Structural basis for co-translational assembly of homo-oligomeric proteins in cis and in trans
تكشف هذه الدراسة، باستخدام توصيف الريبوسوم والمجهر الإلكتروني برد المبرد على ثنائي الهوموديمر PheA في بكتيريا الإشريكية القولونية، أن التجميع المتزامن مع الترجمة للبروتينات متماثلة المتعددات يحدث بشكل أساسي في "ترانس" بين الحمض النووي الريبوزي المرسال (mRNA) المتجاور لتكوين شبكات متعددة الريبوسومات كبيرة، مما يتحدى الافتراض بأن مثل هذه التفاعلات تحدث بشكل رئيسي في "سيس" على نفس النسخة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
داخل كل خلية حية، تعمل آلات صغيرة تسمى الريبوسومات كمصانع للحياة، حيث تقرأ التعليمات الجينية لبناء البروتينات. هذه البروتينات هي خيول العمل في الخلية، لكنها نادراً ما تعمل بمفردها؛ فلكي تؤدي وظيفتها، يجب عليها غالباً أن تتشابك مع بروتينات أخرى لتشكل هياكل معقدة، تماماً مثل التروس الفردية التي تترابط في آلية ساعة. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن هذه الروابط تحدث عادةً بعد بناء البروتين بالكامل وإطلاقه في الخلية. ومع ذلك، كشفت الأبحاث الحديثة أن العديد من البروتينات تبدأ في التجمع مع شركائها أثناء عملية بنائها، وهي عملية تُعرف باسم "التجميع المتزامن مع الترجمة". يساعد هذا الاتصال المبكر في منع البروتينات من التشابك أو التحلل في البيئة الخلوية المزدحمة. وقد ظل هناك سؤال رئيسي قائماً: عندما يحتاج بروتينان متطابقان إلى توحيد قواهما، هل يجدان بعضهما البعض أثناء البناء على نفس الشريط الجيني، أم أنهما يتواصلان مع شركاء يتم بناؤهم على أشرطة مختلفة تماماً في مكان قريب؟
لقد أجاب فريق من الباحثين في مركز البيولوجيا الجزيئية بجامعة هايدلبرغ على هذا السؤال بخصوص بروتين بكتيري محدد يسمى PheA. ومن خلال استخدام تقنيات تصوير متقدمة وأدوات جينية، اكتشفوا أن هذا البروتين يتجاهل إلى حد كبير القاعدة التي تنص على أن التجميع يحدث على نفس الشريط الجيني. بدلاً من ذلك، وجدوا أن جزيئات PheA تتجمع بشكل متكرر عن طريق التواصل مع شركاء يتم بناؤهم على أشرطة جينية منفصلة ومجاورة. يكشف هذا الاكتشاف عن مستوى مذهل من التنظيم في الخلية البكتيرية، حيث ترتبط الريبوسومات الموجودة على تعليمات جينية مختلفة فيزيائياً لتشكل شبكات واسعة ومترابطة تضمن بناء هذه البروتينات بشكل صحيح وفعال.
ركز الباحثون على PheA، وهو إنزيم مكون من جزأين يوجد في بكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli) ويساعد الخلية على صنع عنصر غذائي حيوي. يتكون هذا الإنزيم من نصفين متطابقين يجب أن يلتفا حول بعضهما البعض ليعملا. كان العلماء يعلمون أنه إذا لم ينضم هذان النصفان فور خروج قسم معين من البروتين من الريبوسوم، فمن المرجح أن يلتوي البروتين بشكل خاطئ ويصبح عديم الفائدة. ولفهم كيفية حدوث هذا الانضمام، نظر الفريق أولاً إلى سلوك الريبوسومات في الخلية؛ حيث استخدموا طريقة لفصل تجمعات الريبوسومات الثقيلة عن الخفيفة، ووجدوا أنه عندما يتم إنتاج PheA بكميات كبيرة، تشكل الريبوسومات كتلًا ضخمة وثقيلة تغوص في قاع أنابيب الاختبار الخاصة بهم، وقد اختفت هذه الكتل عندما عالج الباحثون العينة بإنزيم يهضم سلاسل البروتين، مما أثبت أن الريبوسومات كانت متماسكة بواسطة سلاسل البروتين النامية نفسها، بدلاً من مجرد الطفو عشوائياً.
ولرؤية كيفية اتصال هذه السلاسل بالضبط، طور الفريق تجربة ذكية باستخدام نسختين مختلفتين قليلاً من جين PheA. فقد وضعوا هذين الجينين على أشرطة جينية منفصلة داخل نفس الخلية؛ حيث تم وسم نسخة واحدة من البروتين بمقبض محدد، والنسخة الأخرى بمقبض مختلف. وعندما سحبوا البروتينات بالمقبض الأول، وجدوا أن النسخة الثانية من البروتين كانت متصلة بها. قدم هذا دليلاً مباشراً على أن نصفي الإنزيم يجتمعان حتى رغم أنهما يُبنيان من تعليمات جينية مختلفة تماماً. وهذا يعني أن التجميع كان يحدث في "trans" (عبر الأشرطة)، أو عبر أشرطة جينية مختلفة، بدلاً من "cis" (على نفس الشريط).
ثم انتقل الفريق إلى تقنية تصوير قوية تسمى المجهر الإلكتروني برد المبرد (cryo-electron microscopy) لتصور الريبوسومات نفسها. لقد جمدوا الريبوسومات في طبقة رقيقة من الجليد والتقطوا آلاف الصور عالية الدقة لرؤية كيفية ترتيبها. وقاموا بقياس المسافة بين أنفاق الخروج للريبوسومات، وهي الثقوب الصغيرة التي تخرج منها سلاسل البروتين الجديدة. ووجدوا أنه عند بناء PheA، تضع الريبوسومات نفسها بحيث تكون أنفاق الخروج هذه قريبة جداً من بعضها البعض، بمسافة تبلغ حوالي 120 أنغستروم. سمحت هذه القرب لسلاسل البروتين الناشئة باللمس والارتباط فوراً. ومن المثير للدهشة أن الصور أظهرت أن هذه الريبوسومات لم يكن لها اتجاه ثابت؛ إذ كان بإمكانها الدوران والتحرك بحرية طالما ظلت أنفاق الخروج الخاصة بها قريبة. هذا المرونة تشير إلى أن الريبوسومات لم تكن عالقة في تشكيل صلب، بل كانت تجد بعضها البعض ديناميكياً لتسهيل الاتصال.
وعندما نظر الباحثون إلى الريبوسومات على الأشرطة الجينية السليمة، وجدوا أن التقارب الوثيق بين أنفاق الخروج يحدث غالسباً بين الريبوسومات الموجودة على أشرطة مختلفة. وبينما كان من الممكن للريبوسومات على نفس الشريط أن تتصل، إلا أن ذلك كان نادراً ويتطلب عادةً أن يعود الشريط الجيني على نفسه لكي تتمكن الريبوسومات المتباعدة عن بعضها أن تصل لبعضها. أما الجيران المباشرون على نفس الشريط فكانوا في الواقع بعيدين جداً عن بعضهم بحيث لا يمكنهم ربط بروتيناتهم الناشئة. هذا الاكتشاف تحدى الفكرة السائدة بأن البروتينات المتطابقة تتجمع عادةً على نفس الشريط الجيني؛ فبالنسبة لـ PheA، تعتمد الخلية على شبكة من الأشرطة الجينية المختلفة التي تجتمع معاً.
وأوضح الباحثون أن هذا التفضيل للاتصال عبر الأشرطة المختلفة يعود على الأرجح إلى السرعة التي يجب أن يتجمع بها PheA. فالجزء من البروتين الذي يحتاج إلى الانضمام مع شريكه قصير جداً ويخرج بسرعة. ولو كانت الريبوسومات عالقة على نفس الشريط، فإن هندسة المادة الجينية ستجعل أنفاق الخروج بعيدة جداً عن بعضها البعض بحيث لا يمكن للبروتينات أن تتصل في الوقت المناسب. ومن خلال السماح للريبوسومات على أشرطة مختلفة بالتقارب، تخلق الخلية بيئة مرنة حيث يمكن للبروتينات أن تجد بعضها البعض فوراً. وتضمن هذه الآلية بناء الإنزيم بشكل صحيح دون إهدار الطاقة أو إنشاء أجزاء معيبة.
تقدم هذه الدراسة رؤية واضحة لكيفية تنظيم الخلايا لبناء الآلات المعقدة. فهي تظهر أن الخلية لا تعتمد على طريقة واحدة صلبة لتجميع البروتينات، بل تستخدم القرب الفيزيائي للريبوسومات، بغض النظر عن الشريط الجيني الذي تنتمي إليه، لضمان عثور البروتينات على شركائها في اللحظة المناسبة تماماً. وبالنسبة لـ PheA، يعني هذا أن الخلية تبني شبكة ديناميكية من الريبوسومات، تربط التعليمات الجينية المختلفة معاً لحل مشكلة هيكلية. ويشير هذا الاكتشاف إلى أن الداخل المزدحم للخلية ليس مجرد خليط فوضوي من الأجزاء، بل هو مساحة منظمة للغاية حيث يتم ضبط الترتيب الفيزيائي للآلات ليتناسب مع الاحتياجات المحددة للبروتينات التي يتم صنعها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.