به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، در سال 2018، آزمایشگاه کریستین مایر، MD، PhD، در مرکز سرطان مموریال اسلون کترینگ (MSK) جهان را با یک جزء سلولی کلیدی آشنا کرد که در دید آشکار پنهان شده بود. اکنون آزمایشگاه با نتایج مهمی‌ که بر اساس آن کشف است، بازگشته است. یافته‌های جدید منتشر شده در نشریه Molecular Cell جزئیاتی در مورد سازماندهی پنهان سیتوپلاسم و سوپ مایع، اندامک‌ها، پروتئین‌ها و سایر مولکول‌های درون یک سلول ارائه می‌دهد.

چگونگی انجام مطالعه

این تحقیق نشان می‌دهد که در این آبگوشت سلولی، RNA پیام‌رسان (mRNA) به پروتئین‌ها ترجمه می‌شود. دکتر مایر، زیست‌شناس مولکولی و سلولی در موسسه اسلون کترینگ، مرکز تحقیقات پایه و ترجمه در MSK، می‌گوید: " به نظر می‌رسد که این موضوع در مورد چگونگی ساخت پروتئین‌ها در داخل سلول‌ها نیز صدق می‌کند. اگر اینجا ترجمه شود، دو برابر پروتئینی که در آنجا ترجمه شده است دریافت می‌کنید".  او می‌گوید: " این اولین مطالعه در نوع خود، میزان سازماندهی زیبای سیتوپلاسم را نشان می‌دهد، نه اینکه فقط یک مجموعه بزرگ از چیزها باشد." محققان خاطرنشان کردند که این یافته‌ها نه تنها بینش جدیدی را بر زیست‌شناسی سلولی بنیادی می‌تاباند، بلکه این دانش همچنین نویدبخش افزایش یا تغییر تولید پروتئین‌ها در واکسن‌ها و درمان‌های mRNA است. این مطالعه توسط عضو سابق آزمایشگاه، الن هورست، دکترا، رهبری شد، که مایر چندین سال پیش زمانی که به آزمایشگاه پیوست، از او برای پروژه دلهره آور اما هیجان انگیز استفاده کرد. دکتر هورست دکترای خود را از مدرسه فارغ التحصیلی Gerstner Sloan Kettering در ماه ژوئن دریافت کرد و اکنون برای یک شرکت ژن درمانی کار می‌کند. با انطباق رویکردی که معمولاً توسط ایمونولوژیست‌ها استفاده می‌شود، این تیم توانست با استفاده از آنتی بادی‌ها، ذرات منفرد درون سلول‌ها را کد رنگی کرده و سپس آن‌ها را بر اساس رنگ مرتب کند. آن‌ها از توالی یابی RNA برای شناسایی اینکه کدام RNA با کدام ذرات مرتبط است استفاده کردند. دکتر کریستین مایر، MD، PhD، در مرکز سرطان یادبود اسلون کترینگ می‌گوید: "  زمانی که شروع کردیم، برای تامین بودجه این پروژه با مشکل مواجه شدیم. همه فکر می‌کردند که جداسازی اجزای جداگانه کاملاً غیرممکن است. این واقعاً پروژه الن از روز اولش در آزمایشگاه تا آخرین روزش بود. بسیار چالش برانگیز بود و من نمی توانستم بیشتر از این به او افتخار کنم و واقعاً دیدنی بود که در هر یک از این محله‌های درون سلولی، انواع بسیار متفاوتی از mRNA‌ها ترجمه می‌شدند."

به محله سلولی خوش آمدید

بیشتر اجزای شناخته شده درون یک سلول برای مثال، هسته، میتوکندری، لیزوزوم‌ها، دستگاه گلژی، شکل مشخصی دارند و در یک غشای بیرونی پیچیده می‌شوند، اما  دو مورد از مؤلفه‌های کلیدی در قلب مطالعه تیم مایر غشا ندارند. این همان چیزی است که در وهله اول یافتن آن‌ها را بسیار سخت کرده است و منزوی شدن و مطالعه در آزمایشگاه را به چالش می‌کشد. سلول‌ها پروتئین‌ها را با استفاده از دستورالعمل‌های کدگذاری شده در DNA می‌سازند. آن توالی‌های DNA در داخل هسته سلول به mRNA رونویسی می‌شوند. سپس این RNA‌های پیام رسان به داخل سیتوپلاسم منتقل می‌شوند و در آنجا به پروتئین مفیدی تبدیل می‌شوند. مطالعه جدید نشان داد که در سیتوپلاسم این مرحله ترجمه تصادفی نیست و یک منطق یا کد زیربنایی وجود دارد که mRNA‌ها را به محله‌های خاصی در داخل سلول هدایت می‌کند. دکتر مایر می‌گوید: " کل سیتوپلاسم به خوبی تقسیم شده است. ما توانستیم نشان دهیم که کدی در حال کار است که بر اساس ویژگی‌های بیوفیزیکی mRNA است، اندازه و شکل آن‌ها،  و پروتئین‌های خاصی که به RNA متصل می‌شوند. این کد mRNA‌ها را برای ترجمه به مکان‌های مختلف هدایت می‌کند."

بررسی ترجمه در 3 مکان در داخل سلول

از طریق یک سری آزمایش‌های پر زحمت، تیم تحقیقاتی توانست نشان دهد که mRNA‌هایی با طول‌ها و شکل‌های مختلف تمایل به جذب به نقاط خاص دارند. و اینکه اگر مداخله کنید تا آن‌ها را به مکان دیگری هدایت کنید، می‌تواند تأثیر عمیقی بر میزان پروتئین تولید شده و عملکرد پروتئین داشته باشد. محققان mRNA‌هایی را که در سطح شبکه آندوپلاسمی (یک اندامک) قرار دارند بررسی کردند (که در سنتز پروتئین و سایر عملکردهای سلولی نقش دارند). به خوبی ثابت شده است که پروتئین‌های مرتبط با غشای سلولی و آن‌هایی که توسط سلول برای استفاده در جاهای دیگر ترشح می‌شوند، در آنجا ترجمه می‌شوند. این تحقیق نشان داد که تقریباً 15 درصد از mRNA‌هایی که پروتئین‌های غیر غشایی را کد می‌کنند در شبکه آندوپلاسمی نیز ترجمه می‌شوند و پروتئین‌های بزرگ و با بیان بالا را رمزگذاری می‌کنند. در همین حال، mRNA‌هایی که در سیتوزول (بخش مایع سیتوپلاسم) ترجمه می‌شوند، پروتئین‌های بسیار کوچکی هستند. و mRNA‌هایی که در گرانول‌های TIS قرار می‌گیرند معمولاً فاکتورهای رونویسی هستند (پروتئین‌هایی که رونویسی ژن‌ها را تنظیم می‌کنند). گرانول‌های TIS یک جزء سلولی بدون غشاء هستند که آزمایشگاه مایر در سال 2018 کشف شد. آن‌ها شبکه‌ای از پروتئین‌ها و mRNA‌های به هم پیوسته را تشکیل می‌دهند و با شبکه آندوپلاسمی پیوند نزدیک دارند و فضای مشخصی را تشکیل می‌دهند که mRNA و پروتئین‌ها می‌توانند در آن جمع‌آوری و برهم کنش داشته باشند. یک تصویر میکروسکوپ فلورسنت از یک سلول، با گرانول‌های TIS به رنگ قرمز و شبکه آندوپلاسمی‌به رنگ سبز نشان داده شده است. ناحیه سیاه مرکزی هسته سلول است.

شکستن کد

شکستن کد نحوه محلی سازی mRNA در مکان‌های مختلف، یافته‌های شگفت انگیزی را نشان داد. پس از کشف شبکه گرانول TIS پنج سال پیش، آزمایشگاه توجه خود را معطوف به درک اینکه کدام یک از هزاران mRNA موجود در یک سلول در آنجا قرار دارند، و اینکه آیا آن‌ها ویژگی‌های مشترکی دارند یا خیر، معطوف کرده بود. این تیم در بخشی از mRNA که معمولاً توجه زیادی را به خود جلب نمی‌کند، (قسمت دم) جدا از قسمت میانی mRNA است که حاوی دستورالعمل‌های ساخت پروتئین است. دانشمندان دم را سه منطقه اصلی ترجمه نشده (3' UTR) می نامند، و معلوم می‌شود که برای فرآیند محلی سازی حیاتی است. دکتر مایر می‌گوید: " دم معمولاً دارای یک توالی طولانی‌تر از بخشی از RNA است که در واقع برای ساخت پروتئین استفاده می‌شود. "اما برای مدت طولانی، مردم توجه چندانی به نواحی دم نداشتند، زیرا هنوز هم می‌توان پروتئین را بدون آن‌ها تولید کرد." (همانطور که دکتر مایر در یک مقاله مروری در سال 2019 بیان کرد، آن‌ها از جنبه‌های دیگر نیز مهم هستند.) به نظر می‌رسد که دم برای همکاری با پروتئین‌های متصل به RNA ضروری است، به طوری که، با هم، mRNA به منطقه ترجمه صحیح در سلول می رود. (پروتئین‌های متصل شونده به RNA نوعی پروتئین هستند که به مولکول‌های RNA متصل می‌شوند و می‌توانند جنبه‌های مختلف فعالیت آن‌ها را تعدیل کنند.) در ابتدا تیم فکر کرد که در درجه اول این پروتئین‌های متصل به RNA هستند که این عمل را هدایت می‌کنند. دکتر مایر می‌گوید هدایت mRNA‌ها به محله یک، محله دو، و غیره. او می‌گوید: " اما یافته واقعا شگفت‌انگیز این بود که پروتئین‌های متصل‌شونده به RNA در واقع نقش ثانویه را به جای نقش اولیه در این فرآیند بازی می‌کنند." به گفته محققان، مرتب‌سازی پیش‌فرض mRNA به یک مکان، بر اساس اندازه و شکل کلی mRNA‌ها است. اما مشارکت با یک پروتئین اتصال می تواند این پیش فرض را نادیده بگیرد و آن‌ها را تغییر مسیر دهد. او می‌گوید: " داده‌های ما نشان می‌دهد که اگر یک mRNA را در گرانول‌های TIS ترجمه کنید، پروتئین حاصل یک عملکرد را انجام می‌دهد و اگر آن را خارج از گرانول‌های TIS ترجمه کنید، عملکرد متفاوتی را انجام می‌دهد. و اینگونه است که در موجودات بالاتری مانند ما، یک پروتئین می تواند بیش از یک عملکرد داشته باشد."

به سمت برنامه‌های کاربردی آینده

یک پروتئین خاص که تیم در طول مطالعه مورد بررسی قرار دادند MYC است. ژن MYC یکی از معروف ترین انکوژن‌ها است و جهش در MYC زمینه ساز ایجاد بسیاری از سرطان‌ها است. دکتر مایر می‌گوید: " ما مشاهده کردیم که چندین کمپلکس پروتئین MYC تنها زمانی تشکیل می‌شوند که mRNA MYC در گرانول‌ها ترجمه می‌شود و نه زمانی که در سیتوزول ترجمه می‌شود. نتایج ما نشان می‌دهد که ارتباط بیولوژیکی مهمی‌با این محله‌ها وجود دارد، حتی زمانی که تنها حدود 20 درصد از mRNA‌ها در گرانول‌های TIS ترجمه می‌شوند." او اضافه می‌کند که در مجموع، این بینش‌ها نشان می‌دهد که mRNA می‌تواند برای دستیابی به عملکردهای مختلف و همچنین تغییر میزان پروتئینی که تولید می‌شود هدف قرار گیرد.  دکتر مایر در آخر گفت: " بنابراین، ما امیدواریم که در آینده بتوانیم با ایجاد کم و بیش از یک عامل خاص و همچنین با دستکاری عملکرد آن، داروهای هوشمندتر بسازیم. این احتمالاً در پنج سال آینده اتفاق نخواهد افتاد، اما این چیزی است که ما راه را برای انجام آن هموار می‌کنیم."

پایان./