, Svoboda P, Zidkova J, Kazdova L: Autophagy inhibition in early but not in later stages prevents 3T3-L1 differentiation: Effect on mitochondrial remodeling. Differentiation 2014, 87(5):220-229.