اكتشف باحثون من معهد وايت هيد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا رؤى جديدة حول كيفية دعم الخلايا لوظيفة الميتوكوندريا من خلال إنتاج البروتين المحلي في الميتوكوندريا. في دراسة نُشرت في مجلة Cell، يصف جوناثان وايزمان، أستاذ البيولوجيا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وعضو في معهد وايت هيد، والباحث ما بعد الدكتوراه جينغتشوان لو، تطوير أداة بحث جديدة، LOCL-TL، وتطبيقها لدراسة الترجمة الموضعية في الميتوكوندريا.
الميتوكوندريا، منتجو الطاقة في الخلية، تطورت من بكتيريا تم دمجها في الخلايا المبكرة. في حين تم نقل معظم جيناتها إلى نواة الخلية، يتطلب إنتاج بروتينات الميتوكوندريا تنسيقًا دقيقًا بين الجينوم النووي والميتوكوندري. تلعب الترجمة الموضعية، حيث يتم إنتاج البروتينات مباشرة في موقع استخدامها، دورًا رئيسيًا في ذلك. تُظهر الدراسة كيف تضمن الخلايا كفاءة الميتوكوندريا وقدرتها على الاستجابة من خلال إنتاج البروتين المحلي.
طور الباحثون LOCL-TL، وهي أداة تعتمد على طريقة سابقة تسمى تحديد مواقع الريبوسومات حسب القرب. تقوم هذه الطريقة بتمييز الريبوسومات القريبة من بنية خلوية لتحليل البروتينات التي يتم إنتاجها هناك. بالنسبة للميتوكوندريا في خلايا الثدييات، تم تكييف الإجراء لأنها تحتاج إلى البيوتين لوظيفتها، مما جعل طريقة سابقة غير عملية. بدلاً من ذلك، تستخدم LOCL-TL الضوء الأزرق لتمييز الريبوسومات على الغشاء الخارجي للميتوكوندريا. بعد تنشيط قصير، يتم استخلاص الريبوسومات لتحليل أجزاء الحمض النووي الريبوزي التي تقوم بترجمتها حاليًا، مما يوفر رؤى حول عملية الإنتاج.
تُظهر النتائج أن حوالي 20 بالمائة من بروتينات الميتوكوندريا المشفرة نوويًا تُترجم محليًا في الميتوكوندريا. يمكن تقسيم هذه البروتينات إلى مجموعتين. تشمل المجموعة الأولى بروتينات أطول تحتوي على أكثر من 400 حمض أميني، والتي تطورت من البكتيريا. هذه البروتينات، التي تُترجم موضعيًا في خلايا الثدييات والخميرة، تحتوي على تسلسل استهداف للميتوكوندريا (MTS)، ولكن لا تحتوي على تسلسل مثبط يؤخر النقل. يبدأ إنتاجها في الداخل، ولكن يتم نقله إلى الميتوكوندريا بعد حوالي 250 حمض أميني، حيث يتم ترجمتها واستيرادها في نفس الوقت. هذه العملية تسد قنوات النقل، مما يفسر انتقائية هذه الطريقة.
تتكون المجموعة الثانية من بروتينات أقصر تحتوي على أقل من 200 حمض أميني، وهي أحدث من الناحية التطورية. يتم التحكم في ترجمتها المحلية بواسطة تسلسلات الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي يتم تجنيدها إلى الميتوكوندريا بواسطة بروتين ربط الحمض النووي الريبوزي AKAP1. إذا تمت إزالة AKAP1، تحدث ترجمة هذه البروتينات بشكل غير محدد داخل الخلية، مما يؤدي إلى فقدان بروتينات ميتوكوندريا مهمة، وخاصة تلك المطلوبة لإنتاج الطاقة عن طريق الفسفرة التأكسدية.
تؤكد الدراسة على أهمية الترجمة الموضعية لوظيفة الميتوكوندريا وتفتح الباب لمزيد من البحث حول دورها في أمراض مثل التنكس العصبي وأمراض القلب والأوعية الدموية والسرطان. يمكن أيضًا تطبيق LOCL-TL على هياكل خلوية أخرى لفحص عمليات مثل التطور الجنيني أو اللدونة العصبية.
خلفية: معهد وايت هيد، وهو جزء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، هو مركز رائد في الأبحاث الطبية الحيوية. جوناثان وايزمان، وهو أيضًا باحث في معهد هوارد هيوز الطبي، وضع معايير جديدة في علم الأحياء الخلوي من خلال عمله على تخليق البروتين. تم إتاحة الدراسة للمجتمع العلمي من خلال النشر المفتوح في Cell لتعزيز المزيد من البحث في الترجمة الموضعية.
