AKT-like kinase regulates early steps in the Trypanosoma brucei quorum sensing signalling pathway

في العالم المجهري للطفيليات وحيدة الخلية، يعتمد البقاء غالباً على معرفة متى يجب التوقف عن النمو. بالنسبة للعديد من الكائنات، بما في ذلك البكتيريا، هناك طريقة لاستشعار مدى ازدحام بيئتها؛ فهي تطلق إشارات كيميائية تتراكم مع نمو الجمهرة، وبمجرد أن تصل الإشارة إلى قوة معينة، تغير المجموعة بأكملها سلوكها في الوقت ذاته. هذه العملية، المعروفة باسم "استشعار النصاب" (quorum sensing)، تسمح لها بتنسيق مهام معقدة مثل تشكيل طبقات واقية أو الاستعداد للانتقال إلى مضيف جديد. وفي حالة "Trypanosoma brucei"، وهو طفيلي يسبب مرضاً خطيراً للإنسان والحيوان في جميع أنحاء أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى، تعد هذه الآلية أمراً حيوياً. يعيش هذا الطفيلي في دم الثدييات، حيث يتكاثر بسرعة، ومع ذلك، إذا أصبحت كثافة الجمهرة عالية جداً، يجب على الطفيليات التوقف عن الانقسام والتحول إلى شكل مختلف يكون جاهزاً ليتم التقاطه بواسطة ذبابة عاضة ونقله إلى مضيف جديد. إذا فشلت في إجراء هذا التحول، فلن تتمكن من نشر المرض، ولكن إذا تحولت في وقت مبكر جداً، فقد تموت قبل العثور على مضيف جديد. إن فهم كيفية عدّ هذه الكائنات الدقيقة لأعدادها واتخاذ قرار التغيير هو قطعة رئيسية في حل لغز السيطرة على المرض الذي تسببه.

لسنوات، عرف العلماء أن هذه الطفيليات تستخدم قطعاً بروتينية صغيرة، تسمى "الببتيدات المتعددة الصغيرة" (oligopeptides)، للإشارة إلى كثافتها. يتم إنشاء هذه القطع عندما تكسر الطفيليات البروتينات في بيئتها، ومع زيادة عدد الطفيليات، تتراكم هذه القطع وتُنقل إلى داخل الخلايا، مما يحفز سلسلة من التفاعلات تخبر الطفيليات بالتوقف عن النمو والاستعداد للانتقال. ومع ذلك، ظلت الخطوات الأولى لهذه السلسلة من التفاعلات لغزاً؛ فقد حددت الدراسات السابقة بعض الجزيئات المشاركة في مراحل لاحقة من العملية، لكنها اعتمدت على محفزات كيميائية اصطناعية تجاوزت نقطة البداية الطبيعية. ولأن الطفيلي مختلف تطورياً بشكل كبير عن البشر والحيوانات المعقدة الأخرى، فإنه يفتقر إلى العديد من المستقبلات الإشارية القياسية الموجودة في أشكال الحياة الأخرى، مما جعل من الصعب تحديد أي الجزيئات عملت كمفتاح أولي حول الإشارة إلى فعل.

شرع فريق من الباحثين في البحث عن هؤلاء اللاعبين الأوائل المفقودين باستخدام طريقة جديدة وقوية لمراقبة الجينوم الكامل للطفيلي أثناء عمله. وبدلاً من النظر في جين واحد في كل مرة، أنشأوا مكتبة ضخمة من الطفيليات حيث يمكن إيقاف تشغيل كل جين منها على حد استقلالاً. ثم عرضوا هذه الجمهرة المختلطة للإشارة الطبيعية التي تحفز الطفيليات على التوقف عن النمو. ومن خلال تتبع الطفيليات التي نجت وتلك التي اختفت، تمكنوا من تحديد أي الجينات كانت ضرورية للاستجابة للازدحام. وإذا سمح إيقاف تشغيل جين معين للطفيلي بالاستمرار في النمو حتى في وجود الإشارة، فإن هذا الجين كان على الأرجح جزءاً حاسماً في مسار الإشارة. سمح لهم هذا النهج بتصفية الضجيج والتركيز على الجزيئات التي عملت في بداية العملية تماماً.

كشف البحث عن إنزيمين محددين، يُعرفان باسم "الكينازات" (kinases)، يعملان كحراس بوابة رئيسيين لهذا القرار. أحد هذين الإنزيمين، الذي أطلق عليه الباحثون اسم TbAKT-like، مثير للاهتمام بشكل خاص لأنه ينتمي إلى عائلة من البروتينات الموجودة في جميع أشكال الحياة المعقدة تقريباً، بما في ذلك البشر. في البشر، تساعد هذه العائلة من البروتينات الخلايا على تقرير ما إذا كانت ستنمو أو تبقى على قيد الحياة أو تموت بناءً على الإشارات من بيئتها. وما يجعل الاكتشاف في الطفيلي مهماً للغاية هو أن Trypanosoma brucei يفتقر إلى المستقبلات القياسية التي تنشط عادةً هذه العائلة من البروتينات في الحيوانات الأخرى. ورغم ذلك، يستخدم الطفيلي نسخة من هذا البروتين نفسه لاستشعار كثافة جموعته. وقد أكد الباحثون أنه عند إزالة هذا البروتين من الطفيلي، فشلت الخلايا في التوقف عن النمو حتى عندما كانت إشارة الكثافة قوية. كما وجدوا أن البروتين يجب أن يكون نشطاً، أي أنه يجب أن يؤدي عمله الكيميائي المتمثل في إضافة مجموعات الفوسفات إلى جزيئات أخرى، لتحفيز التغيير.

لفهم كيفية عمل هذا البروتين، أنشأ الفريق سلسلة من النسخ المعدلة منه، مع تغيير أجزاء معينة لمعرفة أي منها كان ضرورياً. ووجدوا أن البروتين يحتوي على منطقة محددة تساعده على الالتصاق بالغشاء الداخلي للخلية، بشكل يشبه كيفية التصاق مغناطيس بالثلاجة، وأن هذا الالتصاق حيوي لوظيفته. كما حددوا موقعاً معيناً على البروتين يجب تعديله كيميائياً لكي يعمل؛ فعندما منعوا هذا التعديل، لم يستطع الطفيلي الاستجابة لإشارة الازدحام. علاوة على ذلك، ومن خلال النظر في العلامات الكيميائية على البروتينات الأخرى داخل الخلية، اكتشفوا أن هذا "الكيناز" يستهدف على الأرجح جزيئاً يسمى NOT5. في الطفيلي، يعمل NOT5 بمثابة مكبح يبقي الخلايا في حالة النمو، ويقترح الباحثون أن "الكيناز" الجديد يعمل عن طريق تعطيل هذا المكبح، مما يسمح للطفيلي أخيراً بالتوقف عن الانقسام والتحول.

لم يتوقف الفريق عند حدود المختبر، بل اختبروا هذه النتائج أيضاً في الفئران الحية. وعندما أصابوا الفئران بطفيليات تفتقر إلى "الكيناز"، استمرت الطفيليات في التضاعف لفترة أطول من المعتاد. وبينما توقفت في النهاية عن النمو، إلا أن العملية تأخرت بشكل ملحوظ مقارنة بالطفيليات البرية. وقد أكد هذا أن "الكيناز" ليس مجرد فضول مختبري، بل هو مكون حيوي لدورة حياة الطفيلي في المضيف الحقيقي. هذا التأخير يعني أن الطفيليات بقيت في الشكل الخطير والمتضاعف بسرعة لفترة طويلة جداً، مما قد يجعلها أكثر عرضة للجهاز المناعي للمضيف أو أقل كفاءة في الانتشار إلى مضيفين جدد.

يعيد هذا العمل صياغة فهمنا لكيفية تواصل هذه الطفيليات القديمة. فهو يظهر أنه على الرغم من أن Trypanosoma brucei قد تطور بشكل منفصل عن البشر لمئات الملايين من السنين ويفتقر إلى العديد من أدوات الإشارة القياسية الموجودة في الحيوانات الأخرى، فإنه لا يزال يعتمد على آلية قديمة ومحفوظة بعمق لإدارة جموعته. إن حقيقة أن عائلة بروتينية مركزية في البيولوجيا البشرية هي أيضاً المفتاح الرئيسي للتحكم في طفيلي مميت تفتح آفاقاً جديدة للعلاج. فإذا تمكن العلماء من تصميم أدوية تمنع هذا "الكيناز" في الطفيلي خصيصاً دون الإضرار بالنسخة البشرية، فقد يتمكنون من وقف انتشار المرض عن طريق إجبار الطفيليات على البقاء في حالة يسهل فيها على المضيف القضاء عليها. توفر الدراسة خريطة واضحة للخطوات الأولى في مسار الإشارة هذا، محولةً "الصندوق الأسود" للبيولوجيا المجهولة إلى تسلسل محدد من الأحداث التي يمكن الآن استهدافها للتدخل العلاجي.