الفوضى المُنظَّمة للبروتينات

الفوضى المُنظَّمة للبروتينات^(*)

لكي تقوم البروتينات بسحرها داخل الخلايا، يجب عليها أن
تنطوي أولا لتأخذ أشكالا صلبة، أو هكذا تقول الحكمة التقليدية.
إلّا أن هناك قصة أكثر تعقيدا قد بدأت لتوها بالظهور.

<K .A. دانكر> – <R. كريواكي>

 

 

باختصار    وفقا للحكمة التقليدية فإنه يتعين على البروتينات أن تنطوي متخذة أشكالا صلبةrigid shapes بغية أن تقوم بوظائفها كالارتباط بجزيئات مستهدفة بعينها، ولكن الأبحاث الحديثة تشير إلى أن ثلث الأنماط البروتينية الموجودة في البشر يكون غير منظم كليا أو جزئيا. ومع أن عدم انطواء(1) البروتين كان يعتبر ومنذ زمن بعيد حالة مرضية، إلا أنه لا يعيق بالضرورة الأداء الوظيفي، ولكنه في الواقع غالبا ما يكون وصفا أساسيا لعمل البروتين. وربما تكون البروتينات غير المنظمة قد أدت دورا مهما أثناء التطور وأن فهما أفضل لحقيقة طبيعتها قد يقودنا أيضا إلى تصميم أدوية مبتكرة.

 

البروتينات هي المادة الخام للحياة، فهي عيون وأذرع وأرجل الخلايا الحية. فحتى الدنا DNA (أكثر الجزيئات أيقونية iconic ما بين كافة الجزيئات) إنما تنبع أهميته أولا، وقبل كل شيء، من احتوائه على الجينات التي تحدد بنية البروتينات. وإلى حد بعيد، يعود اختلاف خلايا أجسادنا بعضها عن بعض – وهي تعمل كعصبونات أو خلايا دم بيضاء أو خلايا حسية شمية وغير ذلك – إلى كونها تُفَعِّل مجموعات مختلفة من الجينات منتجة بذلك خلائط مختلفة من البروتينات.

وانطلاقا من أهمية هذه الجزيئات، فإن أول ما يتبادر إلى الذهن هو أن البيولوجيين قد كوّنوا ومنذ أمد بعيد، صورة أساسية لشكل هذه البروتينات ولطريقة عملها. ومع ذلك ولعقود كثيرة، تبنى العلماء صورة كانت غير مكتملة. إنهم وإن كانوا يعلمون تماما بأن البروتينات تتألف من أحماض أمينية يتصل بعضها ببعض مثل حبات الخرز المنضدة على خيط، إلا أنهم كانوا على ثقة بأنه على سلسلة الأحماض الأمينية المشكلة للبروتين أن تنطوي أولا على شكل صلب ذي بنية محددة بدقة، كي يكون قادرا على القيام بوظيفته. إلا أنه قد أصبح من الواضح الآن أن ثمة مجموعة من البروتينات التي تقوم بوظائفها الحيوية دون أن تنطوي بشكل كامل أبدا، في حين أن بعضها الآخر ينطوي بقدر الحاجة فقط. وفي الواقع، إن ثلث عدد البروتينات البشرية غير منتظم فعليا⁽²⁾ إذ يحوي على الأقل بعض الأجزاء غير المنطوية أو غير المنتظمة⁽³⁾.

عرف علماء البيولوجيا، بلا شك، ولأمد غير قصير بأن الإنزيمات مثل البوليميريزات التي تقوم باستنساخ الدنا لإنتاج الرنا RNA هي في الحقيقة آلات نانوية معقدة⁽⁴⁾ تتألف من عدد من الأجزاء المتحركة والمرتبطة معا بواسطة  مفصلات مما يسمح للأجزاء المختلفة من البروتينات بالالتفاف بعضها حول بعض. إلا أن تلك البروتينات كانت تصور على أنها مجاميع من الأجزاء غير المرنة بما يشبه أجزاء الكرسي القابل للانطواء. أما البروتينات المضطربة جوهريا فيمكن تشبيهها بالسباغيتي⁽⁵⁾ المطبوخة جزئيا والتي تتقلب باستمرار داخل وعاء الماء المغلي.

الانطواء حسب الحاجة فقط, يمكن للبروتين p27 المــرن (الأخضر) أن يلتف حول العديد من الشركاء المختلفين، وهذا شيء لا تستطيعه بروتينات ذات بنية فريدة ثلاثية الأبعاد.

 

وقبل خمسة عشر عاما كان مثل هذا التأكيد يُنظر إليه كهرطقة. واليوم يدرك العلماء أن هذه الخصائص من عدم الانتظام والمرونة ربما تكون قد أسهمت في نشوء الحياة على الأرض، وأن تلك المرونة ما زالت تسهم في القيام بأدوار أساسية في الخلية، على سبيل المثال، أثناء الانقسام الخلوي والتفعيل الجيني. وهذا الفهم الجديد يعرض ما هو أكثر من مجرد إدراك جديد مذهل في فهم البيولوجيا الأساسية للخلية. ومن المدهش بالقدر نفسه، أنه يدل على سبل جديدة لمعالجة الأمراض بما فيها السرطان.

نظرة أكثر شمولية للبروتينات الترتيب مقابل الاضطراب(**)    تقوم الآليات الجزيئية في الخلية بنسخ المعلومات المكودة ضمن تسلسلات الدنا– الجينات – إلى رنا وتترجم الرنا لتعطي سلاسل طويلة من الأحماض الأمينية التي تشكل البروتينات. وتنص كتب البيولوجيا أنه يجب على البروتين حينذاك أن ينطوي ليعطي شكلا فريدا (الصف العلوي) وذلك كي يقوم بوظيفته بشكل صحيح، فمثلا، أن يرتبط بجزيء محدد كملاءمة المفتاح للقفل، إلا أن العديد من البروتينات مع ذلك تبقى غير منطوية جزئيا على الأقل، وهذه المرونة تمكنها من الارتباط بجزيئات متنوعة (الصف السفلي) أو من القيام بمهام أخرى (انظر المؤطر في الصفحة 26).

 

تطابقات تامة^(***)

في عام 1894 ظهرت الفكرة العامة بأن البنية الصلبة الثلاثية الأبعاد للبروتين هي ما تحدد وظيفته. اقترح <E. فيشر> [وهو كيميائي من جامعة برلين] بأن الإنزيمات (محفزات⁽⁶⁾ التفاعلات الحيوية) تتفاعل مع الجزيئات الأخرى بالارتباط بأشكال محددة على سطحها الخارجي؛ في حين تتجاهل الإنزيمات كلية الجزيئات التي تختلف بمظاهرها السطحية ولو اختلافا ضئيلا. وبعبارة أخرى، يجب على الإنزيم أن يتطابق تماما مع قرينه بما يشبه القفل والمفتاح.

لم تكن طبيعة البروتينات معروفة تماما حين صاغ <فيشر> نموذجه. وعلى امتداد الستين عاما التالية توصل البيولوجيون إلى معرفة أن البروتينات هي عبارة عن سلاسل من الأحماض الأمينية، واستنتجوا بأن على هذه السلاسل أن تنطوي بشكل محدد ودقيق كي تعمل بشكل صحيح. وفي عام 1931 قدّم عالم الكيمياء الحيوية الصيني <H. وو> دعما قويا لوجهة النظر تلك، مبينا أن تغير طبيعة⁽⁷⁾ البروتين أو فقدان البنية الثلاثية الأبعاد الطبيعية، قد أدى إلى فقدانه لكامل وظيفته. ومنذ ذلك الحين، وبدءا بالبنية الثلاثية الأبعاد للميوگلوبين myoglobin في الحيوانات المنوية لحوت، قام الباحثون في عام 1958 بتحديد بنية أكثر من 000 50 نوع من البروتين، وكان ذلك عادة ما يتم بتحويلها برفق إلى بلّورات ومن ثم بعكس أشعة X من على هذه البلورات.

ومع ذلك، فإن الأمور لم تكن ثابتة في عالم البروتين ذي نظام القفل والمفتاح المنظم هذا. فحتى بدايات عام 1900 كان العلماء يعلمون بوجود العديد من الأضداد (الأجسام المضادة) antibodies التي يمكنها الارتباط بعدد من المستضدات antigens أو الأهداف المختلفة، وهي ملاحظة لم تكن لتنسجم تماما مع نموذج القفل والمفتاح. ففي الأربعينات من القرن العشرين، خمن الكيميائي العظيم <L. بولينگ> أنه يمكن لبعض الأجسام المضادة أن تنطوي لواحد من عدة أشكال، بحيث يتشكل تركيب كل انطواء بناء على التلاؤم بين الجسم المضاد والمستضد.

منذ أربعينات القرن العشرين تقريبا وحتى الآن أشارت دلائل أخرى إلى أن البروتينات كافة لا تلتزم بتلك النظرة الدوغماتية التي مفادها أن الوظيفة تنبع من البنية الصلبة الثلاثية الأبعاد. ولكن تلك التي لم تكن تتوافق مع ذلك عادة ما كانت تعتبر على أنها حالات فردية واستثناءات غريبة للقاعدة العامة. لقد كان أحدنا (<دانكر>) من بين الباحثين الأوائل الذين جمعوا مثل تلك النماذج الفردية، وقد أبدى ملاحظته على أن النظرة الدوگماتية ذاتها ربما كانت بحاجة إلى تنقيح. وفي عام 1953 على سبيل المثال، لاحظ العلماء أن الكازين (بروتين الحليب) casein، كان غير منظّم البنية إلى حد بعيد، وأن مرونته تلك كانت تسهل عملية الهضم لدى رضع الثدييات. وفي أوائل سبعينات القرن العشرين، وجد أن البروتين، الذي يدعى فيبرينوجين fibrinogen، كان يحوي منطقة كبيرة نسبيا لم تكن لها بنية ثابتة، ووجد أن هذه المنطقة إضافة إلى مناطقَ أخرى أصغر منها اكتشفت لاحقا، تؤدي دورا أساسيا في عملية تخثر الدم. وفي أواخر السبعينات من القرن العشرين قَدّم البروتين المشكل للغلاف الخارجي لڤيروس التبغ الموزاييكي the tobacco mosaic virus مثالا مدهشا آخر. فحين يكون الغلاف الخارجي فارغا يكون لدى البروتين أجزاء كبيرة غير منظمة وتتدلى بحرية داخل فراغ المحفظة. وتلك الحرية تساعد على تعبئة جزيئــات الرنا RNA – المصنعة حديثا خلال تكاثر الڤيروس ضمن الخلية المصابة – داخل المحفظة. ولكن مع دخول الرنا يرتبط البروتين به متخذا أشكالا صلبة.

وأثناء ذلك افترض أولئك، الذين فشلت تجاربهم في حث بروتينات معينة على الانطواء في أنابيب اختبارهم، بأنهم كانوا يقعون في خطأ ما: فبالتأكيد يمكن لسلاسل الأحماض الأمينية تلك أن تجد شكلا منطويا «صحيحا» في بيئة الخلية. فمثلا، عندما كان الباحثون يقومون بوضع محاليل تحوي بروتينات معزولة في أنابيب معينة ومن ثم تصويرها بمطياف الرنين المغنطيسي النووي⁽⁸⁾ (NMR) – الأداة الموثوقة في دراسات البروتينات – فإنهم كانوا في بعض الأحيان يحصلون على نتائج غير واضحة، والتي فسروها على أنها تدلُّ على أن البروتينات قد فشلت في الانطواء.

إلا أن هذه النتائج كانت تروي قصة أكثر ثراء. فالتصوير بالرنين المغنطيسي النووي يستخدم نبضات قوية من الترددات الراديوية لتحفيز تزامن دوران نوى ذرات معينة كالهدروجين. والتغيرات الطفيفة في التردد نتيجة لاستجابة النوى ترتبط ارتباطا وثيقا بموضع تلك الذرات ضمن الأحماض الأمينية وكذلك بموضع الأحماض الأمينية نسبة إلى بعضها بعضا. وهكذا يمكن للباحث، وانطلاقا من هذه التغيرات في التردد، أن يرسم في معظم الأحيان صورة كاملة لبُنية بروتين صلب. ولكن في حال كون الأحماض الأمينية تتحرك كثيرا – كما هي الحال في البروتينات غير المنطوية – فإن التغيرات في التردد تولد صورة مهزوزة.

وفي عام 1996، كان أحدنا (<كريواكي>) [وكان آنذاك يعمل في معهد سكريپس للأبحاث⁽⁹⁾] يطبق التصوير بالرنين NMR على بروتين يدعى p21  – له  صلة بتنظيم الانقسام الخلوي – عندما لاحظ أمرا مذهلا. فطبقا لنتائج التصوير بالرنين NMR فإن البروتين p21 كان مضطربا بشكل كامل تقريبا. وكانت الأحماض الأمينية تُدَور بحرية حول الروابط الكيميائية التي تجمعها معا، بحيث إنها لا تبقى أبدا على شكل واحد لأكثر من جزء من الثانية. ومع ذلك – وهذا هو الجزء المذهل– فقد كان البروتين p21 لا يزال قادرا على القيام بوظيفته التنظيمية الأساسية. وكان ذلك هو البرهان المقنع الأول الذي بَيّنَ أن عدم وجود بنية لا يجعل البروتين عديم الفائدة.

ويبقى التصوير بالرنين NMR التقانة الرئيسة التي تحدد فيما إذا كان البروتين منطويا أو مضطربا، ومع غيرها من التقانات الأخرى فقد ثبت أن الكثير من البروتينات مضطربة ذاتيا. فهذه الجزيئات تقوم باستمرار بتغيير هيئتها تحت تأثير الحركة البروانية Brownian motion وتوتراتها الحرارية الذاتية، وهي مع ذلك تبقى فعالة تماما.

إسباغيتي البروتين^(****)

لعل البروتين p27 هو النموذج الأفضل الممثل لهذه النظرة الأكثر شمولية (لاسيما وأنه يوجد في معظم الفقاريات). فكما هو الحال في البروتين p21، فإن البروتين p27 هو واحد من البروتينات المهمة في تنظيم وضبط عملية الانقسام الخلوي بحيث لا تستمر الخلايا بالانقسام من دون تحكم، وتبين نتائج التصوير بالرنين NMR أن البروتين p27 يتمتع بمرونة عالية ويتضمن أجزاء سريعة التبدل تتطوى وتنفرد آخذة أشكالا قصيرة الأجل، تكون لولبية تارة ومنبسطة كورقة تارة أخرى، إن معظم الخلايا السرطانية البشرية تحتوي على كمية أقل من البروتين p27، وكلما ازداد النقص ساءت توقعات الحياة بالنسبة إلى المريض.

فوضى ملحوظة العمال المرنون للخلية الحية(*****) إن البروتينات لدى قيامها بعملها كإنزيمات أو مكونات بنيوية أو آلات جزيئية، إلى آخره، فإنها تقود فعليا جميع الأعمال التي تؤديها الخلية. نبين هنا من خلال نظرة داخل خلية بشرية ثلاثة أمثلة مهمة لبروتينات حيث يكون عدم وجود بنية صلبة محددة بشكل مسبق أمرا حاسما لوظائف البروتين. ناقل أحادي الخط ثمة آلية جزيئية مؤلفة من نسختين من البروتين كينيزين Kinesin تقوم بالتنقل (المشي) على طول الأنابيب الميكروية microtubules حيث تسحب معها حويصلات vesicle أو أي حمولة أخرى من منطقة إلى منطقة أخرى في الخلية. يقوم الجزيء المطلق للطاقة (ATP) بتوفير الطاقة لكل خطوة، حيث يتفاعل الجزيء ATP مع «القدم» الأمامية من البروتين ويجبر «الجزء الرابط» من البروتين وغير المبنى على الانطواء فوق تلك القدم، ويقوم الجزء الرابط في الوقت ذاته بسحب القدم الخلفية مجبرا إياها على الدوران إلى الأمام حيث ترتبط بالأنبوب الميكروي. حارس مضاد للسرطان عندما تعطب خلية ما بسبب الإشعاع أو مسببات أخرى، يبدأ البروتينp53 عمله، فتتجمع أربع نسخ من البروتين p53 وتقوم بالارتباط بالدنا بمواضع محددة لتحفز البدء بإنتاج إنزيمات إصلاح الدنا DNA repairenzymes. إن الأجزاء غير المنظمة البنية من البروتين p53 تمكن المركب البروتيني من الالتفاف حول الحلزون المزدوج. وإضافة إلى الدنا فإن البروتين يمكنه أن يتفاعل مع الرنا وأكثر من 100 نمط مختلف من البروتين. حارس بيت النواة يتألف مركب المسامات النووية المنغرس في الغشاء النووي من 30 من الأنماط المختلفة من البروتينات متجمعة معا بتناظر ثمانيٍّ متقن حيث تقوم بتنظيم الجزيئات التي تدخل إلى النواة أو تخرج منها. وتكون الفتحة محشوة بهلام من البروتينات غير المنطوي على الإطلاق. والجزيئات الصغيرة، مثل الماء، يمكنها أن تمرّ خلال الهلام من دون إعاقة، في حين أن الجزيئات الكبيرة تتطلب مكوكية shuttling للدخول.

 

تعمل جزيئات البروتين p27 ككابح للانقسام الخلوي وذلك بالارتباط بستة أنماط مختلفة على الأقل من إنزيمات الكينيز kinase enzymes  وتثبط عملها، فإنزيمات الكينيز هي المنظمات الأساسية لاستنساخ الدنا والانقسام الخلوي. فهي تقوم بإضافة الفوسفات PO4 إلى البروتينات الأخرى (أي فسفرتهاphosphorylate)، الأمر الذي يؤدي إلى إطلاق شلّال من الأحداث. فعند قيامها بعملها، يقوم جزيء البروتين p27 الديناميكي ذو الشكل الخيطي بالالتفاف حول إنزيم الكينيز (الذي يكون في الغالب صلبا) مغطيا جزءا كبيرا من سطحه، بما في ذلك المواضع المتفاعلة كيميائيا أو «النشطة» [انظر الشكل في الصفحة 23]. يؤدي هذا إلى منع عملية الفسفرة ومن ثم إلى وقف الانقسام الخلوي. وبفضل مرونته، يكون بإمكان البروتين p27 أن يقولب نفسه حول أنماط مختلفة من الإنزيمات ويثبطها. وتوصف مثل تلك البروتينات التي تمتاز بهذه الخاصية على أنها بروتينات غير مميزة ⁽¹⁰⁾ promiscuous أو تقوم بأعمال إضافية⁽¹¹⁾.

يقع البروتين P27، الذي هو تقريبا غير منظم كلية، بالقرب من الطرف المضطرب لمقياس يمتد من الاضطراب التام (بنية غير منظمة كلية) إلى الانتظام الكامل (منطو صلب تماما). بينما تقع إنزيمات الكينيز نفسها بالقرب من النهاية المعاكسة من ذاك المقياس. ويقع العديد من البروتينات الأخرى في مكان ما من مقياس الرسم ما بين تلك النهايتين، كونها تحمل أجزاء منظمة البنية وأخرى غير منظمة البنية. فالكالسينورين calcineurin الذي يؤدي دورا مهما في الاستجابة المناعية (وهو ما تستهدفه الأدوية المضادة للرفض المناعي) يقوم بدور معاكس تماما لإنزيمات الكينيز: فهو يعمل على نزع الفوسفات من بعض البروتينات التي سبق لها أن فُسْفِرت. يتضمن هذا البروتين في بنيته جزءا منظم البنية وهو ما يشكل الموضع النشط للإنزيم ويعمل وفق المبدأ الكلاسيكي للقفل والمفتاح لنزع الفوسفات من البروتينات الأخرى. إلا أنه يتضمن أيضا جزءا غير منظم البنية يقوم بالارتباط بالموضع النشط للإنزيم ذاته مثبطا إياه عندما لا يكون هناك حاجة إلى نزع الفوسفات. وهكذا، فإن الكالسينورين هو كبروتينين في بروتين واحد: إذ يقوم الجزء المنظم البنية بالتحفيز، بينما يقوم الجزء غير المنظم البنية بتنظيم هذه الوظيفة التحفيزية.

إن الأمثلة التي ناقشناها حتى الآن هي لبروتينات تنطوي إما حول ذاتها أو حول بروتينات أخرى لدى قيامها بوظيفتها. غير أن الاضطراب هو غالبا ما يكون واحدا من أدوات عمل البروتين. وفي أحد الأمثلة المعروفة فإن طول الجزء غير المنظم البنية يعمل كآلة للتوقيت، إذ يضبط مدى سرعة اقتراب موضعين فعالين من بعض: كلما كان طول الجزء غير منظم البنية أكبر أدى ذلك بالموضعين الفعالين إلى البحث عن بعضهما لمدة أطول مما لو كان الجزء غير المنظم البنية أقصر، وفي حالة أخرى تساعد البنية غير المنظمة بروتينا معينا على التغلغل من خلال فتحات صغيرة في الغشاء الخلوي ومن ثم عبوره من خلالها، وكذلك فإن البروتينات غير المنظمة البنية توجد في محاور axonsالخلايا العصبية، حيث تشكل بنى شبيهة بالفرشاة تحمي المحاور من الانهيار.

تبقى بعض البروتينات (خلافا لما هو متوقع) بحالة غير منظمة البنية حتى بعد ارتباطها بهدفها. فمؤخرا اكتشف <T. ميتاگ> [من مستشفى الأطفال في تورنتو (وهو الآن عضو تدريس في قسم <كريواكي>)] بروتينا مثبطا في الخميرة yeast يدعى البروتين Sic1، وهو يبقى مرتبطا بشريكه عبر أجزاء صغيرة تواصل القفز من وإلى موضع ارتباط وحيد، في حين يحافظ باقي البروتين Sic1 على اضطرابه.

ومثل هذا الاضطراب يوجد أيضا في بروتينات المتعضيات organisms الأكثر بساطة، وحتى في الـيروسات. فهناك بعض الڤيروسات التي تعرف باسم الملتهمات phages والتي تتخصص بإصابة البكتيريا، وتقوم بالارتباط بأغشية المضيف عبر بروتينات تتصل بجسم الـيروس بأربطة مرنة، ويمكن لبروتينات الأربطة التي هي أصغر وأسرع حركة من الـيروس الملتهم الكامل أن تعيد ترتيب نفسها للحصول على تطابق أمثل أثناء الإرساء.

لا تمييزية واسعة الانتشار^(******)

وحتى اليوم جرى التعرف على 600 تقريبا من البروتينات غير منظمة البنية جزئيا أو كليا، كما جرى تعرف وظيفتها من قبل باحثين يعملون في مختبرات حول العالم، إلا أننا نعتقد بوجود المزيد منها، إذ إن العلماء قد تعرفوا حتى الآن بنية نسبة ضئيلة فقط من البروتينات التي يقدر عددها بـ 000 100 بروتين موجودة في جسم الإنسان وحده. والدراسات الحديثة في مجال المعلومات البيولوجية⁽¹²⁾ لـ <دانكر> ورفاقه كانت أيضا تشير إلى ذلك الاتجاه.

تقوم مقاربة المعلومات البيولوجية على الدراسات النظرية السابقة لبروتينات معينة، والتي اقترحت أنه بعد أن تقوم الخلية بتصنيع سلسلة الأحماض الأمينية لتشكل البروتين، تنطوي هذه السلسلة اعتمادا على تركيبها. فالأحماض الأمينية الكبيرة الحجم والكارهة للماء hydrophobic – أي تلك التي تنفر من جزيئات الماء التي عادة ما تحيط بالبروتين – تميل بشكل خاص إلى التموضع في الداخل. وعلى العكس من ذلك، فإن الأحماض الأمينية التي نجدها على سطح بروتين مطو هي عادة ما تكون صغيرة الحجم ومحبة للماء hydrophilic وهي تميل إلى الالتصاق بجزيئات الماء المحيطة بها.

كانت فكرة <دانكر> ترتكز على مقارنة تسلسل الأحماض الأمينية للبروتينات المعروفة بأنها مضطربة ذاتيا، بتلك البروتينات المعروفة بأنها تتميز بأشكال مطوية صلبة. وفي عام 1997، وجد فريقه بخوارزميات حاسوبية⁽¹³⁾  أن البروتينات المضطربة ذاتيا كانت تحتوي على نسبة أكبر من الأحماض الأمينية المحبة للماء مقارنة بالبروتينات غير المرنة، فإن التوازن في نسبة الأحماض الأمينية المحبة للماء وتلك الكارهة له يمكنه أن ينبئنا فيما إذا كان بروتين ما سينطوي جزئيا أو لا ينطوي على الإطلاق.

وفي عام 2000 قام فريق <دانكر> (وبهدف تقصي المضمون البيولوجي لاكتشافاتهم السابقة) بإجراء مقارنة عبر ممالك الحياة. فحص الباحثون جينوم العديد من المتعضيات بخوارزميات بحثا عن قطع من الدنا تكود codeسلاسل طويلة من الأحماض الأمينية المحبة للماء⁽¹⁴⁾. ومن المفترض أن البروتينات الناتجة منها لا بد وأن تكون أفضل المرشحين لتكون غير منظمة البنية، جزئيا على الأقل. ففي المتعضيات الأبسط كالبكتيريا أو العتيقاتarchaea، تم التنبؤ بوجود عدد أقل من البروتينات المضطربة ذاتيا، أما في حقيقيات النوى eukaryotes، وهي المتعضيات الأكثر تعقيدا مثل الخميرة وذبابة الفاكهة والإنسان والتي تتميز بخلايا ذات نواة – فعلى ما يبدو تكون البروتينات غير منظمة البنية أكثر شيوعا.

وفي عام 2004 أضيف المزيد إلى هذه النتائج من فريق يقوده <D. جونز> [من جامعة لندن]، الذي استخدم مقارنات مشابهة تتضمن بيانات عن الإنسان. ومن المدهش أن هؤلاء الباحثين وجدوا أن 35% من جميع بروتينات البشر قد تحوي أجزاء طويلة غير منظمة البنية. وهكذا فإن نحو ثلث البروتينات البشرية ربما يكون به أجزاء كبيرة لا ينطبق عليها مفهوم القفل والمفتاح.

وما زالت أسباب هذا الاختلاف غير واضحة، وأحد التفسيرات المحتملة هي أن البروتينات التي تحوي بنى بسمات تتوافق مع آلية القفل والمفتاح قد تكون الأمثل للقيام بوظائف محددة كما هو الحال في نشاط الإنزيمات، في حين أن البروتينات المضطربة ذاتيا تكون الأفضل في إعطاء الإشارة signaling  والتنظيم.  وتضم البكتيريا ذات البنية البسيطة جميع مكوناتها في حاوية واحدة، في حين أن المتعضيات المعقدة تتميز بوجود عدة حاويات مثل النواة وجهاز گولجي والمتقدرات the mitochondria وغير ذلك، وهذا ما يستدعي وجود الكثير من الإشارات ما بين أجزائها المختلفة؛ كما يتطلب رقابة أشمل. كما تتطلب المتعضيات الكثيرة الخلايا سبلا لنقل الإشارة لتنسيق النشاط ما بين الخلايا وما بين الأنسجة المختلفة، ففي مثال البروتين p27 الذي سبق مناقشته، فبفضل مرونته، يتمكن البروتين من حمل رسائل كيميائية عبر مسارات نقل الإشارة في خلية: تكود الرسائل في تحور شكل البروتين وفي تعديلاته الكيميائية مثل الفسفرة، وفي رفقائه الذين يرتبط بهم (وبذلك يثبط أو ينظم).

السر الأكثر خفاء في التطور^(*******)

قد تكون قلة البروتينات المضطربة ذاتيا في البكتيريا مؤشرا إلى أن هذه البروتينات قد نشأت فقط في مرحلة متأخرة من التطور. ومع ذلك، تشير العديد من الدراسات إلى أنها نشأت في وقت مبكر. فأحد الأدلة، هو أن العديد من نظم نقل الإشارة المهمة في البكتيريا تقوم على بروتينات غير منظمة البنية عوضا عن منظمة البنية. وفضلا عن ذلك، نجد أن بعض الآلات الجزيئية القديمة النشوء والتي كانت تتألف من الرنا والبروتينات متجمعة مع بعضها، فإن كافة البروتينات تقريبا كانت غير منظمة البنية جزئيا أو كليا عندما لاتكون مرتبطة بشركائها من الرنا. وتتضمن هذه الجزيئات المركبة الهجينة القديمة السپليسوسوم spliceosome (وهو آلة جزيئية تقوم بتحرير (إعداد) وضفر الرنا كخطوة سابقة لإنتاج البروتينات)، والريبوسوم ⁽¹⁵⁾ ribosome (الجزيء المركب الذي ينظم الأحماض الأمينية معا في سلسلة ليشكل البروتينات).

تشير الأبحاث التي تتعلق بنشوء الحياة إلى قِدَم البروتينات غير المنظمة البنية. وتقول النظرية السائدة إن المتعضيات الأولى كانت ترتكز على الرنا، وكان الرنا يعمل بالوقت ذاته كجزيء تحفيزي وأيضا كمستودع للمعلومات الوراثية – الدوران اللذان تؤديهما البروتينات والدنا على الترتيب في الخلايا الحديثة. وإحدى المشكلات المهمة في نظرية عالم الرنا هذا أن الرنا ينطوي بشكل غير فعال في هيئته المحفزة النشطة وكثيرا ما يجمد في هيئته غير الفعالة. يوجد في الخلايا الحديثة بروتينات معينة تدعى مرافقات (شاپيرونات) الرنا)⁽¹⁶⁾، وهي تقوم بمساعدة الرنا على الانطواء الصحيح، كما أن هناك بروتينات أخرى تقوم بتثبيت الهيئة الفعالة لرنا معين، وهذا ما يشير إلى أن حلول مثل هذه البروتينات قد أوجد الحل لمشكلة تجمد الرنا في هيئته المنطوية. والمرافقات والبروتينات المثبتة كلاهما يفتقدان أي بنية ثابتة قبل أن يرتبطا بالرنا.

ومع ذلك، فإن تحليل منشأ الكود الجيني genetic code قد قدم دعما إضافيا إلى النشوء المبكر للبروتينات غير المنظمة البنية. فالكود الجيني هو عبارة عن مجموعة التعليمات التي تستخدمها الخلية بغية ترجمة المعلومات المختزنة في الأحماض النووية (الرنا أو الدنا) في النواة إلى سلسلة متعاقبة من الأحماض الأمينية. ويعتقد الباحثون أنه قد تم تكويد بعض الأحماض الأمينية في مرحلة مبكرة من نشوء الحياة، بينما ظهر بعضها الآخر في وقت لاحق. ومن المرجح أن الأحماض الأمينية الكبيرة الحجم والكارهة للماء والتي تدفع البروتين إلى الانطواء ظهرت في وقت متأخر، ومن ثم فالبروتينات التي تتألف من الأحماض الأمينية التي ظهرت في وقت مبكر غالبا ما ستبقى غير منطوية فيما إذا تُركت وشأنها. وإذا صحت هذه الأفكار المتعلقة بنشوء الكود الجيني، فلا بد من أن البروتينات الأولى في العالم كانت تنطوى بشكل ضعيف أو لا تنطوى على الإطلاق. ومن الواضح أن الأحماض الأمينية التي نشأت فيما بعد هي التي مكنت البروتينات من تشكيل بنية منظمة، مما وضع الأساس لتشكيل مواقع إنزيمية فعالة تعمل وفق نموذج القفل والمفتاح، وهذا ما مكن البروتينات وعبر ملايين السنين من الحلول مكان الرنا كمركز القوة التحفيزية في جميع الخلايا الحية.

سيف ذو حدين^(********)

نظرا للدور البيولوجي المحوري الذي تؤديه البروتينات، فليس من المستغرب ارتباط العديد منها بالكثير من الأمراض. لذا، فإن النموذج الجديد للاضطراب الذاتي للبروتينات سيكون له تأثير عميق في فهمنا للأمراض البشرية وكيفية معالجتها.

بداية، في بعض الحالات، يكون لعدم وجود البنية المنظمة للبروتين تأثير مؤذٍ: فإذا كانت الخلية تقوم بإنتاجها بصورة زائدة فإن بعض هذه البروتينات غير المنظمة البنية تكون عرضة للتراكم معا مشكلة صفائح plaques. وإذا حدث ذلك في الدماغ فستكون تلك الصفائح المشتبه فيها الأساس للعديد من الأمراض العصبية الانتكاسية⁽¹⁷⁾ مثل داء ألزهايمر وپاركنسون وهنتگتون Huntington. وبصورة أعم، فإنه يبدو أن هذه البروتينات غير المنظمة البنية يجب أن تخضع لعملية كبح دقيقة لتلافي حدوث المشكلات: في عام 2008 بينت دراسات واسعة النطاق قام بها <M .M. بابو> [من مختبر مجلس الأبحاث الطبية للبيولوجيا الجزيئية في كامبريدج بإنكلترا] أن الخلايا تقوم بضبط البروتينات المضطربة بشكل أكبر مقارنة بالبروتينات المنطوية.

إن إدراك ارتباط البروتينات المضطربة ذاتيا بأمراض معينة قد أدى إلى طرح أفكار جديدة تتعلق بإمكانية استخدامها كعلاجات. إن التفاعلات بروتين-بروتين تكمن في الواقع وراء كل عملية بيولوجية (حيوية)، لذا صارت منذ زمن بعيد أهدافا جاذبة لاختراع أدوية، لكنها لم تحقق سوى نجاحات بسيطة حتى الآن، مقارنة بالمقاربة التي تستهدف التفاعل ما بين الإنزيمات والجزيئات الأصغر. وغالبا ما تقدم البروتيناتُ التي تتفاعل مع البروتينات غير المنظمة البنية مكانَ تثبيتٍ منعزلا يستخدمه البروتين للارتباط، مما يمكن الباحثين من استثمار ذلك بهدف تثبيت أدوية جديدة. وقد أبدت بعض الجزيئات التي تعمل على حجب التفاعل ما بين جين gene مهم كابح للسرطان وواحد من البروتينات المنظمة له نجاحا باهرا في مكافحة السرطان في الحيوانات في المختبر، وهي الآن تخضع لتجارب سريرية على البشر. وحاليا، يقوم <كريواكي> وفريقه بتطوير خط هجوم مماثل لمعالجة سرطان الشبكية retinoblastoma، وهو سرطان يصيب العيون خصوصا عند الأطفال. وقد أعطت النتائج الأولية للأبحاث على الحيوانات نتائج واعدة، وهناك مختبرات أخرى تعمل على مشاريع مماثلة.

وقد بدأ العلماء المهتمين بفهم آلية قيام البروتين بعمله بالتخلص من الانحياز القديم لنموذج القفل والمفتاح لعمل البروتين. وقد أدركوا أنه يمكن القيام ببعض الوظائف البيولوجية بأفضل ما يكون باستخدام بروتينات صلبة، في حين أن بعضها الآخر يحتاج إلى بروتينات ذات ديناميكية عالية. وإن بزوغ فجر حقبة جديدة من إدراك بنية البروتين وكيفية قيامه بوظيفته قد يكون له أثر كبير في تحول فهمنا للحياة، وربما لإنقاذ حياة.

المؤلفان

	A. Keith Dunker – Richard W. Kriwacki
هو عالم فيزياء بيولوجية في كلية الطب بجامعة إنديانا حيث يدير مركز البيولوجيا الحاسوبية والمعلومات البيولوجية(18). لقد درس الڤيروسات لمدة 30 عاما قبل أن ينهمك بدراسة البروتينات المضطربة ذاتيا في عام 1995.    هو عالم بيولوجيا بنيوية structural biologist في مستشفى سانت جود البحثي للأطفال في ممفيس. وفي عام 1996، عندما كان يعمل في معهد سكريپس للأبحاث في لاهولا بكاليفورنيا، اكتشف مع آخرين أحد النماذج الأولى لبروتين مرن الهيئة حقا.

  مراجع للاستزادة

 

Structural Studies of P 21Waf1/Cip1/Sdi1 in the Free and Cdk2-Bound State: Conformational Disorder Mediates Binding Diversity. Richard W. Kriwacki et al. in Proceedings of the National Academy of Science USA. Vol. 93, No. 21, pages 11504-11509; October 15, 1996

 

Identification and Functions of Usefully Disordered Proteins. A. Keith Dunker et al. in Advances in Protein Chemistry, Vol. 62, pages 25-49; 2002

 

Intrinsically Unstructured Proteins and Their Functions. H. Jane Dyson and Peter E. Wright in Nature Reviews Molecular Cell Biology, Vol. 6, pages 197-208; March 2005

 

Structured Disorder Throws New Light on Moonlighting. Peter Tompa et al. in Trends in Biochemical Sciences, Vol. 30, No. 9, pages 484-489; September 1, 2005

 

Database of Protein Disorder. Known unstructured proteins are searchable online at www.disprot.org Protein Data Bank (www.rcsb.org/pdb) is a database of structured proteins.

 

(*)THE ORDERLY CHAOS OF PROTEINS أو الشواش المُنظَّم للبروتينات.

(**)Order vs. Disorder

(***)PERFECT MATCHES

(****)PROTEIN SPAGHETTI
(*****)The living cell’s flexible workers

(******)WIDESPREAD PROMISCUITY

(*******)EVOLUTION’S BEST-KEPT SECRET

(********)DOUBLE-EDGED SWORD

(1) folding
(2) disordered

(3) complicated nanomachines أو آلات نانوية معقدة.

(4) معكرونة طويلة ورفيعة الأعواد.
(5) intrinsically disordered

(6) catalysts

(7) denaturation أو تمسخ: فقدان الشيء طبيعته الخاصة.
(8) a nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometer

(9) the Scripps Research Institute

(10) أو مشوشة.
(11) moonlighting

(12) bioinformatics أو المعلومات الإحيائية.

(13) computer algorithms، والخوارزميات جمع خوارزمية وهي طريقة مقننة في الحساب وتنسب إلى عالمنا الشهير «الخوارزمي».
(14) hydrophilic amino acids

(15) أو الريباسة.

(16) RNA chaperones
(17) neurodegenerative diseases أو الأمراض العصبية التنكسية. (التحرير)

(18) the Center for Computational Biology and Bioinformatics