Դիմակայելով սովին․ ինչպե՞ս են մարդկանց, բակտերիաների ու խմորասնկերի բջիջները սովի պայմաններում էներգիա խնայում | Հանրագիտ

Սովին դիմակայել է պետք։ Սա շատ լավ են հասկանում տարբեր օրգանիզմներ՝ պարզագույն խմորասնկերից մինչև մարդ։ Սովի պայմաններում էներգիա խնայելու նոր մեխանիզմի մասին է պատմում Molecular Cell ամսագրում վերջերս հրապարակված հոդվածներից մեկը։ Հոդվածի համահեղինակներից է Հայաստանի կենսաինֆորմատկայի ինստիտուտի տնօրեն Լիլիթ Ներսիսյանը։ Գիտնականը հիշում է՝ երբ շվեդ գործընկերների հետ սկսեց այս հետազոտությունը, 2019-ն էր։ Այդ ժամանակ նա հետդոկտորական աշխատանք էր իրականացնում Շվեդիայում՝ Կարոլինսկայի համալսարանում։ Գաղափարը նրա ղեկավարի՝ Վիսենթ Պելեչանոյի մոտ առաջացել էր դեռ 2015-ին, երբ վերջինս խմորասնկերի գենոմի ուսումնասիրության ժամանակ նորմայից շեղվող տվյալներ էր նկատել։ Լիլիթ Ներսիայանը   Մի փոքր բջիջների ներքին խոհանոցից Մարդու, կենդանիների, բույսերի, բակտերիաների, խմորասնկերի ու այլ օրգանիզմներում գրեթե բոլոր գործընթացները կարգավորվում են սպիտակուց կոչվող մեծ մոլեկուլների միջոցով։ Նյութափոխանակություն, աճ, նյարդային համակարգի աշխատանք․ սպիտակուցների տարբեր տեսակներ կան, որոնցից ամեն մեկն օրգանիզմում ինչ-որ մի գործընթացի համար է պատասխանատու։ Սպիտակուցները սինթեզվում են ըստ անհրաժեշտության, երբ դրանց կարիքը զգացվում է։ Յուրաքանչյուր սպիտակուց ունի առանձնահատուկ կառուցվածք, որի մասին ինֆորմացիան կոդավորված է գեներում, իսկ վերջիններս գտնվում են ԴՆԹ կոչվող մեծ մոլեկուլում։  Երբ անհրաժեշտ է լինում որևէ սպիտակուց սինթեզել, այդ սպիտակուցը կոդավորող գենից կառուցվածքն «արտագրվում» է, տեղափոխում բջջի համապատասխան հատված, որտեղ ռիբոսոմ կոչվող գործիքը մաս-մաս հավաքում է սպիտակուցը։  Սպիտակուցները մակրոմոլեկուլներ են, որոնք կազմված են ավելի փոքր մոլեկուլներից՝ ամինաթթուներից։ Գեները գիտեն, թե ինչ ամինաթթուներ ու ինչպիսի հերթականությամբ պիտի միանան իրար, որ կազմեն որևէ սպիտակուց։ Ամինաթթուների մասին ինֆորմացիան գեներում պահվում է ավելի փոքր մոլեկուլների՝ նուկլեոտիդների միջոցով, որոնց անունները նշվում են տառերով՝ A, T, C, G: Յուրաքանչյուր ամիանթթու նուկլեոտիդների երեք տառանի հաջորդականություն է՝ AGG, AGA, AGG և այսպես շարունակ։ Մոլեկուլների ևս մի կարևոր տեսակ կա, որ մասնակցում է այս գործընթացին՝ ՌՆԹ-ն։ Լինում են տարբեր տեսակի ՌՆԹ-ներ։ Ինֆորմացիոն ՌՆԹ-ն կամ ի-ՌՆԹ-ն «արտագրում» է գեներում սպիտակուցների մասին ինֆորմացիան և տեղափոխվում բջջի համապատասխան հատված, որտեղ ռիբոսոմները կարդում են, թե ինչ ամինաթթուներ պիտի շարեն իրար հետևից։ Այնուհետև ՌՆԹ-ների մեկ այլ տեսակ՝ փոխադրող ՌՆԹ-ները կամ փ-ՌՆԹ-ները մատակարարում են համապատասպան ամինաթթուները, և ռիբոսոմն իր կարդացած ինֆորմացիայի հիման վրա միացնում է ամինաթթուները՝ հավաքելով սպիտակուցը։ Իսկ երբ ի-ՌՆԹ-ների կարիքն այլևս չի լինում, դրանք քայքայվում են տարբեր եղանակներով։ Փորձեք պատկերացնել, որ սպիտակուցը ուտեստ է, որի գաղտնի բաղադրատոմսը (նուկլեոտիդների հաջորդականությունը) պահվում է հատուկ վայրում (համապատասխան գենում)։ Որպեսզի խոհարարը (ռիբոսոմը) այն պատրաստի, ամեն անգամ նրա օգնականները (ի-ՌՆԹ-ները) արտագրում են բաղադրատոմսը, հասցնում նրան, խոհարարն էլ, ըստ բաղադրատոմսի, հասկանում է՝ ինչ բաղադրիչներ (ամինաթթուներ) օգտագործի ու ինչ հերթականությամբ խառնի դրանք իրար։ Մյուս օգնականներն էլ (փ-ՌՆԹ-ները) խոհարարին են մատակարարում բաղադրիչները (ամինաթթուները)։ Բջջի ներքին խոհանոցը (նկարը պատրաստված է ChatGPT-ով) Բայց այս գործընթացը միշտ չէ, որ սահուն ու առանց սխալների է ընթանում։ Երբեմն այնպես է պատահում, ռիբոսոմը դժվարանում է ի-ՌՆԹ-ն ընթերցելու գործում, տառերի հաջորդականության մեջ պատահաբար մեկը բաց է թողնում, ինչի պատճառով սխալ ամինաթթու է կարդում և սկսում ոչ ճիշտ կառուցվածքով սպիտակուց սինթեզել։ Օրինակ՝ պիտի կարդար այս հաջորդականությունը՝ AUG | GCU | ACG | UGA, բաց է թողնում A-ն, ու ստացվում է սխալ հերթականություն՝ UGG | CUA | CGU | GA... Օրգանիզմը հասկանում է, որ սխալ է տեղի ունեցել, և գործի է դնում հատուկ մեխանիզմ՝ վաղաժամ քայքայելով ի-ՌՆԹ-ն ու թույլ չտալով, որ սխալ սպիտակուց սինթեզվի։ Սա սպիտակուցների որակի վերահսկման բնականոն գործընթաց է, սակայն պարզվում է, որ օրգանիզմն այս մեխանիզմն օգտագործում է ոչ միայն սխալ սպիտակուցների սինթեզումը կանխելու համար։   Հիպեթոզ, որի հաստատումը տարիներ պահանջեց Վիսենթ Պելեչանոն դեռ 2015-ին լույս տեսած հետազոտություններից մեկի շրջանակում հետևում էր խմորասնկերում ի-ՌՆԹ-ների քայքայման մեխանիզմներին։ Այս հետազոտության համար գիտնականը խմորասնկերն աճեցրել էր տարբեր պայմաններում և սննդային աղքատ միջավայրում աճեցրած խմորասնկերի ի-ՌՆԹ-ների քայքայման գործընթացում տարօրինակ պարբերականություն էր նկատել, ինչը նրան հիմք էր տվել ենթադրելու, որ քայքայման գործընթացը հաճախակիանում է սովի պայմաններում։ Այս հիպոթեզը հաստատելու համար էլ 2019-ին սկսվեց նոր հետազոտություն։ Խմորասնկերի մասնակցությամբ փորձերը սկսեց Լիլիթ Ներսիսյանը, որն այդ ժամանակ հետդոկտորական աշխատանք էր իրականացնում Կարոլինսկայի համալսարանում։ Նա նաև ծրագրային փաթեթ մշակեց, որի միջոցով վերլուծվում էին բջիջներից անջատված՝ քայքայվող ի-ՌՆԹ-ների տվյալները։ 2021-ին Լիլիթը վերադարձավ Երևան, և փորձերը շարունակեց նրա գործընկերը՝ Յուջի Ջենգը, որը նույն համալսարանի ասպիրանտուրայում էր սովորում։ Հետևի շարքում ձախից երրորդը՝ Յուջի Ջենգնը, աջից՝ Վիսենթ Պելեչանոն, նրա կողքին՝ Լիլիթ Ներսիսյանը (լուսանկարը՝ վերջինիս արխիվից) Լիլիթը հետազոտության շուրջ աշխատանքներն արդեն շարունակեց այստեղից՝ Հայաստանից։ Մի քանի տարի տևած փորձերն ու տվյալների վերլուծությունն ի վերջո հաստատեցին պրոֆեսոր Պելեչանոյի վարկածը․ խմորասնկերում ի-ՌՆԹ-ների քայքայման հաճախակիության բարձրացումը կապված էր սննդային աղքատ միջավայրի հետ։ Ավելին՝ հետագա փորձերը ցույց տվեցին, որ այս երևույթը հանդիպում է նաև բակտերիաների ու մարդկանց բջիջներում։   Ի-ՌՆԹ-ների քայքայումը՝ էներգիա խնայելու միջոց Գիտնականներն, այսպիսով, խմորասնկեր աճեցրին սննդային աղքատ միջավայրում ու նկատեցին, որ ինչ-որ պահից ռիբոսոմները սկսում են ի-ՌՆԹ-ն սխալ ընթերցել, ինչի հետևանքով օրգանիզմը գործի է դնում ի-ՌՆԹ-ների վաղաժամ քայքայման մեխանիզմը, որ նկարագրված է նյութի առաջին մասում։  Եթե նորմալ պայմաններում աճեցրած խմորասնկերում գեների ընդամենը 5.8%-ի դեպքում էր ընթերցման սխալ տեղի ունենում, ապա սովի պայմաններում՝ 77%-ի դեպքում։ Գիտնականները ստուգեցին նաև սթրեսային այլ պայմանններ, օրինակ՝ թթվածնի սուր բացակայությունը։ Սակայն փորձերի արդյունքները ցույց էին տալիս, որ ռիբոսոմներն ամենից հաճախ սխալվում են հենց սովի պայմաններում։ Գիտնականները նկատեցին, որ դեպքերի առնվազն կեսից ավելիում ի-ՌՆԹ-ի քայքայումն իրականացվում է վաղաժամ՝ հենց ռիբոսոմի սխալի հետևանքով ակտիվացված մեխանիզմի միջոցով,  ոչ թե այլ ուղիներով (ի-ՌՆԹ-ների քայքայման տարբեր բնականոն ուղիներ գոյություն ունեն): Գիտնականները ևս մի փորձ անցկացրին՝ վերահաստատելու սննդի պակասի ու այս երևույթի միջև կապը։ Նրանք հերթական անգամ խմորասնկեր աճեցրին սննդային աղքատ միջավայրում, ապա միջավայր ներմուծեցին այնպիսի ամինաթթուներ, որոնք սովորաբար առատ են սննդային հարուստ պայմաններում։ Գիտնականները նկատեցին, որ ռիբոսոմի սխալ ընթերցումների թիվը զգալիորեն նվազեց։ Սա ևս մի անգամ հաստատեց այն վարկածը, որ սննդային աղքատ միջավայրն է ռիբոսոմների սխալվելու և ի-ՌՆԹ-ների՝ վաղաժամ քայքայման պատճառը։ Նրանք հասկացան, որ այս գործընթացի հետևանքով բջիջն էներգիա է խնայում, քանի որ սպիտակուցների սինթեզը էներգատար գործընթաց է, իսկ ՌՆԹ-ների վաղաժամ քայքայումն արգելակում է որոշ սպիտակուցների սինթեզը։ Սա հաստատում էին նաև նրանց այլ փորձերի արդյունքներ։ Հետևելով կենսաբանական գործընթացներին՝ գիտնականներն, օրինակ, տեսան, որ սննդային աղքատ պայմաններում բջիջների աճը դանդաղում էր, և դրանք ավելի լավ էին գոյատևում։ Լիլիթ Ներսիսյանը Հայաստանի կենսաինֆորմատիկայի ինստիտուտում Լիլիթ Ներսիսյանը բացատրում է, որ ռիբոսոմների սխալվելու պատճառը սննդի պակասի հետևանքով գործընթացների դանդաղելն է։ Երբ ռիբոսոմը սինթեզման ընթացքում կարդում է ի-ՌՆԹ-ն, որ հերթական ամինաթթուն կցի սպիտակուցի երկար շղթային, փոխադրող ՌՆԹ-ների պակաս է զգացվում, դրանք դանդաղ են աշխատում, ուշացնում են ամինաթթուների մատակարարումը, և դա մեծացնում է ռիբոսոմի սխալվելու ու տառերի շղթայից մեկը բաց թողնելու հավանականությունը։ Օրգանիզմը նկատում է սխալն ու ակտիվացնում ի-ՌՆԹ-ների վաղաժամ քայքայման մեխանիզմը։ Արդյունքում որոշ սպիտակուցների սինթեզ կանգ է առնում, և օրգանիզմն անուղղակիորեն էներգիա է խնայում, ինչն օգնում է դիմակայել սովին։ Գիտնականները փորձերի ընթացքում նկատեցին, որ այս մեխանիզմը գործի է դրվում հատկապես այն սպիտակուցների սինթեզման ժամանակ, որոնք  մասնակցում են բջջի աճն ապահովող գործընթացներին․ սովի պայմաններում այդ սպիտակուցներն ավելի քիչ են արտադրվում։  Հետագա փորձերով գիտնականները սովի պայմաններում ի-ՌՆԹ-ների վաղաժամ քայքայման երևույթը հայտնաբերեցին նաև բակտերիաների մոտ, ինչպես նաև մարդկանց քաղցկեղային բջիջներում։ Դա նշանակում է, որ սա տարածված մեխանիզմ է, որը էվոլյուցիայի ընթացքում զարգացել է տարբեր օրգանիզմների մոտ՝ պարզագույնից մինչև բարդագույն։   Երկարաժամկետ հետազոտություններն ու հայաստանյան գիտությունը Իրենց հիպոթեզը հաստատելու համար գիտնականները մի քանի տարի շարունակ փորձեր էին անցկացնում։ Պատճառն այն էր, որ ի սկզբանե այնքան էլ հստակ  չէր, որ քայքայվող ի-ՌՆԹ-ների մասին տվյալներում շեղվող օրինաչափությունների պատճառը հենց ռիբոսոմների սխալվելն է։ Նրանք տարբեր փորձեր էին անցկացնում՝ վերահաստատելու պատճառահետևանքային կապը։ «Ինչ-որ մի պահի մենք զգում էինք, որ չի ստացվում, չէինք հավատում։ Ես էլ, Յուջին էլ մի պահ հոգնել էինք, բայց Վիսենթը հավատում էր ու մինչև վերջ առաջ մղեց»,- հիշում է Լիլիթ Ներսիսյանը։ Տարիների աշխատանքն, ի վերջո, հաստատեց հիպոթեզը, իսկ հոդվածը տպագրվեց հեղինակավոր ամսագրում։ Լիլիթ Ներսիսյանը, սակայն, քիչ իրատեսական է համարում, որ ներկա պայմաններում միայն Հայաստանում, առանց միջազգային գործընկերների ներգրավվածության հնարավոր կլինի նման մեծածավալ ու երկարաժամկետ հետազոտություն իրականացնել։ «Այս կարգի հիմնարար հետազոտությունների համար պետք է շատ ժամանակ։ Հասկանում ես, որ սա ռիսկային է, օրինակ` երեք հոգի ներգրավված են հետազոտության մեջ, ու դու պետք է այդ ռիսկը վերցնես, պետք է հասկանաս, որ կարող ես ծախսել, օրինակ, 1 մլն դոլար, և վերջում վարկածը չհաստատվի»,- ասում է նա։ Հայաստանում, մինչդեռ, գիտնականները, բազային և դրամաշնորհային ծրագրերի շրջանակում պիտի տարեկան մի քանի հոդված ունենան։ Գիտնականի խոսքով՝ սկսել հետազոտություն, որը կտևի մի քանի տարի, և որը ձախողման հավանականություն ունի, Հայաստանում դժվար կլինի։ «Տպագրել մի մեծ հոդված լավ ամսագրո՞ւմ, թե՞ արագ-արագ գրել փոքր հոդվածներ։ Այս պահին իմ դատողությամբ Հայաստանում երկրորդ ընտրությունն է գերիշխում»- ասում է նա։   *** Ամփոփելով թեման՝ հոդվածի հեղինակներն ընդգծում են, որ հետազոտությունը հետագա ընդլայնման կարիք էլ ունի։ Մասնավորապես՝ կարևոր է հասկանալ, թե այս գործընթացի արդյունքում սինթեզված ոչ ճիշտ կառուցվածքով սպիտակուցներն ինչպես են ազդում օրգանիզմի վրա, ինպես նաև ՌՆԹ-ների քայքայման այլ ուղիներն ինչ դեր ունեն։ Սա հիմնարար հետազոտություն է, բացատրում է, թե ինչպես է աշխատում տարբեր տեսակի օրգանիզմներում հանդիպող կենսաբանական կարևոր մի մեխանիզմ, սակայն գիտնականները հույս են հայտնում, որ իրենց բացահայտումը կարող է հնարավոր կիրառական նշանակություն էլ ունենալ։ Ինչպե՞ս են, օրինակ, որոշ սնկեր հակասնկային դեղերին դիմակայում, կամ ինչպե՞ս են քաղցկեղային բջիջները դիմանում քիմիաթերապիային․ հետազոտությամբ բացահայտված մեխանիզմը կարող է օգնել պատասխանել այս հարցերին։   Հեղինակ՝ Աննա ՍահակյանԼուսանկարները՝ Նարինե ՀարությունյանիԳլխավոր նկարը՝ Կատյա Մամյանի Կարդացեք նաև «Հանրագիտ» շարքի նախորդ հոդվածը՝ «Հայաստանի գիտության արդյունավետությունը․ համեմատություն Իտալիայի հետ | Հանրագիտ»   «Հանրագիտ» շարքն իրականացվում է «Երիտասարդ գիտնականների աջակցության ծրագրի» (ԵԳԱԾ) ֆինանսավորմամբ։