کشف «پروتئوم تاریک» پرده از ۱۷۰۰ مولکول شبه‌پروتئینی پنهان در سلول‌های انسانی برداشت

برای دهه‌ها، دگم مرکزی زیست‌شناسی مولکولی بر یک فرض نسبتاً ساده استوار بود: بخش خاص و مستندی از ژنوم انسان حاوی دستورالعمل‌هایی برای ساخت پروتئین‌ها است، همان اسب‌های بارکش مولکولی که سلول‌های ما را زنده نگه می‌دارند. بقیه ژنوم – بخش‌های وسیعی از DNA که با این ژن‌های شناخته‌شده مطابقت ندارند – از نظر تاریخی به عنوان «آشغال» کنار گذاشته می‌شدند یا اخیراً صرفاً به عنوان سوئیچ‌های تنظیمی شناخته می‌شدند. [2][3] اما یک مطالعه برجسته که در مجله نیچر منتشر شد، این طبقه‌بندی منظم را به طور اساسی بر هم زده و نشان می‌دهد که بدن انسان بی‌سروصدا در حال ساخت هزاران مولکول کوچک و قبلاً شناسایی‌نشده است. [1][6][1]

ائتلافی بین‌المللی متشکل از بیش از ۶۰ دانشمند، که به عنوان کنسرسیوم TransCODE شناخته می‌شوند، با موفقیت لایه‌ای عظیم و پنهان از زیست‌شناسی انسان را روشن کرده است. [4][7] محققان با تجزیه و تحلیل مناطقی از DNA که مدت‌ها تصور می‌شد از نظر بیولوژیکی غیرفعال هستند، ۱۷۸۵ مولکول شبه‌پروتئینی جدید را کشف کردند که در سایه سلول‌های ما فعالیت می‌کنند. [1][4] این جهان پنهان فعالیت مولکولی اکنون به عنوان «پروتئوم تاریک» (Dark Proteome) شناخته می‌شود، مرزی که تعریف خودِ یک بلوک ساختمانی بیولوژیکی عملکردی را به چالش می‌کشد. [5][8][2][3][4]

مقیاس عظیم این کشف، بازنویسی پایگاه‌های داده مرجعی را که متخصصان ژنتیک در سراسر جهان به آن‌ها تکیه می‌کنند، ضروری می‌سازد. [7] کاتالوگ فعلی و تنظیم‌شده زیست‌شناسی انسان تقریباً ۱۹۵۰۰ پروتئین استاندارد را به رسمیت می‌شناسد. [6] افزودن ناگهانی نزدیک به ۱۸۰۰ مولکول جدید، گسترش عظیمی از چشم‌انداز مولکولی شناخته‌شده را نشان می‌دهد و سرنخ‌های تازه‌ای در مورد منشأ بیماری‌های پیچیده و مکانیک بنیادی حیات انسان ارائه می‌دهد. [2][6] دکتر جان پرنسنر، متخصص مغز و اعصاب اطفال در دانشگاه میشیگان، خاطرنشان کرد: «ما تازه شروع به دیدن پتانسیل این پروتئوم تاریک کرده‌ایم. این مانند تریلر یک فیلم است. ما طرح کلی یک دیدگاه متحول‌کننده از زیست‌شناسی انسان را می‌بینیم.» [3][1][3]

برای کشف این مولکول‌های پنهان، تیم تحقیقاتی مجبور شد به مکان‌هایی نگاه کند که جامعه علمی تا حد زیادی آن‌ها را نادیده گرفته بود. آن‌ها توجه خود را بر ۷۲۶۴ توالی ژنتیکی خاص متمرکز کردند که به عنوان چارچوب‌های خواندن باز غیرمتعارف (ncORFs) شناخته می‌شوند. [1][7] این‌ها بخش‌های کوتاهی از DNA هستند که دارای کدهای شروع و توقف نظری مورد نیاز برای ساخت یک پروتئین هستند، اما از نظر تاریخی بیش از حد کوچک، غیرمعمول یا ضعیف حفظ‌شده در گونه‌های مختلف در نظر گرفته می‌شدند که توسط پایگاه‌های داده ژنومی اصلی جدی گرفته شوند. [4][7][3]

اثبات اینکه این ncORFها واقعاً مولکول‌های فیزیکی تولید می‌کنند، نیازمند یک تلاش محاسباتی بی‌سابقه بود. این کنسرسیوم الگوریتم‌های پیشرفته‌ای را در تقریباً ۱۰۰ هزار آزمایش طیف‌سنجی جرمی عمومی به کار گرفت و ۳.۷ میلیارد طیف مولکولی شگفت‌انگیز را بررسی کرد. [4][6] طیف‌سنجی جرمی به عنوان یک ابزار اثرانگشت مولکولی بسیار دقیق عمل می‌کند و به دانشمندان اجازه می‌دهد وجود فیزیکی قطعات پروتئینی را در یک نمونه تشخیص دهند. [8][4]

نتایج قطعی بود: تقریباً ۲۵ درصد از ncORFهای تجزیه و تحلیل شده به طور فعال در حال ترجمه شدن به مولکول‌های فیزیکی در داخل سلول‌های انسانی بودند. [6][7] داده‌ها تأیید کردند که این توالی‌ها صرفاً نویز تکاملی یا تصادفات بیولوژیکی نبودند؛ بلکه به طور فعال توسط ریبوزوم‌های سلول خوانده می‌شدند و به ساختارهای ملموس تبدیل می‌شدند. [1][8][3][4]

با این حال، مولکول‌هایی که محققان پیدا کردند شبیه پروتئین‌های استاندارد نبودند. اکثریت قریب به اتفاق آن‌ها به طرز باورنکردنی کوچک بودند. [3] حدود ۶۵ درصد از مولکول‌های تازه کشف شده از کمتر از ۵۰ اسید آمینه تشکیل شده‌اند. [4] برای درک بهتر، کمتر از یک درصد از پروتئین‌های انسانی که به طور سنتی شناخته شده‌اند، اینقدر کوتاه هستند؛ اکثر پروتئین‌های استاندارد ماشین‌های عظیم، پیچیده و سه‌بعدی هستند که شامل صدها یا هزاران اسید آمینه می‌شوند. [4][6]

از آنجایی که این مولکول‌های ریز با معیارهای کلاسیک یک پروتئین – که معمولاً نیازمند ساختار شناخته‌شده، پایدار و عملکرد بیولوژیکی اثبات‌شده است – مطابقت ندارند، محققان متوجه شدند که به یک طبقه‌بندی جدید نیاز دارند. [3][4] آن‌ها اصطلاح «پپتیدین‌ها» (peptideins) را ابداع کردند. [7] این نام یک واژه ترکیبی است که ترکیب آن‌ها را تأیید می‌کند (آن‌ها از پپتیدها یا زنجیره‌های کوتاه اسید آمینه ساخته شده‌اند) در حالی که نقش بیولوژیکی نهایی آن‌ها را مبهم باقی می‌گذارد. [3][4][3]

جاناتان مادج، رهبر پروژه حاشیه‌نویسی در مؤسسه بیوانفورماتیک اروپا EMBL، توضیح داد: «ما اصطلاح 'پپتیدین' را به عنوان راهی برای بیرون آوردن این مولکول‌ها از سایه و وارد کردن آن‌ها به حاشیه‌نویسی مرجع معرفی کردیم.» [7] با دادن یک نام رسمی به این مولکول‌ها و طبقه‌بندی آن‌ها در پایگاه‌های داده اصلی مانند GENCODE و UniProt، این کنسرسیوم تضمین کرده است که دانشمندان در سراسر جهان اکنون می‌توانند آن‌ها را ردیابی، مطالعه و روی آن‌ها آزمایش کنند. [4][7] مادج افزود: «به یک معنا، ما زیست‌شناسی را از طریق یک لنز ناقص مشاهده می‌کردیم.» [7][3]

سؤال حیاتی پیرامون پروتئوم تاریک، سؤال عملکرد است: آیا این پپتیدین‌ها واقعاً کار مفیدی انجام می‌دهند یا صرفاً خروجی سلولی هستند؟ [4] شواهد قویاً نشان می‌دهد که حداقل برخی از آن‌ها نقش‌های حیاتی ایفا می‌کنند. [2] محققان با استفاده از فناوری ویرایش ژن CRISPR، پپتیدین‌های خاصی را در محیط‌های آزمایشگاهی به طور سیستماتیک غیرفعال کردند تا اثرات آن را بر سلامت سلولی مشاهده کنند. [2][8][1][4]

در چندین مورد، نتایج چشمگیر بود. تیم تحقیقاتی نشان داد که پپتیدین‌های خاصی برای بقای سلول کاملاً ضروری هستند؛ هنگامی که ریزپروتئین حذف شد، سلول از بین رفت. [2] یک نمونه برجسته، پپتیدینی است که از OLMALINC تولید می‌شود، ژنی که کتاب‌های درسی قبلاً آن را به طور قطع غیرکدکننده طبقه‌بندی می‌کردند. [3] این کنسرسیوم دریافت که این پروتئین تاریک خاص به شدت با بقای سرطان مرتبط است و در تقسیم سلولی و پاسخ به آسیب DNA نقش دارد. [3][7] هنگامی که محققان پپتیدین OLMALINC را در آزمایش‌های آزمایشگاهی غیرفعال کردند، سلول‌های سرطانی برای رشد و تکثیر با مشکل مواجه شدند. [3][1][3]

این شواهد عملکردی، شکاف بین کشف بیولوژیکی پایه و پزشکی ترجمه‌ای (Translational Medicine) را پر می‌کند. [5] اگر سلول‌های سرطانی برای بقا و تکثیر به پپتیدین‌های خاص و قبلاً نامرئی متکی باشند، آن مولکول‌ها فوراً به اهداف بسیار جذابی برای داروهای جدید سرطان‌شناسی تبدیل می‌شوند. [2][6] از آنجایی که این مولکول‌ها اغلب منحصر به حالت‌های سلولی خاص هستند، درمان‌هایی که برای حمله به آن‌ها طراحی شده‌اند ممکن است بافت سالم را حفظ کنند و عوارض جانبی شدید مرتبط با شیمی‌درمانی سنتی را کاهش دهند. [2][5][1][2]

علاوه بر این، داده‌های طیف‌سنجی جرمی نشان داد که بسیاری از این پپتیدین‌های تازه شناسایی شده فقط به طور بی‌هدف در داخل سلول شناور نیستند؛ بلکه به طور فعال به غشای بیرونی سلول منتقل می‌شوند. [6] هنگامی که روی سطح قرار می‌گیرند، به عنوان آنتی‌ژن به سیستم ایمنی بدن ارائه می‌شوند. [6][8][4]

این ارائه سطحی یک جزئیات حیاتی برای آینده ایمنی‌درمانی است. [7] ایمنی‌درمانی‌ها و واکسن‌های سرطان با آموزش سیستم ایمنی بیمار برای شناسایی و حمله به نشانگرهای مولکولی خاص روی سطح سلول‌های بدخیم کار می‌کنند. [8] اگر پروتئوم تاریک جریان ثابتی از آنتی‌ژن‌های جدید و مختص سرطان را به سطح سلول تأمین کند، می‌تواند مسیرهای کاملاً جدیدی را برای توسعه واکسن و درمان‌های هدفمند ایمنی باز کند. [6][8][3][4]

با وجود این سرنخ‌های درمانی امیدبخش، محققان موضعی از عدم قطعیت شفاف را در مورد پروتئوم تاریک گسترده‌تر حفظ می‌کنند. [4] در حالی که تعداد انگشت‌شماری از پپتیدین‌ها مانند پپتیدین تولید شده توسط OLMALINC اهمیت عملکردی واضحی از خود نشان داده‌اند، نقش‌های بیولوژیکی اکثریت قریب به اتفاق ۱۷۸۵ مولکول تازه کشف شده همچنان یک راز کامل باقی مانده است. [3][4]

کاملاً ممکن است که بسیاری از پپتیدین‌ها به معنای سنتی عملکرد اختصاصی نداشته باشند. [4] برخی از زیست‌شناسان فرض می‌کنند که ترجمه این مولکول‌های ریز ممکن است شکلی از آزمایش تکاملی باشد – راهی برای ژنوم جهت تولید تصادفی توالی‌های پپتیدی جدید که ممکن است در نهایت طی میلیون‌ها سال به پروتئین‌های مفید تبدیل شوند. [5] برخی دیگر پیشنهاد می‌کنند که آن‌ها ممکن است بقایای بیولوژیکی باشند، محصولات جانبی بی‌ضرر یک فرآیند رونویسی سلولی نامنظم. [4][2]

محققان هشدار دادند: «نامیدن همه این مولکول‌ها به عنوان پروتئین‌های تمام‌عیار زودرس خواهد بود»، و خاطرنشان کردند که بار اثبات برای یک «پروتئین واقعی» مستلزم نشان دادن نقش مشخصی در عملیات طبیعی سلولی است. [4] ایجاد دسته «پپتیدین» یک مصالحه علمی عمدی است که به محققان اجازه می‌دهد وجود فیزیکی این مولکول‌ها را فهرست کنند بدون اینکه پیش از موعد آن‌ها را از نظر عملکردی حیاتی اعلام کنند. [4][7][3]

مرحله بعدی تحقیق نیازمند اعتبارسنجی دقیق، مولکول به مولکول خواهد بود. [3] دانشمندان باید ساختارهای سه‌بعدی این ریزپروتئین‌ها را ترسیم کنند، شناسایی کنند که با کدام پروتئین‌های بزرگتر تعامل دارند و تعیین کنند که تحت چه شرایط استرس خاصی – مانند گرمای شدید، عفونت ویروسی یا تبدیل بدخیم – تولید می‌شوند. [5][8][2][4]

برای تسریع این فرآیند، کنسرسیوم TransCODE تمام داده‌های خود، از جمله ۳.۷ میلیارد طیف و مختصات ژنومی دقیق هر پپتیدین شناسایی شده را به صورت رایگان در اختیار جامعه علمی جهانی قرار داده است. [7] این رویکرد علم باز برای جمع‌سپاری وظیفه عظیم رمزگشایی پروتئوم تاریک طراحی شده است و آزمایشگاه‌های سراسر جهان را به بررسی توالی‌های ژنتیکی مبهم مورد علاقه خود دعوت می‌کند. [2][7][1][3]

کشف پروتئوم تاریک به عنوان یک یادآوری فروتنانه از پیچیدگی زیست‌شناسی انسان عمل می‌کند. [5] درست زمانی که به نظر می‌رسید علم تسلط محکمی بر فهرست ژن‌ها و پروتئین‌های انسانی دارد، ژنوم یک جهان پنهان از ماشین‌آلات مولکولی را آشکار کرده است. [1][6] همانطور که محققان شروع به بیرون کشیدن این ۱۷۸۵ پپتیدین از سایه‌ها می‌کنند، آن‌ها فقط در حال بازنویسی کتاب‌های درسی نیستند؛ بلکه در حال نقشه‌برداری از مرز جدیدی هستند که می‌تواند در نهایت رویکرد ما را نسبت به درمان سرسخت‌ترین بیماری‌های انسانی بازتعریف کند. [2][8][1][2][4]