JUNQ ו-IPOD

JUNQ ו-IPOD הם סוגים של תכלילים חלבוניים (Inclusion body) המצויים בציטוזול של תאים אאוקריוטיים. מחלות ניוון-עצבי (נוירודגנרטיביות), כגון מחלת פרקינסון, אלצהיימר והנטינגטון קשורות באגרגציה, כלומר בצְברים או בפלאקים חלבוניים, ובהצטברות של חלבונים, אשר איבדו את המבנה התקין שלהם, בתוך תכלילים. במשך שנים רבות, אגרגציה של חלבונים נחשבה תהליך אקראי בו חלבונים שאינם מקופלים נכונה נדבקים אחד לשני ויוצרים תכלילים. לאגרגטים חלבוניים יוחסו גם תכונות רעילות והם נחשבו גורם למחלות ניוון עצבי (נוירודגנרציה). אולם, מחקרים חדשים שנעשו, תוך שימוש בשיטות מתקדמות, מראים כי אגרגציה של חלבונים עשויה, דווקא, להיות תהליך מאורגן ומבוקר, אשר באמצעותו מתגונן התא מפני חלבונים מזיקים על ידי ריכוזם בתכלילים. ב-2008, דניאל קגנוביץ' הראה כי תאים אאוקריוטיים ממיינים חלבונים פגומים לשני תכלילים נפרדים בתא בתהליך מתואם היטב: JUNQ אלו ראשי תיבות של JUxta Nuclear Quality control compartment (בתרגום לעברית "מדור בקרת האיכות שעל יד הגרעין"). ה-IPOD. אלו ראשי תיבות של Insoluble Protein Deposit (בתרגום לעברית "משקע חלבונים בלתי מסיסים"). JUNQ ו-IPOD שמורים מבחינה אבולוציונית ומצויים באתרים מוגדרים בתא. הובלת צברי חלבונים פגומים ל-JUNQ ול-IPOD דורשת שלד תאי שלם ותקין ומרכיבים שונים של מערכת בקרת האיכות התאית, כגון חלבוני עקת חום (Heat Shock Proteins - HSPs). החלוקה בין שני תכלילים מוגדרים אלו נעשית הודות לטיפול ועיבוד שונה של סוגים שונים של חלבונים פגומים (למשל - חלבונים מסומנים באוביקוויטין לעומת אלו שלא). כך, גילוי ה-JUNQ וה-IPOD יצר הבנה מחודשת של האופן בו תאים מטפלים בחלבונים פגומים וסיפק ראיות משכנעות שאגרגציה של חלבונים אינה תהליך אקראי, אלא היא נשלטת ומבוקרת היטב על ידי התא. יתרה מזאת, גילוי ה-JUNQ וה-IPOD מעיד, כפי הנראה, כי בנוסף לבקרת איכות תלוית זמן, תאים יוצרים הומאוסטזה תלוית מרחב: אם המערכת לפירוק חלבונים אינה זמינה, הגנה על הסביבה התאית מפני חלבונים פגומים ומזיקים מושגת באמצעות בידודם בתוך תכלילים. תפקוד תקין של חלבונים תלוי, במידה רבה, בשמירתם על מבנה תלת־ממדי הקרוי מבנה נטיבי (Native state). יציבותו של מבנה זה נמצאת תחת בקרה הדוקה במהלך כל חייו של חלבון על שלביו השונים: החל מהרכבתו בריבוזום, דרך קיפולו ועיבודיו השונים (Posttranslational modification), ועד סופו, כאשר הוא מפורק ומסולק מהסביבה התאית. הומאוסטזה של חלבונים ("פרוטאוסטזה") היא פרי התיאום בין הזרועות השונות של מערכת בקרת האיכות התאית: שפרונים, פרוטאזות וגורמי בקרה נוספים. לפיכך, חיוניות התא תלויה רבות בטיפול יעיל ומתוזמן של חלבונים פגומים. טיפול זה מתחיל בזיהוי של חלבון כְּפגום על ידי שפרונים וליגאזות מסוג E3, יוביקוויטינציה שלהם ופירוקם. קריסת הפרוטאוסטזה עקב נזק, עקה, מוטציות והזדקנות התא נמצאה כמעורבת בהתפתחותן של מחלות רבות באדם, כגון מחלות ניוון עצבי. מחלות אלו נגרמות מסוגים שונים של חלבונים פגומים (למשל - מחלת הנטינגטון נגרמת ממוטציה בחלבון הנטינגטין) והן פוגעות ברקמות שונות (מחלת הנטינגטון פוגעת בסטריאטום) אך הן חולקות מכנה משותף בסיסי: הצטברותם של חלבונים פגומים בתכלילים. על כן, תכלילים אלו נחשדו תמיד כגורמי המחלות. ברם, טבעם ומאפייניהם של אותם תכלילים תוך-תאיים טרם היו ידועים. מחקרים אחדים דיווחו על הופעת תכלילים שונים (למשל, עמילואידים, אגרזומים) שנוצרו עקב הצטברות של חלבונים ממשפחות שונות (לדוגמה פריונים) אך לא היה ידוע אם תצפיות אלו חופפות או אם הן מתייחסות לאתר יחיד בתא. יתרה מכך, המסלולים המובילים ליצירת התכלילים ולהפעלת מערכת בקרת האיכות התאית היו ונותרו עלומים. לכן, התגבר הצורך במחקר חדש ושיטתי אשר יספק הבנה מקיפה של המנגנונים בהם חלבונים עוברים אגרגציה ויוצרים תכלילים. גילוים של ה-JUNQ וה-IPOD תרם תובנות חדשות על האופן בו התא מטפל בסוגים שונים של חלבונים פגומים וקידם את תעלומת האגרגציה צעד גדול לקראת פתרונה. גורלם של חלבונים שאיבדו את מבנם התקין, כמו גם תהליך יצירת צברי חלבונים (אגרגטים), נחקרו בעבר באמצעות שיטת ביוכימיות (כגון תספיג חלבון). אימוץ גישה חדשנית, הנקראת "הדמיה בתאים חיים" איפשר תובנות עמוקות יותר על תהליכים ביולוגיים אלו, הקשורים במערכת בקרת האיכות התאית. שיטת הדמיה בתאים חיים מאפשרת מעקב אין ויוו של חלבונים בזמן ובמרחב, בתוך סביבתם הטבעית. שימוש בשיטה זו מספק יותר מידע על הדינמיקה והשלבים השונים בתרחישים ובתהליכים ביולוגיים. בשיטה זו משתמשים בחלבון פלואורסצנטי, כגון GFP, מאוחה לחלבון הנחקר. כך אפשר, באמצעות שימוש פשוט במיקרוסקופ פלואורסצנטי. לעקוב אחר תכונות שונות של החלבון הנחקר בקלות וביעילות: רמת ביטוי החלבון (רמת פלואורסצנציה גבוהה=ביטוי גבוה וכו') מיקום החלבון בתא (לדוגמה בגרעין התא, בציטוזול וכו') מסיסות (לדוגמה על ידי שימוש ב-FRAP) תגובה עם הסביבה התוך תאית (לדוגמה על ידי שימוש ב-FLIP) על מנת לעקוב אחר גורלם של חלבונים שאיבדו את המבנה הנטיבי שלהם, שובט פלסמיד הנושא חלבון פלואורסצנטי שעבר איחוי לחלבון מדווח למצב קיבולת מערכת בקרת האיכות התאית. החלבון המדווח, UBC9ts, מהווה חלבון מודל להצטברות (אגרגציה). חלבון זה מקופל במבנה נטיבי בטמפרטורת החדר ובטמפרטורה זו הוא פועל כשורה, אולם בתנאים של עקת חום החלבון מאבד את צורתו התקנית ואף מתחיל להצטבר. חלבון ה-UBC9ts המאוחה ל-GFP בוטא בשמרים, וניתן היה לעקוב אחריו באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי. בתנאים רגילים, ללא עקה כלשהי, GFP–Ubc9ts נצפה ממוקם בגרעין התא ובציטוזול. אולם, בתנאים של עקת חום, GFP–Ubc9ts יצר צברים ציטוזוליים קטנים. כאשר הפרוטאזום עוכב, ופירוק החלבונים הפגומים נחסם, GFP–Ubc9ts יצר שני תכלילים ציטוזוליים מובדלים. שיטות ביוכימיות ישנות וסטנדרטיות (כגון תספיג חלבון) לא היו יכולות לגלות את החלוקה לשני סוגי התכלילים השונים. התכלילים המובחנים הם מדורי בקרת איכות עם תכונות ומאפיינים שונים השמורים מבחינה אבולוציונית, דהיינו קיימים בתאי שמר כמו גם בתאי יונקים. שני התכלילים נקראו האחד-JUNQ, ראשי תיבות של JUxta Nuclear Quality control compartment (בתרגום לעברית "מדור בקרת האיכות שעל יד הגרעין")' והשני-IPOD, ראשי תיבות של Insoluble Protein Deposit (בתרגום לעברית "משקע חלבונים בלתי מסיסים"). שני התכלילים מייצגים שיטת תאיות שונות לבידוד והתמודדות עם חלבונים עם נטייה להצטברות, ועם רעילות לסביבה התוך תאית. החלוקה הספציפית של חלבונים פגומים לשני התכלילים השונים תלויה ברמת המסיסות של החלבונים ובמצב היוביקוויטינציה שלהם. חלבונים שעברו יוביקוויטינציה נמסרים ל-JUNQ, שם הם מטופלים ומועברים לפירוק על ידי הפרוטאזום. חלבונים שאינם קשורים ליוביקוויטין ועברו אגרגציה בלתי הפיכה נמסרים ל-IPOD. כך, מיקומו התוך-תאי של חלבון פגום מעיד על סוג הטיפול שקיבל ממנגנוני בקרת האיכות התאיים. JUNQ אלו ראשי תיבות של JUxta Nuclear Quality control compartment. (בתרגום לעברית "מדור בקרת האיכות שעל יד הגרעין") על מנת לשמור על הומאוסטזה תאית, מערכת בקרת האיכות נצרכת לזהות חלבונים שאיבדו את המבנה הנטיבי (התקין) שלהם. חלבון שאיבד את צורתו, יזוהה ויטופל על ידי קיפול מחדש כדי להשיג מבנה תקין, או שיפורק על ידי הפרוטאזום. אולם, כאשר בתא יש עלייה בכמות החלבונים שאינם טבעיים (בעקבות עקה לדוגמה) מערכת בקרת האיכות עלולה להגיע לעומס ולרוויה. במקרה שכזה, פירוק של חלבונים פגומים אינו זמין, ועל התא לנקוט ב"תוכנית ב'" של הגנה על הסביבה התאית: הכוונת חלבונים פגומים למדורים המיוחדים לכך בתא. ה-JUNQ הוא אחד מהמדורים. במקרים בהם הפרוטאזום מעוכב, חלבונים שעברו יוביקוויטינציה, ומיועדים לפירוק, ממויינים ל-JUNQ. כאשר הסביבה התאית חוזרת להומאוסטזה (לדוגמה עקת החום הוסרה) וקיבולת מערכת בקרת האיכות מותאמת למצב התא, החלבונים שאוחסנו ב-JUNQ יקופלו מחדש או יפורקו. אחסון חלבונים ב-JUNQ, אם כן, הוא הפיך. ה-JUNQ הוא מדור תוך-תאי שאיננו מוקף בממברנה, וממוקם בשולי גרעין התא, בסמיכות לרשתית תוך-פלזמית. חלבונים שמויינו לתוך ה-JUNQ הם מסיסים ויכולים לצאת לציטוזול ולהיכנס בחזרה, כלומר שה-JUNQ הוא מבנה דינאמי. שינוע של חלבונים ל-JUNQ תלוי בשפרונים ובשלד התא. חלבונים לא טבעיים חייבים להיות מסומנים ביוביקוויטין כדי להיכנס ל-JUNQ. הצטברות של חלבונים לא טבעיים גוררת גיוס של פרוטאזומים ל-JUNQ. IPOD אלו ראשי תיבות של Insoluble Protein Deposit . (בתרגום לעברית "משקע חלבונים בלתי מסיסים") מחקרים מראים כי יכולת התא לשמר הומאוסטזה יורדת עם הגיל. בשל כך, סוברים החוקרים שהתפרצות מחלות של ניוון עצבי מתרחשת כתוצאה מזקנה. במחלות שכאלו, (לדוגמה הנטינגטון), חלבון מוטנטי נעשה רעיל ומסוכן לסביבה התאית בשל יכולתו לספוח אליו חלבונים אחרים ובכך לגרום לחוסר תפקוד שלהם. בשל חוסר היכולת לפרק חלבונים רעילים כאלו, התא מבודד אותם ובכך מונע התקשרות מסוכנת עם חלבונים אחרים. ה-IPOD הוא מדור תוך תאי, שאליו משונעים חלבונים המסוכנים לסביבה התאית, ובכך מהווה אתר הגנה של מערכת בקרת האיכות. בנוסף, יש הסוברים כי ה-IPOD הוא לא רק מקום אחסון, אלא אתר תפקודי שבו, בין השאר, מתרחשת הבשלה של פריונים. ה-IPOD הוא מדור תוך תאי שאינו מוקף בממברנה הקשור בשמרים לחלולית. החלבונים ב-IPOD ארוזים בצפיפות רבה, אינם מסיסים, ואינם משתחלפים עם הציטוזול. חלבונים עמילואידים, כגון חלבון ההנטינגטון, הם הסובסטרטים של ה-IPOD. חלבונים שמסומנים ביוביקוויטין לא יכולים להתמיין לתוך ה-IPOD. יוביקוויטינציה של חלבון אשר במצב טבעי היה מועבר ל-IPOD יביא להעברתו דווקא ל-JUNQ. עם עלייה בכמות החלבונים הפגומים בתא, השפרון HSP104 נצפה ב-IPOD. טרם ידוע אם ל-HSP104 תפקיד ב-IPOD או שהוא מועבר לשם עקב קישורו לסובסטרט של ה-IPOD. יוביקוויטין שפרון קיפול חלבונים מיקרוסקופיה קונפוקלית חלבון פלואורסצנטי ירוק פריון (חלבון) עמילואיד פרוטאזום מדיה וקבצים בנושא JUNQ ו-IPOD בוויקישיתוף הצטברות חלבונים קיפול חלבונים הדמיה של תאים חיים מבוא לשימוש בהדמיה פלואורסצנטית בתאים חיים, סרטון באתר יוטיוב על קיפול חלבונים ופריונים, סרטון באתר יוטיוב Treusch, Sebastian; Cyr, Douglas M.; Lindquist, Susan (2009). "Amyloid deposits: Protection against toxic protein species?". Cell Cycle. 8 (11): 1668–74. doi:10.4161/cc.8.11.8503. PMID 19411847. Tyedmers, Jens; Mogk, Axel; Bukau, Bernd (2010). "Cellular strategies for controlling protein aggregation". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 11 (11): 777–88. doi:10.1038/nrm2993. PMID 20944667. Kaganovich, Daniel; Kopito, Ron; Frydman, Judith (2008). "Misfolded proteins partition between two distinct quality control compartments". Nature. 454 (7208): 1088–95. Bibcode:2008Natur.454.1088K. doi:10.1038/nature07195. PMC 2746971. PMID 18756251. Specht, S.; Miller, S. B. M.; Mogk, A.; Bukau, B. (2011). "Hsp42 is required for sequestration of protein aggregates into deposition sites in Saccharomyces cerevisiae". The Journal of Cell Biology. 195 (4): 617–29. doi:10.1083/jcb.201106037. PMC 3257523. PMID 22065637. Nystrom, T. (2010). "Spatial protein quality control and the evolution of lineage-specific ageing". Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 366 (1561): 71–5. doi:10.1098/rstb.2010.0282. PMC 3001311. PMID 21115532. Morimoto, R. I.; Cuervo, A. M. (2009). "Protein Homeostasis and Aging: Taking Care of Proteins from the Cradle to the Grave". The Journals of Gerontology Series A: Biological Sciences and Medical Sciences. 64A (2): 167–70. doi:10.1093/gerona/gln071. PMC 2655025. PMID 19228787. Powers, Evan T.; Morimoto, Richard I.; Dillin, Andrew; Kelly, Jeffery W.; Balch, William E. (2009). "Biological and Chemical Approaches to Diseases of Proteostasis Deficiency". Annual Review of Biochemistry. 78: 959–91. doi:10.1146/annurev.biochem.052308.114844. PMID 19298183. Ben-Zvi, A.; Miller, E. A.; Morimoto, R. I. (2009). "Collapse of proteostasis represents an early molecular event in Caenorhabditis elegans aging". Proceedings of the National Academy of Sciences. 106 (35): 14914–9. Bibcode:2009PNAS..10614914B. doi:10.1073/pnas.0902882106. JSTOR 40484529. PMC 2736453. PMID 19706382. http://www.microscopyu.com/articles/livecellimaging/ פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה. Lippincott-Schwartz, J.; Patterson, GH (2003). "Development and Use of Fluorescent Protein Markers in Living Cells". Science. 300 (5616): 87–91. Bibcode:2003Sci...300...87L. doi:10.1126/science.1082520. PMID 12677058. Seufert, W.; Seufert, W (1996). "A Yeast Ubc9 Mutant Protein with Temperature-sensitive in Vivo Function is Subject to Conditional Proteolysis by a Ubiquitin- and Proteasome-dependent Pathway". Journal of Biological Chemistry. 271 (42): 25790–6. doi:10.1074/jbc.271.42.25790. PMID 8824207. Tongaonkar, Prasad; Beck, Konrad; Shinde, Ujwal P.; Madura, Kiran (1999). "Characterization of a Temperature-Sensitive Mutant of a Ubiquitin-Conjugating Enzyme and Its Use as a Heat-Inducible Degradation Signal". Analytical Biochemistry. 272 (2): 263–9. doi:10.1006/abio.1999.4190. PMID 10415098. England, Jeremy L.; Kaganovich, Daniel (2011). "Polyglutamine shows a urea-like affinity for unfolded cytosolic protein". FEBS Letters. 585 (2): 381–4. doi:10.1016/j.febslet.2010.12.023. PMID 21176779. Tyedmers, J.; Treusch, S.; Dong, J.; McCaffery, J. M.; Bevis, B.; Lindquist, S. (2010). "Prion induction involves an ancient system for the sequestration of aggregated proteins and heritable changes in prion fragmentation". Proceedings of the National Academy of Sciences. 107 (19): 8633–8. Bibcode:2010PNAS..107.8633T. doi:10.1073/pnas.1003895107. PMC 2889312. PMID 20421488.