محکمہ توانائی کی SLAC نیشنل ایکسلریٹر لیبارٹری اور اسٹینفورڈ یونیورسٹی کے محققین کے ایک تاریخی مطالعہ سے پتہ چلتا ہے کہ کس طرح TRiC نامی ایک چھوٹی سی سیلولر مشین ٹیوبلین کو فولڈنگ کرنے کی ہدایت کرتی ہے، یہ ایک انسانی پروٹین ہے جو مائیکرو ٹیوبلز کا بلڈنگ بلاک ہے جو سیل کے سہاروں اور نقل و حمل کے نظام کا کام کرتا ہے۔ .
اب تک، سائنس دانوں کا خیال تھا کہ TRiC اور اسی طرح کی مشینیں، جنہیں chaperonins کہا جاتا ہے، غیر فعال طور پر تہہ کرنے کے لیے سازگار ماحول فراہم کرتی ہیں، لیکن براہ راست اس میں حصہ نہیں لیتی ہیں۔
محققین کے اندازے کے مطابق، ہمارے خلیات کے 10 فیصد تک پروٹین، نیز پودوں اور جانوروں میں، ان چھوٹے چیمبروں سے اپنی آخری، فعال شکلوں میں تہہ کرنے میں مدد حاصل کرتے ہیں۔
مطالعہ کے سرکردہ مصنفین میں سے ایک سٹینفورڈ پروفیسر جوڈتھ فریڈمین نے کہا کہ بہت سے پروٹین جو TRiC کی مدد سے فولڈ ہوتے ہیں ان کا انسانی بیماریوں سے گہرا تعلق ہے، جن میں بعض کینسر اور نیوروڈیجینریٹو عوارض جیسے پارکنسنز، ہنٹنگٹن اور الزائمر کی بیماریاں شامل ہیں۔
درحقیقت، اس نے کہا، بہت ساری اینٹی کینسر دوائیں ٹیوبلین اور اس سے بننے والے مائیکرو ٹیوبلز کو روکنے کے لیے تیار کی گئی ہیں، جو سیل کی تقسیم کے لیے واقعی اہم ہیں۔ لہذا TRiC کی مدد سے ٹیوبلین فولڈنگ کے عمل کو نشانہ بنانا ایک پرکشش انسداد کینسر حکمت عملی فراہم کر سکتا ہے۔
اس ٹیم نے اپنے ایک دہائی پر محیط مطالعے کے نتائج میں شائع ہونے والے ایک مقالے میں بتائے۔ سیل آج.
"یہ سب سے دلچسپ پروٹین ڈھانچہ ہے جس پر میں نے اپنے 40 سالہ کیریئر میں کام کیا ہے،" SLAC/Stanford پروفیسر واہ چیو نے کہا، جو کرائیوجینک الیکٹران مائیکروسکوپی (cryo-EM) تیار کرنے اور استعمال کرنے کے علمبردار اور SLAC کے cryo-EM اور بایو امیجنگ ڈویژن کے ڈائریکٹر ہیں۔
"جب میں 20 سال پہلے جوڈتھ سے ملا تھا،" انہوں نے کہا، "ہم نے اس بارے میں بات کی کہ آیا ہم پروٹین کو فولڈ ہوتے دیکھ سکتے ہیں۔ یہ وہ چیز ہے جو لوگ برسوں سے کرنے کی کوشش کر رہے تھے، اور اب ہم نے کر لیا ہے۔
محققین نے TRiC کی ہدایت کردہ فولڈنگ کے عمل میں قریب قریب جوہری ریزولوشن میں cryo-EM کے ساتھ چار الگ الگ مراحل حاصل کیے، اور اس بات کی تصدیق کی کہ انھوں نے بائیو کیمیکل اور بائیو فزیکل تجزیوں سے کیا دیکھا۔
سب سے بنیادی سطح پر، Frydman نے کہا، یہ مطالعہ اس دیرینہ معمہ کو حل کرتا ہے کہ کیوں ٹیوبلین TRiC کی مدد کے بغیر فولڈ نہیں ہو سکتی: "یہ واقعی ایک گیم چینجر ہے جو آخر کار یہ سمجھنے کا ایک نیا طریقہ لاتا ہے کہ پروٹین انسانی خلیے میں کیسے فولڈ ہوتے ہیں۔"
سپتیٹی کو پھولوں میں جوڑنا
پروٹین عملی طور پر ایک سیل کے ہر کام میں اہم کردار ادا کرتے ہیں، اور یہ جاننا کہ وہ اپنی آخری 3D حالتوں میں کیسے فولڈ ہوتے ہیں کیمسٹری اور حیاتیات.
جیسا کہ چیو نے کہا، "ایک پروٹین امینو ایسڈ کے ایک تار کے طور پر شروع ہوتا ہے جو سپتیٹی کی طرح لگتا ہے، لیکن یہ اس وقت تک کام نہیں کر سکتا جب تک کہ یہ بالکل صحیح شکل کے پھول میں نہ بن جائے۔"
1950 کی دہائی کے وسط سے، نیشنل انسٹی ٹیوٹ آف ہیلتھ کے محقق کرسچن اینفنسن کے چھوٹے پروٹینوں کا استعمال کرتے ہوئے کیے گئے تجربات سے ہماری تصویر کس طرح پروٹین فولڈ ہوتی ہے۔ اس نے دریافت کیا کہ اگر اس نے ایک چھوٹا پروٹین کھولا تو یہ بے ساختہ اسی شکل میں واپس آجائے گا، اور یہ نتیجہ اخذ کیا کہ ایسا کرنے کی ہدایات پروٹین کے امینو ایسڈ کی ترتیب میں انکوڈ کی گئی ہیں۔ اینفنسن نے 1972 کا نوبل انعام شیئر کیا۔ کیمسٹری اس دریافت کے لیے۔
تیس سال بعد، محققین نے دریافت کیا کہ خصوصی سیلولر مشینیں پروٹین کو فولڈ کرنے میں مدد کرتی ہیں۔ لیکن مروجہ نظریہ یہ تھا کہ ان کا کام صرف پروٹینوں کو ان کے خود بخود تہہ کرنے میں مدد کرنے تک محدود تھا اور انہیں ایک ساتھ پھنسنے یا چمکنے سے بچاتا تھا۔
ایک قسم کی مددگار مشین، جسے چیپیرونن کہتے ہیں، میں ایک بیرل نما چیمبر ہوتا ہے جو پروٹین کو اپنے اندر رکھتا ہے جب وہ فولڈ ہوتے ہیں۔ TRiC اس زمرے میں فٹ بیٹھتا ہے۔
TRiC چیمبر اس لحاظ سے منفرد ہے کہ یہ آٹھ مختلف ذیلی یونٹس پر مشتمل ہے جو دو اسٹیک شدہ حلقے بناتے ہیں۔ ٹیوبلین پروٹین کا ایک لمبا، پتلا اسٹرینڈ جیلی فش کی طرح ایک مددگار مالیکیول کے ذریعے چیمبر کے افتتاح میں پہنچایا جاتا ہے۔ پھر چیمبر کا ڈھکن بند ہو جاتا ہے اور فولڈنگ شروع ہو جاتی ہے۔ جب یہ ہو جاتا ہے، ڈھکن کھل جاتا ہے اور تیار شدہ، تہہ شدہ ٹیوبلین کے پتے۔
چونکہ ٹیوبلین TRiC کے بغیر فولڈ نہیں ہو سکتی، اس لیے ایسا معلوم ہوتا ہے کہ TRiC غیر فعال طور پر ٹیوبلین کو بے ساختہ فولڈ کرنے میں مدد سے زیادہ کام کر سکتا ہے۔ لیکن یہ کیسے کام کرتا ہے؟ یہ نیا مطالعہ اس سوال کا جواب دیتا ہے اور یہ ظاہر کرتا ہے کہ، کم از کم پروٹین جیسے ٹیوبلین کے لیے، "بے ساختہ فولڈنگ" کا تصور لاگو نہیں ہوتا ہے۔ اس کے بجائے، TRiC براہ راست فولڈنگ پاتھ وے کو ترتیب دیتا ہے جو صحیح شکل والے پروٹین کی طرف جاتا ہے۔
اگرچہ مصنوعی ذہانت، یا AI میں حالیہ پیش رفت زیادہ تر پروٹینوں کی مکمل، تہہ شدہ ساخت کا اندازہ لگا سکتی ہے، Frydman نے کہا، AI یہ نہیں بتاتا کہ پروٹین اپنی صحیح شکل کیسے حاصل کرتا ہے۔ یہ علم سیل میں فولڈنگ کو کنٹرول کرنے اور فولڈنگ بیماریوں کے علاج کے لیے بنیادی ہے۔ اس مقصد کو حاصل کرنے کے لیے، محققین کو فولڈنگ کے عمل کے تفصیلی مراحل کا پتہ لگانے کی ضرورت ہے جیسا کہ یہ سیل میں ہوتا ہے۔
سیلولر چیمبر چارج لیتا ہے۔
دس سال پہلے، فریڈمین، چیو اور ان کی تحقیقی ٹیموں نے TRIC چیمبر میں کیا ہو رہا ہے اس کی گہرائی میں جانے کا فیصلہ کیا۔
"بیکٹیریا میں چیپیروننز کے آسان فولڈنگ چیمبرز کے مقابلے میں، انسانی خلیوں میں TRiC ایک بہت ہی دلچسپ اور پیچیدہ مشین ہے،" فریڈمین نے کہا۔ "اس کے آٹھ ذیلی یونٹس میں سے ہر ایک مختلف خصوصیات رکھتا ہے اور چیمبر کے اندر ایک الگ سطح پیش کرتا ہے، اور یہ واقعی اہم ثابت ہوتا ہے۔"
سائنسدانوں نے دریافت کیا کہ اس منفرد چیمبر کے اندر دو طریقوں سے فولڈنگ کے عمل کو ہدایت کرتا ہے۔
(Yanyan Zhao/Stanford University)
جیسے ہی چیمبر کا ڈھکن ایک پروٹین پر بند ہوتا ہے، اس کی اندرونی دیواروں پر الیکٹرو سٹیٹک چارج کے حصے نمودار ہوتے ہیں۔ وہ ٹیوبلین پروٹین اسٹرینڈ کے مخالف چارج شدہ حصوں کو اپنی طرف متوجہ کرتے ہیں اور فولڈنگ کے اگلے مرحلے کے لیے مناسب شکل اور ترتیب بنانے کے لیے بنیادی طور پر انھیں دیوار سے ٹیک دیتے ہیں۔ دریں اثنا، TRiC سبونائٹ "دم" جو کہ چیمبر کی دیوار سے لٹکتی ہے، مخصوص اوقات اور جگہوں پر ٹیوبلین پروٹین کو لنگر انداز کرنے اور اسے مستحکم کرنے کے لیے پکڑتی ہے۔
شروع کرنے کے لیے، ٹیوبلین اسٹرینڈ کا ایک سرا دیوار میں ایک چھوٹی جیب میں ہکس کرتا ہے اور تہہ کرتا ہے۔ پھر دوسرا سرا ایک مختلف جگہ پر منسلک ہوتا ہے، ایک بڑا لوپ بناتا ہے۔ لوپ اس طرح فولڈ ہوتا ہے جو اسے پہلے فولڈ ایریا کے بالکل ساتھ لے آتا ہے۔
تیسرے مرحلے میں، درمیانی حصے کا کچھ حصہ فولڈ ہو کر پروٹین کا بنیادی حصہ بنتا ہے، جیبوں کے ساتھ جہاں GTP، ایک مالیکیول جو سیل کے کام کو طاقت دینے کے لیے توانائی کو ذخیرہ اور جاری کرتا ہے، پلگ ان کر سکتا ہے۔
آخر میں، پروٹین کا باقی حصہ فولڈ ہو جاتا ہے۔ ٹیوبلین مالیکیول اب کارروائی کے لیے تیار ہے۔
"فولڈنگ ترتیب میں درمیانی مراحل کے یہ ساختی اسنیپ شاٹس پہلے کبھی کرائیو الیکٹران مائکروسکوپی کے ذریعے نہیں دیکھے گئے،" فریڈمین نے کہا۔
تکنیک کا ایک طاقتور امتزاج
اس کی ٹیم نے بائیو کیمیکل اور بائیو فزیکل ٹیسٹوں کی ایک چیلنجنگ سیریز کے ساتھ فولڈنگ ترتیب کی تصدیق کی جس کے لیے سالوں کے کام کی ضرورت تھی۔
ان نتائج کی تشریح کرنے سے محققین کو ٹیوبلین کی بدلتی ہوئی شکل کی تصویر بنانے کی اجازت ملی کیونکہ یہ TRiC چیمبر کے اندر فولڈ ہوتی ہے، جو cryo-EM کے ذریعے تیار کردہ تصاویر سے ملتی ہے۔
"ان تکنیکوں کے درمیان آگے پیچھے جانے کے قابل ہونا بہت طاقتور ہے، کیونکہ تب آپ واقعی جان سکتے ہیں کہ جو کچھ آپ دیکھتے ہیں وہ اس بات کی عکاسی کرتا ہے کہ سیل میں کیا ہو رہا ہے،" فریڈمین نے کہا۔
"سائنس نے ہمیں واقعی ایک دلچسپ حل کے ساتھ حیران کردیا ہے جس کی میں نے پیش گوئی نہیں کی ہوگی۔"
یہ مطالعہ یہ سمجھنے کے لیے سراغ بھی پیش کرتا ہے کہ یہ فولڈنگ سسٹم یوکرائیوٹک خلیوں میں کیسے تیار ہوا، جو کہ پودوں، جانوروں اور انسانوں کو بناتے ہیں، لیکن بیکٹیریا اور آثار قدیمہ جیسے سادہ خلیوں میں نہیں۔ جیسے جیسے پروٹین یوکرائیوٹک خلیوں کی ضروریات کو پورا کرنے کے لیے زیادہ سے زیادہ پیچیدہ ہوتے گئے، محققین کا مشورہ ہے، کسی وقت وہ ان شکلوں میں نہیں جوڑ سکتے تھے جن کی انہیں تھوڑی مدد کے بغیر مزید پیچیدہ کام انجام دینے کے لیے درکار تھی۔ یوکرائیوٹک پروٹین اور ان کا چیپرونن چیمبر ممکنہ طور پر ایک ساتھ تیار ہوا، ممکنہ طور پر تقریباً 2.7 بلین سال پہلے تمام یوکرائیوٹک جانداروں کے آخری مشترکہ اجداد سے شروع ہوا۔
تجزیوں کی پیچیدگی اور وبائی امراض کے وقفے کی وجہ سے، مطالعہ اتنا لمبا چلا کہ اس پر کام کرنے والے بہت سے لوگ دوسری ملازمتوں میں چلے گئے۔ ان میں فریڈمین کے گروپ سے پوسٹ ڈاکٹرل محققین ڈینیئل گیسٹاؤٹ اور مرانڈا کولیر شامل ہیں، جنہوں نے اس منصوبے کے بائیو کیمیکل حصے کو آگے بڑھایا، اور چیو کے گروپ سے یانان ژاؤ، سونگ ہن روہ، باکسو ما، اور گریگ پنٹیلی، جنہوں نے کریو کا مظاہرہ کیا۔ -EM تجزیہ کرتا ہے۔ اضافی تعاون کرنے والوں میں روہ کے گروپ میں ایک طالب علم جونسن پارک اور زیورخ، سوئٹزرلینڈ میں ETH سے الیگزینڈر لیٹنر شامل تھے۔
اس کام کو NIH کی طرف سے واہ چیو اور جوڈتھ فریڈمین کو گرانٹ اور کورین نیشنل ریسرچ فاؤنڈیشن اور سو کیونگبے فاؤنڈیشن (SUHF) کی جانب سے سونگ ہن روہ، جو اب سیول نیشنل یونیورسٹی میں اسسٹنٹ پروفیسر ہیں، کی گرانٹ کے ذریعے تعاون کیا گیا۔
جرنل حوالہ
- ڈینیئل گیسٹاؤٹ وغیرہ، انسانی چیپیرونن TRiC/CCT کے ذریعہ ہدایت کردہ ٹیوبلین فولڈنگ پاتھ وے کا ساختی تصور۔ سیل، 8 دسمبر 2022 DOI: 10.1016 / j.cell.2022.11.014
