انجمن سلول های بنیادی و پزشکی بازساختی دانشگاه شاهد
SANTA BRAARBA، از کالیفرنیا (ایالات متحده) ، در آگوست 2021 – کاردیومیوپاتی هایپرتروفیک (HCM) شایع ترین بیماری ژنتیکی قلبی است و علت اصلی مرگ ناگهانی قلبی است. با ضخیم شدن غیرعادی ماهیچه قلب مشخص می شود که با گذشت زمان می تواند منجر به اختلال عملکرد قلب و در نهایت نارسایی قلبی شود.
مقاله ای که در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) منتشر شده و توسط Beth Pruitt، Ph.D.، استاد مهندسی مکانیک دانشگاه SANTA BARBARA در کالیفرنیا و مدیر انستیتوی مهندسی زیست دانشگاه ، منتشر شده است. نتایج یک همکاری طولانی مدت پیچیده که شامل محققان دانشگاه Stanford ، دانشگاه Washington و دانشگاه Kentucky بود. این مطالعه به درک جدیدی از چگونگی بروز جهش های ژنتیکی در سطح سلولی برای ایجاد HCM و دیدگاه های جدیدی در مورد نحوه جلوگیری از آن منجر شده است.
نویسندگان در مقاله خود توضیح می دهند که بیش از 1000 جهش ژنتیکی که باعث HCM می شوند، شناسایی شده است. اکثر آن ها در ژن هایی که پروتئین های سارکومریک را کد می کنند ، بلوک های ساختاری عضله قلب که مسئول ایجاد و تنظیم انقباض و آرامش هستند ، یافت می شوند.
تقریباً یک سوم جهش ها در میوزین بتا قلب ، پروتئین اولیه ای که باعث انقباض سلول های قلب می شود ، قرار دارد. انقباض ماهیچه قلب و سایر ماهیچه های بدن ما ناشی از فرایندی است که طی آن پروتئین حرکتی میوزین در امتداد زنجیره ای از مولکول های اکتین “قدم می زند” ، فرایندی که به عنوان چرخه پل متقاطع شناخته می شود. در طی این فرایند ، انرژی شیمیایی به شکل ATP به انرژی مکانیکی تبدیل می شود و در نهایت منجر به انقباض قلب می شود.
قبل از انقباض ، سر یک رشته از یک مولکول میوزین دو رشته ای در هم تنیده در برابر یک مولکول اکتین قرار گرفته است. انقباض ماهیچه زمانی شروع می شود که یک مولکول ATP ، که به عنوان “واحد انرژی” سیستم های بیولوژیکی شناخته می شود ، به سر میوزین متصل شود. سر میوزین ، و ATP متصل شده ، سپس از اکتین جدا می شود و هیدرولیز ATP را آغاز می کند ، که به ADP بعلاوه یک گروه فسفات تبدیل می شود.
این فرآیند انرژی را آزاد می کند که پروتئین میوزین را در حالت پرانرژی قرار می دهد و شکل میوزین را تغییر می دهد به طوری که آماده خزیدن در طول اکتین است. در آن زمان ، فسفات از میوزین آزاد می شود و میوزین باعث می شود که اکتین را فشار داده و فسفات را آزاد کند ، که منجر به لغزش میوزین به زنجیره بعدی اکتین و انقباض ماهیچه می شود.
همه این ها ، شامل میلیون ها عدد از سرهای میوزین است که در سراسر اکتین قدم می گذارد و تکمیل هر قدم چند میکرو ثانیه طول می کشد ، که برای حفظ سلامت قلب باید با سرعت مناسب انجام شود.
از آنجا که HCM اغلب در بیمارانی که دارای جهش در پروتئین بتا میوزین قلب هستند مشاهده می شود ، این فرضیه مطرح شده بود که جهش های HCM باعث وقوع اتفاقاتی می شود که در نهایت در آسیب به خود قلب ظاهر می شود. این مطالعه با تمرکز بر یک جهشP710R ، که به طور چشمگیری سرعت حرکت در شرایط in vitro را کاهش می دهد – سرعت حرکت میوزین بر روی اکتین – را در مقایسه با سایر جهش های MYH7 ، که منجر به افزایش سرعت حرکتی می شود ، مورد آزمایش قرار داد.
تحقیقات جامع این پروژه این بود که یاد بگیرند چگونه جهش مرتبط با بیماری قلبی در بیماران ، عملکرد قلب را در سطح سلولی تغییر می دهد.
این تیم از فناوری CRISPR برای ویرایش کاردیومیوسیت های سلول های بنیادی مشتق از انسان (سلول های مسئول انقباض قلب) با قرار دادن جهش P710R در آنها استفاده کرد. Dr.Pruitt بانک سلول های بنیادی را در UCSB مدیریت می کند ، جایی که رده های سلولی “clean” بدون هیچ گونه ناهنجاری ژنتیکی برای محققان دانشگاه نگهداری و تکثیر می شوند. چنین خطوط تمیز و عاری از جهش ، معیار مناسبی برای مقایسه با سلول ها برای مشاهده دقیق اثرات جهش P710R ارائه می دهد. به عنوان مثال ، تیم تحقیق در حال آزمایش تأثیر جهش های مختلف مرتبط با بیماری های قلبی در زمینه ژنتیکی مشابه است.
Dr.Pruitt گفت : شما می توانید 10 نفر با جهش ژنی یکسان در این پروتئین داشته باشید و آن ها می توانند درجات متفاوتی از اهمیت بالینی داشته باشند ، زیرا بقیه ژنوم آنها متفاوت است. این چیزی است که ما را به افرادی متفاوت تبدیل می کند”. این خطوط به ما اجازه می دهد تا نتیجه جهش ژنتیکی را بررسی کنیم. با مقایسه تأثیر جهش های مختلف ، می توان شروع به تفکر در مورد چگونگی این تغییرات به HCM کرد. این به ما این امکان را می دهد که چگونگی و چرایی سازگاری سلول ها با جهش را از این طریق بررسی کنیم و داده ها را بدست آوریم و آن را به ضخامت دیواره قلب و سایر مواردی که در پایین دست اتفاق می افتد ، ربط دهیم. “
این تحقیق تقریباً 15 سال پیش ، زمانی که Dr.Pruitt هنوز در Stanford بود ، آغاز شد و منجر به این مقاله مشترک شد. در حال حاضر فناوری CRISPR محققان را قادر می سازد تا سلول هایی را بیان کنند که جهش های خاصی را که با بیماری های قلبی مرتبط هستند ، بیان کنند و سپس تغییرات مولکولی و عملکردی را برای تعیین تاثیر سلولی جهش های فردی که در بیماران مبتلا به HCM شناسایی شده است ، ارزیابی کنند.
این مطالعات درک مکانیکی از نحوه تبدیل جهش های فردی در سطح مولکولی به HCM در بیماران ارائه می دهد.
در این پروژه ، هنگامی که جهش معرفی شد ، سلول ها در همکاری بین آزمایشگاه Pruitt (UCSB) و آزمایشگاه Bernstein (دانشگاه Stanford ) ، با استفاده از میکروسکوپ نیروی کششی ، سنجش شدند که امکان مشاهده همزمان یک سلول ضرب کننده و نیرویی که ایجاد می کند. آزمایشگاه Spudich (استنفورد) ، با استفاده از یک تله نوری ، مطالعات جداگانه ای را بر روی پروتئین جهش یافته در سطح مولکولی انجام داد ، که در آن فشار نوری برای کنترل دقیق موقعیت و نیروی یک دمبل اکتین بین مهره ها در هنگام راه رفتن سر میوزین در طول اکتین ، برای اندازه گیری چرخه قدرت میوزین اعمال می شود. سنجش نشان داد که جهش P710R اندازه گام موتور میوزین (یعنی طول هر مرحله) و میزان جدا شدن میوزین از اکتین را کاهش می دهد.
این مشاهدات سپس در همکاری با دکتر Kenneth Campbell، محقق دانشگاهKentucky ، با یک مدل محاسباتی از نحوه تعامل موتورهای میوزین در سلول برای تولید نیرو مقایسه شد. نتایج بدست آمده نقش کلیدی را در تنظیم آنچه “حالت فوق آرام” میوزین نامیده می شود تأیید کرد.
همانطور که دکتر Pruitt توضیح داد ، “سرهای میوزین زمان زیادی را در حالت فوق آرامش می گذرانند ، به این دلیل که از اکتین جدا نیستند. هرگونه جهش یا دارویی که موتور میوزین را به مدت طولانی یا شدت اتصال به اکتین را تغییر دهد ، تولید نیروی سلولی را تغییر داده و رویدادهای سیگنالینگ پایین دست را که باعث بازسازی و رشد یا هایپرتروفی می شود ، تغییر می دهد. “
در این مطالعه جهش P710R نشان داد که حالت فوق آرام را بی ثبات می کند. در نتیجه ، سرهای میوزین بیشتری در سلول هایی که جهش را در خود نگه می دارند ، ملزم به اکتین می شوند ، که افزایش نیرویی را که در این سلول ها مشاهده می شود ، توضیح می دهد.
در نتیجه این همکاری ، دکتر Pruitt گفت: “ما می توانیم بفهمیم که در سطح سلول چه می گذرد. سپس می توانیم به توسعه مدل ها بپردازیم و درمان های دارویی نسل بعدی را شناسایی کنیم. به جای شناسایی علائم ، می توانیم مکانیسم هایی را که زمینه ساز این اختلالات هستند را بررسی کرده و سپس قبل از اینکه به بیماری تبدیل شود ، در سطح سلول ها را مورد بررسی قرار دهیم. “
ویراستار: مهدی وکیلی شعار
