Fluorescent Ubiquitination-based Trbl Turnover Indicator (FUTTI): A tool to detect activity of the Tribbles pseudokinase in vivo

داخل كل خلية حية، تدور معركة هادئة ومستمرة للحفاظ على النظام. يجب على الخلايا أن تقرر أي البروتينات تحتفظ بها وأيها تتخلص منه، وهي عملية ضرورية للنمو والتطور ومنع الأمراض. يعتمد هذا القرار غالباً على نظام من العلامات الجزيئية التي توسم بروتينات محددة للتدمير، وترسلها إلى مركز إعادة التدوير في الخلية. ومن بين العديد من الجزيئات التي تساعد في توجيه فريق التنظيف هذا، هناك عائلة من البروتينات تسمى "تريبيلز" (Tribles). تعمل هذه الجزيئات كوسائط، حيث تسد الفجوة بين البروتين المستهدف الذي يحتاج إلى الإزالة والآلية التي تقوم بتدميره فعلياً. وبينما تعد هذه البروتينات حيوية للنمو الطبيعي، فإن خللها يرتبط بحالات خطيرة، بما في ذلك أنواع معينة من السرطان، حيث قد تقوم بتدمير البروتينات السليمة بسرعة كبيرة أو تفشل في إزالة البروتينات الضارة. لقد كان فهم كيفية عمل هذه الوسائط بدقة، وما هي أجزاء هيكلها الضرورية لأداء وظيفتها، تحدياً لأن العلماء كانوا يفتقرون إلى طريقة بسيطة لمراقبتها أثناء عملها داخل كائن حي.

لقد طور باحثون في جامعة ميسوري-كانساس سيتي أداة جديدة لحل هذه المشكلة، مما يسمح لهم برؤية أين ومتى تكون هذه البروتينات الوسيطة نشطة داخل ذبابة فاكهة حية. لقد صمموا مستشعراً يتوهج بضوء فلوري، يخبو كلما عمل البروتين الوسيط بشكل صحيح. ومن خلال مراقبة هذا الضوء، تمكنوا من رسم خريطة لنشاط البروتين الوسيط في الوقت الفعلي واختبار الأجزاء الضرورية من البروتين لكي يؤدي وظيفته. وقد كشف عملهم أنه بينما تشترك هذه البروتينات في بنية مشتركة عبر العديد من الحيوانات، فإن الآلية المحددة التي تستخدمها لاستدعاء آلة التدمير في ذباب الفاكهة فريدة وتختلف بشكل كبير عن الطريقة المستخدمة في الثدييات.

بدأ العلماء بتصميم مستشعر يعتمد على بروتين مستهدف محدد يُعرف بأنه يخضع لسيطرة الوسيط. في ذباب الفاكهة، هذا الهدف هو بروتين يسمى "إس إل بي أو" (Slbo)، والذي يلعب دوراً رئيسياً في تطور المبيض. حدد الباحثون قسماً صغيراً ومحدداً من بروتين (Slbo) يعمل كإشارة للتدمير، وهو منطقة يتعرف عليها البروتين الوسيط ويرتبط بها. أخذوا هذه الإشارة ودمجوها مع بروتين فلوري، مما خلق جزيئاً هجيناً يتوهج باللون الأخضر أو الأحمر. في الظروف العادية، سيتراكم هذا الجزيء المتوهج ويلمع بسطوع. ومع ذلك، إذا كان البروتين الوسيط حاضراً ونشطاً، فإنه سيتعرف على الإشارة، ويوصم الجزيء المتوهج، ويرسله ليتم تدميره، مما يؤدي إلى خفوت الضوء. أطلق الباحثون على هذا المستشعر اسم "فوتي" (FUTTI)، وهو مؤشر فلوري لنشاط دوران البروتين.

لاختبار ما إذا كان هذا المستشعر يعمل، أدخل الباحثون هذا المستشعر في ذباب الفاكهة وراقبوا أنماط التوهج في أنسجتها. في الأجنحة النامية للذباب، وجدوا أنه عندما يكون البروتين الوسيط موجوداً بكميات كبيرة، يختفي المستشعر المتوهج من تلك الخلايا المحددة، مما يؤكد أن المستشعر يتم تدميره كما هو مخطط له. وعلى العكس من ذلك، عندما قللوا من كمية البروتين الوسيط، تراكم المستشعر وتوهج بشكل أقوى بكثير. أثبتت هذه العلاقة العكسية أن المستشعر يمكنه بدقة الإبلاغ عن مستويات نشاط البروتين الوسيط في أجزاء مختلفة من جسم الذبابة. لقد رأوا نتائج مماثلة في المبايض، حيث خبا المستشعر في خلايا معينة حيث يكون البروتين الوسيط نشطاً، مما أثبت أن الأداة يمكنها رسم خريطة للنشاط عبر أنسجة مختلفة بدقة عالية.

بعد الحصول على مستشعر يعمل، انتقل الفريق للتحقيق في الأجزاء المحددة من البروتين الوسيط التي تجعله يعمل. كانوا يعلمون أن البروتين الوسيط يحتوي على منطقة مركزية ترتبط بإشارة الهدف، ومنطقة ذيل تستدعي آلة التدمير. لاختبار أهمية منطقة الارتباط المركزية، صنعوا نسخة من البروتين الوسيط مع تغيير طفيف واحد في بنيته، عبر استبدال حمض أميني واحد بآخر. وعندما عبروا عن هذا البروتين المعدل في الذباب، ظل المستشعر ساطعاً ولم يختفِ. أظهرت هذه النتيجة أن منطقة الارتباط المركزية ضرورية لتعرف البروتين الوسيط على هدفه؛ فبدونها، لا يستطيع البروتين الوسيط الإمساك بالمستشعر لتدميره. ومن المثير للاهتمام أن هذه النسخة المعطلة من البروتين الوسيط لا تزال تؤثر على عمليات خلوية أخرى، مثل انقسام الخلايا، مما يشير إلى أن أجزاء مختلفة من البروتين تتحكم في وظائف مختلفة.

ثم وجه الباحثون اهتمامهم إلى ذيل البروتين، المسؤول عن استدعاء آلة التدمير. في الثدييات، يحتوي هذا الذيل على تسلسل محدد يرتبط بإنزيم معروف باسم "سي أو بي 1" (COP1)، والذي يساعد في وسم البروتينات للتدمير. اختبر الفريق ما إذا كانت هذه الآلية نفسها تعمل في ذباب الفاكهة. أولاً، حاولوا معرفة ما إذا كانت النسخ الثديية من البروتين الوسيط يمكن أن تعمل في الذبابة. قاموا بالتعبير عن نسخ من بروتين الفأر في الذباب، لكن المستشعر ظل ساطعاً، مما يشير إلى أن البروتينات الثديية لم تستطع تدمير مستشعر الذبابة. وحتى عندما أضافوا إنزيم (COP1) الخاص بالفأر إلى المزيج، فشلت الوسائط الثديية في العمل، مما يشطي بأن البروتينات الخاصة بالفأر والمستشعر الخاص بالذبابة غير متوافقين.

قاد هذا الفريق للتحقيق في البنية الفريدة لذيل بروتين ذبابة الفاكهة. اكتشفوا أن نسخة ذبابة الفاكهة تفتقر إلى موقع الارتباط المحدد لإنزيم (COP1) الموجود في الثدييات. بدلاً من ذلك، يمتلك بروتين الذبابة ذيلاً أطول مع تسلسل مختلف من الأحماض الأمينية. ومن خلال حذف أجزاء من هذا الذيل بشكل منهجي، وجدوا أن منطقة محددة، تحتوي على تسلسل قصير من أربعة أحماض أمينية، كانت حاسمة لوظيفة البروتين. وعندما قاموا بتغيير هذا التسلسل المحدد، فقد البروتين قدرته على تدمير المستشعر، وظل الضوء ساطعاً. تشير هذه النتيجة إلى أن بروتين ذبابة الفاكهة يستخدم آلية فريدة لاستدعاء آلة التدمير، وهي آلية لا تعتمد على إنزيم (COP1) الذي تستخدمه الثدييات.

تسلط الدراسة الضوء على تباين رائع في التطور. فبينما تظل الوظيفة الأساسية لهذه البروتينات الوسيطة — وهي التعرف على الهدف ووسمه للتدمير — محفوظة عبر الحيوانات، فإن الأدوات المحددة التي تستخدمها لأداء المهمة قد تغيرت. في الثدييات، يعتمد البروتين الوسيط على تفاعل محدد مع إنزيم (COP1). أما في ذباب الفاكهة، فقد طور البروتين الوسيط استراتيجية مختلفة، مستخدماً نمطاً فريداً في ذيله لتحقيق النتيجة ذاتها. يوفر مستشعر (FUTTI) طريقة بصرية واضحة لتتبع هذه الأنشطة، مما يفتح الباب لمزيد من البحث في كيفية تأثير هذه البروتينات على التطور والأمراض في مجموعة واسعة من الأنواع.