محققان NIH ساختار سه بعدی پروتئین چشمک را توسعه دادند



محققان مؤسسه ملی سلامت ساختاری سه بعدی ایجاد کرده اند که به آنها امکان می دهد ببینند چگونه و کجا جهش های بیماری در پروتئین چشمک می تواند منجر به بیماری های میتوکندری شود. این پروتئین در کمک به سلول ها برای استفاده از انرژی که بدن ما از غذا تبدیل می کند، نقش دارد. قبل از توسعه این ساختار سه بعدی، محققان فقط مدل هایی داشتند و نمی توانستند تعیین کنند که این جهش ها چگونه به بیماری کمک می کند. بیماری‌های میتوکندری گروهی از بیماری‌های ارثی هستند که از هر 5000 نفر 1 نفر را مبتلا می‌کند و درمان‌های بسیار کمی دارند.

برای اولین بار، ما می توانیم جهش هایی را که باعث تعدادی از این بیماری های ویرانگر می شوند، ترسیم کنیم. پزشکان اکنون می‌توانند ببینند که این جهش‌ها در کجا قرار دارند و می‌توانند از این اطلاعات برای کمک به شناسایی دقیق علل و کمک به خانواده‌ها در انتخاب، از جمله تصمیم‌گیری در مورد بچه‌دار شدن بیشتر استفاده کنند.»


آماندا ای. ریچیو، دکترا، نویسنده اصلی، محقق در گروه تکثیر DNA میتوکندریایی موسسه ملی علوم بهداشت محیطی (NIEHS)

یافته‌های جدید به‌ویژه برای توسعه درمان‌های هدفمند برای بیمارانی که از بیماری‌های میتوکندریایی مانند افتالموپلژی خارجی پیشرونده رنج می‌برند، مرتبط خواهد بود، وضعیتی که می‌تواند منجر به از دست دادن عملکرد عضلانی درگیر در حرکت چشم و پلک شود. سندرم پررو، یک اختلال ژنتیکی نادر که می تواند باعث کاهش شنوایی شود. آتاکسی نخاعی مغزی با شروع نوزادی، یک اختلال عصبی ارثی. و سندرم کاهش DNA میتوکندری کبدی (mtDNA)، یک بیماری ارثی است که می تواند منجر به نارسایی کبد و عوارض عصبی در دوران نوزادی شود.

مقاله ای که در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ظاهر می شود نشان می دهد که چگونه محققان NIEHS اولین کسانی بودند که به طور دقیق انواع مرتبط بالینی در هلیکاز چشمک را ترسیم کردند، آنزیمی که مارپیچ دوگانه DNA میتوکندری را باز می کند. ساختار چشمک و تمام مختصات اکنون در بانک داده های پروتئینی باز موجود است که به صورت رایگان در دسترس همه محققان است.

دکتر ویلیام سی. کوپلند، که سرپرستی گروه تکثیر DNA میتوکندریایی را بر عهده دارد و نویسنده مسئول مقاله است، خاطرنشان کرد: “ساختار چشمک برای سال‌ها از محققان دور بوده است. کار با آن یک پروتئین بسیار دشوار است.” “با تثبیت پروتئین و استفاده از بهترین تجهیزات در جهان، ما توانستیم آخرین قطعه گم شده را برای رپلیزوم DNA میتوکندری انسانی بسازیم.”

محققان از میکروسکوپ کرایو الکترونی (CryoEM) استفاده کردند که به آنها اجازه داد تا درون پروتئین و ساختارهای پیچیده صدها اسید آمینه یا باقیمانده و نحوه تعامل آنها را ببینند.

میتوکندری ها که مسئول تولید انرژی هستند، به ویژه در برابر جهش آسیب پذیر هستند. جهش‌های mtDNA می‌توانند توانایی آن‌ها برای تولید انرژی موثر برای سلول را مختل کنند. برخلاف سایر ساختارهای تخصصی در سلول ها، میتوکندری ها DNA خاص خود را دارند. در هسته سلول دو نسخه از هر کروموزوم وجود دارد، اما در میتوکندری ممکن است هزاران نسخه از mtDNA وجود داشته باشد. داشتن تعداد زیادی کروموزوم میتوکندریایی به سلول اجازه می دهد تا چند جهش را تحمل کند، اما تجمع بیش از حد نسخه های جهش یافته منجر به بیماری میتوکندری می شود.

برای انجام این مطالعه، محققان از یک جهش بالینی به نام W315L استفاده کردند که به عنوان عامل افتالمپلژی خارجی پیشرونده شناخته شده است تا ساختار را حل کنند. آنها با استفاده از CryoEM توانستند هزاران ذره پروتئینی را که در جهت‌های مختلف ظاهر می‌شوند، مشاهده کنند. ساختار نهایی یک آرایش دایره ای چند پروتئینی را نشان می دهد. آنها همچنین از طیف‌سنجی جرمی برای تأیید ساختار استفاده کردند و سپس شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای انجام دادند تا بفهمند چرا جهش منجر به بیماری می‌شود.

در یک چشمک، آنها توانستند تا 25 جهش عامل بیماری را نقشه برداری کنند. آنها دریافتند که بسیاری از این جهش‌های بیماری دقیقاً در محل اتصال دو زیرواحد پروتئینی نقشه‌برداری می‌کنند، که نشان می‌دهد جهش‌ها در این ناحیه نحوه تعامل زیرواحدها را تضعیف می‌کنند و هلیکاز را قادر به کار نمی‌کنند.

ریچیو توضیح داد: “آرایش چشمک زدن بسیار شبیه یک پازل است. یک جهش بالینی می تواند شکل قطعات چشمک زن را تغییر دهد و ممکن است دیگر برای انجام عملکرد مورد نظر به درستی در کنار هم قرار نگیرند.”

Matthew J. Longley، Ph.D.، نویسنده و محقق NIEHS، گفت: «آنچه در مورد دکتر Riccio و کار تیم بسیار زیبا است این است که ساختار به شما امکان می دهد تعداد زیادی از این جهش های بیماری را در یک مکان جمع آوری کنید. “بسیار غیرعادی است که یک مقاله را ببینیم که بسیاری از جهش‌های بالینی را توضیح می‌دهد. به لطف این کار، ما یک قدم به داشتن اطلاعاتی نزدیک‌تر شده‌ایم که بتوان از آنها برای توسعه درمان‌هایی برای این بیماری‌های ناتوان‌کننده استفاده کرد.”

منبع:

موسسه ملی بهداشت

مرجع مجله:

ریچیو، AA، و همکاران (2022) بینش ساختاری و توصیف هلیکاز چشمک زن در بیماری میتوکندری. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207459119.



منبع