Loss of replication and transcription systems accompanying transition to nucleus-dependent replication in Ariadnavirales, a proposed new order in nucleocytoviricot class Megaviricetes

غالبًا ما يُنظر إلى الفيروسات على أنها طفيليات بسيطة تسخر آلات الخلية لصنع نسخ من نفسها. وبالنسبة لأكبر الفيروسات المعروفة، والتي تحمل مادة وراثية مكونة من الحمض النووي (DNA)، كانت القصة السائدة هي أنها تبني مصانع خاصة بها داخل سيتوبلازم الخلية المضيفة، وهو السائل الهلامي الذي يملأ المساحة المحيطة بالنواة. تسمح هذه المصانع الفيروسية لها بتكرار شفرتها الوراثية وبناء جسيمات فيروسية جديدة دون الحاجة إلى دخول مركز قيادة الخلية، وهو النواة حيث يُحفظ الحمض النووي الخاص بالخلية نفسها. وتعد هذه الاستقلالية سمة مميزة للمجموعة المعروفة باسم "nucleocytoviricots"، وهي عائلة ضخمة من فيروسات الحمض النووي مزدوج الشريط تشمل بعضًا من أضخم الكيانات البيولوجية على وجه الأرض. وقد افترض العلماء لفترة طويلة أن هذه الفيروسات تحمل المجموعة الكاملة من التعليمات اللازمة لإدارة عمليات التضاعف والنسخ الخاصة بها، حيث تعمل أساسًا كآلات مستقلة بمجرد إصابتها للمضيف.

ومع ذلك، كشفت دراسة جديدة عن مجموعة من هذه الفيروسات العملاقة التي يبدو أنها تخلت عن هذه الاستراتيجية تمامًا. فمن خلال البحث في مجموعات هائلة من البيانات الجينية من المحيطات وبيئات المياه العذبة، حدد الباحثون رتبة غير معروفة سابقًا من الفيروسات التي فقدت تقريبًا جميع الجينات المطلوبة لنسخ حمضها النووي الخاص أو قراءة تعليماتها الجينية. وبدلاً من بناء مصانعها الخاصة، يبدو أن هذه الفيروسات تعتمد كليًا على نواة الخلية المضيفة للقيام بالعمل نيابة عنها. ويتحدى هذا الاكتشاف الرؤية الراسخة منذ فترة طويلة بأن الفيروسات الكبيرة ذات اكتفاء ذاتي، ويشير إلى تاريخ تطوري أكثر تعقيدًا حيث اختارت بعض العمالقة أن تصبح معتمدة على مركز القيادة ذاته الذي كان يُعتقد أنها تتجنبه.

بدأ الباحثون، بقيادة فريق في المعهد الوطني للصحة ومعهد باستور، تحقيقهم بفيروس يسمى "Sicyoidochytrium minutum DNA virus"، أو SmDNAV اختصارًا. تم عزل هذا الفيروس في الأصل من كائن وحيد الخلية يسمى "thraustochytrid"، وهو ينتمي إلى مجموعة من الطلائعيات الموجودة في البيئات البحرية. في وقت اكتشافه، كان SmDNAV حالة غريبة؛ فقد بدا كفيروس عملاق لكنه لم يتشارك سوى القليل من التشابهات الجينية مع أي فيروس آخر معروف. ولفهم مكانته في شجرة الحياة، استخدم الفريق برامج حاسوبية لمسح قواعد البيانات الجينية، بحثًا عن تسلسلات جينية أخرى تطابق البروتينات الموجود استخراجها من SmDNAV. وقد وجدوا العديد من التطابقات المخفية داخل البيانات الجينية لكائنات أخرى وحيدة الخلية، بما في ذلك الطحالب وأنواع مختلفة من الطلائعيات من كل من الموائل المالحة والعذبة.

ومن خلال تجميع هذه الشظايا الجينية، أعاد الفريق بناء الجينومات لعدة فيروسات جديدة مرتبطة بـ SmDNAV. وقد أطلقوا على هذه المجموعة الجديدة اسم "Ariadnavirales"، في إشارة إلى الأميرة الأسطورية "أريادني" التي ساعدت البطل "ثيسيوس" على الهروب من المتاهة، مما يعكس الطبيعة المعقدة والمتعرجة للطلائعيات المضيفة التي تصيبها هذه الفيروسات. إن جينومات هذه الفيروسات ضخمة، حيث يبلغ طولها حوالي 200,000 زوج قاعدي، وهو حجم كافٍ لتشفير مئات البروتينات. ومع ذلك، عندما فحص الباحثون التعليمات المحددة داخل هذه الجينومات، وجدوا غيابًا صادمًا. فقد فقدت الفيروسات الجينات الخاصة بالآلات الأساسية التي تستخدمها معظم الفيروسات العملاقة الأخرى لنسخ حمضها النووي ونسخه إلى RNA. وتحديدًا، كانت تفتقر إلى الإنزيمات التي تعمل كآلات النسخ الأولية وأدوات قراءة المعلومات الجينية.

كانت أدوات معالجة المعلومات الوحيدة التي احتفظت بها هذه الفيروسات هي عدد قليل من البروتينات المتخصصة التي تساعد في تنظيم الحمض النووي وإصلاحه، لكن العمل الشاق المتمثل في التضاعف والنسخ قد اختفى. يشير هذا الفقدان إلى أن "Ariadnavirales" قد تطورت لتعتمد تمامًا على نواة الخلية المضيفة لتضاعف مادتها الوراثية. وفي تحول يضيف إلى الغموض، أظهرت الملاحظات السابقة للخلايا المصابة بفيروس SmDNAV أن الفيروس يتسبب في اختفاء نواة المضيف، ومع ذلك لا يزال الفيروس ينجح في التضاعف. وهذا يعني استراتيجية فريدة حيث قد يقوم الفيروس بتفكيك الحاجز النووي للوصول إلى آلات المضيف مباشرة، أو ربما يستقطب الأدوات اللازمة من النواة قبل انهيار الهيكل. هذا السلوك متميز عن الفيروسات المعروفة الأخرى التي إما تبقى في السيتوبلازم مع أدواتها الخاصة أو تنتقل إلى النواة للتضاعف مع الحفاظ على سلامة النواة.

كما وضعت الدراسة هذه الفيروسات على الخريطة التطورية. ومن خلال مقارنة البروتينات التي تشترك فيها جميع الفيروسات العملاقة، مثل وحدات البناء لأغلفتها الخارجية، حدد الباحثون أن "Ariadnavirales" مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمجموعة أخرى من الفيروسات التي تفتقر أيضًا إلى بعض جينات التضاعف. وتُشكل معًا فرعًا عميقًا في شجرة عائلة الفيروسات العملاقة، مما يشير إلى أن فقدان هذه الجينات الأساسية حدث في وقت مبكر من تاريخهما المشترك. وأشار الباحثون إلى أنه بينما فقدت بعض الفيروسات الصغيرة الأخرى هذه الجينات أيضًا، إلا أنها تميل إلى امتلاك جينومات أصغر بكثير. وتعد "Ariadnavs" فريدة من نوعها لأنها حافظت على حجم جينوم كبير مع التخلص من الأجزاء الأكثر حيوية من أدواتها التشغيلية. يشير هذا الفقدان الانتقائي إلى مسار تطوري متطور وليس مجرد تدهور بسيط.

تسلط النتائج الضوء أيضًا على مدى ما يظل مخفيًا من العالم الفيروسي. فلم يتم العثور على هذه الفيروسات الجديدة في مزارع مخبرية، بل تم اكتشافها من خلال تنقيب البيانات الجينية من العينات البيئية، وهي تقنية كشفت عن تنوع خفي للحياة في المحيطات. وتشير الدراسة إلى أن استراتيجية الاعتماد على نواة المضيف هي أكثر شيوعًا بين الفيروسات العملاقة مما كان يُعتقد سابقًا، حيث تظهر في خطوط تطورية مستقلة متعددة. وبينما تظل الآليات الدقيقة لكيفية تفاعل هذه الفيروسات مع نواة المضيف غير واضحة، فإن الأدلة تشير إلى تحول جوهري في كيفية بقاء هذه الكيانات البيولوجية. لقد استبدلوا الاستقلالية بالكفاءة، معتمدين على الأنظمة الداخلية للمضيف للقيام بالعمل الذي كانت تقوم به أسلافهم ذاتيًا. يفتح هذا الاكتشاف تساؤلات جديدة حول مرونة التطور الفيروسي والحدود بين أشكال الحياة المستقلة وتلك المعتمدة كليًا على مضيفيها.