Quantitative characterization of PP2A-derived peptides modulating the LRRK2:PP2A protein-protein interaction

पार्किंसंस रोग एक प्रगतिशील स्थिति है जो धीरे-धीरे मस्तिष्क की गति को नियंत्रित करने की क्षमता को कम कर देती है, जिससे दुनिया भर में लाखों लोग प्रभावित होते हैं। वर्तमान में, ऐसा कोई उपचार नहीं है जो इस बीमारी के मार्ग को रोक सके या उसे उलट सके; मौजूदा उपचार केवल लक्षणों का प्रबंधन करते हैं। यह समझने के लिए कि क्या गलत हो रहा है, एक प्रमुख सुराग LRRK2 नामक प्रोटीन में छिपा है। पार्किंसंस के कई मामलों में, यह प्रोटीन अत्यधिक सक्रिय हो जाता है, जिससे मस्तिष्क की कोशिकाओं की मृत्यु होने लगती है। LRRK2 की गतिविधि एक रासायनिक स्विच द्वारा नियंत्रित होती है: जब प्रोटीन के कुछ हिस्सों को फॉस्फेट समूहों के साथ टैग किया जाता है, तो यह शांत रहता है और कोशिका के भीतर सही स्थान पर रहता है। जब ये टैग हटा दिए जाते हैं, तो यह प्रोटीन अति-सक्रिय हो जाता है और खतरनाक स्थानों पर चला जाता है। इन टैगों को हटाने के लिए जिम्मेदार कोशिकीय मशीनरी फॉस्फेटेस (phosphatases) नामक एंजाइमों का एक समूह है, विशेष रूप से PP2A नामक एक टीम। यदि वैज्ञानिक PP2A को LRRK2 के साथ परस्पर क्रिया करने से रोकने में सक्षम हो सकें, तो वे सुरक्षात्मक फॉस्फेट टैग को यथास्थान बनाए रखने में सफल हो सकते हैं, जिससे संभावित रूप से बीमारी को धीमा किया जा सकता है। हालांकि, PP2A को पूरी तरह से बंद करना बहुत खतरनाक है क्योंकि यह शरीर के कई अन्य स्वस्थ कार्यों के लिए आवश्यक है। चुनौती केवल LRRK2 और PP2A के बीच के विशिष्ट 'हैंडशेक' (हाथ मिलाने) को रोकने का तरीका खोजने की है, बिना शेष कोशिका को बाधित किए।

फ्रांस के यूनिवर्सिटी ऑफ लिले के शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाते हुए PP2A प्रोटीन के छोटे टुकड़ों की पहचान की और उनका परीक्षण किया जो 'डिकॉय' (छलावे) के रूप में कार्य करते हैं। टीम ने अमीनो एसिड की दो विशिष्ट छोटी श्रृंखलाओं पर ध्यान केंद्रित किया, जो प्रोटीन के निर्माण खंड हैं और PP2A एंजाइम से आती हैं। वे यह देखना चाहते थे कि क्या ये छोटी श्रृंखलाएं LRRK2 से जुड़ सकती हैं और पूर्ण PP2A एंजाइम को इससे जुड़ने से रोक सकती हैं। अणुओं के आपस में जुड़ने की मजबूती को मापने वाली एक संवेदनशील तकनीक का उपयोग करते हुए, वैज्ञानिकों ने पाया कि ये पेप्टाइड श्रृंखलाएं वास्तव में LRRK2 से जुड़ती हैं। इनमें से एक श्रृंखला, जिसे HT16 कहा जाता है, इतनी मजबूती से जुड़ी कि यह दवा विकास के लिए एक उपयोगी उपकरण होने का संकेत देती है, जबकि दूसरी, QA16, अकेले में अधिक कमजोर रूप से जुड़ी थी।

सबसे आश्चर्यजनक खोज तब हुई जब शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि दोनों श्रृंखलाओं की एक साथ उपस्थिति में क्या होता है। केवल उनके व्यक्तिगत प्रभावों को जोड़ने के बजाय, दोनों श्रृंखलाएं सहयोगात्मक तरीके से कार्य करती हैं। जब दोनों को LRRK2 के साथ मिलाया गया, तो जोड़ी की बंधन शक्ति नाटकीय रूप से बढ़ गई, जो अकेले में परीक्षण किए गए किसी भी एक के मुकाबले सात गुना अधिक मजबूत थी। यह सुझाव देता है कि दोनों श्रृंखलाएं LRRK2 प्रोटीन पर दो अलग-अलग स्थानों पर जुड़ती हैं, और जब एक जुड़ी होती है, तो यह प्रोटीन के आकार को इस तरह बदल देती है कि दूसरी श्रृंखला का जुड़ना बहुत आसान हो जाता है। यह सहयोगात्मक व्यवहार संकेत देता है कि दोनों स्थान एक-दूसरे के करीब हैं और एक-दूसरे को प्रभावित करते हैं, एक ऐसी विशेषता जिसका उपयोग भविष्य में बहुत अधिक शक्तिशाली अवरोधक (inhibitors) डिजाइन करने के लिए किया जा सकता है।

यह देखने के लिए कि क्या ये निष्कर्ष एक जीवित वातावरण में भी कायम रहते हैं, टीम प्रयोगशाला में विकसित मानव कोशिकाओं में स्थानांतरित हो गई। उन्होंने इन पेप्टाइड श्रृंखलाओं को इन कोशिकाओं में पेश किया और यह देखा कि क्या वे LRRK2 और PP2A के बीच की प्राकृतिक साझेदारी को बाधित कर सकती हैं। परिणामों ने दिखाया कि QA16 श्रृंखला विशेष रूप से प्रभावी थी, जिसने लगभग आधे मामलों में PP2A एंजाइम को LRRK2 से सफलतापूर्वक दूर धकेल दिया। HT16 श्रृंखला, जो टेस्ट ट्यूब में अच्छी तरह से जुड़ी थी, अकेले उपयोग किए जाने पर कोशिका के भीतर इस जटिल संरचना को तोड़ने की समान क्षमता नहीं दिखा सकी। हालांकि, जब शोधकर्ताओं ने PP2A एंजाइम के आनुवंशिक कोड का उपयोग करके यह अनुमान लगाया कि ये श्रृंखलाएं ठीक कहाँ स्थित हैं, तो उन्होंने पाया कि ये दोनों श्रृंखलाएं प्रोटीन की सतह पर इस तरह स्थित हैं कि वे परस्पर क्रिया के लिए सुलभ हैं। PP2A प्रोटीन की संरचना में छोटे बदलाव करके, वैज्ञानिकों ने पुष्टि की कि प्रोटीन के विशिष्ट स्थान इस जुड़ाव के लिए महत्वपूर्ण हैं, जिससे यह विचार पुख्ता हुआ कि ये छोटी श्रृंखलाएं वास्तव में इस संबंध की कुंजी हैं।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि क्या ये पेप्टाइड श्रृंखलाएं LRRK2 पर सुरक्षात्मक फॉस्फेट टैग के नुकसान को रोक सकती हैं। कोशिकाओं में, शोधकर्ताओं ने इन टैगों को हटाने के लिए मजबूर करने हेतु एक दवा का उपयोग किया, जो पार्किंसंस रोग में देखी जाने वाली स्थितियों का अनुकरण करती है। हालांकि पेप्टाइड श्रृंखलाओं ने परीक्षण की गई विशिष्ट स्थितियों के तहत इस प्रक्रिया को पूरी तरह से नहीं रोका, लेकिन उनमें से एक ने कोशिकाओं के विश्राम की अवस्था में टैग को बनाए रखने की प्रवृत्ति दिखाई। यह सुझाव देता है कि हालांकि ये पेप्टाइड अभी तक पूर्ण उपचार नहीं हैं, फिर भी इनमें प्रोटीन की स्वस्थ स्थिति को संरक्षित करने की क्षमता है। शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कि प्रोटीन कैसे फिट होते हैं, उन्नत कंप्यूटर मॉडलिंग का उपयोग किया, जिससे उन विशिष्ट परमाणुओं की पहचान हुई जो PP2A एंजाइम पर परस्पर क्रिया के लिए 'हॉटस्पॉट' के रूप में कार्य करते हैं। उन्होंने उन विशिष्ट परमाणुओं को बदलकर इन भविष्यवाणियों की पुष्टि की और देखा कि जुड़ाव कमजोर हो गया, जिससे सिद्ध हुआ कि उनके कंप्यूटर मॉडल वास्तविक दुनिया के प्रयोगों का मार्गदर्शन करने के लिए पर्याप्त सटीक थे।

यह कार्य इस बात का विस्तृत, मात्रात्मक मानचित्र प्रदान करता है कि PP2A एंजाइम LRRK2 को कैसे पकड़ता है। यह केवल यह जानने से आगे बढ़कर कि दोनों प्रोटीन परस्पर क्रिया करते हैं, इस बात की समझ देता है कि प्रोटीनों के कौन से हिस्से एक-दूसरे को छू रहे हैं और वह स्पर्श कितना मजबूत है। यह खोज कि दो छोटी श्रृंखलाएं बहुत अधिक मजबूती से जुड़ने के लिए मिलकर काम कर सकती हैं, दवाओं को डिजाइन करने के लिए एक नई रणनीति प्रदान करती है। पूरे संपर्क को ब्लॉक करने के लिए एक एकल अणु बनाने के बजाय, वैज्ञानिक एक एकल, बड़ा अणु बना सकते हैं जो दोनों श्रृंखलाओं की विशेषताओं को जोड़कर LRRK2 पर अत्यधिक सटीकता के साथ लॉक हो सके। हालांकि ये पेप्टाइड अभी मरीजों के लिए उपचार नहीं हैं, लेकिन वे शक्तिशाली आणविक उपकरण के रूप में कार्य करते हैं। वे यह सिद्ध करते हैं कि पूरे PP2A सिस्टम को बंद किए बिना इस विशिष्ट परस्पर क्रिया को लक्षित करना संभव है, जो एक स्पष्ट मार्ग खोलता है ताकि ऐसी चिकित्सा विकसित की जा सके जो LRRK2 को नियंत्रण में रख सके और मस्तिष्क को पार्किंसंस के विनाश से बचा सके।