يكتشف الباحثون كيف يمكن أن يسبب الكثير من الأكسجين مشاكل صحية دائمة لدى البشر

اكتشف العلماء لماذا يمكن أن تؤدي المستويات المرتفعة من الأكسجين إلى مشاكل صحية دائمة لدى البشر.

عندما يتعلق الأمر بالأكسجين ، يمكنك  الحصول على الكثير من الأشياء الجيدة. يمكن أن يؤدي استنشاق الهواء بمستويات أكسجين أعلى من النسبة القياسية البالغة 21 في المائة الموجودة في الغلاف الجوي للأرض إلى تلف الأعضاء والنوبات وحتى الموت في كل من البشر والحيوانات. يُعرف هذا باسم تسمم الأكسجين ، أو فرط الأكسجة ، ويحدث عندما يكون هناك فائض من الأكسجين يتجاوز احتياجات الجسم. بينما كان العلماء على دراية بهذه الظاهرة ، فقد اعتمدوا في الغالب على التكهنات لفهم الآليات الأساسية لسمية الأكسجين حتى الآن.

كشفت دراسة حديثة أجرتها معاهد جلادستون كيف أن مستويات الأكسجين الزائدة تغير بعض البروتينات المحتوية على الحديد والكبريت داخل خلايانا ، على غرار عملية صدأ الحديد. نتيجة لذلك ، تؤدي هذه البروتينات “الصدئة” إلى تفاعل متسلسل يتسبب في تلف الخلايا والأنسجة. سلط البحث ، الذي نُشر في مجلة Molecular Cell ، الضوء على الآثار المترتبة على حالات مثل النوبات القلبية وتوقف التنفس أثناء النوم.

يقول الباحث المساعد في جلادستون Isha Jain ، دكتوراه ، كبير مؤلفي الدراسة الجديدة: “سمحت لنا هذه الدراسة بوضع جدول زمني محدد جدًا لما يحدث في حالة فرط التأكسج”. “النتائج لم تكن على الإطلاق ما كنا نتوقعه ، ولكن من المثير للاهتمام والمثير أن نعرف الآن كيف تتكشف سلسلة الأحداث هذه.”

سؤال مدروس

عند المستويات المرتفعة ، يكون الأكسجين سامًا لكل أشكال الحياة ، من البكتيريا والنباتات إلى الحيوانات والبشر. وبالطبع ، فإن نقص الأكسجين يكون قاتلاً أيضًا ؛ هناك مقدار متوسط ​​، “المعتدل” الذي تزدهر فيه معظم الحياة على الأرض – ليس كثيرًا ولا قليلًا جدًا.

بينما درس الأطباء منذ فترة طويلة تفاصيل كيفية تأثير نقص الأكسجين على الخلايا والأنسجة (على سبيل المثال ، في النوبات القلبية والسكتات الدماغية) ، فإن تأثيرات الأكسجين الزائد لم يتم دراستها نسبيًا.

يقول ألان بيك ، دكتوراه في الطب ، عالم ما بعد الدكتوراه في مختبر جين و طبيب قلب في جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو (UCSF). “ولكن يوجد الآن عدد متزايد من الدراسات السريرية التي تظهر أن الأكسجين الزائد يؤدي في الواقع إلى نتائج أسوأ. وقد حفزنا هذا على فهم أفضل لسبب كون الأكسجين الزائد سامًا “.

كشفت الدراسات مؤخرًا ، على سبيل المثال ، أن استنشاق الكثير من الأكسجين الإضافي قد يكون ضارًا لمرضى النوبات القلبية والأطفال الخدج. وبالمثل ، في حالة انقطاع النفس الانسدادي النومي ، فقد ثبت أن الاندفاعات المفاجئة للأكسجين التي تعقب توقف التنفس هي مكون رئيسي لكيفية زيادة الاضطراب لمخاطر تعرض المرضى لمشاكل صحية مزمنة.

ومع ذلك ، ظلت آليات هذه التأثيرات غامضة. افترض العديد من الباحثين أن أنواع الأكسجين التفاعلية – مشتقات الأكسجين غير المستقرة وعالية التفاعل التي يمكن أن تدمر جينومنا والعديد من الجزيئات في خلايانا – لعبت على الأرجح دورًا في فرط التأكسج ، ولكن لم يكن هناك دليل يذكر لإثبات كيفية تأثير الأكسجين الزائد على إنزيمات ومسارات معينة.

كيف وجدت CRISPR الإجابة

لجأت مجموعة جاين – بما في ذلك بايك ، وزميل ما بعد الدكتوراه ، جاليه هاريبوو ، والدكتوراه ، وطالبة الدراسات العليا كيرستن زوين تشين ، وهما المؤلفان المشاركان للورقة الجديدة – إلى تقنية تحرير الجينوم CRISPR لاختبار أدوار مجموعة متنوعة من الجينات في فرط الأكسجة.

 

 

باستخدام كريسبر ، أزال الباحثون ، واحدًا تلو الآخر ، أكثر من 20 ألف جين مختلف من الخلايا البشرية التي نمت في المختبر ، ثم قارنوا نمو كل مجموعة من الخلايا بنسبة 21 في المائة من الأكسجين و 50 في المائة من الأكسجين.

يقول جين ، وهو أيضًا أستاذ مساعد للكيمياء الحيوية في جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو: “هذا النوع من الشاشة غير المتحيزة يتيح لنا التحقيق في مساهمات الآلاف من المسارات المختلفة في فرط التأكسج بدلاً من التركيز فقط على تلك التي نشتبه بالفعل في أنها قد تكون متورطة”. “لقد قادنا نحو جزيئات لم يتم نطقها من قبل في نفس الجملة مثل سمية الأكسجين.”

برزت أربعة مسارات جزيئية على الشاشة باعتبارها متورطة في تأثيرات فرط الأكسجة. وهي تتعلق بالوظائف الخلوية المتنوعة بما في ذلك إصلاح الحمض النووي التالف ، وإنتاج كتل بناء جديدة للحمض النووي ، وتوليد الطاقة الخلوية.

مجموعات البروتين مشتركة

في البداية ، لم يتمكن الفريق من تحديد القاسم المشترك بين المسارات الأربعة ولماذا تأثرت جميعًا بمستويات الأكسجين العالية. استغرق الأمر بعض التجسس الجزيئي لاكتشاف أن كل مسار يحتوي على بروتين مهم يحتوي على ذرات حديد متصلة بذرات الكبريت – ما يسمى بـ “عناقيد الحديد والكبريت” – في بنيته الجزيئية.

واصل الباحثون إظهار أنه في أقل من 30 في المائة من الأكسجين ، تتأكسد مجموعات الحديد والكبريت في البروتينات الأربعة – تتفاعل كيميائيًا مع ذرات الأكسجين – وهذا التغيير يتسبب في تحلل البروتينات. نتيجة لذلك ، تتوقف الخلايا عن العمل بشكل صحيح وتستهلك كمية أقل من الأكسجين ، مما يؤدي إلى زيادة أخرى في مستويات الأكسجين في الأنسجة المحيطة.

يقول جين: “أحد الوجبات الجاهزة المهمة هو أن فرط التأكسج لا يؤثر على الخلايا والأنسجة فقط من خلال أنواع الأكسجين التفاعلية ، كما افترض الكثيرون”. “هذا يعني أن استخدام مضادات الأكسدة – التي يمكنها محاربة أنواع الأكسجين التفاعلية إلى حد ما – من غير المرجح أن تكون كافية لمنع سمية الأكسجين.”