Prediction of deleterious nsSNPs of mouse DROSHA gene targeting miR-16 and miR-21maturation in vascular smooth muscle cells: Integrated computational and experimental study

داخل جدران كل وعاء دموي، تعمل طبقة من خلايا العضلات الملساء بلا كلل للتحكم في تدفق الدم، حيث تتقلص وتسترخي للحفاظ على استقرار دورتنا الدموية. وعندما تتعطل هذه الخلايا، يمكن أن تكون العواقب وخيمة، مما يؤدي إلى حالات مثل ارتفاع ضغط الدم أو تصلب الشرايين. ولكي تؤدي هذه الخلايا وظائفها بشكل صحيح، فإنها تعتمد على نظام اتصال داخلي متطور مدفوع بجزيئات صغيرة تسمى "الميكرو RNA" (microRNAs). فكر في هذه الجزيئات كمديرين مجهريين يخبرون الخلية أي الجينات يجب تشغيلها أو إيقافها، مما يضمن تصرف الخلية كما ينبغي لها. ولصناعة هؤلاء المديرين، تستخدم الخلية آلة جزيئية تسمى "دروشا" (Drosha)، وهي إنزيم يعمل مثل مقص دقيق، حيث يقطع المادة الوراثية الخام إلى شكل نهائي قابل للاستخدام. وإذا كان خلل ما قد أصاب عملية القطع هذه، فلن يتم صنع المديرين أبدًا، وتفقد الخلية قدرتها على تنظيم نفسها.

لطالما عرف العلماء أن "دروشا" ضروري للحياة، لكنهم واجهوا صعوبة في تحديد الأجزاء الأكثر أهمية في الإنزيم لأداء مهمته بدقة. إن تغييراً واحداً في الشفرة الوراثية، المعروف باسم الطفرة، يمكن أن يؤدي أحياناً إلى تعطل الآلة، لكن البحث عن الموقع المحدد الذي يسبب المشكلة يشبه البحث عن خيط واحد مفكك في نسيج ضخم. وفي دراسة جديدة، جمع الباحثون بين عمليات المحاكاة الحاسوبية القوية والتجارب المختبرية لتحديد نقطة ضعف محددة في إنزيم "دروشا" لدى الفئران. واكتشفوا أن تغييراً طفيفاً في موقع محدد من الإنزيم يعطل إنتاج اثنين من "الميكرو RNA" الحيويين؛ أحدهما يحمي من الأورام والآخر يمكن أن يحفزها. يقدم هذا الاكتشاف نظرة جديدة لكيفية إمكانية تعديل آليات الحياة للتأثير على صحة الأوعية الدموية.

بدأ الباحثون تحقيقهم عبر التعامل مع جين "دروشا" كأحجية يجب حلها من خلال الحساب. فقد جمعوا المخطط الجيني لإنزيم "دروشا" لدى الفئران وأجروا عليه سلسلة من البرامج الحاسوبية المصممة للتنبؤ بكيفية تأثير التغييرات في تسلسل الأحماض الأمينية على استقرار البروتين ووظيفته. تعمل هذه البرامج كمرشحات افتراضية، حيث تغرب آلاف الطفرات المحتملة للعثور على تلك الأكثر عرضة للتسبب في الضرر. وقد أشارت التحليلات إلى موقع واحد محدد في الإنزيم: الموقع 401. في النسخة الطبيعية والسليمة من الإنزيم، يشغل هذا الموقع حمض أميني يسمى "حمض الغلوتاميك". وأشارت النماذج الحاسوبية إلى أنه إذا تم استبدال هذا الحمض بحمض أميني آخر يسمى "الجلوتامين"، فإن الإنزيم سيصبح غير مستقر وأقل فعالية.

ولاختبار هذا التنبؤ، قام الفريق ببناء نموذج ثلاثي الأبعاد مفصل للإنزيم، بنسخته الطبيعية وبالنسخة التي تحمل الطفرة المحددة في الموقع 401. ثم قاموا بمحاكاة كيفية سلوك هذه النماذج بمرور الوقت، ومراقبة كيفية حركتها وانثناءها في بيئة افتراضية. وكشفت عمليات المحاكاة أن النسخة المتحورة من الإنزيم كانت بالفعل أكثر استقراراً في بنيتها، ولكن هذا الاستقرار جاء بتكلفة. فقد بدا أن الطفرة تغير طريقة تفاعل الإنزيم مع بروتينه الشريك، "دي جي سي آر 8" (Dgcr8)، وهو البروتين المطلوب لتشكيل آلة القطع الكاملة. وأشارت البيانات الحاسوبية إلى أن هذا التغيير في الشراكة من شأنه أن يضعف قدرة الآلة على معالجة المادة الوراقية الخام وتحويلها إلى "ميكرو RNA" ناضج.

ومع توفير النماذج الحاسوبية لتلميح قوي، انتقل الباحثون إلى المختبر ليروا ما إذا كان التأثير نفسه يحدث في الخلايا الحية. استخدموا تقنية لإسكات جين "دروشا" الطبيعي في خلايا العضلات الملساء الوعائية للفئران، مما أدى فعلياً إلى إيقاف قدرة الخلية على إنتاج "الميكرو RNA". وبمجرد أن أصبحت الخلايا تعتمد على مصدر خارجي، أدخل الفريق نسخة جديدة من جين "دروشا". في إحدى مجموعات الخلايا، أضافوا الجين الطبيعي غير المتحور، وفي مجموعة أخرى، أضافوا الجين الذي يحتوي على الطفرة المحددة في الموقع 401. ثم قاموا بقياس مستويات اثنين من "الميكرو RNA" الرئيسيين: "miR-16"، الذي يعمل كمثبط للأورام، و"miR-21"، المعروف بقدرته على تحفيز نمو الخلايا ويمكن أن يدفع بالسرطان.

أكدت النتائج تنبؤ الحاسوب. ففي الخلايا التي تحتوي على الإنزيم المتحور، انخفض إنتاج كلا النوعين من "الميكرو RNA" بشكل كبير مقارنة بالخلايا ذات الإنزيم الطبيعي. أثبت هذا أن الطفرة في الموقع 401 أدت بالفعل إلى إضعاف قدرة الخلية على إنضاج هذه الجزيئات الحيوية. ومع ذلك، لاحظ الباحثون فرقاً صارخاً في كيفية استجابة كل من "الميكرو RNA". فقد انخفض مستوى "miR-21" المحفز للنمو بشكل حاد أكثر بكثير من مستوى "miR-16" الواقي. وتحديداً، تسببت الطفرة في انخفاض تعبير "miR-21" بمعامل قدره 1.79، بينما انخفض "miR-16" بمعامل 1.28. يشير هذا إلى أن الطفرة لها تأثير قوي وغير متناسب على "الميكرو RNA" المسبب للأورام، مما قد يجعلها هدفاً مفيداً للحد من نمو الخلايا الضار دون إيقاف الآليات الوقائية للخلية تماماً.

تمثل هذه الدراسة المرة الأولى التي يحدد فيها العلماء ويتحقق فيها من موقع الطفرة المحدد في إنزيم "دروشا" في سياق خلايا العضلات الملساء الوعائية. ومن خلال الجمع بين النمذجة الرقمية والتجريب الفيزيائي، أثبت الفريق أن تغييراً واحداً صغيراً في الشفرة الوراثية يمكن أن يكون له تأثير ملموس على شبكة الاتصال الداخلية للخلية. وبينما لا تقدم هذه الأبحاث علاجاً جديداً لأمراض الأوعية الدموية بعد، إلا أنها توفر خريطة واضحة لكيفية عمل إنزيم "دروشا" وكيف يمكن هندسته. وتشير النتائج إلى أنه من خلال إعادة تصميم تسلسل هذا الإنزيم بعناية، قد يكون من الممكن ضبط إنتاج أنواع معينة من "الميكرو RNA"، مما يفتح مساراً جديداً لفهم وإدارة السلوكيات المعقدة لخلايا الأوعية الدموية.