العلماء يكشفون عن هيكل جهاز استشعار الألم

مصر: ايهاب محمد زايد

تمكن العلماء أخيرًا من حل بنية الجزيء الذي يستجيب للفلفل الحار ودرجات الحرارة المرتفعة وسموم العنكبوت.
اكتشف العلماء بنية الجزيء الذي يستشعر الكابسيسين ، المادة الكيميائية التي تعطي الفلفل الحار حرارته ، بعد 15 عامًا من اكتشاف الجزيء.
اللدغة النارية لفلفل الهابانيرو ، والحرارة الشديدة لإبريق الشاي المغلي ، والعضة المؤلمة من رتيلاء نمر الأرض ، وحتى الحساسية المتزايدة للمس بعد حروق الشمس – كل هذه الأحاسيس المؤلمة أصبحت ممكنة بفضل آلة جزيئية متطورة تعمل في الألياف العصبية في الجلد واللسان.
تم اكتشاف البروتين المعروف باسم TRPV1 منذ أكثر من 15 عامًا. على الرغم من أن العلماء كانوا يعرفون أنه يمكن أن يستشعر الحرارة والمواد الكيميائية المختلفة ، إلا أن كيفية عمله بالضبط ظلت لغزا.
ولكن في ديسمبر ، أفاد العلماء لأول مرة بإنشاء صورة عالية الدقة لبنية البروتين. مثل مخطط المحرك ، يجب أن تساعد هذه المعلومات الباحثين على فهم كيف يمكن للجهاز الصغير أن يستجيب لمجموعة واسعة من الإشارات – من درجة الحرارة إلى السموم – والدور الذي يلعبه في كل من الألم الحاد والمزمن. يمكن أن تؤدي النتائج في النهاية إلى مسكنات جديدة ، ويحتمل أن تكون بدون الآثار الجانبية المزعجة للمواد الأفيونية.
ييفان تشينج
بدأ David Julius البحث عن TRPV1 منذ ما يقرب من 20 عامًا. في ذلك الوقت ، كان العلماء على مدى عقود يستخدمون الكابسيسين ، الجزيء الذي يعطي الفلفل الحار حرارته ، لدراسة الألم. لكن لم يُعرف الكثير عن كيفية إثارة هذا الإحساس. حاول علماء آخرون بالفعل وفشلوا في العثور على الجزيء الذي يرتبط بالكابسيسين ، المعروف باسم مستقبلاته ، لكن ذلك أغرى جوليوس فقط لمواجهة التحدي. قال جوليوس ، عالم الأحياء في جامعة كاليفورنيا ، سان فرانسيسكو: “لقد بحث الناس عنها لسنوات عديدة ، واكتسبت بريقًا أسطوريًا”. “ما هذا الشيء المراوغ؟”
أبلغ هو وفريقه عن فوزهم بالجائزة الكبرى في عام 1997 ، حيث حددوا فردًا من عائلة المستقبلات المعروفة باسم قنوات أيون TRP (إمكانات المستقبل العابر) ، والتي تمت دراستها قليلاً في الثدييات. قال جوليوس ، الذي يتناثر مكتبه في UCSF بالهدايا التي تحمل عنوان الكابسيسين ، مثل ربطات العنق بالفلفل الحار: “لقد كانوا نوعًا من الغموض”. منذ ذلك الحين ، كان مختبره رائدًا في دراسة TRPV1 وبعض أبناء عمومته ، والتي يمكنها اكتشاف البرد وكذلك المنتجات الطبيعية مثل المنثول والثوم والوسابي.
ممر محروس
لدى الثدييات ما يقرب من 30 قناة TRP مختلفة منتشرة في أجزاء مختلفة من الجسم. ستة إلى تسعة تشارك في استشعار درجة الحرارة. TRPV1 هو الأفضل دراسة إلى حد بعيد ؛ يتعلم العلماء المزيد عن قنوات TRP الأخرى ، لكن وظيفة العديد منها لا تزال غير معروفة.
الوسابي والفجل والخردل
TRPV1 ليست قناة TRP الوحيدة الحساسة لدرجة الحرارة.
بعد خمس سنوات من عزل TRPV1 ، اكتشف Julius و Patapoutian بشكل مستقل أن ابن عمه الجزيئي ، المعروف باسم TRPM8 ، يستشعر البرودة والمنثول ، وهو مركب تبريد مشتق من النعناع. (مثل الكابسيسين ، يتم استخدام المنثول في مرهمات الألم التي لا تستلزم وصفة طبية.) قال جوليوس: “عزز ذلك فكرة أن التحسس الحراري هو المقاطعة إلى درجة كبيرة من قنوات TRP الأيونية”.
يستشعر عضو آخر من العائلة ، TRPA1 ، الوسابي والفجل والخردل ، وفي بعض الحيوانات ، درجة الحرارة. تشير بعض الأدلة إلى أنه يساعد حتى الثعابين على استشعار ضوء الأشعة تحت الحمراء. أكد الباحثون منذ ذلك الحين دور قنوات TRP المختلفة في استشعار درجة الحرارة من خلال القضاء على هذه المستقبلات في الفئران ، وخلق حيوانات أقل حساسية للحرارة أو البرودة.
في البشر ، ترتبط الطفرات في قنوات TRP المختلفة بمجموعة متنوعة من الاضطرابات ، بما في ذلك مشاكل الجلد والكلى والهيكل العظمي. قال جوليوس: “في بعض النواحي ، نعرف المزيد عن ما يحدث مع الطفرات أكثر مما نعرفه عن الدور الحقيقي لهذه القنوات”.
يشكل جزيء TRPV1 ، الموجود في الألياف العصبية التي تغمر الجلد واللسان ، قناة تعمل كممر مسور بين داخل وخارج الخلية العصبية. عندما تقضم الفلفل الحار ، يرتبط الكابسيسين بالقناة ويفتح البوابة. تندفع الجسيمات المشحونة إلى الخلية ، مما يؤدي إلى نشاط كهربائي يرسل رسائل الألم إلى الدماغ. يحدث الشيء نفسه عندما تشرب كوبًا من الشاي الحار ، مع الحرارة نفسها تفتح البوابة.
لكن TRPV1 لا يستشعر المواد الكيميائية أو درجة الحرارة فحسب. إنه يعمل كجهاز كمبيوتر صغير ، حيث يجمع معلومات حول البيئة للمساعدة في حمايتنا من المزيد من الإصابات. يمكن أن تجعل بعض الأحاسيس تشعر بمزيد من الألم ، مما يحذرنا من الاهتمام. يعرف العلماء من التجارب السابقة أن القناة يمكن أن تعمل مثل مقبض الصوت لتضخيم الألم ؛ غمرها بالكابسيسين ، على سبيل المثال ، يقلل من عتبة الحرارة. هذا هو السبب في أن الشاي الساخن يصبح أكثر سخونة بعد تناول الفلفل الحار. وللضرر الذي يلحق بالجلد ، مثل حروق الشمس ، تأثير مماثل. يطلق جزيئات التهابية تعمل مثل الكابسيسين ، مما يسهل فتح القناة والجلد شديد الحساسية للأخطار الإضافية ، مثل الحرارة أو المواد الكيميائية.
تساعد البنية التي تم حلها حديثًا في شرح كيفية تغيير القناة للشكل استجابةً لمواد كيميائية مختلفة ، مما يكشف عن نظام متطور لكيفية فتح المشغلات المختلفة للبوابة. بدلاً من المدخل البسيط ، فإن قناة TRPV1 محمية بمجموعتين من الأبواب ، على غرار غرفة معادلة الضغط المزدوجة ، وفقًا للنتائج الجديدة التي نُشرت في مجلة Nature في ديسمبر. للقناة بوابتان – أحدهما يواجه داخل الخلية والآخر يواجه الخارج. كلاهما يجب أن يفتح حتى تتدفق الأيونات من خلاله.
يبدو أن بعض المحفزات الكيميائية ، مثل الكابسيسين أو الجزيئات الالتهابية التي يطلقها الجهاز المناعي بعد الإصابة ، تعمل مثل WD-40 ، مما يشجع البوابات على الفتح بشكل متكرر. يتصرف البعض الآخر ، مثل سموم العنكبوت ، مثل حاجز الباب لإبقائها مفتوحة. في إحدى الدراسات الجديدة ، التقط الباحثون صورًا لـ TRPV1 أثناء العمل باستخدام ثلاثة محفزات مختلفة: الكابسيسين ، وهو جزيء شبيه بالكابسيسين من العصارة ، وسم العنكبوت. وجدوا أن الكابسيسين والجزيء المماثل كلاهما مرتبطان بالقرب من البوابة الداخلية ، بينما سم العنكبوت مرتبط بالقرب من البوابة الخارجية. يزيد التعرض لهذه المواد الكيميائية من احتمالية فتح كلا البوابتين ، مما يجعلها أكثر حساسية للحرارة أو المواد الكيميائية الأخرى.
قال أرديم باتابوتيان ، عالم الأعصاب في معهد سكريبس للأبحاث في سان دييغو ، والذي لم يشارك في الدراسات: “إنه إنجاز تقني مذهل”. “إنه اكتشاف رئيسي لأي شخص يعمل على بنية بروتينات الغشاء.”
واحدة من أكثر خصائص TRPV1 غرابة هي قدرته على استشعار الحرارة – إنها واحدة من عدد قليل من القنوات الجزيئية المضبوطة جيدًا لدرجة الحرارة. على الرغم من أنه يبدو واضحًا في الإدراك المتأخر ، قبل أن يكتشف فريق جوليوس مستقبل الكابسيسين ، لم يتوقع أحد أن نفس الجزيء سيستجيب للفلفل الحار ودرجات الحرارة المرتفعة. قال باتابوتيان ، المنتسب أيضًا إلى معهد هوارد هيوز الطبي: “يتم تنشيط معظم المستقبلات التي نعرفها بواسطة مواد كيميائية مثل الجزيئات الصغيرة والبروتينات”. “هنا ، لدينا جزيئات عبارة عن مستشعرات رائعة لدرجة الحرارة – تعمل كمقاييس حرارة للجسم.”
يحاول العلماء الآن اكتشاف كيف تغير الحرارة شكل القناة – فهم يعرفون بالفعل أن درجات الحرارة المرتفعة يمكن أن تفتح القناة ، لكنهم لا يعرفون بالضبط كيف. إنهم يريدون أيضًا فحص كيفية تأثير الجزيئات التي ينتجها أجسامنا استجابةً للإصابة على المستشعر المتطور ، وبالتالي على إدراكنا للألم.
يضم مختبر يوليوس مزيجًا انتقائيًا من الرسوم البيانية للكيمياء وصور الحيوانات التي درسها طلابه ، مثل الثعابين والخفافيش مصاصة الدماء. تعكس هذه الحيوانات إحدى الطرق التي استخدمها الباحثون لمعرفة كيفية عمل القناة. يمكن بمقارنة تسلسل الحمض النووي لمستقبلات الكابسيسين من حيوانات مختلفة تحديد بعض أهم أجزاء القناة.
لا تستطيع الطيور ، على سبيل المثال ، اكتشاف المادة الكيميائية ، لذا فإن تحليل الاختلافات في تسلسل الطيور والبشر يمكن أن يساعد في تحديد الأجزاء المهمة لاستشعار المركب الحار. إن إدخال الأخطاء الجينية التي تغير قدرة البروتين على ربط الكابسيسين أو المواد الكيميائية الأخرى يسلط الضوء أيضًا على المناطق الضرورية للوظائف المختلفة. لكن هذا النهج لا يكشف كيف تبدو القناة أو كيف تتغير عندما تكون مرتبطة بالكابسيسين – أثبتت هذه الصورة أنها بعيدة المنال.
منذ حوالي ست سنوات ، شرع إرهو كاو ، أحد باحثي جوليوس ما بعد الدكتوراه ، في فك شفرة بنية القناة. جرب كاو في البداية الأسلوب الأكثر شيوعًا لدراسة بنية البروتينات المعقدة ، والتي تسمى علم البلورات بالأشعة السينية. ومع ذلك ، فشل ذلك. يعتقد جوليوس أن الخاصية نفسها التي تمنح القناة قوتها – قدرتها على تغيير شكلها استجابةً لمحفزات مختلفة – أحبطت الجهود المبذولة لالتقاط صورة واضحة لها.
لحسن الحظ ، كان عالِم الفيزياء الحيوية ييفان تشينج ، فوق طابقين فقط فوق مختبر يوليوس ، قد صقل تقنية جديدة تسمى الفحص المجهري الإلكتروني أحادي الجسيم. حققت التطورات الأخيرة التي حققها تشينج في تكنولوجيا التصوير الدقة اللازمة لالتقاط بروتين غشائي بالتفاصيل الذرية. قال جوليوس: “كانت رؤية [الصور] الأولية مع وبدون السم المرتبط بها جميلة بشكل مذهل”. “إنه يوفر لنا الكثير من المعلومات حول الأجزاء المهمة من الناحية الهيكلية للقناة ، مثل الأجزاء التي تتحرك أثناء انتقالها خلال عملية الانتقال.”
بالنسبة لمعظم القنوات الغشائية ، اقتصر العلماء على دراسة البنية في شكل واحد – مفتوح أو مغلق. لكن باستخدام التقنية الجديدة ، استطاع الباحثون التقاط ثلاث حالات: مفتوحة ومغلقة ومفتوحة جزئيًا. قالت راشيل جوديت ، عالمة الأحياء التركيبية في جامعة هارفارد ، والتي لم تشارك في الدراسات: “يمكننا الحصول على النظرة الأولى لمكان ارتباط مركبات الفلفل الحار”.
باستخدام هذه التقنية ، يمكن للعلماء الآن استكشاف قنوات TRP الأخرى وكيف تؤثر الاختلافات في الشكل على ما يفعلونه. قال جوديت: “تحتوي كل قناة TRP على جزء كبير داخل الخلية ، وهذه تختلف كثيرًا بين أنواع مختلفة من قنوات TRP”. “ربما يأتي الكثير من التنوع في الوظائف من تلك الأجزاء داخل الخلايا.”
يجب أن يكون من الممكن أيضًا دراسة بنية العديد من الآلات الجزيئية الأخرى على المستوى الذري. قال تشينج: “أعتقد أنه سيفتح فرصة هائلة لدراسة بروتينات الأغشية الأخرى”.
عندما يضل الألم
يحتوي الفلفل الحار جدًا ، مثل الهابانيروس ، على مادة الكابسيسين أكثر من الفلفل الأخف ، مثل بوبلانوس ، وبالتالي يحفز مستقبل الكابسيسين بقوة أكبر.
كاترينا وآخرون طبيعة 1997
يبدو أن الكابسيسين يتجنب الخط الفاصل بين الألم والسرور والراحة. تم العثور على المركب في مجموعة من الصلصات الساخنة المسماة بشكل هزلي – يحتل “دم التنين المتجمد” المرتبة الثالثة في قائمة أفضل 10 أنواع من الصلصات الساخنة في ChilliWorld – وكذلك في مراهم الألم التي لا تستلزم وصفة طبية. يعتقد يوليوس أنه بعد إثارة إحساس بالحرق الأولي ، يمكن أن يكون للكابسيسين تأثير طويل المدى لإزالة حساسية قناة TRPV1 ، وكذلك الألياف العصبية بشكل عام ، مما يؤدي إلى إسكات أعصاب استشعار الألم.
يمكن أن يوفر تطوير مسكنات الألم التي تهدف إلى التحكم في TRPV1 ومستقبلات TRP الأخرى ، الموجودة في الجهاز العصبي المحيطي لدينا ، بديلاً أفضل للمواد الأفيونية ومسكنات الألم الفعالة ولكنها تؤثر على نشاط الأعصاب بشكل عام ويمكن أن تؤثر على التنفس واليقظة والوظائف الأساسية الأخرى. قال يوليوس: “كلما اقتربت من الأطراف ، كانت فرصة أفضل للتوسط بطريقة خاصة بالألم” ، دون آثار جانبية خطيرة.
ومع ذلك ، يمكن أن تحمل المركبات عيوبها الخاصة. أظهر بعض المرشحين الأوائل آثارًا جانبية إشكالية أثناء الاختبار البشري ؛ أصيب بعض الأشخاص الذين يتناولون الأدوية بدرجات حرارة عالية بشكل غير طبيعي أو لم يتمكنوا من اكتشاف الحرارة الخطيرة بشكل صحيح ، مثل احتراق الماء. يجب أن يساعد الهيكل الذي تم حله حديثًا صانعي الأدوية في العثور على مواد كيميائية تمنع الإشارات الالتهابية التي تحسس القناة ولكن ليس لها أي تأثير على أجهزة استشعار الحرارة الخاصة بها. قال جوليوس: “بمجرد أن تفهم الهيكل ، يمكنك التفكير في تصميم المزيد من الأدوية القائمة على الهيكل”. “لقد قفز الألم في العصر الجزيئي.”
الصورة
ديفيد جوليوس ، إلى اليسار ، عالم أحياء في جامعة كاليفورنيا ، سان فرانسيسكو ، اكتشف مستقبل الكابسيسين في عام 1997 ، ومعاونوه الحاليون ، إرهو كاو ، وماوفو لياو ، ويفان تشينج ، يظهرون من اليسار إلى اليمين ، والذين ساعدوا مؤخرًا في حل هيكلها.