نجات توسط کرم‌ها: جداسازی هانتینگتین خوب، بد و کلوخه‌ای

بیماری هانتینگتون (HD) یک اختلال مغزی کشنده است که ناشی از نقص در ژن هانتینگتین (HTT) است که یک پروتئین فوق‌العاده طولانی تولید می‌کند. این نقص باعث می‌شود پروتئین HTT کلوخه‌های مضر یا «توده‌ها» را در داخل سلول‌ها تشکیل دهد، فرآیندی که در سایر بیماری‌های عصبی مانند آلزایمر و پارکینسون نیز رایج است. با کلوخه شدن پروتئین‌ها، اشکال و ساختارهای مختلفی را تشکیل می‌دهند که برخی از آن‌ها مضرتر از بقیه هستند.

شناسایی نوع خاصی از کلوخه پروتئینی که بیشترین آسیب را به سلول‌ها وارد می‌کند، مهم است، زیرا اشکال مختلف ممکن است به روش‌های مختلفی باعث آسیب شوند و این می‌تواند راهنمای توسعه درمان‌های HD باشد. در یک کار جدید که در یک مجله تحقیقاتی شیمی منتشر شده است، تیمی از محققان آزمایش کردند که اشکال مختلف کلوخه‌های پروتئین HTT چقدر مضر هستند. آن‌ها همچنین خواص این کلوخه‌های پروتئینی را دستکاری کردند تا اثرات مضر آن‌ها را کاهش دهند. بنابراین آن‌ها چه چیزی را کشف کردند و این برای HD چه معنایی دارد؟

پروتئین‌ها به عنوان آجرهای ساختمانی

یک قیاس برای توضیح انواع مختلف کلوخه‌های پروتئینی این است که به آجرهای مورد استفاده در ساخت و ساز فکر کنید. پروتئین‌های طبیعی مانند آجرهای ساختمانی هستند که به درستی برش داده شده و روی هم چیده شده‌اند. مانند آجرهای شکسته، پروتئین‌های آسیب‌دیده یا جهش‌یافته می‌توانند با گذشت زمان به روش‌های مختلفی جمع شوند:

اولیگومرها (اولین خوشه‌های تشکیل شده): توده‌های کوچک و نامنظم از چند آجر بدشکل یا شکسته، به اندازه کافی کوچک که به راحتی جابجا شوند.

توده‌های بی‌شکل (کلوخه‌های نامنظم): یک توده نامرتب از انواع آجرهای آسیب‌دیده که در گوشه‌ای ریخته شده‌اند که فاقد ساختار مشخصی است و جابجایی آن دشوار است.

فیبریل‌های آمیلوئیدی (فیبرهای منظم): پشته‌ای از آجرها که به قسمت‌هایی از دیوار مونتاژ شده‌اند که هیچ عملکردی ندارند، اما به راحتی قابل جابجایی یا جداسازی نیستند.

سلول‌های ما دارای سیستم‌های کنترلی هستند که به عنوان یک گروه پاکسازی ساختمانی عمل می‌کنند که سعی می‌کنند آجرهای آسیب‌دیده را قبل از اینکه به توده‌های مشکل‌ساز تبدیل شوند، مرتب، مرتب‌سازی مجدد یا حذف کنند. با این حال، در بیماری‌هایی مانند HD، این سیستم کنترل می‌تواند تحت فشار قرار گیرد. با گذشت زمان، HTT گسترش یافته بیش از حد برای آن‌ها وجود دارد که بتوانند با آن همراه شوند. به عبارت دیگر، آجرهای آسیب‌دیده بسیار زیادی وجود دارد.

جداسازی با چرخش

محققان می‌خواستند به یک سوال کلیدی پاسخ دهند: کدام نوع کلوخه HTT بیشترین آسیب را می‌رساند؟ برای یافتن پاسخ، ابتدا به راهی برای جدا کردن انواع مختلف کلوخه‌ها از یکدیگر نیاز داشتند.

آن‌ها از یک چرخان آزمایشگاهی (به نام سانتریفیوژ) استفاده کردند که مانند چرخه چرخش ماشین لباسشویی عمل می‌کند—مواد را بر اساس وزن جدا می‌کند. درست مانند اینکه ماشین لباسشویی آب را از لباس‌ها دور می‌کند، چرخش با سرعت‌های مختلف کلوخه‌های HTT را بر اساس اندازه جدا می‌کند. چرخش ملایم کلوخه‌های بزرگ را جدا می‌کند، در حالی که چرخش سریع‌تر کلوخه‌های کوچک‌تر را از کلوخه‌های بزرگ‌تر جدا می‌کند.

محققان پس از جدا کردن انواع مختلف کلوخه‌های HTT، آن‌ها را به کرم‌های آزمایشگاهی کوچکی به نام C. elegans (تلفظ “سی اِل-اِ-گانز”) خوراندند تا آزمایش کنند کدام کلوخه‌ها مضرتر هستند. ممکن است استفاده از کرم‌ها برای تحقیقات HD عجیب به نظر برسد! اما این کرم‌ها اسب‌های بارکش کشف علمی هستند. برای دهه‌ها، آزمایشگاه‌ها در سراسر جهان از آن‌ها برای دستیابی به یافته‌های پیشگامانه در مورد پیری، طول عمر و نحوه رشد سلول‌ها در طول زندگی استفاده کرده‌اند.

C. elegans تقریباً به اندازه یک خط تیره (-) طول دارند، تقریباً شفاف هستند و تقریباً بدون میکروسکوپ دیده نمی‌شوند. در آزمایشگاه‌ها، آن‌ها در یک مایع یا ژل تخصصی به نام «محیط کشت» زندگی می‌کنند که در یک محیط کنترل‌شده قرار دارد که هر آنچه برای زنده ماندن نیاز دارند را دارد.

کرم‌ها اشکال مختلف کلوخه‌های HTT را خوردند و محققان بقا و حرکت کرم‌ها را در طول ۲ روز بعد اندازه‌گیری کردند. نتایج نشان می‌دهد که کلوخه‌های کوچک (اولیگومرها) مضرترین هستند و بقا و حرکت کرم‌ها را کاهش می‌دهند، در حالی که فیبریل‌های بزرگ‌تر هیچ آسیبی نمی‌رسانند. با بازگشت به قیاس آجر ما، به نظر می‌رسد که این توده‌های کوچک و متحرک آجرهای شکسته هستند که بیشترین مشکلات را ایجاد می‌کنند، نه پشته‌های بزرگ و سفت!

ساختار بر سمیت تأثیر می‌گذارد

اکنون که آن‌ها می‌دانستند کلوخه‌های کوچک سمی هستند، محققان می‌خواستند بفهمند چرا. آن‌ها آزمایش کردند که آیا تغییر ساختار این کلوخه‌ها می‌تواند آن‌ها را کم‌تر مضر کند یا خیر.

ابتدا، آن‌ها از نظر شیمیایی کلوخه‌ها را به هم «منگنه» کردند تا نتوانند به راحتی حرکت کنند. کرم‌ها بیشتر زنده ماندند. این نشان می‌دهد که انعطاف‌پذیری این کلوخه‌های کوچک، توانایی آن‌ها در تغییر و تغییر شکل، حداقل بخشی از چیزی است که آن‌ها را خطرناک می‌کند.

آن‌ها همچنین دو ترکیب آزمایشی (EGCG و ریلوزول) را آزمایش کردند که شناخته شده است که بر نحوه کلوخه شدن پروتئین‌ها تأثیر می‌گذارند. بسته به زمان اضافه شدن ترکیبات، آن‌ها بقای کرم‌ها را به روش‌های مختلفی تغییر دادند. این به ما می‌گوید که زمان‌بندی مداخله در تشکیل کلوخه مهم است و مداخلات مختلف کلوخه‌هایی با سطوح مختلف سمیت ایجاد می‌کنند. لازم به ذکر است که این ترکیبات ابزارهای تحقیقاتی هستند، نه درمان‌های بالقوه، اما به دانشمندان کمک می‌کنند تا بفهمند چه اتفاقی برای پروتئین HTT می‌افتد.

به کارگیری یافته‌ها در تحقیقات آینده

این تحقیق دو سهم مهم دارد. اول، این به دانشمندان یک روش ساده و قابل تکرار برای جدا کردن و آزمایش انواع مختلف کلوخه‌های HTT می‌دهد، چیزی که سایر آزمایشگاه‌ها اکنون می‌توانند در کار خود از آن استفاده کنند. دوم، نشان می‌دهد که ساختار و انعطاف‌پذیری کلوخه‌های پروتئینی تعیین می‌کند که چقدر سمی هستند. این یک بینش بالقوه قدرتمند است! اگر بتوانیم این کلوخه‌ها را تثبیت یا سفت کنیم، ممکن است بتوانیم آسیبی را که ایجاد می‌کنند کاهش دهیم.

این ایده که «قفل کردن» پروتئین‌های سمی می‌تواند از سلول‌ها محافظت کند، یک زاویه جدید و جذاب برای درمان‌های HD است و به طور بالقوه برای سایر بیماری‌های مرتبط با کلوخه شدن پروتئین، مانند آلزایمر و پارکینسون. البته، این آزمایش‌ها در کرم‌های ساده انجام شد، بنابراین راه طولانی در پیش است تا بدانیم آیا این رویکرد می‌تواند در افراد موثر باشد یا خیر.

مراحل بعدی شامل ردیابی اتفاقاتی است که برای این کلوخه‌های سمی پس از مصرف کرم‌ها می‌افتد. آیا آن‌ها به کلوخه شدن در داخل سلول‌ها ادامه می‌دهند؟ کدام اندام‌ها تحت تأثیر قرار می‌گیرند؟ محققان همچنین باید درک بهتری از این داشته باشند که دقیقاً کدام اشکال کلوخه‌های کوچک خطرناک‌تر هستند و آزمایش کنند که آیا این رویکرد در حیوانات پیچیده‌تر، مانند موش‌ها، موثر است یا خیر. اگر این مطالعات موفقیت‌آمیز باشند، در نهایت می‌تواند به توسعه داروهایی کمک کند که برای کاهش سمیت کلوخه‌های HTT طراحی شده‌اند.

خلاصه

• بیماری هانتینگتون (HD) ناشی از نقص در ژن HTT است که باعث می‌شود پروتئین در داخل سلول‌های مغزی به هم بچسبد. کلوخه شدن مشابهی در سایر بیماری‌های مغزی مانند آلزایمر رخ می‌دهد. این کلوخه‌ها به روش‌های مختلفی تشکیل می‌شوند، برخی کوچک و انعطاف‌پذیر (اولیگومرها) هستند در حالی که برخی دیگر بزرگ و سفت (فیبریل‌ها) هستند.
• محققان یک روش ساده با استفاده از چرخش برای جدا کردن انواع مختلف کلوخه‌های HTT ایجاد کردند تا بتوانند هر نوع را به طور جداگانه آزمایش کنند.
• آن‌ها کلوخه‌های جدا شده را به کرم‌های آزمایشگاهی کوچک خوراندند و میزان موفقیت کرم‌ها را اندازه‌گیری کردند. کلوخه‌های کوچک و انعطاف‌پذیر برای کرم‌ها بسیار سمی بودند، در حالی که کلوخه‌های بزرگ و سفت هیچ آسیبی وارد نکردند.
• هنگامی که محققان از نظر شیمیایی کلوخه‌های کوچک را به هم «منگنه» کردند تا انعطاف‌پذیری آن‌ها را کاهش دهند، کرم‌ها بیشتر زنده ماندند. این نشان می‌دهد که انعطاف‌پذیری کلید خطرناک بودن این کلوخه‌ها است.
• این کار ابزار جدیدی را برای مطالعه کلوخه‌های HTT در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد و یک استراتژی درمانی بالقوه جدید را پیشنهاد می‌کند. اگر بتوانیم کلوخه‌های پروتئینی سمی را به اشکال کم‌تر انعطاف‌پذیر قفل کنیم، ممکن است آسیبی را که در HD و سایر بیماری‌های کلوخه شدن پروتئین ایجاد می‌کنند کاهش دهیم.