یک مطالعه جدید توسط دانشمندان زیست‌شناسی دانشگاه رایس توضیح می‌دهد که چگونه ساختارهای سلولی اساسی رایج در اکثر اشکال حیات برای سوخت‌رسانی به رشد در یک ارگانیسم گیاهی مدل همکاری می‌کنند. این یافته ها می تواند مکانیسم های مربوطه را در سلول های انسانی روشن کند.
نهال آرابیدوپسیس تالیانا در حال رشد، قبل از اینکه به اندازه کافی برای انجام فتوسنتز بالغ شود، به ذخیره چربی های ذخیره شده در داخل سلول هایش در کیسه های پوشش داده شده با پروتئین معروف به قطرات چربی متکی است. محتویات غنی از انرژی این قطرات در ظروف درون سلولی به نام پراکسی زوم بسیج می شوند. مطالعه جدید نشان داد که این همکاری به آنزیمی روی پراکسی زوم نیاز دارد که به شکستن پوشش پروتئینی روی قطرات چربی کمک می کند. آنزیم ⎯ MIEL1 ⎯ قبلاً در هسته سلول وجود دارد، جایی که به تنظیم بیان ژن کمک می کند.
کشف نقش و مکان جدید برای MIEL1 این سوال را برانگیخت که آیا این یافته ها در مورد همتای انسانی آن، PIRH2 نیز صدق می کند. طبق مطالعه منتشر شده در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم، آزمایش‌های اضافی تأیید کردند که PIRH2 هنگامی که در سلول‌های آرابیدوپسیس بیان می‌شود با پراکسی‌زوم‌ها مرتبط است. از آنجایی که PIRH2 نقش مهمی در توسعه تومور ایفا می کند، درک کامل تر از عملکرد سلولی آن می تواند بینش هایی را در مورد پیشگیری و درمان سرطان ارائه دهد.
در سلول های انسانی، PIRH2 به تجزیه p53، پروتئین معروفی که تکثیر سلول های دارای ژنوم آسیب دیده را کنترل می کند، کمک می کند. ژنی که p53 را کد می کند “نگهبان ژنوم” نامیده شده و به دلیل نقش سرکوب کننده تومور به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. جهش هایی که عملکرد آن را مختل می کند در اکثر سرطان ها یافت می شود.
ملیسا تراور، یک پژوهشگر فوق دکترا گفت: “PIRH2 یکی از تنظیم کننده های p53 است که بسیار مورد مطالعه قرار گرفته است، بنابراین مستقیماً با سرطان مرتبط است، زیرا p53 اغلب جهش یافته و در انواع سرطان ها در بسیاری از اندام ها و انواع سلول های مختلف نقش دارد.” همکار در آزمایشگاه بارتل که نویسنده اصلی این مطالعه است.
تراور که همچنین یکی از دانش آموختگان دوره دکترای بیوشیمی و زیست شناسی سلولی رایس است، افزود: «به همین دلیل، این یک ژن جالب برای مطالعه است. “یادگیری بیشتر در مورد آن می تواند به دانسته های ما در مورد چگونگی کارکرد سرطان و نحوه جلوگیری از آن کمک کند. هرگز فکر نمی کردم که در پایان مقاله هایی در مورد سرطان در یک آزمایشگاه گیاهی بخوانم. من این پروژه را شروع کردم و سعی کردم به یک سوال بسیار بسیار خاص پاسخ دهم. سوالی در مورد گیاهان وجود دارد، و یافتن چیزی که به طور بالقوه به طور گسترده در سراسر سیستم ها قابل استفاده است، بسیار دلگرم کننده و ارزشمند بوده است.”
این یافته ها اعتقاد تراور را تقویت کرد که تحقیقات بنیادی می تواند تأثیراتی به اندازه علم مبتنی بر کاربرد داشته باشد.
تراور گفت: “به عنوان یک دانشجوی کارشناسی ارشد، زمان زیادی را صرف دفاع از علوم پایه و تاکید بر ضرورت و ارزش ذاتی آن کرده ام.”
تراور به همراه بانی بارتل، رالف رایس و دوروتی لونی، پروفسور علوم زیستی، فرآیندهای سلولی را که در طول جوانه‌زنی آرابیدوپسیس آشکار می‌شوند، بررسی کردند.
بارتل گفت: «سال‌ها، ما در حال مطالعه پراکسی‌زوم‌ها در آرابیدوپسیس بوده‌ایم. پروکسیزوم‌ها نقش مهمی در طول جوانه‌زنی دارند، زمانی که گیاه تحت رشد قابل توجهی قرار می‌گیرد اما هنوز به اندازه کافی برای انجام فتوسنتز بالغ نشده است.
“ما به دلیل ارتباط نزدیک این دو اندامک به قطرات لیپید علاقه مند شدیم. یکی در جایی که چربی ها ذخیره می شوند و دیگری جایی که آنها پردازش می شوند. قطرات چربی دارای یک پوشش پروتئینی هستند که آنها را از ادغام با یکدیگر باز می دارد. ما علاقه مند بودیم چگونه سلول ها از شر این پروتئین که اولئوزین نام دارد خلاص می شوند.
برای اینکه بفهمد اولئوزین چگونه تجزیه می‌شود، تراور نسخه‌ای از پروتئین را با نشانگر فلورسنت مهندسی کرد.
بارتل می گوید: «ما متخصص ژنتیک هستیم، بنابراین وقتی می خواهیم چیزی را بفهمیم، دوست داریم آن را بشکنیم. ملیسا تصمیم گرفت به دنبال گیاهانی بگردد که نتوانند این اولئوزین را مانند نوع وحشی تجزیه کنند. به دلیل برچسب فلورسنت روی اولئوزین، او می‌توانست ببیند که نهال نوع وحشی در ابتدا روشن شده است. با این حال، فلورسانس از بین می‌رود. اولئوزین تجزیه می شود و لیپیدها مصرف می شوند.”
در مقابل، نهال های جهش یافته که نمی توانند اولئوزین را تجزیه کنند، به نمایش فلورسانس ادامه می دهند. تراور با تعیین توالی ژنوم آنها و مقایسه آن با ژنوم گیاه نوع وحشی، توانست ژن مسئول توانایی گیاهان در تجزیه اولئوزین را شناسایی کند.
بارتل گفت: “ژنی که دیگر در نهال های جهش یافته کار نمی کند MIEL1 را کد می کند، یک آنزیم هسته ای که به تخریب فاکتورهای رونویسی – پروتئین هایی که بیان ژن را تعدیل می کنند” کمک می کند.
تراور آزمایش های بیشتری انجام داد تا بفهمد MIEL1 با قطرات لیپید یا پراکسی زوم ها همراه است.
بارتل گفت: «چیزی غیرمنتظره که ملیسا پیدا کرد این است که حتی با وجود اینکه روی قطرات لیپید عمل می کند، MIEL1 در واقع در پراکسی زوم موضعی است. “قطرات لیپید و پراکسی زوم ها در سراسر سلول پراکنده هستند، و شما نمی خواهید اولئوزین را تجزیه کنید، مگر اینکه یک قطره لیپید درست در کنار پراکسی زوم باشد. فرضیه ما این است که وجود این آنزیم روی پراکسی زوم ها راهی برای اطمینان از بیوشیمی مناسب است. درست در جایی که لازم است اتفاق می افتد.”
یافته‌های این مطالعه نشان می‌دهد که برهمکنش آنزیمی بین پراکسی زوم‌ها و قطرات لیپید می‌تواند در تمام اشکال حیات یوکاریوتی مشابه به نظر برسد.
تراور گفت: «کار بعدی انجام آزمایش‌هایی در سلول‌های انسانی یا سایر مدل‌های حیوانی است تا ببینیم آیا مکانیسم‌های مشابهی در کار هستند یا خیر.
مؤسسه ملی بهداشت (R35GM130338, P30CA91842, UL1TR002345, R01GM129325) و بنیاد رابرت A. Welch (C-1309) از این تحقیق حمایت کردند.