فتح علمي جديد لعلاج الامراض
مصر: ايهاب محمد زايد
فتح دراسة جديدة حول البروتين الرئيسي الموجود في الكلى والدماغ سبلًا لعلاج الأمراض
كثيرا ما يكمن الشيطان في التفاصيل. بالنسبة للبروتينات التي تنظم الأعمال الجزيئية للحياة ، هناك شياطين وملائكة في تفاصيلها ، وصولاً إلى الذرات المكونة للبروتينات. إنه على هذا المستوى من التفاصيل الهيكلية حيث يمكن أن يتمحور التوازن بين الصحة والمرض ، حتى الحياة والموت.
أظهر تعاون بين أطباء الكلى وعلماء الأعصاب في جامعة كولومبيا ، الذي نُشر اليوم (6 فبراير) على الإنترنت في مجلة Cell ، القيمة التي تنشأ من التحالفات غير الشائعة. كشفوا وزملاؤهم في أماكن أخرى لأول مرة عن صورة لبروتين الحياة والموت بوضوح كافٍ ليكشف أخيرًا كيف يعمل: عبّارة صغيرة لركاب الجزيئات التي يجب أن تعبر ما يقرب من تريليون غشاء خلوي في الأنسجة والأعضاء تتراوح من الكلى والمخ إلى الأذن الداخلية والحويصلات الهوائية في الرئتين.
قال جوناثان باراش ، دكتوراه في الطب ، دكتوراه: “مع الفهم الآلي الجديد لهذا البروتين الرئيسي ، وكيف يمكن للطفرات الموجودة فيه أن توقفه ، نأمل أن تكشف الأبحاث اللاحقة أهدافًا جديدة لعلاج أمراض الكلى والدماغ”. ، خبير وطبيب في طب المسالك البولية وأمراض الكلى في كلية فاجيلوس للأطباء والجراحين في كولومبيا ومؤلف مماثل في الورقة. “هذه الفتحات العلاجية الجديدة ترجع إلى الهياكل البروتينية المذهلة التي اكتشفها زملائي في كولومبيا ، أندرو بينكن ، وأنتوني فيتزباتريك ولاري شابيرو.”
يتصور الدكتور باراش والمؤلفون المشاركون معه أن الهياكل البروتينية الجديدة عالية الدقة ستشير إلى خيوط علاجية لعلاج الأمراض المنتشرة مثل إصابات الكلى الحادة (التي تؤثر على أكثر من 4 ملايين مريض سنويًا في الولايات المتحدة) ، وأمراض الكلى المزمنة (التي تصيب حوالي 800 مليون شخص في جميع أنحاء العالم) ومرض الزهايمر (يؤثر على ما يقدر بنحو 32 مليون شخص على مستوى العالم) ، ونادرًا مثل متلازمة دوناي بارو (التي تؤثر على أقل من 1000 أمريكي) ، وهو اضطراب وراثي له عواقب جسدية ومعرفية متعددة.
يُعرف البروتين باسم LRP2 ، وهو عضو في عائلة بروتينات LRP الموجودة في كائنات تتراوح من الديدان إلى البشر. بالمقارنة مع معظم البروتينات الموجودة على أغشية الخلايا ، فإن LRPs ضخمة جدًا ، لدرجة أن العلماء الذين اكتشفوا LRP2 في أوائل الثمانينيات ، مارلين فاركوهار ودونتشو كيرجاشكي ، أطلقوا عليها اسم ميغالين. يتم بناء بعض LRPs من أكثر من 4600 من الأحماض الأمينية ، وهي اللبنات الجزيئية لجميع البروتينات.
في خلايا الكلى ، يعد LRP2 أمرًا ضروريًا لاستعادة الجزيئات القابلة لإعادة الاستخدام من النفايات الأيضية المفلترة من سوائل الجسم ، وبالتالي لا يضطر الجسم إلى إنفاق الطاقة والموارد لإنتاجها مرة أخرى. لكل من هذه الخلايا ، من المحتمل أن يكون هناك عشرات الآلاف من بروتينات LRP2 ، موزعة على السطح مثل بذور الفراولة.
قال الدكتور باراش: “تواجه الكلى استعادة 99٪ من ملح الجسم والماء الذي يمر عبر مرشحات العضو ، وأيضًا باستعادة 100٪ من البروتينات الصغيرة التي كانت ستخرج في البول وتخرج من الجسم”. “كانت هناك أفكار عامة حول كيفية عمل هذا الاسترداد ، ولكن تم حل خصوصيتها الآن.”
هذا هو المكان الذي يأتي فيه زملاء الدكتور باراش. أحدهم هو أندرو بينكن ، دكتوراه في الطب ، دكتوراه ، عالم الكيمياء الحيوية وأخصائي أمراض الكلى في كولومبيا والمؤلف الأول للورقة. من المعروف أن بروتينات الغشاء مثل تلك الموجودة في عائلة LRP يصعب عزلها ، ناهيك عن تحديدها بالتفصيل. اجتاز الدكتور بينكن خطوة عملاقة حول هذا المأزق بعملية شاقة استخدم فيها مجموعة من التقنيات البيوكيميائية.
قال لورانس شابيرو ، دكتوراه ، وهو باحث رئيسي في معهد زوكرمان وأستاذ الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية الجزيئية في كلية فاجيلوس للأطباء والجراحين في كولومبيا. إن خبرة الدكتور شابيرو في إثارة كيف أن البنية المعقدة للبروتين تولد وظائفه البيولوجية ستثبت أنها حاسمة في فك شفرة آلية عبّارة LRP2.
بمزيج من المهارة والإبداع والتصميم ، حصد الدكتور بينكن ما يكفي من بروتين LRP2 من 500 كلية فأر لترسيخ البروتين في عينة ذات حجم ونقاء كافيين للتحليل باستخدام تقنيات الفحص المجهري المتقدمة. في حصاده لجزيئات LRP2 ، قام الدكتور بينكين بعمل بجولة بيوكيميائية قوية: التقاط بروتينات LRP2 المحصورة في اثنين من تكويناتها الرئيسية ، وهو إنجاز معملي حاسم للكشف عن أفعال البروتين الشبيهة بالآلة في الخلايا.
هذا هو المكان الذي جاءت فيه خطوة بحثية عملاقة ثانية ، قاد هذه الخطوة المؤلف المقابل أنتوني فيتزباتريك ، دكتوراه ، رائد في مجال الفحص المجهري الإلكتروني المبرد ، وهو مناسب بشكل خاص لدراسة البروتينات الكبيرة والجزيئات الحيوية الأخرى.
من خلال مجهر إلكتروني مبرد من طابقين ومبرد بالنيتروجين السائل ، قام الدكتور فيتزباتريك والدكتور بينكين بجمع كميات هائلة من البيانات الهيكلية باستخدام عينات LRP2 التي حصل عليها الدكتور بينكن بشق الأنفس. بعد ذلك ، مع الاستخدام الماهر للأدوات الحسابية القوية لفهم البيانات ، أنتج الباحثون هياكل بروتينية ثلاثية الأبعاد بتفاصيل شبه ذرية.
قال الدكتور فيتزباتريك ، الباحث الرئيسي في معهد زوكرمان والأستاذ المساعد للكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية الجزيئية في كلية فاجيلوس للأطباء والجراحين في كولومبيا: “لدينا الآن أفضل خرائط ثلاثية الأبعاد لبروتين LRP2 تم إنشاؤها على الإطلاق”. مع هذه الخرائط ، و يمكن أن يبدأ شابيرو ، وهو أيضًا أحد المؤلفين للورقة ، في اكتشاف الآلية الرائعة التي يعمل بها LRP2 في الخلايا.
يلتقط أحد المطابقات التي تم تعيينها شكل LRP2 عندما يتواجد على غشاء الخلية وداخله. هذا هو المكان الذي يلتقط فيه البروتين الركاب الجزيئي من السائل خارج الخلية – سواء من البول المنتج في الكلى أو السائل المحيط بخلايا الدماغ. من بين هؤلاء الركاب بروتينات صغيرة ، بما في ذلك تاو وأميلويد بيتا (كلاهما متورط في مرض الزهايمر) والأنسولين والبروتينات التي تنقل الفيتامينات A و D حول الخلايا.
التشكل الآخر LRP2 هو الذي ينجذب إليه البروتين بعد أن يصبح مغلفًا بقليل من غشاء الخلية وينتقل إلى مواقع داخل الخلية. إنه في هذه الكبسولات الصغيرة ، الإندوسومات ، حيث يمكّن البروتين المتغير الشكل إما ركابه الجزيئي من إعادة التدوير سليمة للاستخدام الإضافي أو أن يتم تفكيكها إلى مكونات قابلة لإعادة الاستخدام أو يمكن التخلص منها.
من خلال هذا الزوج من هياكل LRP2 ، تمكن الفريق من تحديد أن البروتين يخضع لتبديل شبيه بالآلة بين شكل صعود الركاب وشكل نزول الركاب. عندما تكون بروتينات LRP2 خالية من الطفرات ، فإنها تنجح في الحفاظ على التوازن الجزيئي ، على سبيل المثال ، في الدم وأنسجة المخ. ولكن عندما يكون هناك حتى تعديلات صغيرة في التشريح الجزيئي الضخم لـ LRPs ، يمكن أن تساهم هذه البروتينات في المرض.
في خلايا الكلى ، على سبيل المثال ، تتراجع بروتينات LRP2 المعيبة عن مهمتها الطبيعية المتمثلة في استرجاع البروتينات التي كانت ستفقد في البول لولا ذلك. يمكن أن يؤدي ذلك إلى مجموعة متنوعة من الحالات بما في ذلك مرض الكلى المزمن ومتلازمة دوناي بارو والحالات التي تكون قاتلة في مراحل حديثي الولادة.
في الدماغ ، عادةً ما يساعد LRP2 (و LRP1 المرتبط به) في إزالة مجموعة متنوعة من السموم ، من بينها شظايا بروتين تاو ، التي ارتبطت منذ فترة طويلة بمرض الزهايمر. ولكن تبين أيضًا أن بروتينات عائلة LRP تنقل مثل هذه الأجزاء بين خلايا الدماغ ، مما قد يساهم في عملية المرض يمكنك أن تتخيل أن محاولة منع حدوث ذلك مع عقار ما يمكن أن يكون مفيدًا ، “قال الدكتور شابيرو.
هذا هو المكان الذي تأتي فيه قوة المبردة الكهرومغناطيسية قوية.
قال الدكتور فيتزباتريك: “إذا كنت تعرف بالضبط التفاصيل الذرية الخاصة بمكان ارتباط تاو ، يمكنك في الواقع منع ذلك باستخدام إما جسم مضاد أو جزيء صغير”. “يمكن أن يوصلك Cryo-EM إلى مستوى التفاصيل الذي تحتاجه للعمل على علاجات جديدة محتملة.”
قال الدكتور بينكن: “هذه بداية طريق طويل لاكتشاف كيفية عمل بروتينات LRP هذه والأهداف الدوائية الجديدة لمجموعة من الأمراض
