معمای جداسازی پروتئین‌ها در مغز: چگونه چگالش فازی، وظایف متمایز را ممکن می‌سازد؟

در پیچیدگی‌های بی‌کران مغز ما، هر سلول عصبی میلیاردها اتصال به نام سیناپس (synapse) را مدیریت می‌کند. این سیناپس‌ها، نقاط ارتباطی حیاتی هستند که اطلاعات را از یک نورون به دیگری منتقل می‌کنند. عملکرد دقیق سیناپس‌ها به سازماندهی فضایی فوق‌العاده‌ای از پروتئین‌ها بستگی دارد؛ جایی که پروتئین‌های مختلف باید در مکان‌های خاصی قرار گیرند تا وظایف خود را به درستی انجام دهند. اما پرسش اینجاست: این سازماندهی دقیق چگونه اتفاق می‌افتد، به ویژه وقتی پروتئین‌های مرتبط، اهداف اتصال مشترکی دارند اما وظایف کاملاً متفاوتی ایفا می‌کنند؟

پژوهشگران مدتی است که با این معما درگیرند. پاسخ به این سوال نه تنها درک ما را از عملکرد مغز ارتقاء می‌بخشد، بلکه می‌تواند بینش‌های جدیدی را در مورد اختلالات عصبی که با نقص در سازماندهی سیناپسی مرتبط هستند، فراهم کند. به تازگی، تیمی از دانشمندان گام مهمی در حل این معما برداشته‌اند. کار آن‌ها بر روی دو پروتئین کلیدی در سیناپس‌های عصبی متمرکز شده است: PSD-95 و MAGI-2. این دو پروتئین، که هر دو به خانواده بزرگ MAGUK (membrane-associated guanylate kinase) تعلق دارند، مثال‌های برجسته‌ای از پروتئین‌های همولوگ هستند که با وجود اشتراک در برخی اهداف اتصال، وظایف و مکان‌های متمایزی در سیناپس دارند. در ادامه به اکتشافات هیجان‌انگیز این تیم و تأثیر آن بر درک ما از سازماندهی سیناپسی خواهیم پرداخت.

معمای PSD-95 و MAGI-2: همسایگانی با وظایف متفاوت

PSD-95 و MAGI-2 هر دو پروتئین‌های داربستی (scaffold proteins) هستند. پروتئین‌های داربستی مانند مراکز فرماندهی عمل می‌کنند؛ آن‌ها پروتئین‌های دیگر را در کنار هم جمع می‌کنند تا مجموعه‌های عملکردی ایجاد کنند. در سیناپس‌های عصبی، PSD-95 به طور عمده در داخل چگالی پس‌سیناپسی (Postsynaptic Density – PSD) قرار دارد. PSD یک ساختار متراکم و پروتئینی در غشای پس‌سیناپسی است که نقش کلیدی در سازماندهی گیرنده‌های عصبی و مولکول‌های سیگنالینگ ایفا می‌کند. از سوی دیگر، MAGI-2 در خارج از PSD و در بخش‌های اطراف سیناپس قرار می‌گیرد.

تا پیش از این، مکانیسم‌هایی که این دو پروتئین همولوگ را به این بخش‌های متمایز از سیناپس هدایت می‌کردند، نامشخص بودند. این موضوع یک چالش بزرگ بود، زیرا هر دو پروتئین می‌توانند به مولکول‌های مشابهی متصل شوند. چگونه سلول اطمینان حاصل می‌کند که PSD-95 در جای خود در داخل PSD و MAGI-2 در خارج از آن، به وظایف متفاوت خود عمل کنند؟ پژوهش جدید یک مکانیسم کاملاً جدید را معرفی می‌کند که پاسخ این سوال را در اختیار ما قرار می‌دهد.

کشف چگالش فازی MAGI-2: تشکیل کندانسه‌ها

یکی از یافته‌های کلیدی این مطالعه این بود که MAGI-2 می‌تواند از طریق فرآیند “جداسازی فاز” (phase separation) کندانسه‌های مولکولی (molecular condensates) را تشکیل دهد. جداسازی فاز یک پدیده بیوفیزیکی است که در آن مولکول‌ها (مانند پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک) می‌توانند از یک محلول رقیق به فازهای متراکم و شبه‌مایع جدا شوند. این کندانسه‌ها، که شبیه به قطرات روغن در آب هستند، می‌توانند به عنوان محفظه‌های بدون غشا (membraneless compartments) عمل کنند که غلظت مولکول‌های خاصی را افزایش می‌دهند.

هنگامی که پروتئین‌های PSD نیز در محیط حضور داشتند، مشاهده شد که کندانسه‌های MAGI-2 قادرند کمپلکس چسبندگی N-کادهرین–بتا-کاتنین خارج‌سیناپسی را غنی کنند. N-کادهرین و بتا-کاتنین اجزای مهمی در چسبندگی سلول به سلول هستند که در پایداری و شکل‌گیری سیناپس‌ها نقش دارند، اما عمدتاً در ناحیه خارج‌سیناپسی فعالیت می‌کنند. این نشان می‌دهد که کندانسه‌های MAGI-2 نه تنها تشکیل می‌شوند، بلکه قادرند مولکول‌های مرتبط با وظایف خود را به‌طور انتخابی در خود متمرکز کنند.

عدم امتزاج کندانسه‌ها: مرزبندی عملکردی

یافته‌ای که شاید بیش از همه شگفت‌انگیز بود، این بود که کندانسه‌های MAGI-2 و کندانسه‌های PSD-95 (که قبلاً شناخته شده بودند که PSD-95 نیز کندانسه تشکیل می‌دهد) “غیر قابل امتزاج” (immiscible) هستند. این به این معناست که مانند آب و روغن، این دو نوع کندانسه تمایلی به مخلوط شدن با یکدیگر ندارند و در عوض، هر کدام فاز مجزای خود را تشکیل می‌دهند.

این پدیده عدم امتزاج، یک مکانیزم قدرتمند برای جداسازی فضایی مولکول‌ها در سطح ساب‌سلولی ارائه می‌دهد. اگر کندانسه‌های PSD-95 در داخل PSD و کندانسه‌های MAGI-2 در خارج از آن تشکیل شوند و این دو نوع کندانسه نتوانند با هم مخلوط شوند، این به طور طبیعی می‌تواند به محدود کردن PSD-95 به داخل PSD و MAGI-2 به خارج از آن کمک کند. این کشف یک توضیح مکانیکی مهم برای این سؤال قدیمی ارائه می‌دهد که چگونه این دو پروتئین همولوگ در بخش‌های متمایز سیناپس جای می‌گیرند. این امر نشان می‌دهد که چگالش فازی صرفاً یک پدیده انباشتگی نیست، بلکه یک مکانیزم فعال برای سازماندهی فضایی و جداسازی عملکردی است.

فسفریلاسیون SAPAP و غنی‌سازی انتخابی: پیچیدگی فراتر از میل اتصال

این مطالعه همچنین یک جنبه پیچیده‌تر از این سازماندهی را روشن کرد. SAPAP یک پروتئین دیگر است که به هر دو PSD-95 و MAGI-2 متصل می‌شود. انتظار اولیه این بود که SAPAP به سمت MAGI-2 کشیده شود، زیرا میل اتصال (affinity) آن به MAGI-2 در محلول رقیق بالاتر است. با این حال، به طور شگفت‌آوری، SAPAP فسفریله شده به طور انتخابی در کندانسه‌های PSD-95 غنی شد، نه در کندانسه‌های MAGI-2.

این نتیجه نشان می‌دهد که سازماندهی مولکول‌ها در کندانسه‌های متراکم تنها به میل اتصال در محلول رقیق بستگی ندارد. پژوهشگران نشان دادند که این محلی‌سازی خاص SAPAP به دلیل پیچیدگی‌های شبکه‌ای بالاتر در کندانسه‌های حاوی PSD-95 در مقایسه با کندانسه‌های MAGI-2 است. به عبارت دیگر، تعاملات متعدد و چندگانه بین مولکول‌ها در داخل کندانسه PSD-95 یک “شبکه” پیچیده‌تر و قوی‌تر را ایجاد می‌کند که می‌تواند SAPAP را با وجود میل اتصال پایین‌تر، به‌طور مؤثرتری به خود جذب و حفظ کند. این مفهوم “پیچیدگی شبکه” (network complexities) به عنوان یک نیروی محرکه برای محلی‌سازی انتخابی مولکول‌ها در کندانسه‌ها مطرح می‌شود که قبلاً به این شکل شناخته نشده بود. این امر نشان می‌دهد که ویژگی‌های فیزیکی-شیمیایی و تعاملات جمعی درون کندانسه‌ها می‌توانند بر رفتار مولکول‌ها تأثیری فراتر از آنچه از خواص میل اتصال منفرد انتظار می‌رود، داشته باشند.

تأثیر بر درک تعاملات مولکولی و سازماندهی زیرسلولی

نتایج این مطالعه پیامدهای عمیقی برای درک ما از تعاملات مولکولی و ویژگی‌های محلی‌سازی زیرسلولی دارد. به‌طور سنتی، بیوشیمی و زیست‌شناسی مولکولی بر اساس مدل‌هایی از محلول‌های رقیق توسعه یافته‌اند، جایی که تعاملات مولکولی عمدتاً بر اساس میل اتصال بین دو مولکول تعیین می‌شوند. اما این تحقیق نشان می‌دهد که تشکیل کندانسه‌های مولکولی با واسطه جداسازی فاز می‌تواند یک شیوه جدید و ناشناخته از تعاملات مولکولی و ویژگی‌های محلی‌سازی زیرسلولی را ایجاد کند که در محلول‌های رقیق رخ نمی‌دهد.

این به این معناست که بسیاری از فرآیندهای سلولی که قبلاً تصور می‌شد با تعاملات مولکولی سنتی اداره می‌شوند، ممکن است در واقع توسط تشکیل و دینامیک کندانسه‌های بدون غشا سازماندهی شوند. این کندانسه‌ها، به عنوان “راکتورهای سلولی” کوچک، می‌توانند به طور موقت مولکول‌های خاصی را متمرکز کرده و واکنش‌های بیوشیمیایی را تسهیل کنند، یا همانند PSD-95 و MAGI-2، به عنوان محفظه‌های جداسازی عمل کرده و اطمینان حاصل کنند که پروتئین‌ها و مجموعه‌های پروتئینی در مکان‌های مناسب خود در داخل سلول قرار می‌گیرند.

افق‌های جدید: از سیناپس تا بیماری‌های عصبی

این تحقیق نه تنها معماهای دیرینه در مورد سازماندهی سیناپسی را حل می‌کند، بلکه افق‌های جدیدی را در زیست‌شناسی سلولی و بیماری‌شناسی باز می‌کند. درک اینکه چگونه چگالش فازی به جداسازی فضایی و عملکردی پروتئین‌ها در سیناپس کمک می‌کند، می‌تواند به ما در شناخت بهتر مکانیسم‌های زمینه‌ای اختلالات عصبی که با نقص در سازماندهی سیناپسی مرتبط هستند (مانند اوتیسم، صرع و بیماری آلزایمر) یاری رساند. اختلال در تشکیل یا جداسازی کندانسه‌ها می‌تواند منجر به عملکرد نامناسب سیناپسی و در نتیجه بروز بیماری شود.

علاوه بر این، مفهوم “پیچیدگی شبکه” به عنوان یک عامل تعیین‌کننده برای محلی‌سازی مولکول‌ها در کندانسه‌ها، یک چارچوب جدید برای مهندسی و دستکاری این ساختارهای ساب‌سلولی فراهم می‌کند. دانشمندان ممکن است بتوانند با تغییر پیچیدگی شبکه‌های کندانسه، محلی‌سازی پروتئین‌های خاص را هدف قرار دهند و از این طریق به درمان‌های جدیدی برای بیماری‌ها دست یابند.

این پژوهش تأکیدی بر این نکته است که سلول‌ها از اصول فیزیکی پیچیده‌ای برای سازماندهی درونی خود استفاده می‌کنند. جداسازی فاز، به عنوان یک مکانیزم بنیادی، فراتر از سیناپس‌ها، در بسیاری از فرآیندهای سلولی دیگر نیز نقش دارد، از جمله تشکیل هستک (nucleolus) در هسته سلول و گرانول‌های استرس (stress granules) در سیتوپلاسم. بنابراین، یافته‌های این مطالعه نه تنها برای علوم اعصاب اهمیت دارد، بلکه برای کل زیست‌شناسی سلولی نیز پیامدهای گسترده‌ای دارد. این یک گام هیجان‌انگیز به سوی درک عمیق‌تر از چگونگی سازماندهی زندگی در مقیاس مولکولی است

منبع:

Phase separation instead of binding strength determines target specificities of MAGUKs