مركب إكسوسوم

الاكتشاف

من جانب آخر، في سنة 2001، سَمَحَت الكمية المتزايدة من بيانات الجينوم التي أصبحت متاحة بالتنبؤ بِبروتينات الإكسوسوم في العَتائِق، على الرغم من أن الأمر استغرق سنتين سابقتين قبل أن يُنَقى مُركب الإكسوسوم لأول مرة من كائن حي.

كذلك، ولم يمض وقت طويل، لاحقًا في عام 1999، أُدْرِكَ أن الإكسوسوم كان في الواقع هو ما يعادل فطريات الخميرة لمركب وُصَِف بالفعل في الخلايا البشرية يسمى PM/Scl complex، والذي حُدِّدَ كمستضد ذاتي عند المرضى الذين يعانون من أمراض المناعة الذاتية في السنوات السابقة.

بنية

من جانب آخر، سمحت تَنْقِية "PM/Scl complex" بالتعرف على المزيد من بروتينات الإكسوسوم عند الإنسان، وفي نهاية المطاف وُصِفَتْ جميع مكونات المُركب.

في هذا الإطار، اكْتُشِفَ الإكسوسوم لأول مرة باعتباره ريبونوكلياز في سنة 1997 في فطريات الخميرة، وهو غالبا ما يستعمل كنموذج حي.

مناعة ذاتية

كذلك، وفي هذه الأمراض، يتم توجيه الأجسام المضادة بشكل رئيسي ضد بروتينين من بروتينات المركب، يسميان PM/Scl-100 (مثل بروتين RNase D) و PM/Scl-75 (RNase PH واحد مثل بروتينات الحلقة) وعُثِر على الأجسام المضادة التي تُدْرِكُ هذه البروتينات في ما يقارب 30٪ من المرضى الذين يعانون من التهاب العضل التصلبي. رغم أن هذان البروتينان هما الهدف الرئيسي للأجسام المضادة الذاتية، ويمكن استهداف وحدات فرعية أخرى للإكسوسوم والبروتينات المرتبطة به (مثل C1D) في هؤلاء المرضى. وفي الوقت الحالي، الطريقة الأكثر حساسية للكشف عن هذه الأجسام المضادة هي استخدام الببتيد، المشتق من بروتين PM/Scl-100، كمستضد في ELISA، بدلاً من البروتينات الكاملة، وبهذه الطريقة، يُعثَر على الأجسام المضادة في ما يصل إلى 55٪ من المرضى الذين يعانون من التهاب العضل التصلبي، ولكن يمكن كذلك الكشف عنها في المرضى الذين يعانون إما من تصلب الجلد، أو التهاب العضلات، أو التهاب الجلد والعظام فقط.

وعلى صعيد آخر، بما أن الأجسام المضادة توجد بشكل رئيسي في المرضى الذين يعانون من أعراض الكثير من أمراض المناعة الذاتية المختلفة، يمكن أن تختلف الأعراض السريرية لهؤلاء المرضى بدرجة كبيرة. الأعراض التي تَظْهَر في أغلب الأحيان هي الأعراض النمطية لأمراض المناعة الذاتية الفردية وتشمل ظاهرة رينود، والتهاب المفاصل، والتهاب العضل وتصلب الجلد. علاج هؤلاء المرضى يكون مَصْحُوب بأَعْرَاض وهو مشابه لعلاج مرض المناعة الذاتية الفردية، وغالبا ما ينطوي إما على الأدوية الكابتة للمناعة أو المُعَدِّلة للمناعة.

ومن ناحية أخرى، مركب الإكسوسوم هو الهدف من الأجسام الذاتية المضادة في المرضى الذين يعانون من أمراض المناعة الذاتية المختلفة، حيث عُثِر على هذه الأجسام المضادة بشكل رئيسي في الأشخاص الذين يعانون من التهاب العضل التصلبي، وهو أحد أمراض المناعة الذاتية التي يعاني منها المرضى بِكُلٍ من تصلب الجلد والتهاب العضلات أو التهاب العضلات والجلد. يمكن الكشف عن الأجسام المضادة في مصل دم المرضى من خلال مجموعة متنوعة من المقايسات. في الماضي، كانت الطرق الأكثر شيوعًا هي الانتشار المناعي المزدوج من خلال استخدام مستخلصات الغدة الزعترية للعجول، أو التَّأَلُّقٌ المَناعِيّ على خلايا HEp-2 أو الترسيب المناعي لمستخلصات الخلايا البشرية. وفي مقايسات الترسيب المناعي مع مصل من الأمصال الإيجابية المضادة للإكسوسوم، حيث تَرَسَّبَت مجموعة مميزة من البروتينات، بالفعل قبل سنوات من تحديد مركب الإكسوسوم، كان يطلق على هذا النمط مصطلح (مركب PM/Scl). يُظْهِرُ التألق المناعي، باستخدام أمصال من هؤلاء المرضى، عادة تلطيخ نموذجي لنويات الخلايا، مما أثار الاقتراح بأن المستضد المعترف به بواسطة الأجسام المضادة الذاتية قد يكون مهمًا في اصطناع الريبوسوم. وفي الآونة الأخيرة، أصبحت بروتينات الإكسوسوم التي يعاد تركيبها متاحة، وقد اسْتُخْدِمَت هذه البروتينات في التنمية المناعية الخطية (LIAs) والمقايسات الامتصاصية المناعية المرتبطة بالإنزيم (ELISAs) لاكتشاف هذه الأجسام المضادة.

ركائز

من جهة ثانية، الإكسوسوم هو مركب رئيسي في مراقبة جودة الحمض النووي الريبوزي، على عكس حقيقيات النوى، لأن حقيقيات النوى تمتلك أنظمة مراقبة للـ RNA نشطة جدًا والتي تتعرف على مركبات بروتين RNA غير معالجة ومخطئة (مثل الريبوسومات) قبل خروجها من النواة. ومن المفترض أن هذا النظام يمنع المركبات الشاذة من التدخل في العمليات الخلوية الهامة مثل تصنيع البروتين.

وعلى صعيد آخر، إلى جانب معالجة RNA، والدوران وأنشطة الرصد، الإكسوسوم يَكْتَسِبُ أهمية خاصة في إتلاف ما يسمى بالمُنْتسَخَات غير المستقرة الخفية (cryptic unstable transcripts) التي يتم إنتاجها من آلاف المواقع ضمن جينوم الخميرة. ولا تزال أهمية هذه الرنا غير المستقرة وإتلافها غير واضحين، ولكن اكتشِفَت كذلك أنواع RNA مماثلة في الخلايا البشرية.

اضطراب

من جهة ثانية، على الرغم من أن أغلب الخلايا تحتوي على إنزيمات أخرى يمكن أن تؤدي إلى إتلاف الحمض النووي الريبوزي (RNA)، إما من النهاية 3' أو من طرف النهاية 5' للحمض النووي الريبوزي (RNA)، فمركب الإكسوسوم ضروري لبقاء الخلية، وعندما يتم تقليل تعبير بروتينات الإكسوسوم بشكل مصطنع أو متوقف، مثلًا عن طريق تداخل RNA، يتوقف النمو وتموت الخلايا في النهاية، كل من البروتينات الأساسية لمركب الإكسوسوم، إلى جانب البروتينين الرئيسيين المقترنين، هي بروتينات أساسية. البكتيريا لا تملك مركب إكسوسوم، ومع ذلك، يتم تنفيذ وظائف مماثلة من قبل مركب أبسط يتضمن بروتين PNPase، ويدعى ديغرادوسوم (degradosome).

علاوةً على ذلك، ويشارك الإكسوسوم في إتلاف وتجهيز مجموعة واسعة من أنواع الحمض النووي الريبوزي، فَفي سيتوبلازم الخلايا، يُشارك في دوران جزيئات الرنا رسول (mRNA)، ويمكن للمركب أن يحلل جزيئات mRNA التي تم وضع علامة عليها وإتلافها لأنها تحتوي على أخطاء، من خلال تفاعلات مع بروتينات من انحلال متوسط-بدون معنى أو انحلال لا توقفي، وبطريقة بديلة، يتم إتلاف mRNAs كجزء من دورانها الطبيعي، حيث تتفاعل الكثير من البروتينات التي تُثَبِّتُ أو تُزَعْزِعُ جزيئات الرنا المرسال من خلال الارتباط بعناصر AU-الغنية في المنطقة 3' غير المترجمة من mRNAs مع مركب الإكسوسوم. وفي النواة، الإكسوسوم مطلوب لتجهيز الكثير من جزيئات RNA الصغيرة النووية بشكل صحيح. وأخيرًا، النوية هي المقصورة التي توجد بها أغلبية مركبات الإكسوسوم الباذخة، ولها دور في معالجة RNA الريبوزومي 5.8S (أول وظيفة محددة من الإكسوسوم) والكثير من الرناوات النووية الصغيرة.

وظيفة أنزيمية

كذلك، وكما ذكر أعلاه، ترتبط البروتينات الهدروليتية Rrp6 وRrp44 بالإكسوسوم في الخميرة وفي البشر، إلى جانب Rrp6، هناك بروتينين آخرين، وهما Dis3 وDis3L1 يمكن أن يرتبطان في وضع بروتين الخميرة (Rrp44). على الرغم من أن بروتينات المجال S1 كان يعتقد في الأصل أن لها نشاط إكسوريبونوكلياز الفوسفوروليتي 3'-5' كذلك، فقد تم التساؤل عن وجود هذا النشاط في الآونة الأخيرة وقد يكون لهذه البروتينات دور في الركائز المرتبطة فقط قبل إتلافها بواسطة المركب.

من جهة ثانية، كما ذكر أعلاه، يحتوي مركب إكسوسوم على الكثير من البروتينات في نطاقات الريبونوكلياز، وتغيرت الطبيعة الدقيقة لهذه النطاقات من الريبونوكلياز عبر التطور من البكتريا إلى العَتائِق ومنه إلى مركبات حقيقيات النوى حيث تم اكتساب الكثير من الأنشطة وفقدها. الإكسوسوم بالدرجة الأولى يكون في إكسوريبونوكلياز 3' - 5'، وهذا يعني أنه يَحُطُّ من جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) للنهاية 3'. إكسوريبونوكلياز الوارد في مركبات الإكسوسوم هو إما فوسفوروليتي (مثل بروتينات RNase PH) وفي حقيقيات النوى يكون هدروليتي (مثل بروتينات RNase R و RNase D). تَسْتَخْدِمُ الأنزيمات الفوسفوروليتية الفوسفات غير العضوي لفسخ روابط ثنائي أستر الفوسفور وإطلاق ثنائي فوسفات النوكليوتيد، وتَسْتَخْدِمُ الأنزيمات الهدروليتية الماء لحلمأة هذه الروابط وإطلاق أحادي فوسفات النيوكليوتيد.

في هذا الإطار، وفي العَتائِق، وحدة Rrp41 الفرعية من مركب إكسوريبونوكلياز الفوسفوروليتي، توجد ثلاث نسخ من هذا البروتين في بنية حلقية، وهي مسؤولة عن نشاط المركب. وفي حقيقيات النوى، لم تُحافظ أي من وحدات RNase PH على هذا النشاط التحفيزي، وهذا يعني أن البنية الحلقية الأساسية للإكسوسوم البشري لا تحتوي على بروتين إنزيمي نشط. بالرغم من هذه الخسارة في النشاط التحفيزي، فإن بنية الإكسوسوم الأساسي يتم حفظها بدرجة كبيرة من العَتائِق إلى البشر، مما يشير إلى أن المركب يقوم بوظيفة خلوية حيوية، فَفي حقيقيات النوى، يتم تعويض غياب النشاط الفوسفوروليتي عن طريق وجود الإنزيمات الهيدروليوليكية، المسؤولة عن نشاط ريبونوكلياز الإكسوسوم في مثل هذه الكائنات.

قائمة الوحدات الفرعية

وعلى صعيد آخر، في البشر، يمكن ربط بروتينان مختلفان في هذا الموضع. في سيتوبلازم الخلايا، يرتبط Dis3L1 بالإكسوسوم، بينما في النواة، يمكن للـ Dis3 أن يرتبط بالمركب الأساسي.

ومن جهة أخرى، يوجد في العَتائِق مجموعة من بروتينات الإكسوسوم موجودة في نسخ متعددة، لتشكيل الأساس الكامل لمركب الإكسوسوم.

يساهم في نشاط ريبونليوليتيك المركب.

علاج السرطان

من جانب آخر، وقد ثبت أن الإكسوسوم يُثَبَّطُ بواسطة مضاد المئيضة والفلورويوراسيل وهو دواء يستعمل في العلاج الكيميائي للسرطان، وهو واحد من أنجح الأدوية لعلاج الأورام الصلبة. وفي خلايا الخميرة المعالجة بالفلورويوراسيل، عُثِر على عيوب في معالجة الحمض النووي الريبوزي الريبوزومي مماثلة لتلك التي شوهدت عندما تم حظر نشاط الإكسوسوم من خلال إستراتيجيات علم الأحياء الجزيئي. عدم وجود معالجة صحيحة للحمض النووي الريبوزي الريبوزومي يؤدي إلى قتل الخلايا، موضحاً تأثير مضاد المئيضة على الدواء.

بروتينات مقترنة

إضافةً إلى ذلك، وفي الخميرة، يرتبط Rrp44 بكافة مركبات الإكسوسوم وله دور حاسم في نشاط مركب الإكسوسوم في الخميرة

كذلك، إن بروتين PM/Scl-100 هو في الغالب جزء من مركبات الإكسوسوم في نواة الخلايا، ولكن يمكن أن يشكل جزءًا من مركب الإكسوسوم السيتوبلازمي كذلك.

ومن جهة أخرى، مثل Rrp44، هذا البروتين هو عبارة عن نبتة تحويلية مائية، ولكن في هذه الحالة هو من عائلة بروتين RNaseD.

وعلى صعيد آخر، يسمى البروتين الثاني المشترك المرتبط Rrp6 (في الخميرة) أو PM / Scl-100 (في الإنسان)،

علاوةً على ذلك، فضلًا عن كونه إنزيم فريد من نوع الأكسدة، فإن Rrp44 لديه كذلك نشاط مغاير للخلايا العصبية، والذي يتواجد في مجال منفصل عن البروتين.

وعلى صعيد آخر، في حين وجود نديد الإنسان من البروتين، لم يُعثَر على أدلة لفترة طويلة أن نديد الإنسان يرتبط مع مركب الإكسوسوم عند الإنسان. ومع ذلك، في سنة 2010، اكْتُشِفَ أن البشر لديهم ثلاثة نديدات من Rrp44 ويمكن ربط اثنين منها مع مركب الإكسوسوم، وعلى الأرجح أن هذين البروتينين يمكن أن يتحللان لركائز رنا مختلفة بسبب توطينه الخلوي المختلف، حيث يتم تحديد موضع واحد في السيتوبلازم (Dis3L1) والآخر في النواة (Dis3).

ومن جهة أخرى، فضلًا عن هذه البروتينات الأساسية التسعة لمركب الإكسوسوم، فإن بروتينان آخرين يرتبطان غالباً بالمركب في الكائنات حقيقيات النوى، واحد منهما هو Rrp44، وهو ريبونوكلياز محلول مائي، الذي ينتمي إلى عائلة RNase R من إكسوريبونوكلياز المتحلل بالماء (نوكلياز يستعمل المياه لفَسخ الروابط النوكليوتيدية).

اضطرابات عصبية

كذلك، تُسَبِّبُ الطفرات في عنصر إكسوسوم 3، مرض العصبون الحركي الشوكي الطفيلي، وضمور المخيخ، وصغر الرأس التقدمي وتأخر النمو العميق العالمي، بما يتفق مع نقص تنسج الشرايين من نوع 1B (PCH1B; MIM 614678).

بروتينات تنظيمية

ومن جهة أخرى، فضلًا عن البروتينات المفردة، تتفاعل مركبات البروتينات الأخرى مع الإسوسوم، واحد منها هو سيتوبلازميك مركب سكي، والذي يتضمن رنا هيليكاز (سكي 2) ويشارك في إتلاف الحمض النووي الريبوزي الناقل.

إضافةً إلى ذلك، في النواة، تتم معالجة rRNA و snoRNA بواسطة الإكسوسوم من قبل مركب ترامب، الذي يحتوي على كل من RNA هيليكاز (Mtr4) ونشاط التذييل بعديد الأدينيلات (Trf4).

من جهة ثانية، وبغض النظر عن هذين الجزئين الفرعيين المرتبطين بإحكام، تتفاعل الكثير من البروتينات مع مركب الإكسوسوم في كل من السيتوبلازم ونواة الخلايا، هذه البروتينات المرتبطة فضفاضة قد تنظم نشاط وخصوصية مركب الإكسوسوم، في السيتوبلازم، يتفاعل الإكسوسوم مع بروتينات عناصر AU-الغنيّة (مثل KRSP وTTP)، التي يمكنها تعزيز أو منع إتلاف mRNAs. يرتبط الجسيم النووي ببروتينات الارتباط RNA (مثل MPP6/Mpp6 وC1D/Rrp47 عند البشر/الخميرة) المطلوبة لمعالجة ركائز معينة.

وظيفة

بروتينات أساسية

من جانب آخر، تقع على رأس هذه البنية الحلقية ثلاثة بروتينات رابطة للرنا لديها مجال S1 (غير محدد)، علاوةً على ذلك هناك بروتينات نطاق تناظر K. وفي حقيقيات النوى، هناك ثلاثة بروتينات مختلفة من متلازمة "S1" في بنية حلقية، في حين في العَتائِق إما بروتين أو بروتينين من مختلف بروتينات "S1" يمكن أن تكون جزءا من الإكسوسوم (على الرغم من أن هناك دائمًا ثلاث وحدات فرعية S1 تتعلق بالمركب).

إضافةً إلى ذلك، بروتينات الإكسوسوم مثل RNase PH، و PNPase و RNase PH تنتمي كلها إلى عائلة RNases PH من RNases وإكسوريبونوكلياز فسفوروليتي، وهذا يعني أنها تستعمل الفوسفات غير العضوي لإزالة النيوكليوتيدات من النهاية 3' لجزيئات الحمض النووي الريبوزي.

علاوةً على ذلك، لَدَى المركب جوهرياً بنية حلقية تتكون من ستة بروتينات تنتمي جميعها إلى نفس فئة الريبونوكلياز (RNase)، مثل بروتين RNase PH.

من جهة ثانية، وبسبب هذا التشابه الكبير في كل من المجالات البروتينية والبنيوية، يعتقد أن هذه المركبات يمكن أن تكون ذات صلة تطورية ولها سلف مشترك.

من جانب آخر، من هذه البروتينات حقيقيات النوى الستة، ثلاثة تشبه بروتين العَتائِق Rrp41 والبروتينات الثلاثة الأخرى هي أكثر مماثلة لبروتين العَتائِق Rrp42.

وفي هذا السياق، هذه البنية عبارة عن بنية حلقية مشابهة تماماً لتلك التي تتكون منها بروتينات RNase PH وPNPase. في البكتيريا، وبروتين RNase، الذي يشارك في معالجة tRNA، مما يشكل بِنْيَةً حَلقية هيكساميريكية تتكون من ستة بروتينات متطابقة من RNase PH.

علاوةً على ذلك، فَفي العَتائِق هناك نوعان من بروتينات-PH المختلفة (تسمى Rrp41 وRrp42)، كل منهما يَخْضَعُ لترتيب في ثلاث مرات بالتناوب، حيث أن مركبات الإكسوسوم اليوكاريوتيكية لديها ستة بروتينات مختلفة والتي بدورها تشكل بنية حلقية،

من جانب آخر، وفي حالة PNPase، وهو بروتين الحمض النووي الفوسفوري الموجود في البكتيريا والبلاستيدات الخضراء والميتوكندريون عند بعض الكائنات حقيقيات النوى، هناك مجالين من RNase، كل من مجال متلازمة S1 و KH RNA وهما جزءين من بروتين واحد، والذي يشكل مركب ثلاثي له بنية مماثلة على وجه التقريب لتلك البنية عند الإكسوسوم.

من جهة ثانية، في البكتيريا، يوجود البروتين RNase PH منفصل حيث يشارك في معالجة الحمض النووي الريبوزي الناقل، الذي ثُبِّتَ على بنية مماثلة لبنية ستة أعضاء حلقية، ولكن في هذه الحالة تتكون من 6 وحدات فرعية من البروتينات المتطابقة.