پژوهشگران دانشگاه اموری برای نخستینبار بهطور مستقیم مشاهده کردهاند که رشتههای پروتئین اکتین در سلولهای عضلانی میتوانند از سمتی رشد کنند که سالها تصور میشد امکان رشد از آن وجود ندارد، یافتهای که میتواند بخشی از مدل علمی بیش از ۴۰ ساله درباره نحوه شکلگیری و حفظ طول رشتههای اکتین را تغییر دهد.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از ساینس دیلی، این مطالعه که توسط زیستفیزیکدانان دانشگاه اموری انجام شده و نتایج آن در مجله Nature Communications منتشر شده است نشان میدهد پروتئینی به نام لیومودین ۲ (Leiomodin ۲) نقش مهمی در رشد و حفظ ساختار رشتههای اکتین در سلولهای عضلانی دارد. این کشف علاوه بر روشن کردن یکی از پرسشهای اساسی درباره عملکرد ماهیچهها میتواند به درک بهتر بیماریهایی مانند کاردیومیوپاتی اتساعی یا Dilated Cardiomyopathy کمک کند، بیماریای که از علل مهم نارسایی قلبی به شمار میرود. چرا رشد اکتین یک معمای علمی بود؟
سلولهای عضلانی با یک مسئله ظاهرا متناقض روبهرو هستند. رشتههای اکتین باید طولی بسیار دقیق و کنترلشده داشته باشند تا عضلات بتوانند بهدرستی منقبض شوند اما این رشتهها در طول زمان فرسوده میشوند و اجزای پروتئینی آنها باید مرتبا جایگزین شوند. پرسش اساسی این بود که چگونه رشتههای اکتین میتوانند ضمن حفظ طول ثابت خود دائما پروتئینهای قدیمی را از دست بدهند و پروتئینهای جدید را جایگزین کنند.
شاشانک شخار، استادیار فیزیک دانشگاه اموری و نویسنده ارشد این پژوهش میگوید این مطالعه پیشرفتی بنیادی در درک نحوه ساخته شدن اسکلت سلولی بهویژه در سلولهای عضلانی ایجاد کرده است. به گفته او نتایج پژوهش یک الگوی قدیمی را به چالش میکشد و سازوکاری را نشان میدهد که پیشتر تصور میشد برای ساخت رشتههای اکتین در عضله امکانپذیر نیست.
اکتین چگونه به انقباض عضلات کمک میکند؟ اکتین یکی از فراوانترین و انعطافپذیرترین پروتئینهای بدن است. این پروتئین رشتههایی را تشکیل میدهد که بخشی از اسکلت داخلی سلول را میسازند و در تعیین شکل سلول، حرکت آن و ایجاد نیرو نقش دارند. در بسیاری از سلولها رشتههای اکتین به صورت شبکههایی نسبتاً نامنظم قرار گرفتهاند، اما در سلولهای عضلانی شرایط متفاوت است. در این سلولها اکتین و پروتئین دیگری به نام میوزین در ساختارهایی منظم و خطی به نام سارکومر سازماندهی میشوند. سارکومر کوچکترین واحد سازمانیافتهای است که مسئول انقباض عضله محسوب میشود.
درون سارکومر، رشتههای اکتین در هنگام انقباض روی رشتههای میوزین میلغزند و به سمت مرکز حرکت میکنند. در نتیجه طول سارکومر کاهش مییابد؛ فرآیندی که میتوان آن را مانند کشیده شدن یک بند یا ریسمان از دو طرف تصور کرد. نکته مهم این است که در این فرایند طول خود رشتههای اکتین تقریبا ثابت باقی میماند. شخار توضیح میدهد که توانایی عضلات برای انقباض مناسب بهشدت به طول رشتههای اکتین وابسته است و این طول از زمان تولد تا پایان عمر بهطور بسیار دقیق کنترل میشود. با این حال ثابت ماندن طول رشتهها به معنای ثابت ماندن اجزای تشکیلدهنده آنها نیست.
پروتئینهای اکتین در طول زمان فرسوده و تجزیه میشوند و باید با مولکولهای جدید جایگزین شوند. مدل ۴۰ ساله چگونه به چالش کشیده شد؟ هر رشته اکتین دو انتهای متفاوت دارد. یک انتها انتهای نوکدار یا منفی (minus end) و انتهای دیگر انتهای خاردار یا مثبت (plus end) نامیده میشود. بر اساس مدل پذیرفتهشده طی چند دهه گذشته مولکولهای اکتین معمولاً از انتهای منفی رشته جدا میشوند و مولکولهای جدید در انتهای مثبت به رشته اضافه میشوند.
این فرایند که تردمیلینگ (Treadmilling) نام دارد باعث میشود رشته در حالی که طول کلی خود را حفظ میکند دائما اجزای سازندهاش را جابهجا کند، اما سلولهای عضلانی یک مشکل اساسی برای این مدل ایجاد میکنند. در سارکومرها طول رشتههای اکتین باید با دقت بسیار زیادی تنظیم شود و انتهای مثبت آنها نیز توسط پروتئینی موسوم به کَپ پوشانده میشود. این پروتئین مانع اضافه شدن مولکولهای جدید به انتهای مثبت میشود بنابراین یک پرسش مهم مطرح میشد: اگر انتهای مثبت مسدود است، رشتههای اکتین چگونه میتوانند در طول عمر سلول عضلانی بازسازی و نوسازی شوند؟
شخار میگوید رشتههای اکتینی که در سارکومرهای بدن در زمان تولد وجود دارند همان رشتههایی نیستند که سالها بعد در عضلات فرد مشاهده میشوند بنابراین سلول باید سازوکاری برای ساخت و بازسازی این رشتهها داشته باشد، اما نحوه انجام این فرایند برای مدت طولانی مشخص نبود. سرنخ از سم باکتری عامل وبا آمد سرنخ مهم این معما از پژوهشهای پیشین شخار و همکارانش در دانشگاه ایالتی اوهایو به دست آمد. آن مطالعات روی سمی تمرکز داشت که باکتری Vibrio cholerae عامل بیماری وبا تولید میکند.
این سم در سلولهای غیرعضلانی میتواند ماشین مولکولی اکتین را دستکاری کند و روند معمول تردمیلینگ را معکوس کند بهطوری که رشتههای اکتین به جای انتهای مثبت از انتهای منفی یا نوکدار رشد کنند. این رفتار غیرمعمول پژوهشگران را به این فکر انداخت که شاید سلولهای عضلانی سالم نیز از سازوکاری مشابه استفاده کنند. اگر چنین فرضیهای درست بود، باید پروتئینی وجود میداشت که بتواند رشد اکتین را از انتهای منفی رشته تحریک کند. پژوهشگران در ادامه توجه خود را به لیومودین ۲ معطوف کردند، پروتئینی که در نزدیکی انتهای نوکدار رشتههای اکتین در سلولهای عضلانی قلب قرار دارد.
سوداپتا بیسواس، دانشجوی دکتری دانشگاه اموری و نویسنده اول مقاله میگوید لیومودین ۲ دارای بخشهایی است که شباهتهایی با ساختارهای موجود در سم باکتری Vibrio دارند. مطالعات آزمایشگاهی قبلی نیز سرنخهای مهمی درباره نقش لیومودین ۲ ارائه کرده بودند. زمانی که این پروتئین از سلولهای عضله قلب حذف میشد رشتههای اکتین کوتاهتر میشدند. در مقابل افزایش بیش از حد مقدار لیومودین ۲ باعث میشد رشتههای اکتین بیش از اندازه رشد کنند. با وجود این شواهد هنوز مشخص نبود این پروتئین دقیقا در سطح مولکولی چگونه بر طول رشتههای اکتین تاثیر میگذارد.
مشاهده رشد اکتین در سطح یک مولکول برای پاسخ به این پرسش بیسواس از یکی از روشهای پیشرفته تصویربرداری سلولی یعنی میکروسکوپی فلورسانس بازتاب داخلی کلی با کمک میکروفلوئیدیک (mf-TIRF) استفاده کرد. این روش امکان مشاهده حرکت تکتک مولکولهای پروتئینی را هنگام ساخته شدن یا تجزیه شدن رشتههای اکتین فراهم میکند. آزمایشگاه شخار یکی از تعداد معدود آزمایشگاههای جهان است که از این فناوری برای مطالعه مستقیم رشد و فروپاشی رشتههای اکتین استفاده میکند. در این روش پژوهشگران پروتئینهای مختلف را با رنگهای فلورسنت متفاوت علامتگذاری میکنند.
سپس پروتئینها در یک سامانه میکروفلوئیدیک قرار میگیرند و حرکت آنها با استفاده از نور منتشرشده از برچسبهای فلورسنت دنبال میشود. بیسواس ابتدا مولکولهای لیومودین ۲ را به کف محفظه میکروفلوئیدیک متصل کرد. سپس مولکولهای اکتین را که با رنگ فلورسنت قرمز علامتگذاری شده بودند وارد سامانه کرد. اکتین شروع به تشکیل رشتههایی کرد که انتهای نوکدار آنها به کمک لیومودین ۲ در جای خود ثابت مانده بود.
در نتیجه، رشتههای قرمز اکتین مانند کرمهای بسیار کوچک و درخشان از محل اتصال خود رشد میکردند، اما پرسش اصلی همچنان باقی بود: آیا واقعا مولکولهای جدید اکتین در همان انتهای نوکدار به رشته اضافه میشوند؟ تغییر رنگ پاسخ معما را آشکار کرد پژوهشگران برای آزمایش مستقیم این موضوع منبع دیگری از مولکولهای اکتین را وارد سامانه کردند، این بار اکتینها با رنگ فلورسنت سبز علامتگذاری شده بودند. مولکولهای سبز اکتین در محل اتصال لیومودین ۲ تجمع پیدا کردند.
با اضافه شدن هر دسته جدید از اکتینهای سبز بخشهای قرمز قبلی رشتهها در جهت جریان سیال از محل پایه فاصله بیشتری گرفتند. این تغییر رنگ نشان داد که مولکولهای جدید اکتین واقعا در انتهای نوکدار یا منفی رشته اضافه شدهاند نه اینکه رشد صرفاً از انتهای مقابل انجام شود. بیسواس میگوید این آزمایش نخستین شواهد مستقیم مولکولی را ارائه کرده است که نشان میدهد رشتههای اکتین میتوانند از انتهای نوکدار خود رشد کنند، نتیجهای که باور قدیمی درباره غیرممکن بودن چنین فرایندی را به چالش میکشد.
ارتباط مستقیم با بیماری قلبی این کشف تنها یک مسئله بنیادی در زیستشناسی سلولی را حل نمیکند بلکه میتواند به توضیح چگونگی بروز برخی بیماریهای عضلانی نیز کمک کند. پژوهشگران نشان دادهاند که تغییر در عملکرد لیومودین ۲ میتواند به تشکیل رشتههای اکتین غیرطبیعی منجر شود. بسته به نوع اختلال این رشتهها ممکن است بیش از حد کوتاه و نازک یا بیش از اندازه بلند و نازک شوند. اهمیت این موضوع زمانی بیشتر میشود که بدانیم جهشهای ژنتیکی مرتبط با Leiomodin ۲ با بیماری کاردیومیوپاتی اتساعی ارتباط دارند.
در این بیماری عضله قلب بهتدریج ضعیف میشود و توانایی آن برای پمپاژ موثر خون کاهش پیدا میکند. اختلال در ساختار ماشین انقباضی سلولهای قلبی میتواند یکی از عوامل مهم در این روند باشد. بیسواس میگوید ارائه یک توضیح مولکولی برای اینکه چگونه نقص در لیومودین ۲ میتواند ساختار دستگاه انقباضی قلب را مختل کند گام مهمی برای ارتباط دادن یک جهش ژنتیکی با پیامدهای بیماری است. او تاکید میکند که درک سازوکار ایجاد یک بیماری در سطح مولکولی اغلب نخستین گام برای یافتن راههایی به منظور درمان یا پیشگیری از آن است. پایان یک مدل قدیمی؛
آغاز پرسشهای جدید نتایج این پژوهش نشان میدهد سلولهای عضلانی برای حفظ معماری دقیق سارکومرها احتمالا به سازوکاری بسیار متفاوت از مدل کلاسیک تردمیلینگ متکی هستند. در این مدل جدید لیومودین ۲ میتواند رشد اکتین را از انتهای نوکدار و منفی رشته هدایت کند، فرایندی که پیشتر تصور میشد در چنین شرایطی امکانپذیر نیست. این یافته نهتنها بخشی از یک مدل علمی قدیمی درباره پویایی اکتین را تغییر میدهد بلکه توضیح تازهای برای چگونگی بازسازی مداوم ساختارهای انقباضی عضلات ارائه میکند.
به این ترتیب آنچه زمانی یک رشد غیرممکن به نظر میرسید اکنون بهعنوان بخشی از سازوکار طبیعی بازسازی رشتههای عضلانی مطرح شده است، سازوکاری که ممکن است سرنخهای تازهای برای فهم و در آینده درمان برخی بیماریهای قلبی و عضلانی در اختیار دانشمندان قرار دهد. انتهای پیام/
منبع: خبرگزرای برنا
