Neuropedia

▪️پروتئین مگنتو (Magneto) می تواند به آهنرباها در کنترل مدار مغز کمک کند. امروزه مهندسی ژنتیک به پژوهشگران کمک می‌کند تا با استفاده از مغناطیس، سیستم عصبی را کنترل کنند. محققان در این پژوهش رفتار گورخرماهی و موشها را کنترل کردند و امیدوارند روزی بتوانند از این طریق اختلالات مغزی انسان را معالجه کنند. در دهه‌ی گذشته پژوهشگران روشی برای کنترل فعالیت‌های مغز به وسیله‌ی لیزر، ابداع کردند. در این روش، که « اپتوژنتیک» نام دارد، از ویروس‌ها برای انتقال ژن به داخل سلول استفاده می‌شود. در نتیجه سلول‌ها به نور لیزر حساس می شوند. اپتوژنتیک مسیری مشخص برای تحریک یا سرکوب مدارهای عصبی ارایه کرد. از این رو تحول عظیمی در علوم اعصاب ایجاد شد. اپتوژنتیک مزیت‌های بسیاری نسبت به روش‌های پیشین کنترل عصب دارد. به طور مثال، تکانه‌های الکتریکی نه تنها سلول‌های هدف، بلکه تمام اعصاب یک منطقه‌ی مغز را تحریک می‌کنند. این در صورتی است که داروها به آهستگی عمل کنند و بیمار زمان طلایی درمان را از دست ندهد. اپتوژنتیک نیز مانند هر روشی معایبی دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به عدم عبور نور از عمق جمجمه و ورود به مغز اشاره کرد. بنابراین جراحان باید با عمل جراحی، فیبرهای نوری را در نزدیکی مدار عصبی دلخواه قرار دهند. علی گولر، عصب شناس دانشگاه ویرجینیا، و همکارانش ساختاری ژنتیکی به نام مگنتو (Magneto) ساخته‌اند که امکان ورود به نورون‌ها را دارد. بدین ترتیب نورون‌ها به میدان‌های مغناطیسی حساس می‌شوند. این عمل نخستین نمونه‌ی کنترل مغناطیسی سیستم عصبی با استفاده از مهندسی ژنتیک است. پژوهشگران آزمایش‌های خود را بر پایه‌ی مولکول TRPV4 (پروتیین انتقال‌دهنده‌ی کلسیم به داخل سلول) گذاشته‌اند. در این آزمایش‌ها کلسیم به تحریک تکانه‌های عصبی کمک می‌کند. تحقیقات گذشته نشان داده TRPV4به فشار حساس است. گولر، TRPV4 یک موش را با ژن فریتین انسان (پروتیینی با توانایی ذخیره‌ی آهن) مخلوط کرد. وی دریافت زمانی که این ساختار ژنتیکی را در معرض میدان مغناطیسی قرار دهد، فریتین، TRPV4 را فعال می‌کند. پژوهشگران در آزمایش‌های خود مگنتو را به نورونهای حسی نخاع گورخرماهی تزریق کردند. زمانی که گورخرماهی‌ها در معرض مغناطیس‌های زمینی قوی قرار گرفتند، میدان مغناطیسی موجب تسریع فرار آن‌ها می‌شود، به طوری که حرکت مارپیچی بدنشان به ۱۰ برابر حالت طبیعی می‌رسد. ولفگانگ لیدکه، متخصص مغز و اعصاب بالینی، می‌گوید: « تمامی احساسات، حرکات و شاید حتی افکار جانور دارای مگنتو به وسیله ی میدان‌های مغناطیسی قابل کنترل است.» پژوهشگران همچنین آزمایش‌هایی بر روی بخش عمیق مغز موش، موسوم به جسم مخطط انجام داده‌اند. جسم مخطط عضوی حیاتی در چرخه‌ی پاداش مغز است و آن‌ها دریافتند موش‌های دارای مگنتو بیشتر به سمت نقاط دارای مغناطیس می‌روند. گولر میگوید یکی از مزیتهای مگنتوژنتیک این است که مانند اپتوژنتیک، میتوان قسمتهای خاصی از مغز را مورد هدف قرار داد. با این حال، مگنتوژنتیک بیشتر به داخل مغز نفوذ می‌کند و همچنین بخش‌های بزرگتری از مغز را همزمان تحت تاثیر قرار میدهد، این در صورتی است که اپتوژنتیک فقط نقاطی که فیبرهای نوری روشن کرده‌اند را تحریک میکند. یکی از معایب مگنتو، واکنش به تعدادی از عوامل فعال کننده‌ی TRPV4 است، مانند گرما یا تحریکات طبیعی ترکیبات مغز. دانشمندان در تلاشند نوع خاصی از مگنتو را بسازند که واکنشی شدیدتر به میدان مغناطیسی خاصی بدهد. لیدکه می گوید : « شما می‌توانید فرآیندهای متفاوت را با هم ترکیب کرده و مدارهای حسی گوناگون را هم‌زمان کنترل کنید.» به گفته ی گولر روزی مگنتوژنتیک به درمان اختلالات مغزی کمک می‌کند. ژن‌درمانی ، ژن‌های مفیدی را در نورون‌ها بیان می‌کند و مغناطیس‌ها ، در مواقع لزوم مدارهای حسی مشخصی را کنترل می‌کنند. لیدکه می‌گوید : « برای کنترل مدارهای حسی، در بیماران با مشکلات متعدد با کمک اپتوژنتیک، شما نیازمند کاشت فیبرهای نوری در مدارهای حسی هستید. با استفاده از مگنتو، می‌توان جمجمه را در معرض میدان مغناطیسی قرار داد.» در دهه‌های گذشته، پژوهش‌های آزمایشگاهی در زمینه‌ی ژن‌درمانی با مشکلات امنیتی بسیاری روبرو بوده است. با این حال به گفته‌ی گولر پژوهشگران بسیاری در تلاشند تا با ارزیابی دقیق این مسایل راهی بیابند تا بتوانند ژن‌درمانی را به صورت گسترده و ایمن بر روی انسان انجام دهند. ▫️https://www.insidescience.org/content/magneto-protein-could-help-magnets-control-brain-circuitry/3746

▪️مگنتوژنتیک (Magnetogenetics) مگنتوژنتیک به یک تکنیک بیولوژیکی اشاره دارد که شامل استفاده از میدان های مغناطیسی برای کنترل از راه دور فعالیت سلول است. در بیشتر موارد، تحریک مغناطیسی به نیرو (ژنتیک مگنتو-مکانیکی (magneto-mechanical genetics)) یا گرما (ژنتیک مگنتو-حرارتی (magneto-thermal genetics)) تبدیل می شود که به میدان مغناطیسی اعمال شده بستگی دارد. بنابراین، سلول‌ها معمولاً از نظر ژنتیکی اصلاح می‌شوند تا کانال‌های یونی را، که به صورت دریچه مکانیکی یا حرارتی هستند، بیان کنند. به این ترتیب، مگنتوژنتیک یک روش مدولاسیون سلولی است که از ترکیبی از تکنیک‌های مغناطیس و ژنتیک برای کنترل فعالیت‌های تک تک سلول‌ها در بافت زنده - حتی در حیواناتی که آزادانه حرکت می‌کنند، استفاده می‌کند. این تکنیک با اپتوژنتیک، که دستکاری رفتار سلول با استفاده از نور است، قابل مقایسه است. در مگنتوژنتیک، تحریک مغناطیسی به جای نور استفاده می شود، مشخصه ای که امکان مدولاسیون فعالیت سلول را به صورت کمتر تهاجمی، کمتر سمی و بی سیم فراهم می کند. راه های زیادی برای استفاده از مغناطیس زایی در تحقیقات وجود دارد. یکی از چالش‌های اصلی مگنتوژنتیک، وارد کردن جزء مغناطیسی به یک سیستم خاص (به عنوان مثال پروتئین یا سلول‌ها) یا مناطق (مانند ناحیه مغز موش) از ارگانیسم مورد نظر است. یک رویکرد شامل سنتز پروتئین همجوشی (Fusion protein) کانال های یونی با پروتئین های حاوی آهن مانند فریتین ها (ferritins) برای سنتز جزء مغناطیسی در خود سیستم بیولوژیکی (یعنی نورون ها) است. روش دیگر استفاده از نانوذرات مغناطیسی (magnetic nanoparticles) مانند اکسید آهن است که در خارج از سیستم‌های زیستی سنتز می‌شوند و ذرات را طوری طراحی می‌کنند که به طور خاص به کانال‌های یونی هدف متصل شوند. در نتیجه کنترل فعالیت سلولی با استفاده از ترکیبات مغناطیسی مانند فریتین یا نانوذرات مغناطیسی به دست می آید. این ترکیبات برای اتصال به کانال های یونی که به طور ژنتیکی بر روی سلول های خاص بیان می شوند، طراحی شده اند. بنابراین، کنترل فعالیت به سلول‌های از پیش تعریف‌شده ژنتیکی محدود می‌شود و توسط تحریک مغناطیسی انجام می‌شود. مکانیسم کار مغناطیس‌زایی را می‌توان بر اساس چگونگی تحریک مغناطیسی برای فعال کردن سیستم‌های زیستی، مانند کانال‌های یونی، طبقه‌بندی کرد. فعال‌سازی با واسطه گرما (ژنتیک مگنتو -حرارتی) و فعال سازی با واسطه نیرو (ژنتیک مگنتو-مکانیکی) دو دسته اصلی مغناطیس‌زایی هستند. ▫️https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetogenetics

▫️https://health-it-co.ir/10188/

▪️سونوژنتیک (Sonogenetics) سونوژنتیک تلفیقی از علم ژنتیک و روش‌های صوتی می‌باشد. به کمک این روش می‌توان فعالیت ســلول‌ها را از طریق تحریک بیان پروتئین‌های حساس به امواج اولتراسوند در ســلول تغییر داد. به طوریکه فعال یا غیرفعال شدن ســلول تحت کنترل امواج صوتی قرار گیرد. سریکانت چالاسانی (Sreekanth Chalasani) از موسسه مطالعات زیستی سالک (Salk) ایده استفاده از امواج اولتراسونیک برای تحریک گروه‌های خاصی از سلول‌های مشخص‌شده ژنتیکی را مطرح کرد و اصطلاح «سونوژنتیک» را برای توصیف آن ابداع کرد. گروه او نشان داد که در کرم سی الگانس (Caenorhabditis elegans) پروتئینی به نام TRP-4 سلول ها را به سونوگرافی با فرکانس پایین حساس می کند. زمانی که محققان TRP-4 را به سلول‌های سی الگانس اضافه کردند، می‌توانستند این سلول‌ها را با امواج اولتراسوند فعال کنند – همان امواج صوتی که در سونوگرافی‌های پزشکی استفاده می‌شود. شرح مقاله در سال 2015 در مجله Nature Communications منتشر شده‌ است. برای آزمایش اینکه آیا این کانال می‌تواند انواع سلول‌های دیگر را در پاسخ به امواج اولتراسوند فعال کند، تیم از یک رویکرد ژن درمانی برای افزودن ژن‌های TRPA1 انسانی به گروه خاصی از نورون‌ها در مغز موش‌های زنده استفاده کرد. هنگامی که آنها سونوگرافی را روی موش ها انجام دادند، فقط نورون های دارای ژن TRPA1 فعال شدند. فرکانسی که پاسخ را برانگیخت 7 مگاهرتز بود که مشخص است به بافت های زیستی آسیب نمی رساند. شرح مقاله در 9 فوریه 2022 در مجله Nature Communications منتشر شده است. مزیت سونوژنتیک نسبت به اپتوژنتیک، این است که فراصوت غیرتهاجمی بوده و قادر به نفوذ به پوست و هدف قرار دادن سلول‌های خاص، بدون آسیب رساندن به سلول‌های دیگر است. همچنین سونوژنتیک امکان فعال‌سازی چند گروه مختلف سلول‌های عصبی را فراهم می‌کند؛ چراکه در صوت، نسبت به نور، محدوده بیشتری از فرکانس‌ها در دسترس است.

▫️https://sonogenetics.salk.edu/

▪️G-protein signaling - how GPCRs transmit signals throughout the cell

▪️G-Protein Coupled Receptors (GPCRs)

▪️G Protein Coupled Receptors (GPCRs) - Structure, Function, Mechanism of Action.

▪️The Nobel Prize in Chemistry 2012 The Nobel Prize in Chemistry 2012 was awarded jointly to Robert J. Lefkowitz and Brian K. Kobilka "for studies of G-protein-coupled receptors."

▫️https://www.nature.com/scitable/topicpage/gpcr-14047471/

▪️گیرنده های وابسته به پروتئین جی ( G-protein-coupled receptors) گیرنده‌های وابسته به پروتئین جی (GPCRs)، بزرگترین خانواده از گیرنده های سطح سلول را تشکیل می دهند که بیش از ۷۰۰ گیرنده در انسان و ۱۰۰۰ گیرنده در موش که فقط برای بویایی است، وجود دارند. این گیرنده ها در پاسخ به انواع مختلفی از مولکول های پیام رسان برون سلولی نظیر هورمون ها، میانجی های موضعی و نوروترنسمیترها دخیل می باشند. ساختار این مولکول های پیام رسان همانند عملکرد آنها متنوع است. این مولکول ها ممکن است پروتئینی، پپتیدهای کوچک یا مشتقات آمینواسیدها یا اسیدهای چرب باشند و برای هریک از آنها یک یا مجموعه ای از گیرنده ها وجود دارد. از آن جا که گیرنده های وابسته به پروتئین G در انواع زیادی از فرآیندهای سلولی دخالت دارند؛ اهداف جالبی برای توسعه ی داروها در درمان انواعی از بیماری ها وجود دارند. حدود یک سوم از داروهایی که امروزه استفاده می شود از طریق گیرنده های وابسته به پروتئین (GPCRs) عمل می کند. علی رغم تنوع مولکول های پیام رسانی که به گیرنده ها متصل می شوند، تمام گیرنده های وابسته به پروتئین G که تاکنون بررسی شده اند دارای ساختاری مشابه می باشند که شامل یک زنجیره‌ی پلی پپتیدی است که هفت بار از خلال دو لایه‌ی لیپیدی رفت و برگشت دارد. این خانواده ی بزرگ پروتئین های گیرنده‌ی سرتاسری غشا که هفت بار از غشا می گذرند شامل رودوپسين (پروتئین گیرنده‌ی نور موجود در چشم مهره داران که با نور فعال می شود)، و گیرنده های بویایی بینی مهره داران و گیرنده‌هایی که در آمیزش مخمر تک سلولی شرکت می کنند می‌باشند. تحریک گیرنده های وابسته به پروتئین G، زیر واحدهای پروتئین G را فعال می کند. وقتی یک مولکول برون سلولی به یک گیرنده‌ی وابسته به پروتئین G، متصل می گردد، گیرنده ی پروتئینی متحمل تغییر شکل فضایی می شود به طوری که سطح درون سلولی گیرنده تغییر شکل می دهد و بنابراین قادر می شود تا یک پروتئین G واقع در طرف درون سلولی غشای پلاسمایی را فعال کند. انواع مختلفی از پروتئین های G وجود دارد که هر کدام برای یک دسته از گیرنده ها و برای مجموعه ای از پروتئین های هدف اختصاص یافته اند. اما در عین حال، تمام این پروتئین ها دارای ساختار کلی مشابهی هستند و به روشی مشابه عمل می کنند. این پروتئین ها از سه زیر واحد پروتئینی، آلفا، بتا و گاما تشکیل شده اند. دو تا از آنها توسط دنباله ی لیپیدی کوچکی به غشای پلاسمایی متصل هستند. زمانی که پروتئین های G تحریک نشده اند، زیرواحد آلفا به GDP متصل است و پروتئین خاموش است. اما با اتصال یک لیگاند برون سلولی به گیرنده، گیرنده به پروتئین G متصل می شود و آن را فعال می کند، بدین ترتیب که زیر واحد آلفا تمایلش برای GDP کاهش می یابد و GTP جای آن را می گیرد. در بعضی موارد، این فعال سازی از طریق شکستن زیر واحدهای پروتئین G است، بنابراین زیر واحد آلفا فعال شده محکم به GTP متصل می ماند و از مجموعه ی بتا و گاما جدا می شود. بدون در نظر گرفتن این که آیا آنها جدا هستند یا نه، دو بخش فعال شده ی یک پروتئین G - زيرواحد آلفا و مجموعه ی بتا و گاما - هر دو می توانند به طور مستقیم با اهداف خود که در غشای پلاسمایی واقع هستند، برهم کنش دهند و بنابراین پیام را به داخل سلول رله کنند. هر چه مدت اتصال یک زیر واحد بتا و گاما یا آلفا به هدف بیشتر باشد. پیام با شدت بیشتر و مدت زمان طولانی تر به درون سلول رله می شود. مدت زمانی که زیر واحدهای آلفا و بتا گاما روشن هستند - و از این طریق برای رله کردن پیام در دسترس می باشند - با عملکرد زیر واحد آلفا محدود می شود، زیرا زیر واحد آلفا دارای فعالیت هیدرولیزکنندگی GTP یا فعالیت GTPase ذاتی می باشد و بعد از مدت زمان معینی GTP متصل به خود را به GDP هیدرولیز می کند و کل پروتئین G مثل اول به وضعیت غیرفعال برمی گردد. هیدرولیز GTP و غیرفعال شدن آن چند ثانیه بعد از فعال شدن پروتئین G روی می دهد. حال پروتئین G آماده ی فعال شدن دوباره توسط سایر گیرنده های فعال شده می باشد. Reference: Essential Cell Biology, Bruce Alberts

▪️The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1994 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1994 was awarded jointly to Alfred G. Gilman and Martin Rodbell "for their discovery of G-proteins and the role of these proteins in signal transduction in cells."

▪️جی‌ پروتئین (G protein) پروتئین G (G protein) یا پروتئین پیوندشونده به نوکلئوتید گوانوزین (Guanosine Nucleotide-binding Protein) پروتئینی است که می‌تواند گوانوزین تری فسفات (GTP) را به گوانوزین دی‌فسفات (GDP) تبدیل کند. پروتئین‌های G در سلول به عنوان مبدل سیگنال‌ها عمل می‌کنند؛ یعنی در انتقال و تعدیل سیگنال‌ها به درون سلول و تنظیم سیستم‌های مختلف فعال کننده و تقویت کننده سلولی نقش دارند. پروتئین های G از لحاظ عملکردی به گیرنده های هفت بار گذرنده از غشاء متصل می شوند، و به صورت کمپلکس های هتروتریمری شامل زیر واحدهای آلفا، بتا و گاما وجود دارند. زیر واحد آلفا دارای جایگاه اتصال بهGTP و فعالیت GTPase است. پستانداران بسته به گونه بین 500 تا 1000 گیرنده جفت شده با G پروتئین (GPCR) بیان می کنند که به انواع هورمون ها، انتقال دهنده های عصبی، فرومون ها، متابولیت ها و ترکیبات پیام رسانی موضعی متصل می شوند و همچنین در احساس نور، بو و برخی از مزه ها نقش اصلی را ایفا می کنند. با وجود تنوع زیاد، تمام مسیرهای پیام رسانی با GPCR ها از سه جز اصلی تشکیل شده اند. جی پروتئین‌ها دو نوع اند: جی‌پروتنین سیتوزولی که در سنتز و انتقال نقش دارد. جی پروتئین‌های غشایی که با ژرانیل، فارنسیل یا پرنیل به غشا متصل می‌شوند. کشف پروتئین‌ G با تلاش‌های آلفرد گیلمن (Alfred Gilman) و مارتین رادبل (Martin Rodbell) میسر شد و این دو پژوهشگر به پاس تلاش‌های خود به خاطر کشف پروتین‌های G و نقش این پروتئین ها در انتقال سیگنال در سلول ها در سال ۱۹۹۴ جایزه نوبل پزشکی و فیزیولوژی را دریافت کردند. ▫️G protein - Wikipedia