اكتشف العلماء طريقة “مستحيلة” يمكن أن تنمو بها الخيوط العضلية

لاحظ الباحثون بشكل مباشر أن خيوط الأكتين العضلية تنمو من طرف كان يعتقد لفترة طويلة أنه غير قادر على دعم النمو، وكشفوا كيف يساعد بروتين الليومودين 2 في الحفاظ على بنيتها.

تواجه الخلايا العضلية مشكلة غريبة. يجب أن تظل خيوط الأكتين الخاصة بها بالطول المناسب بالضبط حتى تنقبض العضلات بشكل صحيح، ومع ذلك فإن تلك الخيوط نفسها تتقدم في السن وتتحلل وتحتاج إلى إعادة بنائها باستمرار. ظلت كيفية إنجاز الخلايا العضلية لكلا الأمرين دون حل لعقود من الزمن.

علماء الفيزياء الحيوية في جامعة إيموري لقد حددت الآن آلية تساعد في شرح العملية. أعمالهم المنشورة في اتصالات الطبيعة، يُظهر أن الأكتين يمكن أن ينمو من نهاية اعتقدنا لفترة طويلة أنها غير قادرة على دعم هذا النوع من التجمع. ويمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف أيضًا إلى تحسين فهم اضطرابات العضلات، مثل اعتلال عضلة القلب التوسعي، وهو أحد الأسباب الرئيسية لفشل القلب.

يقول شاشانك شيكار، أستاذ مساعد في الفيزياء بجامعة إيموري وكبير مؤلفي الدراسة: “لقد حققنا تقدمًا جوهريًا في فهم كيفية تجميع الهيكل الخلوي الخلوي، خاصة في الخلايا العضلية”.

تقلب النتائج جزءًا من النموذج المستخدم لأكثر من 40 عامًا لوصف كيفية تشكل خيوط الأكتين والحفاظ على طولها.

يقول شيخار: “يتحدى عملنا نموذجًا طويل الأمد من خلال الكشف عن آلية جديدة، كان يُعتقد في السابق أنها مستحيلة، والتي من خلالها يقوم بروتين الليمودين ببناء خيوط الأكتين في العضلات”.

وتربط النتيجة أيضًا هذه الآلية الأساسية بالمرض.

يقول سوديبتا بيسواس، مرشح الدكتوراه في جامعة إيموري والمؤلف الأول للدراسة: “نحن نقدم أيضًا تفسيرًا جزيئيًا لكيفية قيام العيوب في الليمودين بتعطيل تجميع آلية الانقباض في القلب”.

على سبيل المثال، تم ربط طفرة جينية تؤثر على الليمودين باعتلال عضلة القلب التوسعي، وهو مرض يضعف تدريجيا عضلة القلب ويقلل من قدرتها على ضخ الدم بشكل فعال.

يتحدى الأكتين العضلي قاعدة النمو المعتادة

يبحث مختبر شيخار في التنظيم الميكانيكي والكيميائي للأكتين، وهو أحد البروتينات الأكثر وفرة وتنوعًا في الجسم.

يشكل الأكتين خيوطًا تساهم في الهيكل العظمي الداخلي للخلايا الحية وتساعد في تحديد شكلها. تولد هذه الخيوط أيضًا قوى تشارك في حركة الخلية. ومع استطالتها، يمكنها الضغط على غشاء الخلية ودفع الخلية للأمام. تسمح ديناميكيات الأكتين المماثلة للخلايا بتغيير شكلها، والانقسام إلى خليتين ابنتيتين، وتمكين الخلايا المناعية من ابتلاع البكتيريا الغازية وقتلها.

في العديد من الخلايا، يتم ترتيب خيوط الأكتين في شبكات فضفاضة تشبه الشبكة. تتطلب الخلايا العضلية تكوينًا أكثر تنظيمًا. هناك، يتم تنظيم الأكتين والميوسين في هياكل مستقيمة وثابتة تسمى القسيمات العضلية – وهي أصغر الوحدات المنظمة المسؤولة عن تقلص العضلات.

داخل القسيم العضلي، تنزلق خيوط الأكتين عبر الميوسين باتجاه المركز. يؤدي هذا إلى تقصير القسيم العضلي مثل سحب الرباط، بينما تحافظ الخيوط الفردية نفسها على نفس الطول.

يوضح شيخار: “يتم التحكم في مدى انقباض عضلاتك من خلال طول خيوط الأكتين هذه”. “منذ الولادة وحتى الموت، يظل طول خيوط الأكتين في الخلايا العضلية كما هو. ويتم التحكم فيها بإحكام شديد.”

ومع ذلك، فإن الحفاظ على طولها الإجمالي ثابتًا لا يعني أن الخيوط نفسها تظل دون تغيير. ما زالوا بحاجة إلى استبدال مادة الشيخوخة عندما تتقلب البروتينات وتتحلل.

ويشكل هذا التناقض الواضح لغزا رئيسيا: فالخيوط تظل بنفس الطول حتى مع استبدال بروتيناتها الفردية باستمرار.

كل خيوط الأكتين لها طرفان متميزان. أحدهما يسمى النهاية المدببة أو الناقص، بينما الآخر هو النهاية الشائكة أو الزائدة. لعقود من الزمن، كان النموذج القياسي ينص على أن وحدات الأكتين تُفقد من الطرف السالب بينما تضاف الوحدات النشطة حديثًا عند الطرف الزائد.

تُسمى هذه العملية – فقدان وحدة فرعية من الأكتين من الطرف السالب بينما تكتسب وحدة فرعية من الطرف الزائد – بـ “المشي”، حيث يبدو أن الخيط يتحرك للأمام مع إضافة وحدات بناء جديدة.

تخلق خلايا العضلات تعقيدًا لهذا النموذج. داخل القسيمات العضلية، يتم التحكم في طول خيوط الأكتين بإحكام، ويتم تغطية النهاية الشائكة ببروتين يمنع إضافة جزيئات جديدة هناك.

يقول شيكار: “ومع ذلك، فإن خيوط الأكتين الموجودة في القسيمات العضلية التي ولدت بها ليست هي نفسها الموجودة في القسيمات العضلية لديك اليوم”. “لم يكن أحد يعرف كيف يستمرون في تجميع وإعادة تشكيل أنفسهم.”

اقترح السم البكتيري طريقا آخر

أ جاء الدليل من العمل السابق بواسطة شيكار وزملاؤه في جامعة ولاية أوهايو، والتي تتضمن مادة سامة تنتجها ضمة الكوليرا، البكتيريا المسببة للكوليرا. في الخلايا غير العضلية، يمكن للسموم أن يختطف آلات الأكتين ويعكس المشي الطبيعي، مما يتسبب في نمو الخيوط من الطرف السالب بدلاً من ذلك.

دفع هذا السلوك غير المعتاد شيخار وبيسواس إلى التساؤل عما إذا كانت الخلايا العضلية السليمة قد تستخدم آلية مماثلة. إذا كان الأمر كذلك، فسوف يحتاج بعض المحفز إلى تعزيز نمو الأكتين من الطرف السالب.

يقول شيكار: “أجرى Sudipta بعض التجارب الذكية لاختبار هذه الفكرة”.

ركز بيسواس على الليومودين 2، وهو شكل من أشكال الليومودين يقع بالقرب من الأطراف المدببة لخيوط الأكتين في خلايا عضلة القلب. “لديها مجالات مشابهة ل الضمة “السموم”، كما تقول.

وكانت الأدلة السابقة قد أشارت بالفعل إلى أن الليومودين 2 يؤثر على طول الخيوط.

وتضيف: “أظهرت تجارب الأطباق المختبرية السابقة أنه إذا قمت بحذف الليومودين 2 من خلايا عضلة القلب، فإن خيوط الأكتين الخاصة بها تصبح أقصر. وإذا تناولت كمية كبيرة من الليومودين 2، فإن الخيوط تنمو أطول من الطبيعي”.

لتحديد ما كان يفعله البروتين فعليًا على المستوى الجزيئي، لجأ بيسواس إلى الفحص المجهري الفلوري للانعكاس الداخلي الكلي بمساعدة الموائع الدقيقة (mf-TIRF)، وهي طريقة متخصصة لمشاهدة جزيئات البروتين الفردية تتحرك أثناء تجميع وتفكيك خيوط الأكتين.

يعد مختبر شيخار واحدًا من عدد قليل من المختبرات في جميع أنحاء العالم التي تستخدم mf-TIRF لهذا الغرض. يقوم الباحثون بربط ألوان فلورية مختلفة بالبروتينات الفردية، وإدخالها في نظام ميكروفلويديك، ومتابعة تحركاتها من خلال الضوء المنبعث.

كشفت الجزيئات المفردة عن نمو نهائي مدبب

قام بيسو أولاً بربط جزيئات الليمودين 2 بقاع حجرة الموائع الدقيقة. قامت بتسمية جزيئات الأكتين الفردية بمضان أحمر وإضافتها إلى النظام. بدأ الأكتين بالتجمع في خيوط ظلت ثابتة عند أطرافها المدببة من خلال الليمودين 2 الراسخ، لتظهر مثل ديدان فلورية حمراء صغيرة ومتنامية.

وكان السؤال الحاسم هو ما إذا كان الأكتين الجديد يُضاف بالفعل عند تلك النقاط، مطروحًا منها.

وقد اختبر بيسواس ذلك مباشرة عن طريق إدخال مصدر آخر من جزيئات الأكتين، والتي تحمل علامة اللون الأخضر هذه المرة. الجزيئات الخضراء المتراكمة في قاعدة الليومودين. ومع كل إضافة للأكتين الأخضر هناك، فإن الأجزاء الحمراء الموجودة من الخيوط تنزاح بعيدًا عن القاعدة في اتجاه تدفق السائل.

قدم التحول اللوني دليلاً مباشرًا على أنه تمت إضافة وحدات بناء جديدة عند الطرف المدبب وليس فقط في الطرف المقابل.

يقول بيسواس: “لقد قدمنا ​​أول دليل جزيئي مباشر على أن خيوط الأكتين تنمو من أطرافها المدببة”. “لقد أثبتنا خطأ أولئك الذين اعتقدوا أن هذا غير ممكن.”

تقدم النتائج أيضًا تفسيرًا ميكانيكيًا لسبب قدرة الطفرات في Leiomodin2 على إنتاج خيوط أكتين رفيعة أقصر أو خيوط رفيعة طويلة بشكل غير طبيعي في خلايا عضلة القلب.

يقول بيسواس: “إن فهم كيفية تسبب الطفرة في المرض غالبًا ما يكون الخطوة الأولى نحو إيجاد طرق لعلاج المرض أو الوقاية منه”.

المرجع: “Leiomodin 2 عبارة عن ممدد معالجة مدبب الأطراف لخيوط الأكتين” بقلم سوديبتا بيسواس، وتانيا إم. لاريناجا، وسانديب تشوبي، وكارول سي جريجوريو، وشاشانك شيخار، 20 يوليو 2026، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-026-74809-z

تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة R35GM143050 (SS)، R01GM120137 (CCG) وR01HL123078 (CCG وSS).

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.