«ماده تاریک ژنوم»؛ سرنخی تازه برای مقابله با آلزایمر
محققان در مطالعهای نشان دادند نقشهای از «میکروپروتئینهای» مغز میتواند سرنخهای تازهای درباره آلزایمر ارائه دهد.
فرارو- بیش از ۱۰۰۰ «میکروپروتئین» که قبلاً نادیده گرفته شده بودند، در نمونههایی از بافت مغز انسان یافت شدهاند که جامعترین پایگاه دادهای را که تاکنون برای مطالعه این مولکولهای پنهان درون مغز تهیه شده است، در اختیار محققان قرار میدهد. دهها پروتئین کوچک، بیان متفاوتی را در افراد مبتلا به بیماری آلزایمر نشان دادند که میتواند راه را برای کشف مکانیسمهای جدید پیری و تخریب عصبی هموار کند.
به گزارش فرارو به نقل از نیچر، میکروپروتئینها پروتئینهای کوچکی با کمتر از ۱۵۰ اسید آمینه هستند و تشخیص آنها با تکنیکهای استاندارد تعیین توالی ژن و پروتئین بسیار دشوار است.
در مطالعهای محققان چندین روش را برای شناسایی دقیق مولکولهای کوچک در نمونههای پس از مرگ قشر پیشپیشانی پشتی-جانبی - منطقهای از مغز که در کنترل شناختی دخیل است - از افراد مبتلا به آلزایمر و افراد بدون بیماری آلزایمر ترکیب کردند.
این تیم بیش از ۴۳۰۰ میکروپروتئین را شناسایی کرد و بزرگترین اطلس میکروپروتئینها در بیماری آلزایمر را که تاکنون ساخته شده است، ایجاد کرد.
بهاره عجمی، متخصص ایمونولوژی عصبی در مرکز پزشکی سدرز-سینای در لسآنجلس، کالیفرنیا، میگوید: ما ممکن است با نادیده گرفتن این میکروپروتئینها، در واقع یک لایه کامل از زیستشناسی را از دست بدهیم.
برندن میلر، یکی از نویسندگان این مطالعه و متخصص علوم اعصاب در موسسه مطالعات بیولوژیکی سالک در سن دیگو، کالیفرنیا، میگوید: بیماری آلزایمر یک پروتئینوپاتی است [که در آن] آسیبشناسی تا حدی به دلیل پروتئینهایی است که به اشتباه تا خورده یا انباشته شدهاند و یک پاسخ سمی را برانگیختهاند.
او میافزاید: درک کامل پروتئوم، از جمله میکروپروتئینها، باید تا حدودی فوری باشد.
یک ابزار تشخیص جدید
میلر میگوید: میکروپروتئینها گاهی اوقات به عنوان «ماده تاریک ژنوم» شناخته میشوند. به دلیل طول کوتاه آنها، روش استاندارد برای شناسایی محتوای پروتئین سلولها، که به عنوان طیفسنجی جرمی شناخته میشود، اغلب در تشخیص آنها ناموفق است.
میلر توضیح میدهد که برخی از میکروپروتئینها توسط بخشهایی از ژنوم ساخته میشوند که تصور میشد غیر کدکننده هستند و قادر به تولید پروتئین نیستند. اما برخی دیگر از ژنهای کدکننده ساخته میشوند که پروتئینهای بزرگ و شناختهشدهای را نیز تولید میکنند. این امر یافتن میکروپروتئینها را با استفاده از تکنیکهای مرسوم تعیین توالی RNA دشوار کرده است.
میلر و همکارانش برای غلبه بر این چالشها، از ترکیبی از روشهای طیفسنجی جرمی، توالییابی RNA و پروفایلسازی ریبوزومی استفاده کردند. روش آخر شامل جمعآوری تمام ریبوزومها - ماشینهای سلولی که پروتئینها را از روی RNA میسازند - در هر سلول و توالییابی رشتههای منفرد mRNA (RNA پیامرسان) متصل به آنهاست.
این تیم با استفاده از این رویکرد، ۶۰۸ نمونه مغزی پس از مرگ را که متعلق به افراد مبتلا به آلزایمر و افراد سالم بود، تحلیل کردند. آنها ۴۳۲۱ میکروپروتئین را شناسایی کردند که ۳۲۱۷ مورد از آنها پیشتر در فهرست استاندارد پروتئینهای انسانی موسوم به UniProtKB/Swiss-Prot ثبت نشده بودند.
سپس میلر و همکارانش یک مدل یادگیری عمیق را بر روی ۳۰۰۱ مورد از این میکروپروتئینها به کار گرفتند تا آنها را بر اساس میزان اطمینان مدل از صحت شناساییشان (با استفاده از دادههای طیفسنجی جرمی) رتبهبندی کنند. این مدل، شناسایی ۱۰۶۷ میکروپروتئین را با سطح اطمینان بالایی ارزیابی کرد.
میلر و همکارانش که مجموعه دادههای مربوط به این میکروپروتئینها را به صورت عمومی منتشر کردهاند، خاطرنشان میکنند که این اطلس، عملکرد زیستی پروتئینهای مذکور را تعیین نمیکند. میلر میگوید: آزمایشگاههای مختلف میتوانند وارد عمل شوند، تمام توالیهای ما را دانلود کنند» و آزمایشهایی را برای تأیید آنها طراحی کنند.
برخی میکروپروتئینها از بخشهایی از ژنوم تولید میشوند که تا همین اواخر، غیرکُدکننده تصور میشدند؛ یعنی بخشهایی که دانشمندان گمان میکردند توانایی تولید پروتئین ندارند.
با این حال، گروه دیگری از میکروپروتئینها از ژنهایی ساخته میشوند که همزمان وظیفه تولید پروتئینهای بزرگ و شناختهشده را نیز بر عهده دارند. به گفته میلر، همین موضوع یکی از دلایلی است که شناسایی این پروتئینهای کوچک با روشهای معمول تعیین توالی آرانای را دشوار میکند.
ترکیب سه روش برای شناسایی میکروپروتئینها
میلر و همکارانش برای عبور از این محدودیتها، سه روش را با یکدیگر ترکیب کردند: طیفسنجی جرمی، تعیین توالی آرانای و پروفایلبرداری ریبوزومی.
در روش پروفایلبرداری ریبوزومی، تمام ریبوزومهای موجود در هر سلول جمعآوری میشوند. ریبوزومها ماشینهای سلولی هستند که با استفاده از آرانای، پروتئین تولید میکنند. پژوهشگران در ادامه، رشتههای منفرد آرانای پیامرسان متصل به ریبوزومها را تعیین توالی میکنند.
با استفاده از این رویکرد ترکیبی، گروه پژوهشی ۶۰۸ نمونه مغز پس از مرگ را از افراد مبتلا و غیرمبتلا به آلزایمر بررسی کرد.
نتیجه این بررسی، شناسایی ۴۳۲۱ میکروپروتئین بود؛ در حالی که ۳۲۱۷ مورد از آنها پیشتر در فهرست استاندارد پروتئینهای انسانی، موسوم به UniProtKB/Swiss-Prot، شناسایی و توصیف نشده بودند.
هوش مصنوعی به کمک شناسایی پروتئینهای ناشناخته آمد
پژوهشگران در مرحله بعد، یک مدل یادگیری عمیق را روی ۳۰۰۱ مورد از این میکروپروتئینها اعمال کردند. این مدل با استفاده از دادههای حاصل از طیفسنجی جرمی، پروتئینها را بر اساس میزان اطمینان به شناسایی صحیح آنها رتبهبندی کرد.
در نهایت، مدل یادگیری عمیق شناسایی ۱۰۶۷ میکروپروتئین را با سطح اطمینان بالا تأیید کرد.
با این حال، پژوهشگران تأکید دارند که این اطلس بهتنهایی نمیتواند عملکرد زیستی این پروتئینها را مشخص کند. دادههای مربوط به میکروپروتئینهای شناساییشده اکنون بهصورت عمومی در دسترس قرار گرفتهاند تا زمینه برای مطالعات بیشتر فراهم شود.
وقتی اندازه پروتئین اهمیت پیدا میکند
پژوهشگران در مرحله بعد، ۴۸۰ نمونه بافت مغز را با جزئیات بیشتری بررسی کردند. از این میان، ۳۶۹ نمونه متعلق به افراد مبتلا به آلزایمر و ۱۱۱ نمونه متعلق به افراد فاقد این بیماری بود.
آنها تنها میکروپروتئینهایی را در این مرحله بررسی کردند که دستکم در نیمی از نمونهها قابل شناسایی بودند. در نهایت، ۱۲۱ پروتئین شناسایی شد که میزان بیان آنها در سلولهای مغزی افراد مبتلا به آلزایمر با افراد فاقد این بیماری تفاوت داشت.
از میان این ۱۲۱ پروتئین، ۹۹ مورد پیشتر شناسایی و توصیف شده بودند و ۲۲ مورد هنوز مورد بررسی قرار نگرفته بودند.
میلر و همکارانش سپس یکی از این میکروپروتئینها را که تنها ۶۳ اسید آمینه داشت، بهطور دقیقتر بررسی کردند. میزان این پروتئین کوچک در نمونههای مغزی افراد مبتلا به آلزایمر، به شکل قابلتوجهی کمتر از نمونههای افراد فاقد این بیماری بود.
نکته قابل توجه این بود که پژوهشگران دریافتند همین میکروپروتئین کوچک توسط ژنی تولید میشود که معمولاً یک پروتئین بسیار بزرگتر و شناختهشده، متشکل از ۵۷۰ اسید آمینه، را تولید میکند.
گروه پژوهشی همچنین دریافت که برخلاف پروتئین بزرگ که موفق به شناسایی آن در بافت مغز انسان نشدند، پروتئین کوچک در میتوکندریهای میکروگلیا فراوان است.
میکروگلیاها نوعی سلول ایمنی در مغز هستند که در دفاع از بافت عصبی و پاکسازی آن نقش دارند.
میلر در توضیح این یافته میگوید: در نهایت توانستیم نشان دهیم که این پروتئین بهعنوان یک تنظیمکننده میتوکندری عمل میکند.
پژوهشگران برای بررسی دقیقتر عملکرد این میکروپروتئین، در آزمایشی دیگر ژن مربوط به آن را حذف کردند تا سلول دیگر قادر به تولید این پروتئین کوچک نباشد.
نتیجه این آزمایش نشان داد که سلولهای میکروگلیا پس از حذف ژن، با اختلال در عملکرد میتوکندری مواجه شدند و میزان مصرف اکسیژن آنها نیز کاهش یافت.
عجمی این یافتهها را «شروعی بسیار خوب» توصیف میکند، اما تأکید دارد که هنوز مشخص نیست دقیقاً کدام جمعیتهای سلولی مسئول ایجاد این تغییرات هستند.
به گفته او، مطالعات آینده باید مشخص کنند که این میکروپروتئین و سایر پروتئینهای مشابه چه نقشی در شکلگیری یا پیشرفت بیماری آلزایمر ایفا میکنند.
