CRISPR-based epigenome and genome editing reveal novel roles for PLEC in cartilage biology, mechanobiology, and response to inflammation

يُعد الفصال العظمي (الخشونة) أكثر أنواع التهاب المفاصل شيوعاً، وهو حالة تتآكل فيها الغضروف الناعم والواقي الذي يحمي نهايات العظام، مما يؤدي إلى الألم والتيبس. وبينما يُعد التقدم في السن والإصابات من المحفزات المعروفة جيداً، فقد اشتبه العلماء لفترة طويلة في أن جيناتنا تلعب دوراً هائلاً في تحديد من يصاب بالمرض ومدى سرعة تطوره. وقد حدد الباحثون بقعاً محددة في حمضنا النووي، تُسمى تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة، ترتبط بارتفاع خطر الإصابة بالفصال العظمي. ومع ذلك، فإن معظم هذه البقع الخطرة لا تحتوي على التعليمات الفعلية لصنع البروتينات؛ بل تقع بدلاً من ذلك في المناطق غير المشفرة من الجينوم. فكر في هذه المناطق كأزرار التحكم في مستوى الصوت ومفاتيح تعتيم الإضاءة في جهاز الراديو؛ فهي لا تعزف الموسيقى نفسها، ولكنها تتحكم في مدى ارتفاع أو انخفاض صوت الموسيقى. وفي حالة الفصال العظمي، تعمل هذه المفاتيح الجينية على الأرجح عن طريق رفع أو خفض نشاط جينات معينة من خلال عملية تسمى "مثيلة الحمض النووي" (DNA methylation)، والتي تعمل كعلامة كيميائية يمكنها إسكات الجين. إن فهم كيفية تحكم هذه المفاتبات الصامتة في صحة غضاروفنا هو أمر بالغ الأهمية لإيجاد طرق جديدة لعلاج المرض.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في كلية الطب بجامعة واشنطن وعدة مؤسسات دولية خطوة مهمة نحو فك هذا الغموض من خلال التركيز على عامل خطر جيني محدد يُعرف باسم rs11780978. يقع هذا المتغير الجيني بالقرب من جين يسمى PLEC، والذي ينتج بروتيناً كبيراً يسمى "بليكتين" (plectin). يعمل البليكتين كغراء هيكلي داخل الخلايا، حيث يمسك الهيكل الداخلي معاً ويساعد الخلايا على استشعار القوى الفيزيائية والاستجابة لها. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان عامل الخطر الجيني هذا يغير طريقة صنع البليكتين في خلايا الغضروف، وما إذا كان امتلاك كمية أقل من البليكتين يجعل تلك الخلايا أكثر عرضة للتآكل الناتج عن ضغوط الحياة اليومية والالتهاب. وللتحقق من ذلك، قاموا ببناء نظام مخبري متطور سمح لهم بتعديل الشفرة الجينية والعلامات الكيميائية على الحمض النووي لخلايا الغضروف البشرية، مما خلق بيئة محكومة لاختبار كيف تؤثر هذه التغييرات على قدرة الخلايا على بناء وصيانة الأنسجة الصحية.

بدأ العلماء بالتأكد من أن عامل الخطر الجيني الذي يدرسونه مرتبط بالفعل بعلامات كيميائية محددة على الحمض النووي في عينات الغضروف البشرية المأخوذة من المرضى. وحددوا عدة مواقع جديدة يؤثر فيها الكود الجيني على هذه العلامات، مما وسع نطاق فهم كيفية عمل عامل الخطر هذا. وباستخدام أداة دقيقة تعمل مثل "الممحاة الجزيئية"، قاموا بإزالة العلامات الكيميائية من هذه البقع المحددة في خلايا الغضروف المستزرعة مخبرياً. ولاحظوا أنه عند إزالة هذه العلامات، انخفض نشاط جين البليكتين بشكل كبير. قدم هذا دليلاً قوياً على أن عامل الخطر الجيني يعمل عن طريق تغيير البيئة الكيميائية للحمض النووي، مما يؤدي بدوره إلى تقليل كمية البليكتين التي تنتجها الخلية. وبعد إثبات هذا الارتباط، انتقل الفريق إلى المرحلة التالية: إنشاء سلالة خلوية تفتقر طبيعياً إلى البليكتين لمعرفة ما سيحدث عندما تحاول الخلايا النمو والعمل بدون وجوده.

لدراسة آثار نقص البليكتين، استخدم الباحثون نوعاً خاصاً من الخلايا الجذعية البشرية التي يمكن توجيهها لتصبح خلايا غضروفية. واستخدموا تقنية تحرير الجينات لحذف جزء صغير من جين البليكتين، مما أدى إلى إنشاء نسخة من الخلايا لا يمكنها صنع البروتين الكامل. وتحققوا من أن هذه الخلايا المعدلة كانت تمتلك مستويات أقل بكثير من البليكتين على مستويات الحمض النووي (DNA)، والحمض النووي الريبوزي (RNA)، والبروتين، وأن هذا النقص استمر حتى مع نمو الخلايا ونضجها إلى هياكل تشبه الغضروف. وعندما سُمح لهذه الخلايا التي تفتقر إلى البليكثين بتكوين غضروف في طبق مخبري، أظهرت تغيراً طفيفاً ولكنه مهم في سلوكها. فبينما كانت لا تزال قادرة على بناء الغضروف، إلا أنها أنتجت كميات أقل من المكونات الأساسية، مثل النوع الثاني من الكولاجين (type II collagen) والأغريكان (aggrecan)، وهي مواد ضرورية لقوة النسيج وقدرته على امتصاص الصدمات. ومن المثير للاهتمام أن الخلايا لم تظهر علامات على التحول إلى أنسجة ندبية أو الشيخوخة المبكرة، مما يشير إلى أن نقص البليكتين أضعف تحديداً قدرة الغضروف على بناء نفسه بدلاً من التسبب في تسريع تحطمه.

بعد ذلك، عرض الباحثون هذه الخلايا لأنواع الضغوط التي تواجهها داخل جسم الإنسان. فقد عرضوا الغضروف لإشارات التهابية، تشبه ما يحدث أثناء نوبات التهاب المفاصل، ولضغط ميكانيكي، يحاكي قوة المشي أو الجري. وعندما تعرضت الخلايا للالتهاب، تفاعلت بتقليل إنتاجها لمكونات الغضروف الصحية، وهو رد فعل لوحظ في كل من الخلايا الطبيعية والخلايا التي تفتقر إلى البليكتين. ومع ذلك، أظهرت الخلايا التي تفتقر إلى البليكتين نمطاً مختلفاً قليلاً في استجابتها الجينية للالتهاب، حيث أنتجت إشارة التهابية أقل تسمى IL-6. وهذا يشير إلى أنه بينما كانت الخلايا لا تزال تعاني من الالتهاب، فإن الطريقة التي تنقل بها هذا الإجهاد إلى بقية الجسم قد تغيرت.

ولعل الجزء الأكثر كشفاً في الدراسة جاء عندما جمع الباحثون بين الضغط الميكانيكي والالتهاب، مما خلق بيئة "ميكانيكية-التهابية" تحاكي بدقة الظروف داخل مفصل مصاب بالتهاب المفاصل. حللوا النشاط الجيني للخلايا تحت هذه الظروف ووجدوا أن غياب البليكتين غير كيفية استجابة الخلايا للحمل الفيزيائي. فقد قامت الخلايا التي تفتقر إلى البليكتين بتنشيط مجموعة مختلفة من الجينات مقارنة بالخلايا الطبيعية؛ حيث ارتبطت بعض هذه الجينات بكيفية تنظيم الهيكل الداخلي للخلية، بينما ارتبطت أخرى بخيوط طويلة من المادة الوراثية التي تنظم عمل الجينات الأخرى. وكان أحد أبركت النتائج هو أن الخلايا التي تفتقر إلى البليكتين فشلت في تنشيط جين يسمى H19 بشكل صحيح، وهو جين معروف بقدرته على مساعدة الغضروف في إصلاح نفسه. وبدون تفعيل هذا الجين بشكل صحيح، قد تواجه الخلايا صعوبة في إصلاح الضرر الناتج عن الحركة اليومية، خاصة عندما تصاحب هذه الحركة حالات الالتهاب.

كما بحثت الدراسة فيما إذا كان نقص البليكتين قد غير صلابة الخلايا أو قدرتها على استشعار القوة. وباستخدام مسبار مجهري عالي الحساسية، ضغط الباحثون على الخلايا الفردية لمعرفة مدى تشوهها وكيفية تفاعلها مع إشارات الكالسيوم. ومن المثير للدهشة أن الخلايا التي تفتقر إلى البليكتين كانت بنفس صلابة الخلايا الطبيعية وبنفس القدر من الاستجابة للضغط الفيزيائي. وهذا يشير إلى أن المشكلة ليست في أن الخلايا لا تستطيع الشعور بالقوة أو أنها ضعيفة فياً من الناحية الفيزيائية البسيطة، بل تكمن المشكلة في كيفية ترجمة الخلايا لهذا الشعور الفيزيائي إلى استجابة جينية. يبدو أن الهيكل الداخلي، الذي يساعد البليكتين في الحفاظ عليه، يعد أمراً حاسماً لإرسال الرسائل الصحيحة إلى نواة الخلية لإخبارها ببناء المزيد من الغضروف عندما تكون تحت الضغط.

من خلال ربط عامل خطر جيني محدد بتغير كيميائي في الحمض النووي، ثم ربط هذا التغيير الكيميائي بنقص في بروتين هيكلي، رسم الباحثون خطاً واضحاً من اختلاف ضئيل في شفرتنا الجينية إلى صحة مفاصلنا. لقد أظهروا أن امتلاك عامل خطر جيني للفصال العظمي يمكن أن يؤدي إلى مستويات منخفضة من البليكتين، مما يجعل خلايا الغضروف بدورها أقل فعالية في بناء وإصلاح نفسها عندما تتعرض للإجهاد. لا يقدم هذا العمل علاجاً فورياً، ولكنه يوفر خارطة طريق مفصلة لكيفية تسبب الضعف الجيني في حدوث المرض. إنه يسلط الضل على البليكتين كلاعب رئيسي في الحوار المعقد بين جيناتنا، وبيئتنا، ومفاصلنا، مما يشير إلى أن العلاجات المستقبلية قد تحتاج إلى التركيز على مساعدة هذه الخلايا للتغلب على نقاط ضعفها الهيكلية لتتحمل بشكل أفضل المتطلبات اليومية للحياة.