طور باحثون في جامعة تل أبيب نموذجا ثلاثي الأبعاد لبروتين يعبر غشاء الخلية. سوف يساعد في الشفاء

تنشر المجلة العلمية Molecular Cell اليوم الجمعة 24 سبتمبر 2004 دراسة قام بها مجموعة من الباحثين منهم الدكتور نير بن تال وطالب الدكتوراه شيرال فليشمان من جامعة تل أبيب مع باحثين من الخارج هما فينسينس أنغر ومارك ييغر. .

آفي بيليزوفسكي

تنشر المجلة العلمية Molecular Cell اليوم الجمعة 24 سبتمبر 2004 دراسة قام بها مجموعة من الباحثين منهم الدكتور نير بن تال وطالب الدكتوراه شيرال فليشمان من جامعة تل أبيب مع باحثين من الخارج هما فينسينس أنغر ومارك ييغر. .

تقدم الدراسة نموذجًا حسابيًا يجعل من الممكن التنبؤ بكيفية ظهور جزيئات البروتين التي تعبر أغشية الخلايا. ولهذا أهمية كبيرة في فهم الأساس الجزيئي لظاهرة الاتصال بين الخلية وبيئتها واكتساب رؤى جديدة حول الأمراض المختلفة. تم تنفيذ المهام المهمة جزئيًا في المعالجة المتوازية، على محطات عمل نموذجية قوية من نوع أوكتان من إنتاج شركة Silicon Graphics.

يتم تغليف كل خلية بغشاء يمثل نوعًا من الجدار الواقي الذي يمنع دخول المواد الخطرة، ولكن يجب على الخلية أن تحصل على العناصر الغذائية والأكسجين، وتتخلص من النفايات وتتواصل مع جيرانها. لذلك لا بد من إيجاد طريقة تدخل بها فقط المواد الأساسية للخلية وتخرج منها المواد التي ترغب الخلية في التخلص منها.

يقول الدكتور بن تال ردا على سؤالنا: "فكر في مجموعة من الخلايا في الأنسجة". "الخلايا على اتصال جسدي مع بعضها البعض من خلال هذه الأغشية، على سبيل المثال في عضلة القلب. مع كل نبضة من ضربات القلب، يجب أن تنقبض جميع الخلايا العضلية بطريقة منسقة. سيؤدي الانكماش غير المنسق إلى إضعاف كفاءة ضخ الدم. ولذلك، يجب علينا أن نجد طريقة لتقول الخلايا لبعضها البعض "الآن نحن نفعل هذا". والكونيكسين هو أحد البروتينات المسؤولة عن هذا التنسيق."

كيف يتم ذلك؟
"لكي يتم تنفيذ الإجراء بشكل مشترك، يجب أن يكون هناك نقل للمعلومات من خلية إلى أخرى. عندما تتلقى الخلية إشارة تخبرها بالانقباض، يجب عليها إرسال هذه الإشارة إلى جيرانها في الأنسجة بسرعة حتى ينفذوا جميعًا الأمر بطريقة منسقة. تجعل أغشية الخلايا من الصعب نقل المعلومات، حيث يجب أن تمر الإشارة عبر غشائين - واحد لكل خلية. يقوم هذا البروتين - كونيكسين بإنشاء قناة تربط خليتين متجاورتين، وهي حرفيًا ثقب في الأغشية، مما يسمح للمعلومات بالمرور عبر الثقب باستخدام جزيئات صغيرة. وبهذه الطريقة، "تعرف" كل خلية في الأنسجة ما يحدث في جيرانها. "

يعد الكونيكسين مثالًا لبروتين واحد من عائلة كبيرة من بروتينات الغشاء. تلعب بروتينات الغشاء دورًا مركزيًا في التواصل بين الخلية وبيئتها. تسبب العيوب في بروتينات الغشاء مجموعة واسعة من الأمراض لدى البشر، بما في ذلك العديد من أنواع السرطان. إن معرفة البنية الثلاثية الأبعاد للبروتين عادة ما تساعد على فهم الأساس الجزيئي لعمله في الظروف العادية وفي الأمراض. ومع ذلك، فإن تحديد بنية بروتينات الغشاء بدقة عالية أمر صعب للغاية، وفي كثير من الحالات يتطلب سنوات من العمل. إلى جانب هذا، هناك هياكل منخفضة الدقة للعديد من بروتينات الغشاء، لكن هذه الهياكل لا توفر تفاصيل جزيئية للبروتين، لذلك لا يمكن التعلم منها بشكل مباشر عن تأثير الطفرات على البنية، للتخطيط والشرح التجارب البيوكيميائية والفيزيائية الحيوية.

تربط قنوات الوصلات الفجوة المكونة من بروتينات الكونيكسين بين الخلايا المجاورة، وتلعب دورًا حاسمًا في التنسيق بين الخلايا في العديد من الأنسجة، على سبيل المثال، أثناء ضربات القلب. الطفرات في هذه القنوات هي السبب الرئيسي للصمم الوراثي، بل إنها متورطة في مرض الأعصاب التنكسية Charcot-Marie-Tooth (Charcot-Marie-Tooth) ومرض الجلد النادر erythrokeratodermia variabilis (EKV). تم تحديد بنية القنوات تجريبيًا بدقة منخفضة في عام 1999 بواسطة فينتشنزو أنغر من جامعة ييل ومارك ييغر من معهد سكريبس للأبحاث الأمريكي. تتكون العديد من بروتينات الغشاء من حلزونات مترابطة ضد بعضها البعض، وأظهر الهيكل موقع الحلزونات التي تشكل قناة تقاطع الفجوة. ومع ذلك، وبسبب الدقة المنخفضة، لم يقدم الهيكل تفسيرا لتأثير العديد من الطفرات المسببة للأمراض، كما أنه لم يسلط ضوءا جديدا على خصائص القناة كما هي معروفة من خلال عدة عقود من التجارب البيوكيميائية والفيزيائية الحيوية.

بن تال: "ترتبط الطفرات في البروتينات العابرة للخلايا من نوع الكونيكسين بالأمراض، بما في ذلك عدة أنواع من الصمم والأمراض الجلدية. ويشرح النموذج الذي اقترحه شاريل تأثير ما يقرب من 30 طفرة من هذا القبيل. بشكل عام، يتم بناء الجزيء كحالة من الحلزونات القريبة من بعضها البعض، كما يمكن رؤيته في الرسم. ما يعمل على استقرار الهيكل هو الواجهة بين هذه الملفات. لقد وجدنا أن حوالي 30 طفرة تم تحديدها لدى المرضى، وتتميز بأنها تسبب أمراضًا مثل الصمم الخلقي، موجودة في مناطق الواجهة هذه. أي طفرة من هذا القبيل تعطل بنية البروتين. إذا لم يأخذ البروتين بنيته الطبيعية، فمن السهل ألا يتمكن من أداء وظيفته بشكل صحيح. من الصعب التنبؤ بالضبط بما ستسببه كل من هذه الطفرات - سيكون هناك تلك التي تكسر البروتين بالفعل، وسيتم هضم البروتين المتحلل بواسطة الإنزيمات؛ وفي حالات أخرى، ستتسبب الطفرات في تشويه طفيف في البنية بحيث يتم حظر القناة أو تتغير نفاذيتها لبعض الجزيئات الحرجة. وعلى أية حال، فإن هذه التغييرات قد تؤدي إلى خلل في البروتين، وإتلاف التواصل بين الخلايا المجاورة، ونتيجة لذلك، إلى الإصابة بالأمراض.
هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تفسير هذا القدر الكبير من الطفرات في هذه القنوات من خلال دراسة واحدة. بناءً على النموذج البنيوي، قدم بن تال وفليشمان برنامجًا للبحث التجريبي لفحص دقة النموذج، وللتعرف أكثر على العلاقة بين البنية والنشاط والأمراض في هذا البروتين. يتم إجراء التجارب في مختبر مؤسسة أبراهام (جامعة تل) وفي مختبرات تيد برجيلو وفيتو فيرساليس من كلية ألبرت أينشتاين للطب في نيويورك. النتائج الأولية من التجربتين تؤكد النموذج.
وما الذي تستعد لاستكشافه بعد ذلك؟
بن تال: "الآن بعد أن طورنا الطريقة، نعمل على بروتينات إضافية. في نظرنا، بروتين EmrE الذي يعمل بمثابة مضخة تزيل المركبات السامة من الخلية البكتيرية. تلعب هذه المضخة دورًا مهمًا في مقاومة البكتيريا للمضادات الحيوية، لذا من المهم فهم بنيتها ثلاثية الأبعاد. بروتين آخر سوف ندرسه هو مستقبل GABA الذي يتم تنشيطه في الخلايا العصبية استجابةً للناقل العصبي GABA. وللمستقبل أهمية طبية كبيرة حيث أنه الوسيط في إدخال أدوية التخدير – المهدئات ومسكنات الألم، مثل الفاليوم.

كم من الوقت استغرق التطوير؟
فليشمان: "لقد بدأنا مشروع التنبؤ بالبناء منذ حوالي أربع سنوات، ولكن تم تخصيص جزء كبير من ذلك الوقت لإعداد الأساليب والتحقق منها وتحسينها. منذ اللحظة التي أصبحت فيها الأدوات جاهزة، كان هناك حاجة إلى ستة أشهر أخرى من العمل لتكييفها مع الحالة المحددة للكونيكسين. وبعد أن قمنا بحساب البنية، استثمرنا الكثير من العمل، بمساعدة شركائنا في البحث، لفهم معنى البنية فيما يتعلق بالمعلومات البيوكيميائية والسريرية، وإنشاءها والتحقق منها."