استجابة للتغيرات البيئية والتغيرات داخل الخلايا، ترتدي البروتينات الموجودة في أجسامنا مجموعة متنوعة من الأزياء التي تغير خصائصها وتجعل التعرف عليها صعبًا. وطوّر علماء المعهد محرك بحث مبتكرًا قادرًا على تحديد هذه البروتينات بكفاءة غير مسبوقة
من المعتاد أن نقول إن الملابس هي التي تصنع الإنسان، وينطبق الشيء نفسه على البروتينات الموجودة في أجسامنا، والتي، استجابة للتغيرات البيئية والتغيرات داخل الخلايا، تضع علامات كيميائية تغيرها إلى درجة لا يمكن التعرف عليها. تساعد خزانة الملابس المكونة من مئات العلامات المختلفة آلاف البروتينات في أجسامنا على أداء العديد من المهام المهمة، ولكنها تجعل من الصعب على العلماء والأطباء التعرف على هذه الجزيئات الحيوية. معمل البروفيسور يفعات للرخام وفي معهد وايزمان للعلوم وضعت لنفسها تحديًا: أن تكون قادرة على التعرف على أكبر عدد ممكن من البروتينات في وقت واحد - بجميع أشكالها المختلفة.
تمامًا مثل ارتداء التاج أو ارتداء عباءة البطل الخارق، يؤدي ربط علامة كيميائية إلى إحداث ثورة في حياة البروتين: تتمتع هذه العلامات بالقدرة على تغيير جميع خصائصه الأساسية - بدءًا من استقراره وموقعه في الخلية إلى قدرتها على الارتباط بالجزيئات الأخرى. ومن أجل تحقيق فهم أعمق للعمليات الفيزيائية المختلفة وتطور الأمراض وحتى تطوير علاجات مبتكرة، يتعين علينا التعرف على البروتينات حتى عندما تكون في حالة تغيير. قد تتيح هذه المعلومات، على سبيل المثال، تحديد البروتينات ذات العلامات الخاصة بالخلايا السرطانية وبالتالي الكشف عن هذه الخلايا وتدميرها. قد تفسر الأزياء غير الطبيعية أيضًا تطور أمراض المناعة الذاتية، حيث يهاجم الجسم أنسجته، بل وقد تؤدي إلى علاجات جديدة لهذه الأمراض.
لكن تحديد البروتينات من خلال علاماتها يمثل مهمة صعبة بشكل خاص. يحتوي الجينوم البشري على حوالي 20 ألف جينة مشفرة للبروتين، ويمكن لكل منها إنتاج أربع أو خمس نسخ بروتينية، أي أن هناك حوالي 100 ألف تسلسل بروتيني مختلف في جسمنا. كل من هذه البروتينات، بمجرد تكوينها، يمكن تعديلها كيميائيًا باستخدام علامة واحدة أو أكثر، من مجموعة مختارة تضم أكثر من 200 علامة. إذا أضفنا إلى ذلك حقيقة أن العلامات يمكن أن تلتصق بأماكن مختلفة على البروتين، فسنحصل على عدد لا نهائي تقريبًا من مجموعات العلامات المختلفة.
تمامًا مثل ارتداء التاج أو ارتداء عباءة البطل الخارق، فإن ربط علامة كيميائية يخلق ثورة في حياة البروتين: تتمتع هذه العلامات بالقدرة على تغيير جميع خصائصه الأساسية بدءًا من استقراره وموقعه في الخلية إلى ثباته وموقعه في الخلية. القدرة على الارتباط بجزيئات أخرى
لا تسمح الطرق المقبولة حاليًا لتحديد البروتينات في العينة بتحديد البروتينات الموسومة: كل بروتين لديه تسلسل فريد من الأحماض الأمينية، وهي اللبنات الأساسية للبروتينات، ولكن العلامات تتداخل مع التحديد، لأنها تغير خصائص الأمينو الأحماض. حتى الآن، كان من الصعب اكتشاف التغيرات الكيميائية التي تحدث في البروتينات بشكل فعال بعد تكوينها، وركزت معظم الدراسات على عدد محدود فقط من التغيرات في البروتينات. "من أجل فهم العمليات البيولوجية بكل تعقيداتها، يجب علينا دراسة تأثيرات العلامات المرتبطة بالبروتينات"، يوضح البروفيسور ماربل من قسم علم المناعة الجهازية بالمعهد. "يهدف مختبري إلى إنشاء طريقة حسابية جديدة قادرة على اكتشاف عشرات الأنواع من علامات البروتين في نفس الوقت."
ويهدف محرك البحث الذي طورته البروفيسورة ماربل وأعضاء مجموعتها إلى تحديد موقع العديد من العلامات في نفس الوقت، بدلاً من التركيز على علامة واحدة فقط في كل مرة كما كان يحدث في الماضي. الطريقة تسمى PROMISE باللغة الإنجليزية، وهو اختصار لمحرك البحث المتكامل لتعديل البروتين، ويبدو أنه يلبي التوقعات التي يشير إليها اسمه: يسمح محرك البحث بتحديد حوالي 30 علامة في غضون ست ساعات، مقارنة بثلاث علامات فقط في غضون أسبوعين باستخدام الطرق الحالية. قاد التطوير عساف كاسان بالتعاون مع أهارون جبيت. كلاهما كانا من طلاب الأبحاث في مختبر البروفيسور ماربل.
يقول البروفيسور ماربل: "يزودنا برنامج PROMISE بنظارات جديدة تسمح لنا بالنظر إلى العمليات البيولوجية بدقة أعلى من أي وقت مضى". "وسوف تسمح هذه الأداة، من بين أمور أخرى، بإعادة النظر في القضايا الطبية الحيوية التي لم يتم حلها باستخدام البيانات الموجودة."
أظهر كيسن وجافيت وزملاؤهم الباحثون أداء محرك البحث باستخدام سؤال أساسي في أبحاث السرطان: كيف يؤثر تصنيف البروتين على قدرة الجهاز المناعي على تحديد الأورام والقضاء عليها. باستخدام PROMISE، اختبر الباحثون مئات من أجزاء البروتين (الببتيدات) من أكثر من 200 عينة من الخلايا والأنسجة المرتبطة بالسرطان. وركزوا بشكل أساسي على الببتيدات المعروضة على غلاف الخلايا السرطانية، والتي قد تشير إلى جهاز المناعة بأن الخلية خبيثة ويجب تدميرها.
اختبر العلماء حوالي 30 مجموعة من العلامات وتمكنوا من تحديد مجموعة فرعية مكونة من حوالي 12 ببتيد موسوم، والتي لم يتم التعرف عليها من قبل بطرق حسابية أخرى. والنتيجة هي الأطلس الأكثر شمولاً حتى الآن للببتيدات التي تميز الأورام السرطانية بالإضافة إلى أسطورة خاصة توضح كيف يؤثر موقع العلامات على قدرة الجهاز المناعي على التعرف على الخلية السرطانية. وهذه معلومات أساسية، حيث أن بعض العلامات قد تشرح كيف ترتدي الخلية السرطانية "عباءة" تخفيها عن الخلايا التائية في الجهاز المناعي. في المستقبل، قد يكون من الممكن تعلم كيفية تمزيق العباءة وبالتالي تحسين علاجات العلاج المناعي الحالية - العلاجات التي تسخر الخلايا التائية في الجهاز المناعي لمحاربة السرطان.
وبصرف النظر عن السرطان، فمن الممكن في المستقبل أن يكون من الممكن استخدام PROMISE في أمراض المناعة الذاتية أيضًا - للكشف عن أجزاء البروتين الموسومة التي تربك خلايا جهاز المناعة لدينا وتجعلها تهاجم الخلايا السليمة. وقد تؤدي هذه الطريقة أيضًا إلى رؤى جديدة فيما يتعلق بأمراض الدماغ التنكسية وغيرها من الأمراض. يقول البروفيسور ماربل: "إن التحديد السريع لعلامات البروتين قد يساعد في تحديد العديد من العمليات المرضية ويسمح لنا أيضًا باختبار فعالية الأدوية وحتى تطوير أدوية جديدة".
وشارك في الدراسة الدكتور ماتياس كرامر والدكتورة ميريف شموئيلي من قسم المناعة الجهازية في المعهد؛ الدكتور ديفيد مورجنسترن والدكتور يشاي ليفين من المركز الوطني الإسرائيلي للطب الشخصي الذي يحمل اسم نانسي وستيفن جراند؛ تومر تسافان والبروفيسور أورا شولر فورمان من الجامعة العبرية في القدس؛ الدكتور جو سي ثاو، والدكتور فيليبي دي فيجا إلى العميد، والدكتور فينجشاو يو والبروفيسور أليكسي نيسفيجسكي من جامعة ميشيغان؛ د. إيلون بارنيا والبروفيسور أرييه أدمون من التخنيون؛ البروفيسور ليا إيسنباخ من قسم علم المناعة والبيولوجيا التجديدية بالمعهد؛ والبروفيسور جوردانا صامويلز من قسم بيولوجيا الخلايا الجزيئية بالمعهد.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
