مدار قطع و وصل شوندۀ ترشح انسولین از سلول

تعداد بی شماری سیگنال به صورت مداوم به سلولهای بتای پانکراس از نقاط مختلف بدن می رسد. این سلولها باید بتواند تمام سیگنالها را دریافت کرده و در مورد زمان و مقدار آزاد شدن انسولین برای حفظ مقدار قند در خون پاسخ دهند.

دانشمندان دانشگاه پزشکی Johns Hopkins  تحقیقات خود را در این زمینه در مجلۀ Nature Chemical Biology (Dec.13,2010) منتشر نمودند. محققین توانستند نحوۀ تعبیر سیگنالهای ورودی به سلول را شناسایی کنند، آنها سه پروتئین را در این مسیر پیام رسانی شناسایی کردند. این سه پروتئین همانند یک مدار الکتریکی در رسیدن پیام به سلول نقش دارند.

سلولهای بتای پانکراس تحت تأثیر هورمونها، سیگنالهای الکتریکی و متابولیکی قرار دارند بنابراین چیزی باید تمام این پیامهای وارده به سلول را تشخیص داده و خروجی سلول را مشخص نماید. پروفسور Zhang می گوید: ما موفق به شناسایی یک مدار قابل تنظیم که کنترل کننده ی رفتار سلول در برابر این پیام ها است ، شدیم. به گفته ی  پروفسور Zhang، پروتئین کیناز A ( protein KinaseA) به عنوان یک سوئیچ عمل کرده و مدار را باز نموده (روشن می کند) و آنچه لازم است انجام شود را انجام داده و سپس مدار را می بندد (خاموش می کند).

دانشمندان متوجه شدند که پروتئین کیناز A( PKA) در سلولهایی که با فلورسانس نشان دار شده اند، در زیر میکروسکوپ روشن و خاموش می شود. دکتر Zhang می گوید این موضوع بسیار جالب و بی سابقه ای است.

بنابراین دانشمندان به تهیه  یک فیلم از عملکرد سلول زنده در طی یک ساعت پرداختند. آنها با اتصال موادی به پروتئین های سلولی، زیحسگری ساختند که در زمان فعالیت از خود یک رنگ را ساتع می کنند و در زمان خاموشی رنگ دیگری را ساتع می نمایند. با وارد کردن  زیحسگر PKA   به درون سلولها آنها توانستند زمان خاموش و روشن شدنPKA را مشاهده کنند. دانشمندان دریافتند که PKA با حد فاصلهای زمانی منظمی (حدود 3 سیکل در هر 10 دقیقه ) خاموش و روشن می شود.

پرفسور Zhang می گوید ما قبلاً می دانستیم نوسان غلظت کلسیم در این سلولها ترشح انسولین را کنترل می کند، بهمین علت در مورد چگونگی ارتباط نوسان عمکلرد PKA و نوسان غلظت کلسیم کنجکاو شدیم.

با استفاده از مادۀ رنگی که در غلظت های بالای کلسیم تغییر رنگ می دهد، دانشمندان توانستند سلولهای زنده را بررسی کنند و دریافتند که نوسان عمکلرد PKA و تغییرات غلظت کلسیم همزمان با هم اتفاق می افتند. به این ترتیب که هر بار که PKA روشن می شود، اندکی بعد یک پیک افزایش کلسیم داریم و زمانیکه PKA خاموش می شود، تقریباً بلافاصله(بصورت همزمان) غلظت کلسیم کاهش می یابد. این موضوع بسیار تعجب انگیز بود زیرا خاموش شدن PKA در سایر انواع سلولهای طبیعی بسیار آهسته است در حدود ده دقیقه اما در سلولهای بتا بسیار سریع است و تنها چند دقیقه بطول می انجامد.

دانشمندان بمنظور درک بهتر و پیشگویی نوسانهای پیام هایی که به سلول می رسد با کمک مهندسین بیولوژی دانشگاه جان هاپکینز مدل ریاضی برای این مدار طراحی کردند. دانشمندان با جمع آوری تمام دانسته های موجود در مورد PKA و کلسیم و سایر مواد شیمیایی که در سلول بروی فعالیت PKA تأثیر دارد، توانستند مدلی را ارائه دهند که هر سه جزء در آن به هم مرتبط بوده و می توانند همدیگر را تحت تأثیر قرار دهند. فعالیت هر یک از دو جزء دیگر می تواند سبب بروز نوسان در جزء سوم شود. مهندسین از قبل می دانستند که سیگنالهای نوسانی (کم و زیاد شونده) می توانند پیامهای بیشتری را نسبت به سیگنالهای ثابت منتقل کنند و این موضوع که سلول این راه حل را برای انتقال پیام انتخاب کرده است، بسیار جالب توجه بود.

این مدل ریاضی پیش بینی می کند که توقف عملکرد PKA سبب توقف نوسانات غلظت کلسیم می شود، بهمین علت دانشمندان با استفاده از ماده ای که از عملکرد PKA ممانعت می کند، توانستند تغییرات غلظت کلسیم را در سلول متوقف کنند.

مدل همچنین پیش بینی می کند که افزایش فعالیت PKA می تواند فرکانس نوسانات کلسیم را تغییر دهد و دوباره با افزودن یک مادۀ شیمیایی که فعالیت PKA را افزایش می داد توانستند سرعت نوسانات غلظت کلسیم را افزایش دهند.

پرفسور Zhang می افزاید ما بوسیلۀ این مدل ریاضی قادر خواهیم بود تجربیات بیشتری را بدست آورده و از نحوۀ فعالیت مولکولها در سلول پرده برداریم.

بر اساس تمام اطلاعات فوق دانشمندان نتیجه گرفتند که پایین بودن فرکانس نوسانات PKA سبب می شود عملکرد PKA به همان منطقه ای از سلول که در آن قرار گرفته است محدود گردد اما بالا رفتن فرکانس نوسانات فعالیت PKA باعث می شود PKA عمل خود را در تمام سلول اعمال کند و پاسخ متفاوتی را ایجاد نماید. کشف نوسانات عملکرد PKA و دخالت آن در مدار سلولهای بتای پانکراس این امید را به دانشمندان می دهد که بتواند نقص های سلولی که سبب دیابت می شود را در سطح سلول تعمیر کنند.

پرفسورZhang می گوید: این نوع مدارهای شبه کنترلی در انواع مختلف سلولها وجود دارند و ما علاقه مند هستیم که بوسیلۀ زیحسگرهای جدید بتوانیم اتفاقات دیگری که در سلول در شرایط مختلف بوقوع می پیوندد را کشف کنیم.

منبع: www.sciencedailg.com