Trypanosoma congolense Variant Surface Glycoprotein gene expression occurs in the absence of monoallelic transcription control

من أجل البقاء داخل ثديي، يجب على طفيلي أحادي الخلية أن يغير تنكره باستمرار. يعمل الجهاز المناعي للمضيف مثل قوة أمنية مدربة تدريبًا عاليًا، حيث يتعلم التعرف على الغطاء السطحي المحدد للغزو ثم يهاجمه. وللبقاء خطوة للأمام، تمارس العديد من مسببات الأمراض خدعة تسمى التباين المستضدي؛ فهي تحمل مكتبة هائلة من البروتينات السطحية المختلفة ولكنها لا تعرض منها سوى واحد فقط في كل مرة. وعندما يتعلم الجهاز المناعي للمضيف أخيرًا كيفية رصد ذلك البروتين المحدد ويشن هجومًا، يقوم الطفيلي بتبديله بآخر مختلف من مكتبته، مما يغير وجهه فعليًا قبل أن يتمكن الجهاز المناعي من اللحاق به. هذه العملية مفهومة جيدًا في حالة المثقب الأفريقي (Trypanosoma brucei)، المسبب لمرض النوم. وفي هذا النوع، يعد الطفيلي "أحدي الزواج" فيما يتعلق بتنكره: ففي أي لحظة، تعبر خلية واحدة فقط عن جين واحد لبروتين سطحي بينما تبقي جميع الجينات الأخرى صامتة. ويتم إدارة هذا التحكم "أحادي الأليل" بواسطة آلية جزيئية متطورة تضمن نشاط جين واحد فقط، مما يسمح للمجتمع بالتحول في مظهره في موجة متسلسلة ومنسقة.

ومع ذلك، فإن طفيليًا قريبًا جدًا، وهو المثقب الكونغولي (Trypanosa congolense)، الذي يسبب مرضًا فتاكًا للماشية في جميع أنحاء أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى، ظل لغزًا طويل الأمد. وبينما كان العلماء يعلمون أنه يستخدم أيضًا البروتينات السطحية للتهرب من المناعة، إلا أنهم لم يعرفوا كيف يتحكم في التعبير عن هذه الجينات. هل يتبع نفس قاعدة الجين الواحد الصارمة مثل قريبه، أم أنه يعمل بشكل مختلف؟ وضع فريق من الباحثين في جامعات عبر المملكة المتحدة وبلجيكا نصب أعينهم الإجابة على هذا السؤال من خلال النظر مباشرة إلى النشاط الجيني للبرازيتات الفردية. أرادوا معرفة ما إذا كانت القواعد التي تحكم مسبب مرض النوم الشهير تنطبق أيضًا على هذا الوباء الزراعي.

بدأ الباحثون بزراعة مستنبتات من T. congolense في المختبر وفحص الرسائل الجينية، أو النسخ (transcripts)، التي تنتجها الطفيليات. توقعوا أن يجدوا أنه، مثل T. brucei، سيكون كل خلية مركزة على جين واحد لبروتين سطحي. وبدلاً من ذلك، وجدوا مشهدًا فوضويًا. ففي مجموعات صغيرة من الطفيليات المستنسخة حديثًا، رصدوا مئات الجينات المختلفة للبروتينات الساسية وهي نشطة في الوقت نفسه. كان هذا تناظرًا صارخًا مع T. brucei، حيث تعبر كل خلية تقريبًا عن جين مهيمن واحد فقط. وللتأكد من أن هذا لم يكن مجرد صدفة ناتجة عن تبادل الطفيليات للجينات لإنشاء تركيبات جديدة، صنع العلماء نسخًا متحورة من T. congolense تفتقر إلى القدرة على إجراء إعادة التشكيل الجيني. وحتى بدون هذه القدرة على خلط أوراقها الجينية، استمرت الطفيليات في التعبير عن مجموعة واسعة من البروتينات السطحية المختلفة في آن واحد. لم يكن هذا التنوع نتيجة لتبادل الجينات، بل كان سمة أساسية لكيفية قراءة هذه الطفيليات لحمضها النووي الخاص.

لفهم ما يحدث داخل خلية واحدة، لجأ الفريق إلى تقنية "ترانسكريبتوميات الخلية الواحدة" (single-cell transcriptomics)، وهي تقنية تسمح للعلماء بالاستماع إلى المحادثات الجينية للخلايا الفردية بدلاً من مجرد متوسط الضجيج لمجتمع كامل. قاموا بتحليل آلاف خلايا T. congolense الفردية وقارنوها بآلاف خلايا T. brucei. كان الفرق فوريًا وعميقًا. ففي عينات T. brucei، كانت كل خلية تقريبًا تعبر عن جين واحد لبروتين سطحي، مع همس ضئيل للغاية لثانٍ هنا وهناك. أما خلايا T. congolense، فقد كانت تعبر عن جينات بروتين سطحي متعددة في وقت واحد. وُجد أن خلية نموذجية من T. congolense تقوم بنسخ ما بين اثنين إلى ثلاثين جينًا مختلفًا للبروتين السطحي في آن واحد. في الواقع، كانت غالبية الخلايا تعبر بشكل مشترك عن جينات متعددة، وكان المزيج المحدد من الجينات يختلف اختلافًا جذريًا من خلية إلى أخرى. كانت بعض الخلايا تعبر عن اثني عشر بروتينًا مختلفًا، بينما كانت أخرى تعبر عن عدد قليل، لكن قاعدة "جين واحد لكل خلية" كانت غائبة تمامًا.

قام الباحثون بعد ذلك برسم موقع هذه الجينات النشطة داخل جينوم الطفيلي لمعرفة ما إذا كان هناك "مركز قيادة" محدد حيث يتم تشغيل هذه الجينات. في T. brucei، يوجد موقع مخصص في نهايات الكروموسومات حيث يستقر الجين النشط، بينما تظل جميع النسخ الأخرى صامتة. أما في T. congolense، فلم يوجد مثل هذا الموقع المخصص. كانت الجينات النشطة منتشرة في جميع أنحاء الجينوم، موجودة في كروموسومات كبيرة وأخرى صغيرة، وغالبًا بعيدة عن نهايات الكروموسومات حيث توجد المواقع النشطة عادة في أنواع المثقبات الأخرى. الجينات التي يتم التعبير عنها معًا في خلية واحدة لم تكن جيرانًا؛ بل كانت تقع في أجزاء مختلفة تمامًا من الجينوم. أشار هذا إلى أن T. congolense لا يعتمد على موقع تعبير متخصص واحد للتحكم في تنكره. بدلاً من ذلك، يبدو أن لديه الحرية لتشغيل العديد من جينات البروتين السطحي في وقت واحد، بغض النظر عن مكان وجودها في الحمض النووي.

ولرؤية ما إذا كان هذا السلوك الغريب فريدًا في المختبر أو إذا كان يحدث في عدوى حقيقية، كرر الفريق التجربة باستخدام طفيليات مأخوذة مباشرة من فئران مصابة. قاموا بحصاد الطفيليات من دم الحيوانات في مراحل مختلفة من العدوى وحللوها بشكل فردي. وحتى في البيئة المعقدة لمضيف حي، ظل النمط كما هو. كانت الغالبية العظمى من خلايا T. congolense تعبر عن جينات بروتين سطحي متعددة في وقت واحد، بينما استمرت خلايا T. brucei من نفس نوع التجربة في التمسك بقاعدة الجين الواحد. أكد هذا أن غياب التحكم الصارم ليس نتاجًا لظروف المختبر، بل هو سمة جوهرية لـ T. congolense. كما اختبر الباحثون سلالة مختلفة من T. congolense ووجدوا النتيجة نفسها، مما يشير إلى أن هذه سمة عالمية لهذا النوع.

تتحدى هذه النتائج الافتراض الذي ساد لفترة طويلة بأن جميع المثقبات الأفريقية تستخدم نفس الآلية للتهرب من المناعة. فبينما يعتمد T. brucei على تبديل صارم ومتسلسل لتنكر واحد، يبدو أن T. congolense يرتدي رداءً مرقعًا من العديد من التنكرات المختلفة في آن واحد. يشير هذا إلى أن الطفيلي قد يربك الجهاز المناعي ليس عن طريق تغيير وجهه واحدًا تلو الآخر، بل من خلال تقديم مزيج متغير وغير متجانس من الوجوه دفعة واحدة. كما استبعدت الدراسة فكرة أن هذا التنوع يأتي من قيام الطفيليات بتبادل الجينات باستمرار لإنشاء تركيبات جديدة، حيث أظهرت النسخ المتحورة غير القادرة على تبادل الجينات نفس المستوى العالي من التنوع. بدلاً من ذلك، ينبع التنوع من القدرة على نسخ العديد من الجينات في الوقت نفسه.

يفتح هذا الاكتشاف أسئلة جديدة حول كيفية بقاء هذه الطفيليات. فإذا كانت خلية T. congolense مغطاة بمزيج من البروتينات المختلفة، فكيف تتجنب الهجوم؟ وجد الباحثون أنه بينما تنتج الخلايا العديد من الرسائل الجينية، فإن العدد الفعلي لجزيئات البروتين المكتشفة على السطح كان أقل من عدد الرسائل، مما يشير إلى أن مستوى من التحكم قد يظل قائمًا بعد قراءة الجينات، ربما من خلال تصفية أي البروتينات تصل بالفعل إلى السطح. ومع ذلك، فإن الآلية الأساسية لتشغيل الجينات تختلف بوضوح عن قريبه. وتخلص الدراسة إلى أن التطور قد سلك مسارين مختلفين تمامًا لحل المشكلة ذاتها: أحد المسارين يؤدي إلى تركيز صارم على جين واحد، بينما يؤدي الآخر إلى تعبير جيني متعدد وفوضوي. هذا الاختلاف في الاستراتيجية يسلط الض الضوء على القدرة المذهلة على التكيف لدى هذه الطفيليات، ويشير إلى أن القواعد التي تحكم بقاءها أكثر تنوعًا مما كان متصورًا سابقًا.