كشف سر جينوم "Z" الغامض الموجود لدى بعض الفيروسات!

عادة ما يُكتب مخطط الحياة على كوكبنا بواسطة جزيئات الحمض النووي باستخدام أبجدية جينية من أربعة أحرف.

ولكن بعض الفيروسات التي تغزو البكتيريا تحمل الحمض النووي برمز مختلف - Z - ما قد يساعدها على البقاء على قيد الحياة.

وتصف سلسلة من الأوراق البحثية الجديدة كيف تدخل هذه الرسالة الكيميائية الغريبة في الحمض النووي الفيروسي، وقد أظهر الباحثون الآن أن "الجينوم Z" أكثر انتشارا في الفيروسات التي تغزو البكتيريا في جميع أنحاء العالم - وربما تطورت لمساعدة مسببات الأمراض البقاء على قيد الحياة في الظروف الحارة والقاسية لكوكبنا المبكر.

ونُشرت الدراسات الثلاث المنفصلة يوم الخميس (29 أبريل) في مجلة Science.

ويتكون الحمض النووي دائما من الأبجدية نفسها المكونة من أربعة رموز من المركبات الكيميائية المعروفة باسم النيوكليوتيدات: غوانين (G) وسيتوزين (C) وثايمين (T) وأدينين (A). ويتكون جزيء الحمض النووي من خيطين من هذه المواد الكيميائية مرتبطان معا في شكل حلزون مزدوج. وأبجدية الحمض النووي هي نفسها سواء أكانت ترميزا للضفادع أو البشر أو النبات، لكن التعليمات مختلفة. ويستخدم جزيء RNA الأبجدية نفسها تقريبا، لكنه يستخدم uracil (U) بدلا من الثايمين.

وفي عام 1977، اكتشفت مجموعة من العلماء في روسيا لأول مرة أن داء سيانوفاج، أو فيروس يغزو مجموعة من البكتيريا المعروفة باسم البكتيريا الزرقاء، قد استبدل كل ما له من مادة كيميائية 2-aminoadenine (Z). وبعبارة أخرى، الأبجدية الجينية التي تتكون عادة من ATCG في معظم الكائنات الحية على كوكبنا كانت ZTCG في هذه الفيروسات.

وفي أواخر الثمانينيات، وجد الباحثون أن هذا النوكليوتيد Z، أعطى الفيروس بالفعل بعض المزايا: كان أكثر ثباتا في درجات الحرارة المرتفعة، فقد ساعد Z خيطا واحدا من الحمض النووي على الارتباط بشكل أكثر دقة بالخيط الثاني من الحمض النووي بعد التكاثر (الحمض النووي مزدوج الشريط)، ويمكن أن يقاوم Z-DNA بروتينات معينة موجودة في البكتيريا والتي عادة ما تدمر الحمض النووي الفيروسي.

والآن، اكتشفت مجموعتان بحثيتان في فرنسا وواحدة في الصين قطعة أخرى من اللغز: كيف ينتهي المطاف بهذا النوكليوتيد Z في جينومات العاثيات - الفيروسات التي تغزو البكتيريا وتستخدم آليتها للتكاثر.

وحددت المجموعات البحثية الثلاث جميعها، باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات الجينومية، جزءا من المسار الذي يؤدي إلى الجينوم Z في العاثيات.

ووجدت المجموعتان الأوليان نوعين من البروتينات الرئيسية المعروفة باسم PurZ وPurB والتي تشارك في صنع النيوكليوتيد Z. وبمجرد أن يحقن السيانوفاج الحمض النووي الخاص به في البكتيريا لتكرار نفسه، تحدث سلسلة من التحولات: يصنع هذان البروتينان سلائف جزيء Z، ثم يحولان جزيء Z إلى نوكليوتيد Z. ثم تقوم بروتينات أخرى بتعديله بحيث يمكن دمجه في الحمض النووي.

وحددت المجموعة الثالثة الإنزيم المسؤول عن تجميع جزيئات DNA جديدة من جزيء DNA الأصلي: بوليميريز DNA المعروف باسم DpoZ. وجدوا أيضا أن هذا الإنزيم يستبعد على وجه التحديد النوكليوتيد A ويضيف دائما Z بدلا منه.

وقالت سوين تشاو، الأستاذة المساعدة في كلية علوم وتكنولوجيا الحياة بجامعة ShanghaiTech، والمعدة الرئيسية لإحدى الدراسات: "يعتقد الناس أن هذا الجينوم Z كان نادرا جدا".

وحللت تشاو وفريقها تسلسل العاثيات مع جينوم Z وقارنوها بالكائنات الحية الأخرى. واكتشفوا أن جينومات Z هي في الواقع أكثر انتشارا مما كان يعتقد سابقا. وكان الجينوم Z موجودا في أكثر من 200 نوع مختلف من العاثيات.

وقال بيير ألكسندر كامينسكي، الباحث في معهد باستور في فرنسا، والمعد الرئيسي لدراسات أخرى ومعد مشارك في الدراسة الثالثة، إن العاثيات التي تحمل هذا الجينوم Z "يمكن اعتبارها شكلا مختلفا من أشكال الحياة". ولكن "من الصعب معرفة الأصل الدقيق"، ومن الضروري استكشاف مدى وجود بروتين PurZ هذا عبر العاثيات - وربما حتى الكائنات الحية، كما قال لـ "لايف ساينس".

وقام كامينسكي وفريقه بتحليل التاريخ التطوري لبروتين PurZ، واكتشفوا أنه مرتبط ببروتين يسمى PurA موجود في العتائق، والذي يصنع النيوكليوتيد A. ويثير هذا الارتباط التطوري "البعيد" التساؤل عما إذا كانت البروتينات المشاركة في صنع النيوكليوتيد Z نشأت أولا في البكتيريا وتكيفت مع الفيروسات في النهاية، أو ما إذا كانت تحدث بشكل متكرر في أشكال الحياة الأولية على الكوكب، وربما حتى داخل الخلايا، وفقا لما كتبه مايكل غروم وفارين إيزاك من جامعة Yale، اللذان لم يكونا جزءا من الدراسات، في مقال منظور ذي صلة نُشر أيضا في مجلة Science في 29 أبريل.

وغالبا ما يتم توريث PurZ وDpoZ معا، ما يشير إلى أن جينومات Z كانت موجودة إلى جانب الحمض النووي الطبيعي منذ الأيام الأولى للحياة على كوكبنا، قبل 3.5 مليار سنة، كما كتبوا. وعلاوة على ذلك، اكتشف تحليل أجري في عام 2011 لحجر نيزكي سقط في القارة القطبية الجنوبية في عام 1969، النوكليوتيدات Z إلى جانب بعض النيوكليوتيدات المعيارية وغير القياسية التي يحتمل أن تكون من أصل خارج كوكب الأرض.

ومن الممكن أن يكون هذا الجينوم Z، إذا كان موجودا في وقت مبكر من تاريخ كوكبنا، قد يمنح ميزة لأشكال الحياة المبكرة. وقالت تشاو: "أعتقد أنه من الأنسب لكائنات الجينوم Z البقاء على قيد الحياة في البيئة الحارة والقاسية" للكوكب المبكر.

وعندما يتحد خيطان من الحمض النووي الطبيعي معا لتشكيل حلزون مزدوج، تربط رابطتان هيدروجينيتان من A إلى T، وتربط ثلاث روابط هيدروجينية بين G وC. ولكن عندما يتم استبدال A بـ Z، تربطهما ثلاث روابط هيدروجينية معا، ما يجعل الرابطة أقوى. وقال كامينسكي إن هذا هو الحمض النووي غير الطبيعي الوحيد الذي يعدل الرابطة الهيدروجينية.

ولكن ليس من المستغرب أن الجينوم Z ليس منتشرا عبر الأنواع اليوم. وقالت تشاو إن الجينوم Z يخلق حمضا نوويا مستقرا للغاية، ولكن ليس مرنا. وأوضحت أنه بالنسبة للعديد من الأحداث البيولوجية، مثل تكرار الحمض النووي، نحتاج إلى فك ضغط الشريط المزدوج، كما أن الرابطة الهيدروجينية الإضافية تجعل فك الضغط أكثر صعوبة.

ومع ذلك، فإن استقرار الجينوم Z يجعله مرشحا مثاليا لتقنيات معينة. والآن بعد أن عرف الباحثون البروتينات التي يستخدمها الفيروس لصنع جينومات Z، يمكن للعلماء صنعها بأنفسهم.

وعلى سبيل المثال، قد يساعد الجينوم Z في تحسين العلاج بالعاثيات، وهي طريقة لعلاج العدوى البكتيرية التي تستخدم العاثيات، عادة عندما تطور البكتيريا مقاومة للمضادات الحيوية. أو يمكن استخدامه لتحسين طول العمر والقدرة على الاستهداف لخيوط الحمض النووي المستخدمة في العلاج الجيني. وعلاوة على ذلك، يمكن للباحثين دراسة ما يمكن أن يحدث إذا قاموا بدمج جينوم Z في الخلايا لتحسين عمل الخلية.

وقالت تشاو، لكن لا يزال هناك الكثير من الأسئلة التي لم تتم الإجابة عنها حول الجينوم Z. على سبيل المثال، تأمل في فهم ما إذا كان هيكلها ثلاثي الأبعاد له أي اختلافات عن تلك الموجودة في الحمض النووي الطبيعي.

ومن غير المعروف ما إذا كان الجينوم Z يمكنه أيضا تكوين خيوط من الحمض النووي الريبي النسبي، وفقا للمقالة. وليس من الواضح هل يمكن للجينوم Z  أن يندمج في جينات المضيف البكتيري للفيروس. وما هو واضح من هذه الدراسات هو أن جينوم Z أكثر انتشارا مما كنا نعتقد - وقد تكون له قصة تطورية مثيرة للاهتمام للغاية.