Engineered proteins to restore and enhance neurotransmitter release

داخل الدماغ، يحدث التواصل عند نقاط التقاء صغيرة تسمى المشابك العصبية، حيث تنقل الخلايا العصبية الرسائل الكيميائية إلى بعضها البعض. تعتمد هذه العملية على آلة جزيئية متطورة تقع في نهاية الخلية العصبية المرسلة، تُعرف باسم "المنطقة النشطة". فكر في المنطقة النشطة كرصيف تحميل منظم للغاية، حيث يتم إعداد وتجهيز فقاعات صغيرة من الناقلات العصبية، تسمى الحويصلات، تمهيداً لإطلاقها. عندما تصل إشارة كهربائية، تندمج هذه الحويصلات مع الغشاء الخارجي للخلة وتسكب محتوياتها في الفجوة بين الخلايا العصبية. وإذا تعطل رصيف التحميل هذا أو أصابه خلل، تفشل الرسالة في الوصول. ويعد هذا الفشل سمة مركزية في العديد من الأمراض العصبية، ومع ذلك فقد ثبت أن إصلاحه أمر صعب لأن الآلية المعنية تتكون من بروتينات عديدة كبيرة ومعقدة يصعب إصلاحها أو استبدالها.

لطالما سعى الباحثون لإيجاد طريقة لتجاوز هذا التعقيد، ربما عبر بناء نسخة اصطناعية أبسط من رصيف التحميل يمكنها استعادة الوظيفة عندما تفشل المنظومة الطبيعية. وفي دراسة جديدة، ابتكر علماء في كلية الطب بجامعة هارفارد مثل هذا الحل؛ حيث صمموا بروتينين مخصصين للتدخل وإعادة تشغيل إطلاق الرسائل الكيميائية، حتى عندما تكون الآلية الطبيعية للخلية قد تفككت. ويذهب أحد هذين البروتينين المهندسين خطوة أبعد، إذ لا يكتفي باستعادة الوظيفة فحسب، بل يجعل إطلاق الرسائل أقوى مما كان عليه من قبل. ويشير هذا العمل إلى مسار جديد لعلاج الحالات التي تصبح فيها خطوط التواصل في الدماغ ضعيفة جداً بحيث لا تستطيع حمل الإشارات اللازمة.

تبدأ القصة بنوع محدد من الخلايا العصبية حيث قام الباحثون عمداً بإزالة المكونات الرئيسية للمنطقة النشطة. في هذه الخلايا، كانت الآلية الطبيعية لإعداد وإطلاق الناقلات العصبية غائبة، ولم تعد الخلايا قادرة على التواصل. اختبر الفريق أولاً بروتيناً تم تطويره سابقاً، أطلقوا عليه اسم β4-Zn. يعمل هذا البروتين عن طريق استدعاء جزيء مساعد طبيعي، يُعرف باسم Munc13، إلى الموقع الذي ينبغي أن يحدث فيه الإطلاق. في الخلايا التي كانت لا تزال تمتلك جزيء Munc13 الخاص بها ولكنها تفتقر إلى أجزاء أخرى من المنطقة النشطة، نجحت هذه الطريقة في استعادة القدرة على إطلاق الرسائل. ومع ذلك، عندما أزال الباحثون جزيء Munc13 تماماً، فشل بروتين β4-Zn؛ إذ لم يستطع القيام بالمهمة بمفرده لأنه كان يعتمد على الأجزاء المتبقية من الخلية ليعمل.

ولحل هذه المشكلة، قرر الفريق بناء بروتين لا يحتاج إلى استدعاء أي شيء من الخلية. بدلاً من ذلك، أخذوا الأجزاء الوظيفية الأكثر أهمية من جزيء Munc13 ودمجوها مباشرة مع مكون استهداف يوجه البروتينات إلى نهاية العصب. هذا الابتكار الجديد، المسمى β4-MC، يحتوي على قسمين محددين من Munc13: منطقة مسؤولة عن تجميع المشابك الجزيئية التي تدمج الحويصلات، ومنطقة تساعد في تثبيت الهيكل بأكمله في غشاء الخلية. وعندما أدخل الباحثون بروتين β4-MC في الخلايا التي جُردت تماماً من آليات المنطقة النشطة، نجح الأمر. فقد تمكن البروتين من إرساء الحويصلات، وتجهيزها للإطلاق، والسماح للخلايا العصبية بإطلاق إشارات كيميائية مرة أخرى، مما أعاد بناء رصيف التحميل من الصفر باستخدام أداة واحدة مدمجة.

ثم استقصى الباحثون بدقة كيفية عمل هذا البروتين الجديد من خلال اختبار ما يحدث عند تعطيل أجزائه المختلفة. ووجدوا أن كلا القسمين من بروتين β4-MC ضروريان للإطلاق الفعلي للرسالة الكيميائية. فإذا أوقفوا الجزء المسؤول عن تجميع مشابك الاندماج، فلن تتمكن الحويصلات من إطلاق محتوياتها. وإذا أوقفوا الجزء الذي يثبت البروتين في الغشاء، فلن تتمكن الحويصلات حتى من الاقتراب بما يكفي من الحافة ليتم إطلاقها. ومن المثير للاهتمام، اكتشفوا أن جزء التثبيت كان ضرورياً أيضاً لإبقاء الحويصلات في مكانها، لكن جزء الاندماج لم يكن مطلوباً لمجرد إبقائها هناك. وقد كشف هذا أن خطوات تثبيت الحويصلة في مكانها وتجهيزها للاندماج هي عمليات متميزة يمكن التحكم فيها بشكل منفصل.

وبعيداً عن إصلاح الخلايا المعطلة، تساءل الفريق عما إذا كان بإمكان هذه البروتينات المهندسة تحسين التواصل في الخلايا السليمة التي تعمل بالفعل بشكل صحيح. في الخلايا العصبية الطبيعية للفئران وفي الخلايا العصبية البشرية المستزرعة من خلايا جذعية، لم يكتفِ بروتين β4-MC باستعادة الوظيفة فحسب، بل عززها أيضاً. فقد أطلقت الخلايا التي تحتوي على هذا البروتين المزيد من الناقلات العصبية وبموثوقية أكبر. لاحظ الباحثون أن البروتين زاد من احتمالية أن تؤدي الإشارة إلى عملية إطلاق، مما جعل المشبك العصبي أكثر حساسية وكفاءة. وفي المقابل، لم يكن للنسخة السابقة، β4-Zn، أي تأثير على الخلايا السليمة، مما أكد أن التصميم الجديد يقدم ميزة فريدة من خلال تعزيز الأداء فعلياً بدلاً من مجرد إصلاح الضرر.

ولمعرفة ما إذا كان هذا النهج يمكن أن ينجح في حيوان حي، توجه الباحثون إلى نظام الدوبامين في الدماغ، وهو نظام حيوي للحركة والتحفيز ومعروف بفشله في مرض باركنسون. استخدموا فيروساً لإيصال البروتينات المهندسة مباشرة إلى أدمغة الفئران. وفي الفئران التي تمت إزالة بروتينات المنطقة النشطة الطبيعية من خلايا الدوبامين فيها، نجح بروتين β4-Zn في استعادة إطلاق الدوبامين، مما أعاد المستويات إلى ما يقرب من الطبيعي. أما في الفئران السليمة، فقد زاد بروتين β4-MC من كمية الدوبامين المنطلقة أثناء التحفيز. وقد أثبت هذا أن البروتينات المهندسة يمكن أن تعمل في البيئة المعقدة لدماغ حي، مستهدفة خلايا عصبية محددة ومحسنة مخرجاتها دون تعطيل بقية النظام.

تخلص الدراسة إلى أن هذه البروتينات المهندسة هي أدوات متعددة الاستخدامات قادرة على كل من إصلاح وتقوية شبكة التواصل في الدماغ. ومن خلال تلخيص الوظائف الأساسية للآلات الجزيئية المعقدة في وحدات مدمجة وذاتية الاحتواء، نجح الباحثون في ابتكار طريقة لتجاوز الحاجة إلى خط التجميع الأصلي الهش للخلية. ورغم أن هذا العمل لا يزال في مراحله الأولى، إلا أنه يقدم دليلاً ملموساً على إمكانية استعادة وظيفة المشبك العصبي وتعزيزها من خلال هندسة البروتينات الدقيقة. ويمكن لهذا النهج أن يوفر يوماً ما وسيلة لعلاج الاضطرابات العصبية عبر تعزيز قوة الإشارات التي تبقي دوائر الدماغ تعمل، مما يمنح الأمل في الحالات التي تعطلت أو تآكلت فيها الآليات الطبيعية.