The conserved β-hairpin of the SUI1 domain is a dual-function structural module governing translation initiation and ribosome recycling in yeast

داخل كل خلية حية، تقوم آلة مجهرية تسمى الريبوسوم بقراءة التعليمات الجينية لبناء البروتينات، وهي محركات العمل التي تحافظ على استمرار الحياة. هذه العملية، المعروفة باسم الترجمة، ليست حدثًا مستمرًا واحدًا، بل هي سلسلة من الخطوات الدقيقة. بمجرد أن ينتهي الريبوسوم من قراءة كتلة تعليمات محددة، يجب عليه ترك الرسالة وإعادة الضبط للبدء من جديد. في معظم الحالات، يحرر الريبوسوم أجزاءه ويترك الرسالة تمامًا. ومع ذلك، تحتوي بعض الرسائل الجينية على تعليمات تمهيدية قصيرة قبل التعليمات الرئيسية. وعندما ينتهي الريبوسوم من هذه الأقسام التمهيدية القصيرة، فإنه يظل أحيانًا متصلًا بالرسالة ويبدأ فورًا في قراءة الجزء التالي. وتسمى هذه القدرة على إعادة البدء دون ترك الرسالة بـ "إعادة البدء" (reinitiation)، وهي وسيلة حاسمة تستخدمها الخلايا لتنظيم كمية البروتين التي تصنعها. وإذا فشلت آلية إعادة الضبط هذه، فقد يعلق الريبوسوم أو يبدأ في القراءة من مكان خاطئ، مما قد يؤدي إلى إنشاء بروتينات ضارة.

لطالما عرف العلماء أن هناك بروتينات مساعدة محددة مطلوبة لإدارة عملية إعادة الضبط هذه. في الخميرة، وهي كائن بسيط يُستخدم غالبًا لدراسة البيولوجيا البشرية، يعمل زوج من البروتينات المساعدة يسمى Tma20p وTma22p معًا لضمان إعادة تدوير الريبوسومات بشكل صحيح. تشترك هذه البروتينات في شكل هيكلي مع بروتين آخر معروف يسمى eIF1، والذي يساعد في بدء الخطوة الأولى من قراءة التعليمات الجينية. ولأنها تبدو متشابهة جدًا، تساءل الباحثون عما إذا كان زوج Tma20p وTma22p ببساطة ينسخ وظيفة البروتين المبدئ، أم أنهما تطورا ليلعبا دورًا فريدًا لإعادة التدوير. وقد أجابت دراسة جديدة أجرتها كسينيا زامياتنينا وفريقها في مؤسسات بحثية روسية على هذا السؤال، حيث كشفت بالضبط كيف تعمل هذه البروتينات وما يحدث عندما تتعطل أجزاؤها المحددة.

لفهم وظيفة هذه البروتينات، بنى الباحثون نظام اختبار مخصصًا داخل خلايا الخميرة. لقد أنشأوا رسائل جينية عملت مثل تقرير مكون من جزأين؛ كان الجزء الأول عبارة عن تعليمات قصيرة وسهلة القراءة ينهيها الريبوسوم بسرعة، أما الجزء الثاني فكان عبارة عن تعليمات أطول لا يقرؤها الريبంలో إلا إذا نجح في إعادة الضبط والبقاء على الرسالة بعد إنهاء الجزء الأول. ومن خلال قياس عدد المرات التي ينتقل فيها الريبوسوم بنجاح من الجزء الأول إلى الثاني، استطاع الفريق حساب كفاءة عملية إعادة التدوير. واختبروا هذا النظام في خلايا الخميرة حيث قاموا بإزالة واحد أو أكثر من البروتينات المساعدة لمعرفة كيف تتغير عملية إعادة التدوير.

قارن الفريق أولاً بين أدوار البروتينات المساعدة المختلفة المتاحة في الخميرة. ووجدوا أن زوج البروتينات Tma20p وTma22p يلعب الدور المهيمن في منع الريبوسومات من إعادة البدء بسهولة كبيرة. وعندما كان كلاهما مفقودًا، كانت الريبوسومات تعيد البدء بشكل متكرر للغاية، مما يشير إلى فشل في عملية إعادة التدوير. كما لعب بروتين مساعد ثالث، وهو Tma64p، دورًا أيضًا، لكن تأثيره كان أصغر بكثير. واكتشف الباحثون أن زوج Tma20p وT22p كان أكثر أهمية من Tma64p في التحكم في هذه العملية، سواء كان الريبوسوم يعيد البدء بعد تعليمات قصيرة أو بعد تعليمات طويلة.

ثم ركزت الدراسة على الشكل المحدد لبروتين Tma22p. يمتلك هذا البروتين بنية حلقية متميزة مكونة من جسيمات مشحونة، والتي تشبه إلى حد كبير جزءًا من البروتين المبدئ eIF1. قام الباحثون بإنشاء نسخ من بروتين Tma22p حيث قاموا بإزالة أو تغيير هذه الحلقة المحددة. وعندما غيروا الجسيمات المشحونة في هذه الحلقة، فقد البروتين تمامًا قدرته على المساعدة في إعادة تدوير الريبوسومات. وسلكت الريبوسومات في هذه الخلايا سلوكًا كما لو كان البروتين المساعد مفقودًا تمامًا، حيث أعادت البدء بشكل متكرر للغاية. وأثبت هذا أن هذه الحلقة المحددة ضرورية لوظيفة البروتين.

ومن المثير للدهشة، عندما أزال الباحثون الهيكل الحلقي الكامل من البروتين، كانت النتيجة مختلفة. فبدلاً من فشل البروتين تمامًا، كانت خلايا الخميرة لا تزال قادرة على إعادة تدوير الريبوسومات بشكل جيد معقول. وهذا يشير إلى أن بروتينًا آخر في الخلية، ومن المرجح أن يكون البروتين المبدئ eIF1، يمكنه التدخل وتولي المهمة عندما يفتقد البروتين المساعد الرئيسي لحلقته. ولاختبار هذه الفكرة، صنع الفريق بروتينًا هجينًا؛ حيث أخذوا الجزء الأمامي من المساعد Tma22p وربطوا به الحلقة من البروتين المبدئ eIF1. وعندما وضعوا هذا البروتين الهجين في خلايا تفتقر إلى Tma22p الطبيعي، فقد استعادوا جزئيًا القدرة على إعادة تدوير الريبوسومات. وأكد هذا أن البروتين المبدئ والبروتين المساعد لإعادة التدوير يمكنهما تبادل الأجزاء والاستمرار في العمل، مما يشير إلى أنهما تطورا من سلف مشترك لأداء مهام مختلفة ولكنها مرتبطة.

توضح النتائج نقاشًا طويل الأمد حول كيفية عمل هذه البروتينات في الكائنات الحية المختلفة. في الخميرة، يعمل زوج Tma20p وTma22p في المقام الأول على منع الريبوسومات من إعادة البدء، مما يضمن تركها للرسالة ليتم إعادة استخدامها في مكان آخر. وفي البشر، كان يُعتقد أن بروتينات مماثلة تساعد الريبوسومات على إعادة البدء، لكن هذه الدراسة تشير إلى أن الآلية الأساسية لاستخدام شكل هيكلي مشترك لإدارة حركة الريبوسوم هي آلية محفوظة. ويسلط البحث الضوء على أن الحلقة المشحونة في بروتين Tma22p هي المفتاح الحاسم لمهمته. وبدونها، تنهار عملية إعادة التدوير، مما يؤدي إلى أخطاء في إنتاج البروتين. وتساعد هذه الرؤية في فهم كيفية حفاظ الخلايا على النظام أثناء تخليق البروتين، وتوفر صورة أوضح لكيفية تسبب الطفرات الجينية في هذه المناطق في حدوث أمراض، حيث ترتبط بروتينات مماثلة في البشر باضطرابات عصبية. ويظهر العمل أنه بينما خلق التطور أدوات متخصصة لخطوات مختلفة من العملية، فإنها لا تزال تشترك في مخطط واحد يمكن تبادله وتكييفه تحت الظروف المناسبة.