تمرکز بر روی فیبریلها؛ دانشمندان نگاهی اجمالی به تودههای پروتئین هانتینگتون میاندازند
دانشمندان از میکروسکوپهای قدرتمند برای بررسی قطعات چسبنده پروتئین بیماری هانتینگتون استفاده کردهاند و این ساختارها را روشن میکنند که تصور میشود محرک این بیماری هستند.
گروهی از دانشمندان EPFL در لوزان، سوئیس، مقالهای را در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر کردهاند که در آن تودههایی متشکل از قطعهای از پروتئین هانتینگتون را توصیف میکنند. کلمهای که معمولاً برای توصیف اینها استفاده میشود «تجمع» است. این تیم با استفاده از میکروسکوپهای بسیار قدرتمند، توانستند بزرگنمایی کنند و از نزدیک به جزئیات ساختارهای سهبعدی این نمونهها نگاه کنند. تصور میشود که تجمع پروتئین هانتینگتون یک ویژگی مهم بیماری هانتینگتون (HD) است و به پیشرفت بیماری کمک میکند. اما تا همین اواخر اطلاعات بسیار کمی در مورد ظاهر آنها داشتیم. دانشمندان با این نگاههای اجمالی جدید و هیجانانگیز از تودهها زیر میکروسکوپ، امیدوارند ابزارهایی برای تجسم آنها در مغز افراد مبتلا به HD بسازند، یا حتی تودههای مضر را به سطل زباله در سلولهای مغزی بفرستند.
تجمع، آمیلوئید و فیبر – اینها همه به چه معناست؟
بسیاری از بیماریهای مؤثر بر مغز، از جمله بیماریهای عصبی مانند پارکینسون، آلزایمر و هانتینگتون، با تجمع تودههای مولکولهای پروتئینی در سلولهای مغزی مشخص میشوند. در HD، این یک قطعه کوچک و چسبنده از خود پروتئین هانتینگتون است که این تودهها را تشکیل میدهد، که دانشمندان اغلب از آن به عنوان تودههای هانتینگتون یاد میکنند.
«تجمع» یک واژه فانتزی است برای زمانی که تعداد زیادی از نسخههای یک مولکول پروتئینی به هم میچسبند تا ساختارهای سهبعدی بسیار بزرگتری ایجاد کنند. گاهی اوقات این تودهها یک آشفتگی درهم و برهم از تعداد زیادی مولکول پروتئینی هستند که همگی درهم و برهم هستند. اما در مواقع دیگر، مولکولها بسیار سازمانیافتهتر هستند و ساختارهای تکراری تشکیل میدهند. برخی از این ساختارهای سازمانیافتهتر شبیه الیاف هستند و آمیلوئید یا فیبریل نامیده میشوند.
میتوانید این سازماندهیهای مختلف مولکولهای پروتئینی را مانند یک برج آجرهای جنگا در نظر بگیرید. هر آجر نشاندهنده یک مولکول پروتئینی است. وقتی آجرها به طور مرتب در کنار هم چیده شدهاند و یک برج را تشکیل میدهند، این کمی شبیه آمیلوئیدها یا فیبریلهای پروتئینی به نظر میرسد. اما وقتی آجرها در نهایت به صورت یک توده نامرتب سقوط میکنند، این بیشتر شبیه چیزی است که فکر میکنیم یک توده پروتئینی نامنظم ممکن است به نظر برسد.
دانشمندان عموماً (و به طرز آزاردهندهای) عاشق اصطلاحات تخصصی هستند، بنابراین خواهید دید که آنها اغلب از همه این کلمات به جای یکدیگر استفاده میکنند. اما برای اهداف این مقاله، ما قصد داریم بر روی فیبریلهای هانتینگتون تمرکز کنیم. الیاف سهبعدی سازمانیافتهای که از تعداد زیادی نسخه از یک قطعه کوچک و چسبنده از پروتئین هانتینگتون ساخته شدهاند.
از موشها و مردان… و باکتریها
تجمع پروتئین هانتینگتون یک ویژگی طولانیمدت بیماری هانتینگتون است. در مغز افرادی که از HD فوت کردهاند، میتوانیم از رنگها و سایر برچسبهای شیمیایی جالب برای دیدن این تودهها زیر میکروسکوپ در انواع مختلف سلولهای عصبی استفاده کنیم. در مدلهای حیوانی HD، که از نظر ژنتیکی مهندسی شدهاند تا قطعه کوچک چسبنده پروتئین هانتینگتون را بسازند، دانشمندان نشان دادهاند که این تودهها با گذشت زمان جمع میشوند. در بسیاری از حیوانات مدل HD، سطح تودهها در قسمتهای مختلف مغز با شدت علائم شبیه HD مرتبط است.
«باکتریها توسط دانشمندان مهندسی شدهاند تا کارخانههای پروتئین هانتینگتون باشند و تعداد زیادی نسخه از این مولکول را بسازند»
یکی از مشکلات بررسی تودهها در مغز این است که مولکولهای زیادی در سلولهایی که تودهها را در آن پیدا میکنیم وجود دارد، بنابراین ما عموماً باید از رنگهای خاصی استفاده کنیم که به تودهها میچسبند تا آنها را ببینیم. با این حال، این رویکرد بینش بسیار دقیقی در مورد انواع تودههای موجود یا ساختارهای سهبعدی آنها به ما نمیدهد.
برای غلبه بر این مشکل، دانشمندان به نمونههای بسیار خالص تودهها نگاه میکنند که به طور مصنوعی در آزمایشگاه میسازند. باکتریهای بیضرر توسط دانشمندان مهندسی شدهاند تا کارخانههای پروتئین هانتینگتون باشند و تعداد زیادی نسخه از این مولکول را بسازند. سپس دانشمندان میتوانند هانتینگتون را از باکتریها بیرون بکشند و از این نمونهها برای ساخت فیبریلها در یک لوله آزمایش استفاده کنند که شبیه فیبریلهایی است که در افراد میبینیم. فیبریلها را میتوان با پروتئین هانتینگتون منبسط نشده یا هانتینگتون منبسط شده، مطابق با پروتئین هانتینگتون با و بدون جهش HD، ساخت. این بدان معناست که دانشمندان میتوانند اثرات جهش HD را بر روی فیبریلها بررسی کنند.
میکروسکوپهای قدرتمند چه چیزی را میتوانند در مورد این تودهها آشکار کنند؟
پس از ساخت این نمونههای فیبریل هانتینگتون مصنوعی، تیم محققان از سوئیس با استفاده از یک قطعه تجهیزات فانتزی به نام میکروسکوپ الکترونی کرایوژنیک به آنها نگاه کردند. این نوع میکروسکوپ به شما امکان میدهد واقعاً بزرگنمایی کنید و فیبریلها را با جزئیات زیادی ببینید. فیبریلها بسیار کوچک هستند – فقط 3-10 نانومتر عرض دارند، حدود 100000 برابر کوچکتر از ضخامت ناخنهای شما – اما به راحتی زیر این نوع میکروسکوپ قابل مشاهده هستند.
در این مطالعه، دانشمندان تصاویر زیادی از فیبریلها با استفاده از میکروسکوپ گرفتند و سپس از نرمافزار ویژهای برای میانگینگیری تصاویر مشابه استفاده کردند. این فرآیند میانگینگیری کیفیت تصویر را بهبود میبخشد، که باعث میشود ویژگیهای فیبریلها راحتتر دیده شوند – کمی شبیه تغییر کنتراست یا روشنایی صفحه تلفن خود برای دیدن واضحتر صفحه نمایش.
دانشمندان از این تصاویر فیبریلها توانستند ابعاد آنها را اندازهگیری کنند و نحوه سازماندهی تمام مولکولهای پروتئین هانتینگتون را مشخص کنند. آنها میتوانستند ببینند که آنها روی هم چیده شدهاند و به صورت نوارهای مسطح در کنار هم قرار گرفتهاند، کمی شبیه این است که تعداد زیادی آجر جنگا را بردارید و همه آنها را در کنار یکدیگر ردیف کنید تا یک لایه نازک و تکی از آجرها ایجاد کنید. بسیاری از نوارهای هانتینگتون روی هم در فیبریلها لایهبندی شدهاند، که انگار لایههای بیشتر و بیشتری از آجرهای جنگا را که در کنار هم قرار گرفتهاند، روی لایه اول اضافه کردهاید.
جالب اینجاست که محققان دریافتند که جهش HD منجر به تغییراتی در ابعاد فیبریلهای پروتئین هانتینگتون و همچنین تغییراتی در تعداد نوارهای هانتینگتون که روی هم چیده شدهاند، میشود. دانشمندان همچنین فیبریلهایی را از یک قطعه حتی کوچکتر از پروتئین هانتینگتون ساختند که فاقد ناحیهای در ابتدای مولکول است. آنها نشان دادند که این فیبریلها بسیار نامنظمتر هستند و از مخلوطی از سازماندهیهای مختلف مولکولهای پروتئین هانتینگتون تشکیل شدهاند.
این یافتهها مهم هستند زیرا نشان میدهند که جهش بیماری هانتینگتون و سایر نواحی ژن هانتینگتون بر ساختار سهبعدی و سازماندهی فیبریلهای پروتئین هانتینگتون تأثیر میگذارند. فیبریلهایی که یکنواخت یا نامنظمتر هستند، ممکن است به روشهای مختلف در کارها اختلال ایجاد کنند، بنابراین درک این موضوع مهم است.
این کار چگونه به افراد مبتلا به بیماری هانتینگتون کمک میکند؟
درک عمیق ما از ساختار تودهها در مغز بیماری هانتینگتون هنوز تا حدودی در مراحل ابتدایی خود است، اما میتوانیم به کار در سایر زمینههای بیماری نگاه کنیم تا ببینیم این نوع مطالعه چه وعدهای میتواند داشته باشد (فراتر از تولید تصاویر واقعاً جالب از فیبریلها البته).
«جهش بیماری هانتینگتون بر ساختار سهبعدی و سازماندهی فیبریلهای پروتئین هانتینگتون تأثیر میگذارد»
در زمینه تحقیقات بیماری آلزایمر، اکنون از این نوع رویکرد برای بررسی فیبریلهای مغز بیمارانی که فوت کردهاند استفاده میشود. این کار سطح شگفتانگیزی از جزئیات ساختارهای فیبریل را نشان داده است و دقیقاً نشان میدهد که هر اتم در کجا قرار دارد. دانشمندان با مقایسه فیبریلهای افراد مبتلا به اشکال مختلف بیماری آلزایمر، میتوانند تفاوتهای ظریفی را در سازماندهی آنها ببینند و نشان دادند که تفاوتهایی بین بیماران، مدلهای حیوانی بیماری آلزایمر و فیبریلهای مصنوعی تولید شده در آزمایشگاه وجود دارد. برای انواع دیگر فیبریلهایی که دانشمندان بررسی کردهاند، تنوع از بیمار به بیمار قابل توجه است، اگرچه هنوز مشخص نیست که این چگونه با علائم یا شدت بیماری مرتبط است.
مطالعات دیگر نشان میدهند که چگونه مولکولهای تصویربرداری مغز به نام لیگاند PET به فیبریلها متصل میشوند. زمینه هانتینگتون یک لیگاند PET دارد که به فیبریلها متصل میشود (ما اخیراً در HDBuzz در مورد این موضوع نوشتیم) اما هنوز دقیقاً نمیدانیم که در کجا به این ساختارها متصل میشود، بنابراین شاید روزی دانشمندان بتوانند از این رویکرد برای درک بهتر لیگاند PET استفاده کنند.
به طور کلی، کار محققان در EPFL یک گام هیجانانگیز به جلو است زیرا ما شروع به درک بیشتر در مورد فیبریلهای هانتینگتون میکنیم و پایهای برای مطالعات آینده گذاشته است که در آن ممکن است اطلاعات بیشتری در مورد این ویژگی مهم HD به دست آوریم.
بیشتر بدانید
برای اطلاعات بیشتر در مورد سیاست افشای اطلاعات ما، به سوالات متداول مراجعه کنید…
