Heimdall SNAREs reveal an ancestral architecture of eukaryotic SNARE complexes

تعتمد الحياة كما نعرفها على انقسام جوهري بين نوعين من الخلايا. النوع الأول، الموجود في البكتيريا والعتائق (Archaea)، بسيط ويفتقر إلى المقصورات الداخلية. أما النوع الآخر، الموجود في النباتات والحيوانات والفطريات، فهو معقد، ومليء بغرف متميزة مثل النواة والميتوكوندريا المنتجة للطاقة. لعقود من الزمن، تساءل العلماء كيف ظهرت هذه الخلية المعقدة، بنظام نقلها الداخلي المتشابك، من سلف أبسط. يكمن دليل رئيسي في الآلية التي تنقل المواد بين هذه الغرف الداخلية. ففي الخلايا المعقدة، تحمل حويصلات صغيرة تسمى "vesicles" الشحنات من مكان إلى آخر، وتندمج مع الأغشية المستهدفة لتوصيل حمولتها. ويتم هذا الاندماج بواسطة مجموعة محددة من البروتينات التي تعمل مثل السحابات الجزيئية، حيث تسحب غشاءين معاً حتى يندمجا. هذه البروتينات، المعروفة باسم "SNAREs"، ضرورية للحياة في الكائنات المعقدة، لكن أصلها التطوري ظل لغزاً. هل ظهرت هذه الآلية المتطورة فجأة مع أول خلية معقدة، أم أنها تطورت من نظام أبسط كان موجوداً لدى أسلافنا القدامى؟

للإجابة على ذلك، وجه الباحثون اهتمامهم إلى مجموعة من الكائنات المجهرية تسمى "عتائق أسغارد" (Asgard archaea). اكتُشفت هذه الكائنات، وهي كائنات وحيدة الخلية، مؤخراً من خلال التحليل الجيني لرواسب المحيطات، وهي الأقرب المعروفة إلى أسلاف الحياة المعقدة. وقد وُجد أن بعض الأنواع ضمن هذه المجموعة، وتحديداً تلك المسماة "هيمدالاركيوت" (Heimdallarchaeota)، تمتلك جينات تشبه بشكل مدهش تلك المستخدمة من قبل الخلايا المعقدة للنقل الداخلي. ومن بين هذه الجينات تعليمات لصنع بروتينات تشبه سحابات "SNARE". ومع ذلك، فإن امتلاك المخطط الجيني لا يعني إثبات عمل الآلة. كان السؤال الحاسم هو ما إذا كانت هذه البروتينات القديمة يمكن أن تتجمع بالفعل في حزم مكونة من أربعة خيوط مستقرة مطلوبة لدمج الأغشية، أم أنها كانت مجرد بقايا مكسورة لنظام لم يعمل أبداً بالطريقة التي نراها اليوم.

قام فريق من العلماء بمحاولة اختبار ذلك عبر عزل ودراسة بروتينات "SNARE" من نوع "هيمدال" في المختبر. ركزوا على بروتين محدد، أطلقوا عليه اسم "HPS1"، موجود في كائن من نوع "هيمدالاركيوت". أولاً، قاموا بتنقية البروتين وفحص خصائصه الفيزيائية، فاكتشفوا أن البروتين مستقر للغاية، حيث يقاوم الحرارة والإجهاد الكيميائي الذي قد يدمر معظم البروتينات الأخرى. وعندما حللوا شكله في المحلول، لم يكن البروتيد يطفو كخيط واحد؛ بل تجمع تلقائياً مع ثلاث نسخ متطابقة من نفسه ليشكل حزمة ضيقة مكونة من أربعة خيوط. كان هذا اكتشافاً هاماً لأن الحزمة الوظيفية في الخلايا المعقدة تتكون من أربعة أنواع مختلفة من البروتينات تعمل معاً. وحقيقة أن النسخة القديمة استطاعت تكوين حزمة مستقرة باستخدام أربع نسخ متطابقة تشير إلى وجود نسخة أبسط وأقدم من هذه الآلية.

ولمعرفة كيفية بناء هذه الحزمة بدقة، قام الباحثون بزراعة بلورات البروتين واستخدموا الأشعة السينية لرسم خريطته الذرية. كشفت الصورة الناتلة عن حبل طويل ملتف مكون من أربعة خياط (helices) متطابقة تلتف حول بعضها البعض. وفي المركز تماماً لهذه الحزمة، توجد طبقة محددة حيث تلتقي أربع مجموعات كيميائية متطابقة، مكونة من الحمض الأميني "جلوتامين". في الخلايا المعقدة، تتكون هذه الطبقة المركزية عادة من مزيج من المجموعات الكيميائية المختلفة، مما يخلق بنية غير متماثلة تعد ضرورية لعملية الاندماج. وجد الباحثون أن الحزمة القديمة كانت متماثلة تماماً، حيث تبدو الجوانب الأربعة متطابقة تماماً. وبالرغم من هذا التماثل، كان قلب الحزمة محكماً ومؤمناً تماماً مثل النسخ المعقدة الموجودة في الخلايا البشرية. وهذا يشير إلى أن البنية الأساسية لحزمة "SNARE" كانت موجودة قبل وقت طويل من تطور الخلايا المعقدة، حيث نشأت من نظام متجانس يتكون من أربعة أجزاء متطابقة.

استخدم الباحثون بعد ذلك عمليات محاكاة حاسوبية لاستكشاف كيف يمكن لهذه الحزمة القديمة أن تتصرف مقارنة بالنسخة الحديثة. واختبروا ما إذا كان مجرد استبدال واحدة من مجموعات "الجلوتامين" الأربع المتطابقة بمجموعة كيميائية مختلفة، كما هو الحال في الخلايا المعقدة، سيؤدي فوراً إلى إنشاء البنية غير المتماثلة الموجودة اليوم. أظهرت عمليات المحاكاة أن هذا الاستبدال البسيط لم ينجح؛ إذ لم تعيد الحزمة ترتيب نفسها تلقائياً لتتخذ الشكل غير المتماثل المعقد. بدلاً من ذلك، ظلت التصميم القديم المتماثل مستقراً بذاته. وهذا يشير إلى أن الانتقال من النظام البسيط المكون من أربعة أجزاء متطابقة إلى النظام المكون من أربعة أجزاء متخصصة ومعقدة لم يكن تغيراً سريعاً أو عرضياً. بل من المرجح أنه تطلب عملية تطورية أطول حيث تغيرت البروتينات وتخصصت تدريجياً بمرور الوقت.

أظهرت تجارب إضافية أنه عندما قام الباحثون بإدخال النسخة كاملة الطول من هذا البروتين القديم في خلايا بشرية، فقد سافرت بنجاح إلى النظام الغشائي الداخلي للخلية، وتحديداً الشبكة الإندوبلازمية. أثبت هذا أن البروتين القديم كان متوافقاً مع الآلية الخلوية للحياة المعقدة، وقادراً على الانغراس في الأغشية وإيجاد طريقه إلى الموقع الصحيح. كما بحثت الدراسة في التاريخ الجيني لهذه البروتينات، ووجدت أنها موجودة في أنواع مختلفة من "هيمدالاركيوت" ولكنها غائبة في مجموعات أخرى ذات صلة. يدعم هذا التوزيع فكرة أن سلف الحياة المعقدة كان يمتلك على الأرجح هذا النوع المحدد من بروتين "SNARE" قبل أن ينفصل عن أقربائه من العتائق.

ترسم النتائج صورة واضحة لكيفية ظهور التعقيد الخلوي. إن الآلية الأساسية لنقل المواد داخل الخلية لم تظهر من العدم عندما تشكلت أول خلية معقدة، بل تطورت من نظام موجود مسبقاً في سلف قديم من العتائق. كان هذا السلف يمتلك حزمة بروتينية بسيطة ومتماثلة يمكنها تكوين هياكل مستقرة. وعلى مدى ملايين السنين، تم تكرار هذه المجموعة الأساسية وتعديلها، مما أدى في النهاية إلى ظهور مجموعة متنوعة ومتخصصة من البروتينات التي تحرك أنظمة النقل الداخلي المعقدة في النباتات والحيوانات الحديثة. تؤكد الدراسة أن الجذور العميقة لتعقيدنا الخلوي تكمن في العالم المتماثل القديم للعتائق، حيث اتخذت الخطوات الأولى نحو الآلية المعقدة للحياة قبل وجود أول خلية معقدة بوقت طويل.