Characterisation of prostate cancer sialome re-engineering via CMAH transfection reveals a bystander effect that propagates Neu5Gc presentation to neighbouring cells

يُغلف سطح كل خلية بشرية بطبقة سكرية سميكة، وهي طبقة جزيئية تعمل كدرع وبطاقة تعريف في آن واحد. وتتكون هذه الطبقة، المعروفة باسم "الجليكوكاليكس" (glycocalyx)، من سلاسل طويلة من جزيئات السكر المرتبطة بالبروتينات والدهون. ومن بين هذه السكريات، تلعب عائلة محددة تسمى "أحماض السياليك" دوراً حاسماً في كيفية تواصل الخلايا مع محيطها، وخاصة مع الجهاز المناعي. في البشر الأصحاء، ينتج الجسم نوعاً رئيسياً واحداً من حمض السياليك، لكنه فقد القدرة على صنع نسخة ثانية مختلفة قلياً توجد في معظم الثدييات الأخرى. وتختلف هذه النسخة المفقودة كيميائياً بوجود ذرة أكسجين واحدة فقط، ومع ذلك فإن هذا الفرق الضئيل يغير كيفية تعرف الجهاز المناعي على الخلية. ولأن جسم الإنسان لا يستطيع صنع هذا السكر بشكل طبيعي، فإن وجوده على الخلية يشير عادةً إلى أن الخلية قد تناولته من النظام الغذائي، أو في حالة بعض أنواع السرطان، أنها قامت بطريقة ما بإعادة تنشيط مسار جيني قديم لإنتاجه. إن فهم كيفية تغير هذه السكريات على الخلايا السرطانية أمر حيوي، إذ يمكن أن تعمل كتمويه يساعد الأورمات على الاختباء من دفاعات الجسم.

وضع فريق من الباحثين في جامعة يورك هدفاً لاستقصاء هذه الظاهرة باستخدام خلايا سرطان البروستاتا كنموذج. أرادوا معرفة ما سيحدث إذا أجبروا هذه الخلايا السرطانية على إنتاج السكر المفقود، مما يعني إعادة هندسة كيمياء سطحها فعلياً. قام العلماء بإدخال جين من الجرذان، والذي ينتج طبيعياً الإنزيم اللازم لإنشاء هذا السكر المحدد، في خلايا سرطان البروستاتا البشرية التي لا تستطيع إنتاجه عادةً. ومن خلال القيام بذلك، أنشأوا نموذجاً مخبرياً بدأت فيه الخلايا السرطانية في إظهار السكر الغريب على سطحها الخارجي. أمضى الباحثون عدة أشهر في مراقبة هذه الخلايا المعدلة، وتتبع كيفية ظهور السكر، ونوع السلاسل الجزيئية التي يلتصق بها، ومدة بقائه على السطح. ووجدوا أن السكر لم يبقَ فقط على الخلايا التي صنعته، بل ظهر أيضاً على الخلايا المجاورة التي لم يتم تعديلها على الإطلاق. ويشير هذا الاكتشاف إلى وجود آلية حيث يمكن لعدد قليل من الخلايا المتغيرة أن تنشر هذا التوقيع الكيميائي إلى جيرانها، مما قد يغير البيئة الكاملة للورم دون الحاجة لتغيير الحمض النووي لكل خلية على حدة.

بدأت الدراسة باختيار دقيق للأداة الجينية. قارن الباحثون التسلسلات الحمضية النووية للإنزيم من حيوانات مختلفة، بما في ذلك الجرذان وأسماك الزيبرا، لإيجاد أفضل مرشح لتجربتهم. استخدموا النمذجة الحاسوبية للتنبؤ بالشكل ثلاثي الأبعاد لهذه الإنزيمات، مؤكدين أنه رغم الاختلافات الصغيرة في شفرتها الجينية، فإن نسختي الجرذ والزيبرا تطويان نفسهما في بنية متطابقة تقريباً مع جيب مركزي مصمم لحمل مقدمة السكر. وعندما أدخلوا نسخة جين الجرذ في خلايا سرطان البروستاتا، بدأت الخلايا بنجاح في إنتاج السكر المفقود. ولضمان أن السكر الذي تم رصده جاء من آليات الخلايا الجديدة وليس من مصل الحيوان المستخدم غالباً لتغذية الخلايا في المختبر، قام الباحثون بتغيير نظام الخلايا الغذائي إلى نظام يحتوي فقط على مصل بشري، والذي يفتقر إلى هذا السكر المحدد.

بمجرد أن بدأت الخلايا في إنتاج السكر، احتاج الفريق للتحقق بدقة من مكان استقراره على سطح الخلية. قاموا بمعالجة الخلايا بإنزيم واسع الطيف يعمل مثل مقصات جزيئية، حيث يقوم بقطع أطراف سلاسل السكر. أزالت هذه المعالجة الإشارة، مما أثبت أن السكر كان موجوداً بالفعل على الجزء الخارجي من الخلية، معرضاً للبيئة المحيطة. ثم استخدم الباحثون مثبطات كيميائية محددة لمنع إنتاج نوعين مختلفين من سلاسل السكر: تلك المرتبطة بالبروتينات بطريقة تسمى "N-glycans"، وتلك المرتبطة بطريقة أخرى تسمى "O-glycans". وعندما منعوا مسار الـ O-glycan، انخفضت كمية السكر الجديد على سطح الخلية بشكل كبير. ومع ذلك، لم يكن لتعطيل مسار الـ N-glycan أي تأثير. أشارت هذه النتيجة إلى أن الخلايا المعاد هندستها كانت تربط هذا السكر الجديد بشكل أساسي بسلاسل مرتبطة بـ O-linked، والتي توجد غالباً في "الموسينات" (mucins)، وهي البروتينات السميكة الشبيهة بالمخاط التي تغلف العديد من الأنسجة.

للحصول على صورة أكثر تفصيلاً، قام العلماء بتفكيك الخلاوة وتحليل تركيبات السكر والبروتين المحددة باستخدام مطياف كتلة عالي الحساسية. حددوا آلاف البروتينات ورسموا خرائط لأماكن ارتباط السكريات بها. في الخلايا غير المعدلة، وجدوا السكر البشري القياسي فقط. أما في الخلايا المعدلة، فقد وجدوا السكر الجديد مرتبطاً بعدة بروتينات، غالبيتها في سلاسل الـ O-linked. ومع ذلك، أغفل التحليل بعض البروتينات الأكثر تغطية بالسكر، والمعروفة باسم الموسينات، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الطريقة القياسية المستخدمة لتفكيك البروتينات لم تكن لطيفة بما يكفي للتعامل مع هذه الجزيئات اللزجة والمعقدة. وللتأكد من أن هذه الموسينات هي بالفعل الحوامل الرئيسية للسكر الجديد، استخدم الباحثون إنزيماً متخصصاً يستهدف ويقطع الموسينات تحديداً. وعند تطبيق هذا الإنزيم، انخفضت كمية السكر الجديد على سطح الخلية بشكل حاد، مما أكد أن السكر كان مختبئاً بشكل كبير في هذه الهياكل الغنية بالموسين.

ظهرت النتيجة الأكثر إثارة للدهشة عندما خلط الباحثون الخلايا المعدلة مع الخلايا غير المعدلة. قاموا بتمييز الخلايا غير المعدلة بصبغة حمراء ووضعوها في طبق مع الخلايا المنتجة للسكر. وبعد بضعة أيام، فحصوا الخلايا الحمراء ووجدوا أنها اكتسبت هي الأخرى السكر الجديد على سطحها. لقد انتقل السكر بطريقة ما من الخلايا المعدلة إلى الخلايا غير المعدلة. يقترح الباحثون أن الخلايا المعدلة تفرز الجزيئات المغلفة بالسكر، ربما من خلال عمل الإنزيمات الطبيعية التي تقلم سلاسل السكر. ثم تمتص الخلايا المجاورة هذه الجزيئات، وتعيد تدوير السكر، وتلحقه بأسطحها الخاصة. وهذا يخلق "تأثير المارّ" (bystander effect)، حيث يمكن لوجود عدد قليل من الخلايا المعدلة أن يغير الهوية الكيميائية لجيرانها.

يتحدى هذا الاكتشاف الفكرة القائلة بأن كيمياء سطح الورم تتحدد فقط من خلال التركيبة الجينية لكل خلية على حدة. بدلاً من ذلك، يشير إلى أن البيئة نفسها يمكن أن تعيد تشكيل الخلايا داخلها. فإذا بدأ عدد صغير من الخلايا السرطانية في إنتاج هذا السكر الغريب، فقد تتمكن من نشر هذه السمة إلى بقية الورم، مما يخلق درعاً موحداً يساعد الكتلة بأكملها على التهرب من الجهاز المناعي. وأشار الباحثون إلى أن هذه الآلية قد تفسر سبب إظهار بعض الأورام مستويات عالية من هذا السكر حتى لو لم تكن كل خلية تمتلك الطفرة الجينية لإنتاجه. وبينما أُجريت هذه الدراسة في بيئة مختبرية ولا تثبت بعد حدوث ذلك في المرضى البشر، إلا أنها توفر آلية واضحة لكيفية حدما يمكن لهذا الانتشار أن يحدث. يسلط العمل الضوء على الطبيعة الديناميكية لسطح الخلية السرطانية، مبيناً أنها ليست سمة ثابتة بل نظاماً سائلاً قادراً على التأثير والتأثر بجيرانه. ومن خلال فهم كيفية انتقال هذه السكريات وتغيرها، قد يجد العلماء في النهاية طرقاً لتعطيل الدروع الواقية التي تبنيها الأورام من أجل البقاء.