A pan-eukaryotic analysis of mitochondrial ribosomes uncovers major evolutionary transitions

داخل كل خلية حية تحتوي على نواة، توجد محطات طاقة صغيرة تسمى الميتوكوندريا. هذه العضيات هي محركات الحياة، حيث تحرق الوقود لتوليد الطاقة التي تحتاجها الخلايا لتعمل. لكن الميتوكوندريا ليست مجرد بطاريات خاملة؛ فهي من نسل بكتيريا قديمة ابتلعتها خلية أكبر قبل مليارات السنين ولم تغادرها أبداً. وبسبب هذا التاريخ، لا تزال الميتوكوندريا تحمل مجموعتها الصغيرة الخاصة من التعليمات الجينية وآلياتها الخاصة لقراءة تلك التعليمات وبناء البروتينات. تسمى هذه الآلية بالريبوسوم الميتوكوندري. وبينما ظلت الريبوسومات الطافية في الجسم الرئيسي للخلية مستقرة نسبياً عبر العصور، خضعت النسخ الميتوكوندرية لعملية تحول جامحة وفوضوية. لقد تخلصت من أجزاء من تصميمها البكتيري الأصلي، واكتسبت قطعاً جديدة من الخلية المضيفة، وتغير شكلها بشكل جذري لدرجة أنها غالباً ما تبدو مختلفة تماماً عن أسلافها. إن فهم كيفية تغير هذه الآلات أمر بالغ الأهمية، ليس فقط لتتبع تاريخ الحياة على الأرض، ولكن أيضاً لتطوير علاجات للأمراض التي تتعطل فيها محطات الطاقة هذه.

لقد اتخذ فريق من الباحثين الآن خطوة هائلة نحو رسم مسار هذا الرحلة التطورية. فمن خلال تحليل المخططات الجينية لـ 85 نوعاً مختلفاً، تتراوح من البشر والفطريات إلى الطحالب وحيدة الخلية والطفيليات، تمكنوا من إعادة بناء تاريخ الريبوسوم الميتوكوندري بتفاصيل غير مسبوقة. وبدلاً من النظر في عدد قليل فقط من الكائنات الحية المدروسة جيداً، قاموا بمسح شجرة الحياة حقيقية النواة بأكملها لمعرفة أجزاء البروتين الموجودة في كل نوع. كان هدفهم هو تجميع شكل ما كان عليه الريبوسوم في آخر سلف مشترك لجميع حقيقيات النواة، وهو كائن نظري عاش قبل أكثر من مليار سنة، وتتبع كيف تغير مع تفرع السلالات المختلفة. والنتيجة هي شجرة عائلة شاملة لهذه الآلات الجزيئية، تكشف عن قصة من الفقدان الهائل، وإعادة التدوير الإبداعي، والمرونة المفاجئة.

بدأ الباحثون بجمع البيانات الجينية من 85 نوعاً، بما في ذلك 64 نوعاً ذات تسلسلات جينومية عالية الجودة و21 نوعاً اعتمدوا فيها على بيانات النسخ (transcript data) لسد الثغرات. واستخدموا بحثاً حاسوبياً متطوراً للعثور على الجينات التي تشفر أجزاء البروتين للريبوسوم الميتوكوندري في كل كائن حي. ولأن هذه البروتينات يمكن أن تغير شكلها وتسلسلها كثيراً بمرور الوقت، كان على الفريق توخي الحذر الشديد، حيث قاموا بمراجعة نتائجهم الحاسوبية يدوياً ومقارنتها بالبنى المعروفة والعلاقات التطورية لضمان عدم تفويت أي بروتين أو تحديد هوية بروتين بشكل خاطئ. كما طوروا قاعدة بيانات جديدة عبر الإنترنت لمشاركة نتائجهم، مما يسمح للعلماء الآخرين باستكشاف البيانات بأنفسهم. سمح هذا النهج الصارم بتحديد البروتينات التي تم التغاضي عنها سابقاً أو تصنيفها بشكل خاطي في دراسات أخرى، مما صحح السجل لعدة كائنات رئيسية.

يتعلق أحد أهم اكتشافاتهم بحالة الريبوسوم الميتوكوندري في ذلك السلف المشترك القديم. فقد وجد الفريق أن تلك الآلة القديمة كانت معقدة بشكل مفاجئ؛ إذ كانت تحتوي على جميع أجزاء البروتين تقريباً الموروثة من أسلافها البكتيرية، بالإضافة إلى 23 بروتيناً جديداً على الأقل تم استقطابها خصيصاً للمهمة الميتوكوندرية. يشير هذا إلى أن الريبوسوم أصبح أكثر تعقيداً في وقت مبكر جداً من تاريخ حقيقيات النواة، قبل فترة طويلة من تباعد المجموعات الرئيسية من الحيوانات والنباتات والفطريات. ويقدر الباحثون أنه بينما أضافت الريبوسومات في الجسم الرئيسي للخلة حوالي 11 جزءاً جديداً خلال هذه الفترة نفسها، فإن النسخة الميتوكوندرية أضافت 23 جزءاً. وهذا يشير إلى أن الانتقال من بكتيريا حرة المعيشة إلى عضية خلية متكاملة تماماً تضمن توسعاً سريعاً وجوهرياً في الآلية البروتينية، حتى قبل نقل المادة الوراثية للميتوكوندريا بشكل كبير إلى النواة الرئيسية للخلية.

ومع تنوع الحياة بعد ذلك السلف المشترك، أصبحت القصة عبارة عن تغييرات دراماتيكية ومستقلة في كثير من الأحيان. لاحظ الباحثون أن السلالات المختلفة فقدت أجزاءً مختلفة من الريبوسوم، وفي بعض الأحيان فقدت نفس البروتين عدة مرات في فروع منفصلة من الشجرة. وفي بعض الحالات، عندما فُقد بروتين، حل محله بروتين آخر. هذه العملية، المعروفة باسم "الترقيع" (patching)، كان يعتقد البعض أنها استجابة مباشرة لتقلص قلب الحمض النووي الريبوزي (RNA) الخاص بالريبوسوم، حيث تتدخل البروتينات لملء الفجوات التي يتركها الحمض النووي المختفي. ومع ذلك، تشير البيانات إلى أن هذه ليست القصة كاملة. فقد وجد الفريق حالات كثيرة فُقد فيها الحمض النووي دون أن يحل محله بروتين، وحالات كثيرة أُضيفت فيها البروتينات حتى عندما ظل الحمض النووي سليماً. وهذا يعني أن تطور الريبوسوم ليس مجرد عملية إصلاح موجهة وبسيطة، بل هو عملية أكثر فوضوية حيث تتراكم التغييرات من خلال الانجراف المحايد، حيث تبقى البروتينات الجديدة لأنها تعمل بشكل جيد بما يكفي، وليس بالضرورة لأنها مطلوبة بدقة لإصلاح جزء مكسور.

لعل الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة يتعلق بانتقال البروتينات بين الأقسام المختلفة للخلية. فقد اكتشف الباحثون أنه في عدة سلالات نباتية، تم تكرار البروتينات التي كانت تنتمي أصلاً للريبوسوم الميتوكوندري وإرسالها للعمل في البلاستيدات الخضراء، وهي العضيات المسؤولة عن التمثيل الضوئي. وفي بعض الحالات، حلت هذه البروتينات الميتوكوندرية محل بروتينات البلاستيدات الخضراء الأصلية تماماً. إن هذا التبادل للأجزاء بين محطة الطاقة واللوح الشمسي للخلية يسلط الض الضوء على توافق هيكلي مذهل؛ فآليات الريبوسوم في هذه العضيات المختلفة متشابهة جداً في بنيتها الأساسية، لدرجة أن جزءاً من إحداهما يمكن أن يعمل بشكل مثالي في الأخرى. ويشير هذا إلى أن الحدود بين هذه الآلات الخلوية أكثر سيولة مما كان يُعتقد سابقاً، مما يسمح بحدوث "تلاقح" للمكونات يدفع بمزيد من التغيير التطوري.

كما كشفت الدراسة عن علاقات خفية بين البروتينات التي كان يُعتقد سابقاً أنها غير مرتبطة ببعضها البعض. فمن خلال مقارنة أشكال وتسلسلات البروتينات عبر أنواع مختلفة، حدد الفريق أن العديد من البروتينات المسماة بأسماء مختلفة في كائنات مختلفة هي في الواقع الشيء نفسه، ولكن بأسماء مختلفة. كما وجدوا حالات تضاعف فيها جين واحد لإنشاء نسختين مختلفتين قليلاً من البروتين، وكلاهما انتهى به الأمر للعمل في الريبوسوم. أدت هذه النتائج بالباحثين إلى اقتراح نظام تسمية جديد وموحد لجميع بروتينات الريبوسوم الميتوكوندري لإضفاء النظام على الارتباك. كما لاحظوا أن بعض البروتينات قصيرة جداً أو مختلفة جداً عن أقربائها لدرجة يصعب معها العثور عليها باستخدام عمليات البحث الحاسوبية القياسية، مما يعني أن التنوع الحقيقي لهذه الآلات قد لا يزال أقل من الواقع.

في النهاية، ترسم هذه الدراسة صورة للريبوسوم الميتوكوندري كآلة شديدة التكيف تم إعادة تشكيلها باستمرار بفعل قوى التطور. لقد بدأ كمحرك بكتيري، ثم ازداد تعقيداً مع اندماجه في الخلية حقيقية النواة، ثم تفتت إلى مجموعة متنوعة ومذهلة من الأشكال مع تكيف الأنواع المختلفة مع بيئاتها المحددة. ويؤكد الباحثون أنه بينما قاموا برسم الاتجاهات الرئيسية، فإن القصة الكاملة لا تزال تُكتب. إن قدرة هذه الريبوسومات على فقدان، واكتساب، وتبادل الأجزاء بهذه السهولة تظهر مرونة تطورية رائعة. تسمح هذه المرونة للحياة بالتلاعب بأكثر آلاتها جوهرية، وخلق تنوع هائل في الحلول لمشكلة بناء البروتينات داخل محطات الطاقة داخل الخلية. ومع حل المزيد من البنى وتسلسل المزيد من الجينومات، ستصبح الصورة أكثر وضوحاً، لتكشف مدى التغيير الذي أحدثته الحياة في أدواتها من أجل البقاء.