رمزگشایی از نقش پنهان FTO: گزارشی از کشف جدید در ترمیم DNA

در دنیای پیچیده زیست‌شناسی سلولی، پروتئین‌ها بازیگران اصلی بسیاری از فرآیندهای حیاتی هستند. شناخت دقیق تعاملات و عملکردهای آن‌ها می‌تواند دریچه‌های جدیدی به درک بیماری‌ها و ابداع روش‌های درمانی نوین باز کند. یکی از این پروتئین‌ها، FTO یا Fat Mass and Obesity-associated protein است که پیش از این عمدتاً به دلیل نقش خود در متابولیسم RNA و چاقی شناخته شده بود. اما اخیراً، یک پژوهش پیشگامانه دیدگاه ما را نسبت به این پروتئین به چالش کشیده و نقش مهم و کاملاً جدیدی را برای آن در فرآیند ترمیم آسیب DNA (DDR) آشکار ساخته است. این کشف نه تنها دانش ما را در مورد عملکرد FTO تعمیق می‌بخشد، بلکه پتانسیل‌های جدیدی را برای استراتژی‌های درمانی، به‌ویژه در زمینه سرطان، مطرح می‌کند.

فراتر از حد انتظار: کشف تعامل FTO و PARP1

محققان در این مطالعه، با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته طیف‌سنجی جرمی کمی (quantitative MS)، توانستند پروتئین‌هایی را که در مجاورت نزدیک FTO بومی قرار دارند، نقشه‌برداری کنند. این رویکرد، یک تعامل عملکردی غیرمنتظره را بین FTO و حسگر آسیب DNA، یعنی PARP1، نشان داد. این یافته به دلایل متعددی قابل توجه است.

پیش از این، مطالعات قبلی که از روش‌های متفاوتی مانند بیان بیش از حد FTO-BioID2 یا رویکردهای اتصال عرضی شیمیایی استفاده می‌کردند، این تعامل کلیدی را مشاهده نکرده بودند. همچنین، نتایج این مطالعه با گزارش‌های پیشین و حتی پایگاه داده BioGRID حداقل همپوشانی را نشان می‌دهد، که بر منحصر به فرد بودن و تازگی این کشف تأکید می‌کند. نکته شگفت‌انگیز دیگر این است که تقریباً یک سوم پروتئین‌های درگیر با FTO، در یک مطالعه اخیر درباره پروتئین‌های مجاور PARP1 نیز گزارش شده بودند. این همپوشانی قوی نشان می‌دهد که FTO و PARP1 عملکردهای سلولی مشترکی دارند که شامل ترمیم DNA، بیوژنز ریبوزوم، پیرایش RNA و بازسازی کروماتین است. این ارتباطات گسترده، از همان ابتدا، نشانه‌ای از یک نقش وسیع‌تر برای FTO فراتر از عملکردهای شناخته شده قبلی‌اش بود.

معمای FTO در ترمیم DNA: تناقض‌ها و شواهد جدید

مطالعات اخیر به طور فزاینده‌ای نقش FTO را در مسیر DDR (پاسخ به آسیب DNA) که توسط استرس‌زاهای مختلفی مانند اشعه UV، عوامل شیمی‌درمانی یا رادیکال‌های آزاد القا می‌شود، مطرح کرده‌اند. به عنوان مثال، نتایج این پژوهش با یافته‌های قبلی مبنی بر اینکه از دست دادن FTO باعث ترمیم DNA کارآمدتر در سه رده سلولی مختلف (HeLa، U2OS و HCT116) می‌شود، همخوانی دارد. حتی حذف FTO به طور خاص در سلول‌های اپیدرمی موش‌ها، از تومورزایی پوست ناشی از آرسنیک و اشعه UVB جلوگیری کرده است، که بر نقش محافظتی از دست دادن FTO در برابر آسیب DNA تأکید می‌کند.

با این حال، برخی مطالعات پیشین به نتایج متناقضی اشاره کرده بودند؛ آن‌ها گزارش داده بودند که FTO برای محافظت از سلول‌ها در برابر عوامل آسیب‌رسان به DNA (مانند هیدروکسی‌اوره، H2O2، سیس پلاتین یا اشعه UVC) ضروری است. به طور کلی، این مطالعات فرض می‌کردند که FTO به عنوان یک آنزیم RNA دمیلاز عمل می‌کند و با کنترل بیان ژن‌های درگیر در مسیر ترمیم DNA، از جمله ژن PARP1، نقش خود را ایفا می‌کند.

اما یافته‌های جدید در این مطالعه، این فرضیه را به چالش می‌کشد. محققان هیچ تغییر قابل توجهی در بیان پروتئین PARP1 یا mRNA آن در سلول‌های HeLa فاقد FTO (FTO KO HeLa cells) مشاهده نکردند. مهم‌تر از آن، مهار فارماکولوژیک فعالیت دمیلاز FTO با استفاده از FB23-2 یا بیان بیش از حد جهش‌یافته کاتالیتیکی غیرفعال FTO-DD، هیچ تأثیر معنی‌داری بر ترمیم DNA ناشی از UV و بقای سلولی نداشت. این شواهد قوی نشان می‌دهد که FTO دارای یک عملکرد مستقل از فعالیت RNA دمیلاز خود در مسیر DDR است، که یک تغییر پارادایم مهم در درک عملکرد این پروتئین محسوب می‌شود.

آشکارسازی مکانیسم: FTO به عنوان تنظیم‌کننده منفی PARP1

محققان در این تحقیق به وضوح نشان دادند که FTO با برهم‌کنش فیزیکی با PARP1 از طریق هلیکس N-ترمینال خود، مسیر DDR را تنظیم می‌کند و عملکرد PARP1 را تحت تأثیر قرار می‌دهد. این کشف مکانیسمیک، چندین جنبه کلیدی دارد:

1. FTO به عنوان مولکول داربست (Scaffolding Molecule): محققان پیشنهاد می‌کنند که FTO به عنوان یک مولکول داربست عمل می‌کند و PARP1 غیرفعال را در داخل هستک (nucleolus) متمرکز می‌کند. هستک یک ساختار هسته‌ای است که در بیوژنز ریبوزوم و سایر فرآیندهای سلولی نقش دارد. این تجمع PARP1 در هستک، آن را در حالت غیرفعال نگه می‌دارد.

2. تنظیم پویا در پاسخ به آسیب: پس از قرار گرفتن در معرض اشعه UV، PARP1 به سرعت از FTO جدا شده و به محل‌های آسیب DNA جذب می‌شود تا ترمیم DNA را تسریع کند. در سلول‌های HeLa فاقد FTO، مولکول‌های PARP1 پراکندگی بیشتری نشان می‌دهند و با سرعت بیشتری به محل‌های آسیب DNA جذب می‌شوند. این پدیده نشان می‌دهد که FTO با متمرکز کردن PARP1، از جذب سریع آن به محل‌های آسیب جلوگیری می‌کند و به نوعی به عنوان یک “ترمز” عمل می‌کند.

3. مهار فعالیت آنزیمی PARP1: این مطالعه نشان داد که FTO فعالیت آنزیمی PARP1 را هم در آزمایشگاه (in vitro) و هم در سلول‌های زنده (in vivo) مهار می‌کند. افزایش واضح در سطوح PARPylation کلی پروتئین و خود-PARPylation پروتئین PARP1 در سلول‌های فاقد FTO، با ترمیم کارآمدتر DNA همزمان است. این امر احتمالاً با ترویج جذب پروتئین‌های ترمیم DNA و تسهیل جداسازی PARP1 از DNA آسیب‌دیده صورت می‌گیرد. علاوه بر این، بیان بیش از حد FTO، جذب PARP1 را سرکوب کرده و سطح PARPylation پروتئین ناشی از UV را کاهش می‌دهد.

4. اهمیت هلیکس N-ترمینال FTO: محققان همچنین نشان دادند که حذف N-ترمینال FTO به طور معنی‌داری اتصال PARP1 را کاهش می‌دهد و تنها می‌تواند عملکرد PARP1 را به صورت جزئی در سلول‌ها تنظیم کند. این شواهد به طور مستقیم نقش FTO را به عنوان یک مهارکننده اندوژن (درون‌زا) مسیر DDR، از طریق تنظیم منفی عملکرد PARP1، تأیید می‌کند.

مکانیسم‌های مولکولی بیشتر: PARPylation و ارتباط با m6A

این مطالعه همچنین به مکانیسم‌هایی می‌پردازد که چگونه FTO و PARP1 با یکدیگر تعامل دارند. محققان کشف کردند که FTO یک هدف مستقیم برای PARP1 است و در سلول‌ها PARylated می‌شود. از نظر مکانیکی، تعامل بین FTO و PARP1 به سطح پایه PARylation پروتئین FTO وابسته است.

فعال‌سازی PARP1 باعث خود-PARylation می‌شود، که ممکن است یک ممانعت فضایی ایجاد کرده و جداسازی آن را از FTO مجبور کند. سطح بالای PARylation پروتئین FTO که بلافاصله پس از قرار گرفتن در معرض UV مشاهده می‌شود، نیز می‌تواند به جداسازی آن نه تنها از PARP1، بلکه از سایر پروتئین‌های ترمیم‌کننده، از جمله DNA-PK و Ku80، کمک کند. این امر به ویژه جالب است، زیرا تعامل FTO و PARP1 تا حد زیادی مستقل از عملکرد RNA دمیلاز FTO است.

این مطالعه یک مکانیسم مهم از پروتئین FTO در مسیر DDR را فراتر از نقش آن به عنوان یک RNA دمیلاز برجسته می‌کند. با توجه به اینکه جذب METTL3 به محل‌های آسیب DNA وابسته به عملکرد PARP1 است، یافته‌های این پژوهش با افزایش واضح در سطح m6A (N6-متیل‌آدنوزین) مشاهده شده در سلول‌های فاقد FTO پس از تابش UV همخوانی دارد. بر اساس مدل کاری ارائه شده در این مطالعه، پیشنهاد می‌شود که افزایش سطح m6A به دلیل افزایش عملکرد PARP1 است، که به نوبه خود جذب کارآمدتر METTL3 را به محل‌های آسیب DNA تسهیل می‌کند، و نه صرفاً به دلیل از دست دادن عملکرد RNA دمیلاز در سلول‌های فاقد FTO. این توضیح جدید، چگونگی ارتباط این دو فرآیند را به شیوه‌ای ظریف و پیچیده روشن می‌سازد.

FTO به عنوان سرکوب‌کننده منحصر به فرد PARP1

فعالیت آنزیمی PARP1 می‌تواند توسط چندین پروتئین درگیر، از جمله سirtuin پستانداران SIRT6، پروتئین ترمیم DNA XPC، پروتئین مرتبط با میکروتوبول TPX2، و فاکتور PARylation هیستون HPF1، به طور مثبت تنظیم شود. جالب اینجاست که هیچ یک از این تنظیم‌کننده‌های مثبت PARP1 در پروتئوم مجاور FTO شناسایی نشدند. این یافته، نقش FTO را به عنوان یک سرکوب‌کننده منحصر به فرد فعالیت PARP1 در سلول‌ها بیشتر تقویت می‌کند.

یک مکانیسم احتمالی برای عمل FTO ممکن است شامل توانایی آن در اتصال به NADP+ و NAD+ باشد که دسترسی PARP1 به بسترش را محدود می‌کند. بنابراین، FTO می‌تواند مسئول جلوگیری از فوق فعال شدن PARP1 باشد که می‌تواند به دلیل مصرف بیش از حد بستر NAD+ برای سلول‌ها مضر باشد و منجر به فروپاشی انرژی و مرگ سلولی شود. این نقش تنظیمی FTO، آن را به یک کنترل‌کننده حیاتی در حفظ تعادل انرژی سلولی در مواجهه با آسیب DNA تبدیل می‌کند.

منبع:

FTO suppresses DNA repair by inhibiting PARP1