آیا کوررنگ هستید؟ تنها تفاوت سه اسید آمینه تمایز بینایی قرمز و سبز را باعث می گردد!
به گزارش بازی های فکری، تفکیک سرخ از سبز در نگاه اول ملموس و بدیهی به نظر می رسد، اما ساختار زیستی چشم انسان با این دو طول موج نوری رفتاری بسیار نزدیک به هم دارد. پژوهشگران انستیتو فناوری ناگویا در ژاپن با انتشار یافته های خود در نشریه ساینس نشان داده اند که فاصله میان درک این دو رنگ در بنیادی ترین سطح مولکولی، بسیار کمتر از تصورات قبلی است. تمام تمایز میان دریافت طول موج های سرخ و سبز در سلول های مخروطی شبکیه، از تفاوت در سه اسید آمینه ناشی می گردد. این یافته علمی نه تنها دلیل شیوع بالای کوررنگی سرخ-سبز را شرح می دهد، بلکه مسیرهای تازه ای برای آسیب شناسی و مداخلات درمانی زیست شناختی در اختلالات بینایی باز می نماید.
در این نوشته قصد داریم با مرور دقیق این کشف تازه، نحوه عملکرد سلول های مخروطی چشم و نحوه تنظیم طیف نوری به وسیله گیرنده های بینایی را بشکافیم. آیا تغییرات جزئی در زنجیره پروتئین ها می تواند نحوه درک ما از دنیا اطراف را دگرگون کند؟ با آنالیز ساختار سه بعدی این پیگمان ها و مقایسه عملکرد شبکیه انسان با سایر پستانداران، پاسخی علمی و دقیق برای این پرسش ها خواهیم یافت.
???? لیست بخش های این نوشته
(کلیک کنید)
- تفاوت چشمگیر دو رنگ سرخ و سبز در مقیاس مولکولی
- راز سه اسید آمینه در تفکیک طیف های نوری
- مکانیسم الکترواستاتیک و بازسازی سریع گیرنده های مخروطی
- تکامل بینایی سه رنگی در پستانداران و تمایز آن با سایر جانداران
- خطاهای رایج در درک عمومی از کوررنگی و واقعیت های تشخیصی
- آیا ویرایش ژنتیکی این سه اسید آمینه درمان قطعی کوررنگی خواهد بود؟
- تفاوت ساختاری گیرنده های استوانه ای و مخروطی در بازیابی توان بینایی
تفاوت چشمگیر دو رنگ سرخ و سبز در مقیاس مولکولی
بینایی انسان بر پایه فعالیت سه نوع سلول مخروطی (Cone Cells) در شبکیه پایدار است. این ساختار که با نام بینایی سه رنگی (Trichromacy) شناخته می گردد، امکان تفکیک میلیون ها سایه رنگی مختلف را فراهم می سازد. هر دسته از این سلول ها به طول موج معینی از نور واکنش نشان می دهند که شامل طول موج های کوتاه یا آبی، طول موج های میانه یا سبز و طول موج های بلند یا سرخ است. وقتی فوتون های نور به شبکیه برخورد می کنند، ترکیب سیگنال های ارسال شده از این سه گروه سلولی به وسیله مغز پردازش شده و تصویر رنگی محیط شکل می گیرد. با این حال، تفاوت میان طول موج های مربوط به گیرنده های سرخ و سبز بسیار کمتر از آن چیزی است که در ظاهر به نظر می رسد.
تمامی گیرنده های مخروطی در چشم انسان از یک مولکول پایه یکسان برای جذب نور بهره می برند که 11-سیس-رتینال (11-cis-retinal) نام دارد. این ماده که مشتقی از ویتامین A است، درون زنجیره ای از پروتئین های اپسین (Opsin) قرار گرفته است. تغییر در ساختار اپسین معین می نماید که مولکول رتینال چه طول موجی را جذب کند. نقطه اوج جذب نوری برای پیگمان سرخ در حدود 560 نانومتر و برای پیگمان سبز در حدود 530 نانومتر قرار گرفته است. این فاصله 30 نانومتری تمام آن چیزی است که توانایی تمایز میان یک سیب سرخ و یک سیب سبز را به ما می دهد. پژوهش های میکروسکوپی تازه نشان داده اند پروتئین های سازنده این دو گیرنده از نظر توالی ساختاری کاملاً شبیه به یکدیگر هستند و تفاوت آن ها تنها به چند نقطه محدود می گردد.
تیم تحقیقاتی انستیتو فناوری ناگویا برای درک دقیق این تفاوت زیستی، گیرنده های بصری میمون مکاک خرچنگ خوار (Macaca fascicularis) را مورد آنالیز قرار دادند. سیستم بینایی این جاندار شباهت خیره کننده ای به بینایی انسان دارد و الگوی سه رنگی مشابهی را ارائه می دهد. پژوهشگران با استفاده از میکروسکوپ الکترونی سرد (Cryo-EM) پیروز شدند اولین تصاویر سه بعدی از ساختار پیگمان های مخروطی سرخ و سبز را در حالت تاریک یا استراحت ثبت کنند. این تصاویر معین کرد که چگونه تغییرات بسیار ریز در ساختمان پروتئین، حساسیت نوری مولکول جذب کننده را تغییر می دهد.
راز سه اسید آمینه در تفکیک طیف های نوری
مدل سازی های دیجیتالی و شبیه سازی های کوانتومی اجرا شده روی ساختار سه بعدی اپسین ها نشان داد که از میان تمام تفاوت های کوچک موجود در توالی اسیدهای آمینه، تنها سه تغییر جایگاهی اصلی مسئول جابه جایی 30 نانومتری در جذب نور هستند. این سه جابه جایی با نام های علمی A180S و F277Y و A285T شناخته می شوند. در واقع اگر این سه اسید آمینه در پروتئین گیرنده سبز تغییر کنند، رفتار آن کاملاً به گیرنده سرخ تغییر می یابد. نحوه چیدمان این آمینواسیدها نشان می دهد که ظرافت تکامل چگونه با کمترین تغییرات مولکولی، ابزار ادراکی پیچیده ای را شکل داده است.
نکته جالب در آنالیز های شبیه سازی این بود که این سه اسید آمینه شکل فیزیکی یا ساختار فضایی پروتئین را تغییر نمی دهند. پیش از این فرض بر این بود که شاید تغییر شکل هندسی زنجیره پروتئینی باعث فشار بر مولکول رتینال و تغییر حساسیت آن می گردد. اما داده های کریواستاتیک و طیف سنجی ارتعاشی اثبات کردند که این تغییرات صرفاً میدان الکترواستاتیک اطراف کروموفور (Chromophore) را بازسازی می کنند. محیط الکتریکی حاصل از حضور این سه اسید آمینه، سطح انرژی الکترون های رتینال را دستکاری نموده و در نتیجه طول موج نوری قابل جذب را به سمت رنگ سرخ جابه جا می نماید.
شناخت دقیق این سه جایگاه اسید آمینه ای نه تنها مکانیسم دقیق تماشا رنگ ها را روشن می سازد، بلکه علت شیوع گسترده کوررنگی سرخ-سبز در جوامع انسانی را هم شرح می دهد. از آنجا که ژن های مربوط به پیگمان های سرخ و سبز روی کروموزوم X کنار یکدیگر قرار گرفته اند و توالی بسیار مشابهی دارند، در زمان تقسیم سلولی و جفت شدن کروموزوم ها به راحتی دچار جهش های نوترکیبی می شوند. یک جهش کوچک یا جابه جایی در همین سه جایگاه کلیدی کافی است تا توانایی چشم در تفکیک این دو طول موج از دست برود.
مکانیسم الکترواستاتیک و بازسازی سریع گیرنده های مخروطی
آنالیز کریواستاتیک پیگمان های چشم ساختار دیگری را هم آشکار کرد که جوابگوی یک معما در زیست شناسی بینایی است. سلول های مخروطی چشم برخلاف سلول های استوانه ای (Rod Cells) که مسئول بینایی در شب هستند، تحت تابش نور شدید و مداوم دچار اشباع کارکردی نمی شوند و می توانند به سرعت بازسازی شوند. این پژوهش نشان داد که در ساختار اپسین های مخروطی یک منفذ یا ورودی غشایی خاص وجود دارد که در پروتئین رودوپسین (Rhodopsin) سلول های استوانه ای دیده نمی گردد.
این مجرای ورودی به مولکول های رتینال تجزیه شده اجازه می دهد تا پس از جذب نور بلافاصله از ساختار پروتئین خارج شده و با مولکول های تازه و آماده به کار جایگزین شوند. این چرخه تعویض سریع کروموفور باعث می گردد بینایی رنگی ما در ظهر آفتابی و نور مستقیم خورشید تداوم یابد و چشم دچار کوری موقت ناشی از اتمام پیگمان نگردد. وجود این ورودی غشایی نشان دهنده یک سازگاری تکاملی برای زیست در محیط های روشن است.
درک این جزئیات مولکولی مسیرهای نوینی را برای آسیب شناسی بیماری های شبکیه ترسیم می نماید. وقتی دانشمندان بدانند میدان الکترواستاتیک چطور حساسیت نوری را تنظیم می نماید و کانال های تبادل کروموفور در کجا قرار دارند، می توانند داروهای مولکولی یا درمان های ژنتیکی هدفمندی را برای بهبود بیماران مبتلا به اختلالات شبکیه طراحی کنند. این کشف ثابت می نماید که ابزارهای فیزیک زیستی و مدل سازی کوانتومی تا چه حد می توانند گره های بیولوژیک بینایی را بگشایند.
تکامل بینایی سه رنگی در پستانداران و تمایز آن با سایر جانداران
آنالیز درخت تکاملی پستانداران نشان می دهد که جد مشترک آن ها در عصر دیپلوئیدی و هم زمان با زیست دیپلماتیک با دیناسورها، موجودی شب زی بوده است. زندگی در تاریکی باعث شد پستانداران نخستین احتیاجی به بینایی رنگی پیچیده نداشته باشند و دو پیگمان از چهار پیگمان رنگی اجداد خزنده سان خود را از دست بدهند. به همین علت امروزه بیشتر پستانداران نظیر سگ ها و گربه ها موجوداتی دو رنگ بین (Dichromatic) هستند که تنها قادر به تماشا طیف های آبی و زرد بوده و توانایی تفکیک سرخ از سبز را ندارند.
با این حال در مسیر تکامل نخستینیان (Primates)، جهش و همانندسازی ژنی روی کروموزوم X رخ داد که امکان پیدایش پیگمان سوم را فراهم ساخت. این جهش تکاملی مزیت فوق العاده ای برای یافتن میوه های رسیده و برگ های جوان و مغذی در میان انبوه برگ های سبز جنگل ایجاد کرد. جالب اینجاست که بعضی از پرندگان و خزندگان دارای بینایی چهاررنگی (Tetrachromatic) هستند و حتی می توانند پرتوهای فرابنفش را ببینند. انسان با وجود داشتن بینایی سه رنگی، تنها به لطف تغییر در همان سه اسید آمینه توانسته است از دنیای دورنگی پستانداران فاصله بگیرد.
این تفکیک باریک بین طول موج های 530 و 560 نانومتر نشان می دهد که ساختار چشم انسان با چه ظرافتی تنظیم شده است. اگر این سه اسید آمینه اندکی جابه جا می شدند، دامنه جذب نوری شبکیه به گونه ای تغییر می کرد که بخش عظیمی از تنوع رنگی طبیعت از محدوده ادراک ما خارج می شد. این نگاه تاریخی به تکامل اپسین ها ارزش حیاتی این سه تغییر ریز مولکولی را بیش از پیش نمایان می سازد.
خطاهای رایج در درک عمومی از کوررنگی و واقعیت های تشخیصی
یکی از نادرست ترین باورهای عمومی درباره کوررنگی این است که افراد مبتلا به این اختلال، دنیا را کاملاً سیاه و سفید می بینند. در واقعیت، حالت دید کاملاً تک رنگی یا آکروماتوپسیا (Achromatopsia) بسیار نادر است و بیشتر افراد درگیر با کوررنگی، تنها در تمایز دو طول موج نزدیک به هم یعنی سرخ و سبز مشکل دارند. این افراد طیف های رنگی را تجربه می کنند اما سایه های سرخ، سبز، قهوه ای و نارنجی برای آن ها بسیار شبیه به هم و گاه نامتمایز به نظر می رسد.
خطای رایج دیگر این است که کوررنگی را یک بیماری حاد چشم تصور می کنند که باعث ضعیف شدن تیزبینی می گردد. کوررنگی در واقع تنها یک جهش در توالی ژنتیکی اپسین است و هیچ آسیبی به ساختار فیزیکی چشم، عدسی یا قدرت تفکیک فضایی وارد نمی نماید. تست های رایج تشخیصی مانند صفحات ایشی هاوار (Ishihara Test) بر اساس همین ناتوانی در تفکیک طول موج های نزدیک طراحی شده اند تا اندازه انحراف حساسیت سلول های مخروطی را بسنجند.
تصور غلط دیگری وجود دارد که عینک های مخصوص کوررنگی می توانند ساختار بینایی را درمان کنند. این عینک ها صرفاً با فیلتر کردن طول موج های هم پوشان میان سرخ و سبز، کنتراست میان دو رنگ را برای مغز برجسته می کنند، اما توانایی زیستی سلول های مخروطی را تغییر نمی دهند. درمان واقعی تنها زمانی میسر خواهد بود که بتوان توالی اسیدهای آمینه یا نحوه بیان ژن های اپسین را در سلول های شبکیه اصلاح کرد.
آیا ویرایش ژنتیکی این سه اسید آمینه درمان قطعی کوررنگی خواهد بود؟
با کشف دقیق نقش سه اسید آمینه A180S و F277Y و A285T در معین طیف جذب نوری، این سوال مطرح می گردد که آیا می توان با ابزارهای ویرایش ژن نظیر کریسپر (CRISPR)، کوررنگی سرخ-سبز را به طور کامل درمان کرد؟ پاسخ به این پرسش احتیاجمند آنالیز چالش های فنی در سطح زیست شناسی مولکولی و انتقال جینی است. در آزمایش های بالینی بر روی مدل های حیوانی، پژوهشگران پیروز شده اند با استفاده از ناقل های ویروسی (AAV)، ژن اپسین سالم را به شبکیه میمون های دورنگ بین تزریق کنند و توانایی تفکیک رنگ را در آن ها ایجاد کنند. این آزمایش ها اثبات کرد که مغز پستانداران حتی در سنین بلوغ نیز انعطاف پذیری عصبی (Neuroplasticity) لازم برای پردازش سیگنال های رنگی تازه را دارد (هرچند اجرای آن در مقیاس انسانی مستلزم آنالیز های ایمنی بسیار پیچیده تری است).
تغییر دقیق سه اسید آمینه در سلول های مخروطی هدف، احتیاجمند دستکاری مستقیم ژن های OP1LW و OP1MW روی کروموزوم X است. از آنجا که این دو ژن دارای 98 درصد شباهت توالی هستند، راهنمایی ابزار ویرایش ژنتیکی به سمت هدف صحیح بدون ایجاد تغییرات ناخواسته در ژن مجاور یکی از سخت ترین چالش های بیوتکنولوژی محسوب می گردد. علاوه بر این، توزیع سلول های مخروطی در لکه زرد (Fovea) بسیار متراکم است و دسترسی به این سلول ها بدون آسیب زدن به ساختار بینایی مرکزی احتیاجمند جراحی های بسیار ظریف زیرشبکیه ای است.
بنابراین با اینکه کشف نقش این سه اسید آمینه نقشه راه دقیقی را برای اصلاح ژنتیکی فراهم نموده است، تبدیل آن به یک روش درمانی استاندارد احتیاجمند توسعه سیستم های انتقال ژن ایمن تر و دقیق تر است. با این حال، شفاف شدن مکانیسم الکترواستاتیک نشان می دهد که شاید در آینده بتوان با استفاده از مولکول های کوچک دارویی یا پروتئین های مهندسی شده، بدون احتیاج به تغییر مستقیم DNA، حساسیت الکتریکی رتینال را در افراد مبتلا تنظیم کرد و کیفیت بینایی آن ها را ارتقا داد.
تفاوت ساختاری گیرنده های استوانه ای و مخروطی در بازیابی توان بینایی
چرا سلول های استوانه ای که مسئول بینایی در تاریکی هستند، تحت تابش نور شدید دچار خستگی شده و به زمان زیادی برای بازیابی احتیاج دارند، اما سلول های مخروطی بلافاصله به کار خود ادامه می دهند؟ پاسخ این سوال در ساختار مولکولی اپسین های هر دو گروه نهفته است. در سلول های استوانه ای، پروتئین رودوپسین به گونه ای طراحی شده که حتی یک فوتون نور را شکار کند. این حساسیت فوق العاده بالا مستلزم بسته بودن کامل ساختار پروتئین است تا مولکول رتینال درون آن محبوس بماند و سیگنال های کاذب فراوری نکند. پس از جذب نور، بازسازی رودوپسین احتیاجمند یک فرآیند پیچیده و زمان بر در بافت پوششی رنگدانه دار شبکیه (RPE) است.
در مقابل، پیگمان های مخروطی که با سه اسید آمینه کلیدی تنظیم می شوند، دارای منفذ بازسازی مجزایی در غشای پروتئینی خود هستند. این خصوصیت ساختاری اجازه می دهد تا مولکول رتینالِ مصرف شده بدون احتیاج به جداشدن کامل پروتئین از غشای سلولی، خراج گردد و جای خود را به کروموفور تازه بدهد. این مکانیسم که تعویض سریع کروموفور نام دارد، علت اصلی پایداری دید رنگی در نور روز است. اگر سلول های مخروطی دارای چنین منافذی نبودند، بینایی ما پس از چند ثانیه نگاه کردن به یک چشم انداز روشن دچار اشباع شده و همه چیز به رنگ خاکستری دیده می شد.
شناخت دقیق این منافذ غشایی و مقایسه آن با ساختار رودوپسین، ابعاد تازه ای از زیست شناسی اپتیک را روشن می سازد. این یافته ها به دانشمندان یاری می نماید تا علت بعضی بیماری های نادر چشمی مانند شب کوری یا تحلیل سلول های مخروطی را در سطح اتوماتیک آنالیز کنند. آنالیز تفاوت های ساختاری میان این دو نوع گیرنده نشان می دهد که چشم انسان چگونه توانسته است میان حساسیت بالا در تاریکی و سرعت بازیابی بالا در روشنایی، تعادلی فوق العاده برقرار سازد.
جمع بندی نهایی
کشف تفاوت سه اسید آمینه ای میان گیرنده های سرخ و سبز در شبکیه، درک ما را از زیست شناسی بینایی عمیق تر می نماید. این یافته نشان می دهد که تمایز میان رنگ های سرخ و سبز ناشی از تغییر در شکل فیزیکی پروتئین ها نیست، بلکه حاصل دستکاری میدان الکترواستاتیک اطراف مولکول جذب کننده نور است. بعلاوه وجود منافذ تعویض سریع کروموفور در سلول های مخروطی، علت پایداری بینایی در نور روز را شرح می دهد. این دستاورد علمی علاوه بر توجیه ژنتیکی شیوع بالای کوررنگی، بستر مناسبی را برای طراحی روش های درمانی نوآورانه در طب چشم پزشکی و زیست فناوری مولکولی فراهم می آورد.
منبع: Science
منبع: یک پزشک