يصادف عام 2021 الذكرى المئوية لاكتشاف أساسي يتم تدريسه في كتب الكيمياء الحيوية، والمتمثل فيما يعرف بـ"تأثير واربورغ".
وفي عام 1921، لاحظ الطبيب الألماني أوتو واربورغ أن الخلايا السرطانية تحصد الطاقة من سكر الجلوكوز بطريقة غير فعالة بشكل غريب: فبدلا من "حرقها" باستخدام الأكسجين، تقوم الخلايا السرطانية بما تفعله الخميرة، تخمرها. وتحدث هذه العملية المستقلة عن الأكسجين بسرعة، ولكنها تترك الكثير من الطاقة في الجلوكوز غير مستغلة.
وتم اقتراح العديد من الفرضيات لتفسير تأثير واربورغ على مر السنين، بما في ذلك فكرة أن الخلايا السرطانية لديها ميتوكوندريا (مصانع طاقة) معيبة، وبالتالي لا يمكنها إجراء عملية احتراق محكم للجلوكوز. لكن أيا من هذه التفسيرات لم تصمد أمام اختبار الزمن. (على سبيل المثال، تعمل الميتوكوندريا في الخلايا السرطانية بشكل جيد).
ويقدم فريق بحثي في ​​معهد سلون كيترينغ بقيادة عالم المناعة مينغ لي، إجابة جديدة بناء على مجموعة ضخمة من التجارب الجينية والكيميائية الحيوية ونشرت في 21 يناير في مجلة Science.
ويعود الأمر إلى ارتباط لم يسبق له مثيل بين استقلاب واربورغ ونشاط إنزيم قوي في الخلية يسمى "فوسفوينوسيتيد 3 كيناز" (PI3).
ويقول الدكتور لي: "إن PI3 هو جزيء إشارة رئيسي يعمل تقريبا مثل القائد العام لعملية التمثيل الغذائي للخلية. ومعظم الأحداث الخلوية المكلفة للطاقة في الخلايا، بما في ذلك انقسام الخلايا، تحدث فقط عندما يعطي PI3 الإشارة".
ومع تحول الخلايا إلى استقلاب واربورغ، يزداد نشاط PI3، وبالتالي يتم تعزيز التزام الخلايا بالانقسام. وهو ما يشبه إلى حد ما إعطاء القائد العام مكبر صوت.
وتراجع النتائج وجهة النظر المقبولة عموما بين علماء الكيمياء الحيوية التي ترى أن عملية التمثيل الغذائي ثانوية بالنسبة لإشارات الخلية. كما يقترحون أن استهداف التمثيل الغذائي يمكن أن يكون وسيلة فعالة لإحباط نمو السرطان.
ودرس الدكتور لي وفريقه، بما في ذلك طالب الدراسات العليا كي شو، استقلاب واربورغ في الخلايا المناعية، والتي تعتمد أيضا على هذا الشكل غير الفعال من التمثيل الغذائي. وعندما يتم تنبيه الخلايا المناعية إلى وجود عدوى، يتحول نوع معين يسمى الخلايا التائية من الشكل النموذجي للتمثيل الغذائي لحرق الأكسجين إلى استقلاب واربورغ حيث تنمو في العدد وتزيد من آليات مكافحة العدوى.
والمفتاح الرئيسي الذي يتحكم في هذا التحول هو إنزيم يسمى lactate dehydrogenase A أو اختصارا LDHA، والذي يتم إجراؤه استجابة لإشارات PI3.
ونتيجة لهذا التبديل، يظل الجلوكوز يتحلل جزئيا فقط ويتم إنشاء عمل طاقة الخلية، المسماة ATP، بسرعة في العصارة الخلوية للخلية. (على النقيض من ذلك، عندما تستخدم الخلايا الأكسجين لحرق الجلوكوز، تنتقل الجزيئات المتحللة جزئيا إلى الميتوكوندريا ويتم تكسيرها هناك لجعل ATP في تأخير).
ووجد الدكتور لي وفريقه أنه في الفئران، لا تستطيع الخلايا التائية التي تفتقر إلى إنزيم LDHA الحفاظ على نشاط PI3، ونتيجة لذلك لا يمكنها مكافحة العدوى بشكل فعال.
وبالنسبة للدكتور لي وفريقه، فإن هذا يعني أن هذا الإنزيم الأيضي كان يتحكم في نشاط إشارات الخلية.
ويقول الدكتور لي: "لقد عمل هذا المجال على افتراض أن التمثيل الغذائي ثانوي لإشارات عامل النمو. وبعبارة أخرى، تؤدي إشارات عامل النمو إلى عملية التمثيل الغذائي، ويدعم التمثيل الغذائي نمو الخلايا وتكاثرها. لذا فإن ملاحظة أن إنزيم التمثيل الغذائي مثل LDHA يمكن أن يؤثر على إشارات عامل النمو من خلال PI3 لفتت انتباهنا حقا".
ومثل الكينازات الأخرى، يعتمد PI3 على ATP للقيام بعمله. ونظرا لأن ATP هو المنتج الصافي لعملية التمثيل الغذائي لواربورغ، يتم إنشاء حلقة ردود فعل إيجابية بين استقلاب واربورغ ونشاط PI3، ما يضمن استمرار نشاط PI3، وبالتالي الانقسام الخلوي.
أما عن سبب لجوء الخلايا المناعية المنشطة إلى هذا الشكل من التمثيل الغذائي، فإن الدكتور لي يشتبه في أن ذلك له علاقة بحاجة الخلايا إلى إنتاج ATP بسرعة لتكثيف انقسام الخلايا وآليات مكافحة العدوى.
وعلى الرغم من أن الفريق توصل إلى اكتشافاته في الخلايا المناعية، إلا أن هناك أوجه تشابه واضحة مع السرطان.
ويقول الدكتور لي: "إن PI3 هو كيناز شديد الأهمية للغاية في سياق السرطان. إنه ما يرسل إشارة النمو للخلايا السرطانية للانقسام، وهو أحد أكثر مسارات الإشارات نشاطا بشكل مفرط في السرطان".
وكما هو الحال مع الخلايا المناعية، قد تستخدم الخلايا السرطانية استقلاب واربورغ كطريقة للحفاظ على نشاط مسار الإشارات هذا وبالتالي ضمان استمرار نموها وانقسامها.
وتثير النتائج الاحتمال المثير للاهتمام بأن الأطباء يمكن أن يحدوا من نمو السرطان عن طريق منع نشاط LDHA، "مفتاح" واربورغ.