روایت مغز: کشف نقش کانال های وابسته به پروتئین G در انتقال پیام

مقدمه

بدن انسان‌ها از میلیارد‌ها سلول ساخته شده و که هماهنگی این سلول‌هاست که به ما اجازه انجام فعالیت‌های روزانه را می‌دهد. قسمت عمده هماهنگی بین سلول‌ها از طریق ارتباطاتی است که به وسیله سیگنال‌های شیمیایی مانند هورمون‌ها ونوروترنسمیترها و… برقرار می‌شود. سیگنال‌های شیمیایی با اتصال به مولکول‌های خاصی به نام گیرنده‌ها که وظیفه شناسایی سیگنال‌ها را بر عهده دارند، پیام را به سلول منتقل می‌کنند. پس در واقع دو ویژگی مهمی که باعث ارتباط سلول‌ها با یکدیگر و پاسخ به محرک‌های محیطی می‌شود، یکی ارتباط بین سلولی است و دیگر انتقال سیگنال‌ها به درون سلول‌ها و در این بین مولکول‌های پیامرسان و گیرنده‌ها نقش بسیار مهمی را دارند.

امروزه نقش بسیار مهم پروتئین‌های G در انتقال و ارتباط بین سلولی بر هیچ یک از علم آموختگان حوزه بیولوژی پوشیده نیست. این کشف بزرگ با تلاش‌های آلفرد گیلمن (Alfred Gilman) و مارتین رادبل (Martin Rodbell) میسر شد و این دو پژوهشگر به پاس تلاش‌های خود در جهت کشف مولکول‌های پیام رسان و پروتین‌های G در سال ۱۹۹۴ جایزه نوبل پزشکی و فیزیولوژی را دریافت کردند.

علت نام گذاری پروتئین‌های G به این دلیل است که فعالیت آن‌ها با اتصال گوانوزین تری فسفات (GTP) کنترل می‌شود. پروتئین‌های G در سلول به عنوان مبدل سیگنال‌ها عمل می‌کنند؛ یعنی در انتقال و تعدیل سیگنال‌ها به درون سلول و تنظیم سیستم‌های مختلف فعال کننده و تقویت کننده سلولی نقش دارند. پس جزئی ضروری در فعالیت و تعادل سلولی به حساب می‌آیند.

مارتین رادبل

مارتین رادبل در سال ۱۹۲۵ در بالتیمور (Baltimore)، مریلند (Maryland) آمریکا در خانواده‌ای یهودی متولد شد. پس از اتمام تحصیلات ابتدایی در دبیرستان کالج بالتیمور، در سال ۱۹۴۳ مشغول تحصیل در رشته زیست شناسی در دانشگاه جان هاپکینز شد. در سال ۱۹۴۴، متحده در طول جنگ جهانی دوم، به علت گذراندن دوره سربازی خود رد نیروی دریایی آکریکا، وقه‌ای در تحصیلاتش ایجاد شد اما در سال ۱۹۴۶ به هاپکینز بازگشت و سه سال بعد کارشناسی خود را در رشته بیولوژی دریافت کرد. رادبل در سال ۱۹۵۴ دکترای خود را در رشته بیوشیمی از دانشگاه واشنگتن دریافت کرد و تا سال ۱۹۵۶ در دانشگاه ایلینویز بر روی تحقیقات پست دکترای خود مشغول شد. در اواخر این سال، انستیتوی ملی قلب، کار به عنوان بیوشیمیست را به او پیشنهاد کرد و با موافقت رادبل، او به مریلند نقل مکان کرد. در سال ۱۹۸۵، رادبل به عنوان مدیر علمی موسسه ملی علوم بهداشت محیط NIH در تحقیقات Triangle Park، در کارولینای شمالی انتخاب شده و تا زمان بازنشستگی خود در سال ۱۹۹۴، در این موسسه خدمت کرد. او در سال ۱۹۹۸در چپل هیل (Chapel Hill) پس از تحمل یک دوره طولانی بیماری، بر اثر نارسایی متعدد ارگان‌ها درگذشت.

آلفرد گیلمان

آلفرد گودمن گیلمان در سال ۱۹۴۱ در نیوهاون ( New Haven) آمریکا متولد شد. او فرزند آلفرد گیلمن، است که همراه با لوئیس گودمن (Louis Goodman) کتاب بسیار مشهور Goodman & Gilman’s The Pharmacological Basis of Therapeutics را تألیف کردند. او لیسانس خود را در زیست شناسی و *بیوشیمی را از دانشگاه ییل (Yale University) کشی کرد و بلافاصله پس از فارغ التحصیلی در سال ۱۹۶۲، با همکاری آلن کاننی (Allan Conney) در Burroughs Wellcome & Company * دو مقاله علمی معتبر را منتشر کرد. او برای گذراندن دوره دکترای خود به دانشکده پزشکی دانشگاه Western Reserve Reserve پیوست و در سال ۱۹۶۹ مدرک خود را از این دانشگاه دریافت کرد. سپس به مؤسسه ملی بهداشت پیوست و تا سال‌۱۹۷۱ با مارشال نیرنبرگ (Marshall Nirenberg) مشغول به کار شد. گیلمان در سال ۱۹۷۱ استادیار داروسازی در دانشکده پزشکی دانشگاه ویرجینیا شد و در سال ۱۹۷۷ مسند استاد کامل را از این دانشگاه کسب کرد. وی از سال ۱۹۸۱ ریاست گروه داروسازی در مرکز پزشکی دانشگاه تگزاس جنوب غربی در دالاس را بر عهده داشت و تا پیش از بازنشستگی در سال ۲۰۰۹، به عنوان مدیر ارشد علمی موسسه تحقیقات و پیشگیری از سرطان تگزاس مشغول به کار بود. گیلمان پس از یک دوره طولانی مبارزه با سرطان لوزالمعده در ۲۰۱۵ در دالاس (Dallas)، تگزاس در سن ۷۴ سالگی درگذشت.

کشف پروتئین G

زمینه لازم برای اکتشاف مسیر پیام رسانی سلولی و پروتئین‌های G با به کارگیری پژوهش‌های ارل ساترلند (Earl Sutherland)  و همکارش تد رال (Ted Rall) ممکن شد. ارل ساترلند به افتخار کشف  CAMPو توسعه تئوری پیام رسان ثانویه در سال ۱۹۷۱ جایزه نوبل را دریافت کرد. او در بررسی نحوه اثر هورمون‌ها این فرضیه را مطرح کرد که پیام رسیده به سلول (پیام رسان اولیه) به وسیله یک سری کنش‌هایی که بر روی غشای سلول انجام می‌شود، به سیگنالی تبدیل می‌شود که اثرات داخل سلولی را موجب می‌شود (پیام رسان ثانویه). همچنین تحقیقات ساترلند نشان داد که می‌توان عملکرد هورمون‌ها را در مراحل آماده سازی سلول‌های آسیب دیده مطالعه کرد. بدین طریق توجه‌ها بر روی سیستم آدنیلات سیکلاز که روشی آسان و نزدیک در بررسی تحریک گیرنده است، جلب شد. در این میان فضایی برای بررسی بیشتر ساختار گیرنده‌ها و عملکرد آنزیمی آن‌ها فراهم شد. *

مکانیسم اثر پروتئین G

در ابتدا پیش از بررسی جداگانه کارهای رادبل و گیلمان، بهتر است مکانیسم عمل پروتئین‌های G در سلول‌ها را به طور خلاصه مرور کنیم.

پروتئین‌های G از سه زنجیره جداگانه پپتیدی آلفا (بزرگ‌ترین واحد)، بتا و گاما با اندازه‌های مختلف و شکل پیچیده تشکیل شده‌اند. تولید و رونوشت از هر یک از این سه زنجیره پپتیدی توسط ژن‌های خاصی در هسته سلول رمزگذاری و کنترل می‌شود. ترکیبی از زنجیره‌های مختلف پپتیدی باعث تولید صدها پروتئینG  مختلف می‌شود.

زیر واحد آلفا می‌تواند به GTP متصل شود و با این اتصال، گیرنده تحریک شده و پروتئین G به شکل فعال خود تبدیل می‌شود. در این فعال پروتین‌ G می‌تواند تشکیل پیام رسان ثانویه، به عنوان مثال AMP حلقوی را آغاز کد. برای غیر فعال شدن مسیر، پروتئین جی، GTP را به GDP تبدیل می‌کند و به فرم غیرفعال خود باز می‌گردد. پروتئین G با این روش، بین گیرنده هورمون و سیستمی که درون سلول وظیفه انجام فعالیت‌ها را بر عهده دارد، ارتباط برقرار می‌کند.

پروتئین G انواع مختلفی دارد وهر یک تنها توسط برخی از گیرنده‌ها فعال می‌شوند و در نتیجه می‌توانند تنها برخی از سیستم‌های فعالیت کننده داخلی را تنظیم کند. برخی پروتئین‌های G باعث تولید یا مهار تشکیل AMP حلقوی می‌شوند و برخی دیگر، با تنظیم انتقال یون‌ها از طریق غشاهای سلولی، فعالیت سلول را تغییر می‌دهند. همچنین پروتئین‌های G با کنترل فسفوریلاسیون پروتئین‌ها تقسیم و تمایز سلولی را تنظیم می‌کنند.

مطالعات رادبل

مارتین رادبل و همكارانش از جمله Lutz Bimba.lmer در انستیتوی ملی بهداشت آمریكا، با انجام یک سری آزمایشات و تحقیقات در اواخر دهه ۱۹۶۰ و اوایل دهه ۱۹۷۰ این فرضیه را مطرح کرد که انتقال سیگنال از طریق غشای سلولی مستلزم همکاری سه بخش محتلف است. در واقع می‌توان گفت که رادبل نظریه پردازش اطلاعات را با مکانیسم‌های سلولی تطابق داده است.  

او اظهار داشت که سلول‌ها سیستم‌های سایبرنتیکی هستند كه از سه مؤلفه مولكولی مجزا تشکیل شده‌اند: تفکیک كننده‌ها (گیرنده سلول)، مبدل‌ها (انتقال دهنده) و آمپلی فایرها یا تقویت کننده‌ها (در این جا آدنیلات سیکلاز). تفکیک‌ کننده‌ها اطلاعات را از خارج از سلول دریافت کرده، مبدل‌ها این اطلاعات را در غشای سلولی پردازش کرده و تقویت کننده‌ها شدت سیگنال‌ها در داخل سلول تقویت می‌کنند تا واکنش سلولی آغاز شود یا اطلاعات به سلول‌های دیگر منتقل شود. در آن زمان ماهیت مبدل‌ها کاملاً ناشناخته بود و رادبل در این زمان به بررسی نقش مهم GTP در فرآیند سیگنالینگ سلولی پرداخت.

توانایی تشخیص مستقیم گیرنده‌های غشایی به وسیله اتصال لیگاند به رسپتور در مورد برخی از لیگاندها و رسپتورها از جمله، گیرنده‌های ACTH و گیرنده‌های نیکوتینی استیل کولینی به تارگی استفاده می‌شد. رادبل و گروهش با استفاده از این تکنیک جدید، اتصال گلوکاگون به گیرنده‌های غشای کبد موش را بررسی کردند. ایجاد کردند. با این حال، آن‌ها مشاهده کردند که فرآیند اتصال بسیار زمان بر بوده و غیر قابل برگشت است و این مغایر با تحریک سریع و برگشت پذیری هورمون‌ها بر روی سیستم آدنیلات سیکلاز بود. در این مطالعه از بافر‌های ساده برای بررسی اتصال هورمون به گیرنده و فعال سازی سیستم آدنیلات سیکلاز استفاده می‌شد، درحالی که مایع سلولی حاوی اجزای معدنی و آلی مختلفی بود؛ از جمله ATP، Mg و… پس تیم رادبل به منظور شبیه سازی بیشتر آزمایش خود، به بررسی تاثیر اجزای دیگر پرداختند.

آن‌ها به طور اتفاقی مشاهده کردند که با افزوده شدن ATP سطح اتصال پایدار هورمون به گیرنده کاهش می‌یابد. درواقع ATP می‌تواند عملکرد اتصالی گلوکاگون به گیرنده سلول را معکوس کند و باعث جدا شدن گلوکاگون از سلول جدا شود. او در آزمایشات خود پی برد که GTP که به صورت ناخالصی در نمونه ATP وجود داشت، باعث بروز این جداسازی شده است. به عبارت دیگر،GTP  می‌تواند فرایند اتصال هورمون به گیرنده را تقریباً هزار بار سریع‌تر از ATP معکوس کند. او این تفاوت‌های واکنشی بین قدرت ATP و GTP را در نمودارهایی به تصویر کشیده بود. نتایج کامل این آزمایشات در یک قالب سری مقالات در مجله شیمی بیولوژیکی در سال ۱۹۷۱ منتشر شد.

این آزمایشات به وضوح نشان داد نوکلئوتید‌های گوانین مبدل یا انتقال دهنده سیستم بیولوژیکی را تنظیم می‌کنند. آزمایش‌های بعدی با آنالوگ‌های GTP غیر هیدرولیزی نشان داد که مبدل نه تنها به GTP متصل می‌شد بلکه دارای فعالیت هیدرولیتیکی نیز دارد. بعدها كاسل و سلینجر (Casell and Selinger) در آزمایشات خود نشان دادند که كه هیدرولیز GTP و تبدیل آن به GDP باعث هاموشی سیستم مبدل (درواقع G پروتئین‌ها) می‌شود. رادبل به این مبدل‌ها را Ns (پروتئین تنظیم شونده با نوکلئوتیدها برای تحریک سیکلازها) و Ni (پروتئین تنظیم شونده با نوکلئوتید‌ها برای مهار سیکلازها) نامید. اما امروزه آن‌ها Gs و Gi خوانده می‌شوند.

رادبل چگونه تحریک مبدل‌ها یا پروتئین G به وسیله  GTP و ساختار بیوشیمیایی این پروتئین‌ها را نتوانست توضیخ دهد و ساختار این پروتئین‌ها بعدها توسط آلفرد گیلمن بررسی شد.

مطالعات گیلمان

گیلمان در ابتدا قصد داشت همراه با ارل ساترلند، به مطالعه بر روی AMP حلقوی بپردازد. با این حال، این فرصت برای او فراهم نشد و در عوض، گیلمان با همکار ساترلند، تئودور رال، که نقش مهمی در کشف AMP حلقوی و آدنیل سیکلاز داشت، کار خود را آغاز کرد. گیلمان در این دوره بر روی AMP حلقوی در غده تیروئید کار کرده و این آغازگر تحقیقات بزرگ وی بر روی نوکلئوتید‌های حلقوی بود.

طبق نظریه سیگنالینگ و پیامبر ثانویه ساترلند، اتصال اپی نفرین و هورمون‌های دیگر به گیرنده‌های سطح سلول  با تحریک آدنیل سیکلاز باعث تشکیل AMP حلقوی می‌شود، که سپس این AMP حلقوی اثرات با فعال نمودن زنجیره دیگری از واکنش‌ها، سیگنال را برای سلول معنی و فهالیت را تغییر می‌دهد. مارتین رادبل پیشنهاد كرد كه یک مبدل در غشای سلول به عنوان واسطه بین گیرنده و آنزیم آدنیل سیكلاز عمل می‌كند و همچنین نشان داد که فعال شدن آنزیم نیازمند وجود GTP است. گیلمان تلاش می‌کرد تا اجزای سیستم آدنیل سیکلاز حساس به هورمون راخالص سازی کرده و به حالت محلول درآورد. اما مشکل این جا بود که آدنیل سیکلاز بسیار حساس و ناپایدار بوده و هنگام استفاده از دترجنت‌ها برای حل کردن اجزا، پاسخ هورمونی به سرعت از بین می‌رفت.  

تامپکینز (Tomkins) یک سری سلول‌های لنفوم جهش یافته S49 را تولید کرد که به نظر می‌رسید این سلول‌ها فعالیت آدنیل سیکلازی نداشتند (cyc-). گیلمان و همکارش الیوت راس (Elliot Ross) به منظور بازسازی سیستم سیکلاز‌ حساس به هورمون، از این سلول‌های S49 به عنوان غشای پذیرنده استفاده کردند. آن‌ها با افزودن نمونه‌هایی* از آدنیل سیکلاز به غشای cyc- توانستند در شرایط آزمایشگاهی غشا را بازسازی کنند. اما در سری آزمایش‌های کنترلی، آن‌ها متوجه شدند که ختی در صورتی که نمونه آدنیل سیکلاز را با دترجنت غیرفعال می‌کردند، هنوز هم می‌توانستند غشاهای cyc- را بازسازی کننند. آن‌ها با افزودن پروتئاز به محلول غشا و آدنیل سیکلاز، پی بردند که هر دوی این ترکیبات دارای اجزای پروتئینی لازم برای فعالیت آدنیل سیكلاز می‌باشند. با استناد به این مشاهدات، آن‌ها این فرضیه را مطرح کردند که وجود ۲ جزء پروتینی به منظور فعالیت آدنیل سیكلاز ضروری بوده است که یكی از آن‌ها در ترکیب حاوی شوینده و دیگری در غشاهای سلولیست.

در دومین سری آزمایشات گیلمان به همراهی راس، آلین هاولت (Allyn Howlett) و کنت فرگوسن (Kenneth Ferguson)، پی برد که غشاهای cyc- در واقع حاوی آدنیل سیکلاز بودند زیرا در آزمایشات اتصال لیگاند به رسپتور مشخص شد که این سلول‌ها حاوی گیرنده بتا آدرنرژیک (B-adrenoceptors) بودند. پس در این حالت، ترکیب حاوی دترجنت حاوی یک پروتئین تنظیمی بوده است. گیلمان و همكارانش همچنین اظهار داشتند که پروتئین تنظیمی دو جزء است. با این تفسیر پس گیرنده هورمون‌ها وظیفه برقراری ارتباط بین آدنیل سیکلاز و پروتئین تنظیمی (مبدل) را بر عهده داشته است.

آن‌ها با ادامه مطالهات خود در یافتند که این پروتئین تنظیمی، یک پرونئین هموژن متصل شونده به GTP است و می‌تواند آدنیل سیکلاز را به شکل فعال خود تبدیل کند. نام این جزء جدید، پروتئین متصل شونده به پروتئین G نامگذاری شد. در ادامه مشخص شد که با اتصال هورمون یا لیگاند به گیرنده، GTP با GDP باند شده به پروتئین G مبادله می‌شود و با این کار زیر واحد آلفا پروتئین G که به GTP متصل بود، از دو زیر واحد دیگر، بتا و گاما، جدا می‌شوند. این قسمت آلفای باند شده با GTP پس از فعال کردن آدنیل سیکلاز، با جانشین شده GDP به جای GTP، با اجزای دیگر دوباره ترکیب می‌شود.

نقش حیاتی پروتئین G

بسیاری از بیماری‌ها با ایحاد تغییراتی درعملکرد پروتئین‌های G اثرات خود را می‌گذارند. به عنوان مثال در بیماری وبا، سم تولید شده توسط باکتری، فعالیت یکی از پروتئین‌های G را تغییر می‌دهد به صورتی که پروتئین به صورت مداوم در حالت فعال باقی می‌ماند. در این حالت جذب آب و الکترولیت‌ها مختل می‌شود و با تشدید علائم کم آبی، زندگی فرد به خطر می‌افتد. در عوض ، مقابل سم تولید شده توسط باکتری‌های عامل سیاه سرفه، مانع از فعال شدن پروتئین G شده و ایمنی بدن را تضعیف می‌کنند. همچنین شواهدی وجود دارد که در مصرف مزمن الکا و در دیابت، فعالیت این پروتئین‌ها دست خوش تغییر می‌شود.

همچنین فعالیت نا به جا و زیاد پروتئین‌های G در بعضی سلول‌ها می‌تواند منجر به تشکیل سلول‌های توموری شود.

فعالیت بیش از حد پروتئین G با علائم وجود لکه‌های قهوه‌ای روشن پوستی، در یک اختلال اندوکرینی ارثی نادر به نام سندرم مک کان-آلبرایتس (McCune-Albrights ) نیز دیده می‌شود. در نوعی دیگر از جهش در پروتئین‌های G، با کاهش فعالیت در این پروتئین‌ها، متابولیسم کلسیم دچار اختلال شده و باعث بروز ناهنجاری‌‌های اسکلتی می‌شود.