Полная серия Development's Advocacy collection представлена: https://dev.biologists.org/content/advocating-developmental-biology.

Большое число биологов развития с 1800s и до сегодня исследуют, как метаболизм преобразует развитие многоклеточных. Вопросы, которые биологи развития задавали сто лет тому назад о связи между ростом животных и метаболизмом остаются важными и сегодня (Miyazawa and Aulehla, 2018). Подчеркивается экстраординарная сложность физиологических и ген регулирующих сетей, которые воспринимают питательные вещества, контролируют образование energy-intensive воронок тысяч разных молекул в клетках и внеклеточных структурах и координируют биосинтетические процессы по всему организму. Фактически, многие из сигнальных путей, управляющие метаболизмом животных и контролирующие, как клеки и ткани потребляют и метаболизируют различные молекулы, уже известны.

Неразделимые взаимоотношения между метаболизмом и генетическими факторами, контролирующими рост и развитие, имеют широкое значение для биомедицинских исследований, которые всё больше концентрируются на метаболических болезнях людей. Это возобновление интереса к метаболизму отражает его основополагающую основу биологии развития. Многие связанные с метаболизмом исследования концентрируются на модельных организмах, у которых гены вызывают метаболические болезни человека.

Otto Warburg, хорошо известный пионер в области биологии рака. Его открытия вызвали недавно ренессанс в исследованиях метаболизма в биологии рака (Vander Heiden and DeBerardinis, 2017; Warburg, 1956; Warburg et al., 1924). Он совершил важные открытия на пересечении метаболизма и биологии развития (Krebs and Schmid, 1981; Otto, 2016). Ключевым открытием Warburg's оказалось то, что эмбрионы морского ежа существенно увеличивают потребление кислорода после оплодотворения (Krebs and Schmid, 1981; Otto, 2016; Warburg, 1908). Сегодня мы знаем, что эмбрионы обладают существенно более высокими энергетическими потребностями, чем неоплодотворенные яйца - это стало одной из первых демонстраций, что рост многоклеточных вызывает (и вообще-то нуждается) измеримые изменения метаболизма.

Как писал Hans Krebs: ' Связь между этой работой [оплодотворение морского ежа] и более поздними исследованиями рака очевидна: когда нормальная клетка становится злокачественной, она чрезмерно разрастается, и в 1922 году Варбург решил проверить, имеют ли раковые клетки повышенное потребление кислорода.' (Krebs and Schmid, 1981). Вместо этого Warburg открыл метаболический феномен, обозначаемый теперь как 'the Warburg effect', или аэробный гликолиз, который характеризуется повышенным потреблением глюкозы вместе с одновременной , зависимой от кислорода продукцией лактата, вызывая тем самым метаболическое состояние строго способствующее биосинтезу (rev. Hay, 2016; Vander Heiden and DeBerardinis, 2017). Это открытие сформировало наше сегодняшнее представление, как метаболизм способствует росту опухолей и поэтому эффект Варбурга продолжает интенсивно исследоваться.

Хотя эффект Варбурга прежде всего связан с метаболизмом опухолей, сходные метаболические изменения происходят в большом количестве нормальных пролиферирующих клеток и растущих тканей (Miyazawa and Aulehla, 2018; Sieber and Spradling, 2017). Фактически, многие метаболические изменения обнаруживаются при нарушениях, таких как диабет и сердечная недостаточность, а также обнаруживаются в контексте развития (Dorn et al., 2015; Tennessen and Thummel, 2011). Достигнутые определенные успехи в изучении аэробного гликолиза или др. метаболических программ рассмотрен в обзорах (Miyazawa and Aulehla, 2018; Sieber and Spradling, 2017).

Хотя эмбрионы морского ежа и опухоли активируют разные метаболические программы, возможно сравнивать эти системы. Исследования Варбурга позволяют исследовать с точностью крупные метаболические переходы (Turner and Shapiro, 1988). В противоположность, по существу, непредсказуемым метаболическим изменениям, происходящими при формировании опухоли, затрудняющими исследования in vivo, подчеркивается, почему аэробный гликолиз д. изучаться и далее на модельных организмах. Путем изучения этого метаболического переключения в контролируемой онтогенетической системе, такой как хвостовая почка мыши (Bulusu et al., 2017; Oginuma et al., 2017), мышцы рыбок данио (Tixier et al., 2013), или эмбрионы Drosophila и имагинальные диски (Tennessen et al., 2014; Wang et al., 2016), мы можем прицельно исследовать механизмы запуска аэробного гликолиза. Онтогенетические системы предоставляют ещё одно преимущество по сравнению с опухолями, поскольку здоровые ткани переключаются на аэробный гликолиз контролируемым способом (White et al., 1999), тем самым предоставляя возможность исследовать эндогенные механизмы перехода к этой метаболической программе. Исследования онтогенетического метаболизма также бесценны для изучения того, как эндогенные механизмы могут быть использованы и при раке и становятся терапевтическими мишенями.

Биологи развития применяют эффект Варбурга к метаболическим сдвигам, обнаруживаемым при др. хронических болезнях, включая диабет, сердечную недостаточность и нейродегенерацию. Сердце млекопитающих, напр., базируется в основном на метаболизме глюкозы и лактата для продукции энергии у плода, но активируют окисление жирных кислот в начале неонатального развития (Makinde et al., 1998). Этот метаболический сдвиг зависит от ядерного рецептора ERRγ и ко-активатора транскрипции PGC1α, которые совместно активируют экспрессию генов, участвующих метаболизме неонатального сердца (Alaynick et al., 2007; Lai et al., 2008). Исследование этого метаболического перехода, однако, имеет отношение не только к лечению врожденных дефектов, но и также к пониманию сердечной недостаточности. Многие из метаболических изменений, которые активируются во время развития сердца возвращаются назад при сердечной недостаточности, на что указывает снижение экспрессии ERRγ и PGC1α и происходит реактивация метаболизма сердца плода при кардиомиопатиях (Dorn et al., 2015). Но поскольку сердечная недостаточность развивается в течение нескольких лет, а неонатальное развитие у модельных организмов может быть легко исследовано контролируемым способом, то это предоставляет существенные возможности для исследования метаболических механизмов, лежащих в основе этой болезни.

Приведенный выше пример иллюстрирует необходимость изучения регуляции метаболизма. Изучение гетерохронного пути у C. elegans, передачи сигналов ядерных рецепторов у Drosophila и амфибий привело к точному пониманию онтогенетических переходов (Denver, 2013; Ou and King-Jones, 2013; Rougvie and Moss, 2013). Точно такие же исследования д. быть предприняты для изучения метаболизма, с целью понять метаболические изменения, лежащие в основе болезней человека.

Пионерские исследования Варбурга метаболизма рака, как отмечает Krebs, Варбург продемонстрировал 'исключительные способности в выборе правильных материалов и совершенствовании экспериментальной техники' (Krebs and Schmid, 1981; Otto, 2016). Во-первых, большинство открытий Варбурга было сделано благодаря технике, которую он предложил в спектрофотометрии и манометрии (Krebs and Schmid, 1981), которые предоставили ему новые возможности измерения малых молекул и продукции и потребления газов, соотв. Это позволило ему совершить прорыв в нашем понимании метаболизма рака.

Мощная комбинация metabolomics и сенсоров малых молекул сделали возможной визуализацию метаболитов внутри индивидуальных клеток и тканей (Cox et al., 2017; Miyazawa and Aulehla, 2018). Напр., базирующийся на FRET сенсор для pyruvate ведет к обнаружению задне-переднего градиента гликолитической активности во время формирования сомитов в пресомитной мезодерме хвостовой почки мыши (Bulusu et al., 2017). Сходным образом, использование citrate FRET сенсора у Drosophila оказалось критическим для понимания того, как транспортируются citrate из кишечника в семенники, которые служит ключом к созреванию спермиев (Hudry et al., 2019). Использование базирующихся на FRET сенсоров дополняется успехами масс-спектрометрии, которая позволяет прямо наблюдать индивидуальные метаболиты внутри одиночных клеток и может быть в принципе скомбинирована с metabolomics с помощью специфичных для клеток инструментов, используемых биологами развития (Rappez et al., 2019 preprint). Новые улучшенные методы для измерения токов метаболитов также приносят пользу биологии развития (Jang et al., 2018). Разрабатываются изящные чувствительные техники для измерения параметров, таких как потребление кислорода, продукции углекислоты (carbon dioxide) и теплопередача, которые обладают потенциалом выявлять совершенно новые феномены. Напр., недавние исследования на эмбрионах мышей и рыбок данио с использованием анализа токов метаболитов и изотермальной калориметрии, соотв., выявили неожиданные связи между метаболизмом и эмбриональным развитием (Chi et al., 2020; Rodenfels et al., 2019).

Исследования Warburg's на морских ежах также подчеркнули важность тщательного отбора экспериментальных систем, наиболее подходящих для изучения специфических метаболических переходов и переключений. Адаптивный термогенез, напр., при котором 'beiging' белый жир увеличивает скорость метаболизма, то это приводит к потере веса и улучшает чувствительность к инсулину, и это особенно интересно для исследователей, имеющих целью лечение ожирения и диабета (Ikeda et al., 2018). Ключевым свойством адаптивного термогенеза является увеличение разобщенности митохондрий, это позволяет протонам повторно проникать в митохондриальный матрикс независимо от ATP synthase и высвобождать энергию в виде тепла (Lowell and Spiegelman, 2000). Хотя разобщение митохондрий может быть изучено на стандартных модельных системах, wax моль, Galleria mellonella, является наиболее подходящей моделью. Её личинки могут сжигать лишние пищевые липиды, чтобы генерировать большие количества метаболической воды, тогда как избыточные калории превращаются в тепло (Jindra and Sehnal, 1989). Это адаптивное свойство, которое задействует разобщение митохондрий, позволяет G. mellonella процветать в условиях безводного культивирования и и представляют научному сообществу новую перспективу исследования, как этот метаболический процесс контролируется in vivo. Сходные примеры, того как метаболизм животных адаптируется к экстремальным условиям можно найти повсюду на неканонических модельных системах, эти открытия связи метаболизма с развитием и физиологией in vivo позволят существенно увеличить наши знания.

Исследования Варбургом аэробного гликолиза с использованием срезов опухолей, инкубированных на искусственной среде - было наиболее логичным и мощным для того времени (Warburg et al., 1924). Современные культуры клеток не способны реплицировать сложности, ассоциированные в метаболической средой in vivo, при которых клетки подвергаются действию присутствующих в среде эндокринных сигналов и циркулирующих малых молекул. Ограниченность таких in vitro подходов недавно продемонстрирована с помощью множественных экспериментов со стабильными изотопными трассерами, использующими 13C-меченную глюкозу в индивидуальных раковых клетках (Courtney et al., 2018; Faubert and DeBerardinis, 2017; Hensley et al., 2016). Эти исследования выявили сложность ракового метаболизма, при этом разные типы опухолей потребляли и использовали глюкозу разными способами. Некоторые опухоли, такие как рак легких, не активируют эффект Варбурга, а скорее, они базируются на окислении глюкозы и окислении лактата (Faubert et al., 2017). В самом деле, митохондриальные метаболические пути, которые часто игнорируются из-за сверх упрощенного описания эффекта Варбурга, играют важную роль в метаболизме опухолей in vivo (DeBerardinis and Chandel, 2020; Martinez-Reyes and Chandel, 2020). Более того, отдельные модели ракового метаболизма неспособны передавать клеточную и метаболическую гетерогенность внутри индивидуальных опухолей, здесь метаболические потоки отличаются среди разных типов клеток (напр. злокачественных клеток, стромы, иммунных клеток и раковых стволовых клеток), а метаболиты могут переноситься между клетками внутри микроокружения (Kim and DeBerardinis, 2019).

Проблемы, связанные с исследованиями in vitro метаболизма не ограничиваются раковыми клетками. Любая изолированная клетка или ткань, инкубируемые в искусственной среде будут неизбежно генерировать метаболические артефакты; поэтому метаболические исследования лучше проводить in vivo. Рост и развитие любого многоклеточного организма нуждается в скоординированном синтезе, хранении и транспорте метаболитов между клетками. Метаболические потребности индивидуальных клеток и тканей д. быть сбалансированы в пределах всего организма посредством сложных метаболических сетей. Ученые активно пытаются исследовать физиологические, клеточные и молекулярные механизмы, контролирующие метаболизм во всем живом организме.

Исследования оогенеза взрослых Drosophila иллюстрируют, как мы можем использовать существующие инструменты для изучения системной регуляции метаболизма. Оогенез является существенно зависимым от энергии и питания процессом, использующим массивное накопление липидов, углеводов и др. макромолекул в ооците, в тесной координации с его сложным развитием из недифференцированного предшественника в зрелый ооцит. Контролируемые в ходе развития метаболические изменения осуществляются в несколько ступеней, завершаясь вступлением ооцита в покоящееся состояние (Sieber et al., 2016). Мульти-органная физиологическая сеть в дальнейшем координирует онтогенетический контроль оогенеза с метаболическим состоянием организма (rev. Drummond-Barbosa, 2019). Обильные диетические питательные вещества способствуют оогенезу посредством продуцируемого головным мозгом инсулина и др. системных факторов, тогда как бедственные ситуации запускают подавление оогенеза на многих стадиях, тем самым защищают ресурсы организма (rev. Drummond-Barbosa, 2019). Др. органы также поддерживают пищевые потребности оогенеза. Средняя кишка драматически расширяется при богатой диете, тем самым усиливается абсорбция питательных веществ (O'Brien et al., 2011). Спаривание также приводит к увеличению средней кишки взрослых самок и изменению липидного метаболизма энтероцитов в пользу продукции яиц (Reiff et al., 2015). Показательно, что спаривание также стимулирует пролиферацию стволовых клеток зародышевой линии самок посредством нейропептида F из enteroendocrine клеток средней кишки (Ameku et al., 2018). Lipophorin-обеспечиваемый транспорт липидов является критическим для потребления желтка ооцитом (Matsuoka et al., 2017; Parra-Peralbo and Culi, 2011), в то же время некоторые метаболические пути адипоцитов оказывают специфические эффекты на ранний оогенез (Matsuoka et al., 2017). Т.о., координация гормонов, питательных веществ, метаболизма и оогенеза во время онтогенетических переходов интегрируют внешне-средовые сигналы и обширные коммуникации между органами (rev. Drummond-Barbosa, 2019; Weaver and Drummond-Barbosa, 2019).

Исследования яичников Drosophila и др. с высокими метаболическими потребностями тканей и органов, таких как зародышевая линия C. elegans (rev. Hubbard and Schedl, 2019), служат способом выяснения, как осуществляется внутренне присущая регуляция метаболических потоков и в периферических тканях поддерживается транскрипция клеток в ходе определенных стадий развития в присутствии меняющихся метаболических потребностей в сложном живом организме. Безусловно, связь между развитием и поддержанием ткани и физиологией всего тела хорошо законсервирована, включая и др. ткани с менее экстремальными прирожденными метаболическими потребностями, такими как в средней кишке Drosophila ( rev. Colombani and Andersen, 2020) и развивающемся головном мозге (rev. Otsuki and Brand, 2020), помимо прочих (Shim et al., 2013).

В отличие от культуры клеток развивающийся организм должен быть способен адаптировать свой рост и созревание к внешне-средовыми стрессорам, таким как голодание, токсические соединения и сдвиги температур, демонстрируя тем самым удивительный уровень метаболической пластичности (Gilbert and Epel, 2015; Sieber and Spradling, 2017; Watson et al., 2015). Способность клетки или ткани противостоять метаболическим инсультам является ключом в области ракового метаболизма, который заставляет концентрироваться на идентификации метаболических энзимов, которые существенны для ракового роста (Vander Heiden and DeBerardinis, 2017). Но как только развивающийся организм адаптируется к метаболическим инсультам, то будет очень быстро развиваться опухоль, чтобы преодолеть метаболические ингибиторы, предназначенные для прекращения клеточной пролиферации и роста. В этом контексте существует длинная история открытия метаболических механизмов, которые влияют на выносливость развития (напр., Watson et al., 2014; Watson et al., 2016). Такие исследования могут прояснить компенсаторные метаболические сети, которые имеют непосредственное отношение к исследованиям опухолевого метаболизма, как это демонстрирует Drosophila Lactate Dehydrogenase (LDH). Личинки дрозофилы обладают очень высокими уровнями активности LDH (Rechsteiner, 1970), подтверждая, что метаболизм личинок зависит от продукции lactate, чтобы поддерживать redox баланс и способствовать гликолизу. Мутантные по Ldh личинки, однако, растут с нормальной скоростью, поскольку метаболизм личинок адаптируется к потере активности LDH за счет синтеза избытка glycerol-3-phosphate (G3P) - метаболической реакции, которая также поддерживает redox баланс (Li et al., 2019). Эти находки обнаруживают странное сходство между быстро растущими личинками и опухолями. В частности, опухоли также обладают повышенной активностью LDH-A, и LDH-A, как полагают, может служить терапевтической мишенью для подавления опухолевого роста; однако, раковые клетки синтезируют избыточные количества G3P в ответ на подавление LDH-A (Boudreau et al., 2016), что делает их потенциально резистентными к воздействию на LDH-A. Исследование Drosophila Ldh демонстрирует механизм, с помощью которого опухоли могут становиться резистентными к ингибиторам LDH-A и ясно демонстрируют, как изучение метаболической пластичности в системах развития может информировать о клинических решениях по лечению рака и др. метаболических болезней.

Итак. существует множество попыток исследовать метаболические механизмы, которые активны также во время развития metazoan. Необходимы дальнейшие исследования аспектов метаболической регуляции, которая имеет отношение к прогрессии болезней, но трудна для изучения на культивируемых клетках и пациентах. Большое количество фундаментальной информации можно извлечь максимизируя использование для исследований ресурсы...