Pan-genome analysis of whole genome of Chlamydia trachomatis uncovers a highly conserved core and structured accessory variations

غالبًا ما تُعتبر البكتيريا كائنات بسيطة وحيدة الخلية، لكن مخططاتها الجينية تروي قصة أكثر تعقيدًا. فكل بكتيريا تحمل مجموعة من التعليمات، وهي جينومها، الذي يحدد كيف تعيش وتتفاعل مع العالم. لطالما عرف العلماء أنه بينما تتشارك أعضاء النوع البكتيري الواحد كمية هائلة من المادة الوراثية، إلا أنهم ليسوا نسخًا متطابقة. فبعض الجينات أساسية وموجودة في كل فرد من أفراد النوع، مما يشكل أساسًا مستقرًا، بينما تعمل جينات أخرى كأدوات اختيارية، تظهر في بعض السلالات وتغيب في أخرى، مما يسمح للبكتيريا بالتكيف مع بيئات أو تحديات معينة. ويُسمى هذا التجمع لكل الجينات الموجودة عبر نوع كامل بـ "البان-جينوم" (pangenome). إن فهم التوازن بين هذه الجينات المشتركة والأساسية، وتلك المتغيرة والاختيارية، أمر بالغ الأهمية لمعرفة كيفية تطور البكتيريا، وكيف تسبب الأمراض، وكيف يمكننا إيقافها.

إحدى هذه البكتيريا هي "كلاميديا تراكوماتيس" (Chlamydia trachomatis)، وهي المسبب الرئيسي لعدوى شائعة منقولة جنسيًا في جميع أنحاء العالم. إنها بارعة في البقاء داخل الخلايا البشرية، حيث تخلصت من العديد من الجينات اللازمة لصنع طاقتها الخاصة وتعتمد كليًا على مضيفها للحصول على الوقود. ولأن حياتها تعيش ضمن قيود شديدة، فإن جينومها صغير ومدمج. ومع ذلك، حتى داخل هذه الحزمة الجينية الضيقة، يوجد تباين. تقليديًا، كان الباحثون ينظرون إلى جين واحد أو اثنين فقط لتحديد السلالات المختلفة لهذه البكتيريا، لكن هذا النهج قد يغفل أحيانًا الصورة الأكبر لكيفية ارتباط هذه الميكروبات ببعضها البعض. وللحصول على رؤية أوضح، قرر فريق من العلماء من البرازيل فحص المكتبة الجينية الكاملة لسبعين سلالة مختلفة من "كلاميديا تراكوماتيس". أرادوا معرفة مقدار ما هو مشترك في الجينوم بين جميع السلالات بالضبط، ومقدار ما هو فريد لمجموعات محددة، مما يعني فعليًا رسم الخريطة الجينية الكاملة لهذا النوع.

جمع الفريق تسلسلات جينية كاملة لسبعين سلالة مختلفة متاحة في قاعدة بيانات عامة. لم يكتفوا بالنظر في الحمض النووي الخام فحسب؛ بل فحصوا بعناية "التوصيفات" (annotations)، وهي الملصقات التي يستخدمها العلماء لتحديد وظيفة كل قطعة من الحمض النووي. وباستخدام برنامج حاسوبي متخصص، قاموا بتجميع الجينات المتشابهة معًا في عائلات. وإذا ظهر جين في سلالة ما، فإنه يُعلم كـ "موجود"، وإذا كان مفقودًا، فإنه يُعلم كـ "مفقود". ومن خلال رصف هذه الجينومات السبعين جنبًا إلى جنب، استطاعوا عدّ عدد عائلات الجينات العالمية، التي تظهر في كل سلالة، وعدد الجينات الإضافية (accessory)، التي تظهر في بعض السلالات فقط.

كشفت النتياج عن جينوم مستقر بشكل ملحوظ. فمن بين ما يقرب من ألف عائلة جينية متميزة تم تحديدها عبر جميع السلالات، وُجد ما يقرب من أربعة أخماس في كل واحدة منها. تمثل هذه المجموعة "الأساسية" (core) من الجينات مجموعة الأدوات الأساسية التي تحتاجها كل بكتيريا "كلاميديا تراكوماتيس" للبقاء على قيد الحياة. ووجد الباحثون أن هذه المجموعة الأساسية مهيمنة لدرجة أنك لو نظرت إلى خمسين سلالة فقط، لكنت قد اكتشفت بالفعل 99.5% من التنوع الجيني المتاح في المجموعة بأكملها. ولم يغير إضافة العشرين سلالة المتبقية إلى الدراسة سوى القليل في العدد الإجمالي، حيث لم تساهم الجينومات الأخيرة بأي جينات جديدة تقريبًا. وهذا يشير إلى أن النوع قد وصل إلى نقطة تشبع حيث التنوع الجيني المتاح محدد جيدًا ولا يتوسع بسرعة مع العينات الجديدة.

وبينما المجموعة الأساسية ضخمة وثابتة، فإن الجزء المتبقي من الجينوم، المعروف باسم "الجينوم الإضافي" (accessory genome)، يحمل مفتاح الاختلافات بين السلالات. هذا الجزء الأصغر، الذي يضم حوالي خمس الجينات الإجمالية، هو حيث يكمن التنوع. بعض هذه الجينات شائع، حيث يظهر في معظم السلالات، بينما البعض الآخر نادر، ويظهر في سلالة واحدة أو اثنتين فقط. وجد الباحثون أن عدد الجينات في أي سلالة واحدة يتفاوت قليلاً، حيث يتراوح بين حوالي ثمانمائة وسبعين إلى تسعمائة جين. ومع ذلك، لم يكن هذا التباين فوضى عشوائية؛ بل كان مهيكلًا. فعندما قارنوا الجينات الإضافية بين السلالات المختلفة، وجدوا أن بعض أزواج السلالات متطابقة تقريبًا في محتواها الجيني، بينما كانت سلالات أخرى مختلفة تمامًا. وقد خلق هذا مجموعات متميزة، مما يشير إلى أن بعض مجموعات البكتيريا تتشارك في مجموعات محددة من الأدوات الاختيارية التي لا تمتلكها المجموعات الأخرى.

كما بحثت الدراسة في مدى تشابه تسلسلات البروتينات الفعلية داخل هذه العائلات الجينية. وُجد أن البروتينات، وهي الأجزاء العاملة المبنية من التعليمات الجينية، متشابهة تقريبًا عبر السلالات المختلفة، بمتوسط تشابه يزيد عن 98%. ويؤكد هذا المستوى العالي من الحفظ (conservation) أن النوع مترابط جينيًا بشكل وثيق للغاية. ومع ذلك، كان الباحثون حذرين في ملاحظة أن الجينات القليلة التي تظهر في سلالة واحدة فقط، والمعروفة باسم "المنفردات" (singletons)، تتطلب مزيدًا من الاستقصاء. فقد تم تحديد بعض هذه الجينات الفريدة بأن لها وظائف محددة، مثل المساعدة في إنتاج الطاقة أو تفكيك الجزيئات، لكن الكثير منها كان مجرد "افتراضي" لأن وظيفتها غير معروفة. وأكد الفريق أن هذه الجينات النادرة قد تكون سمات بيولوجية حقيقية، أو قد تكون مجرد نتاج لكيفية معالجة البيانات، ولا يمكن الوثوق بها تمامًا حتى يتم التحقق منها بطرق أكثر توحيدًا.

في نهاية المطاف، ترسم هذه العمل صورة لبكتيريا ثابتة للغاية في بيولوجيتها الأساسية ولكنها مرنة بما يكفي للحفاظ على جيوب صغيرة ومنظمة من التباين. فغالبية الشفرة الجينية مشتركة بين الجميع، مما يوفر هدفًا صلبًا للتشخيصات واسعة النطاق واللقاحات المحتملة. أما الجزء الأصغر والمتغير من الجينوم، فهو حيث تكمن الاختلافات المحددة بين السلالات، وهو ما يعكس على الأرجح التكيفات مع أنسجة أو بيئات مختلفة داخل جسم الإنسان. وخلص الباحثون إلى أنه بينما يوفر الجينوم الأساسي أساسًا مستقرًا لفهم النوع، فإن الجينوم الإضافي يحمل مفاتيح تنوعه. وأشاروا إلى أنه بدون معلومات أكثر تفصيلًا حول مصدر هذه السلالات أو الأمراض التي تسببت فيها، فمن الصعب ربط هذه الاختلافات الجينية بسلوكيات محددة. ومع ذلك، فإن رسم الخريطة الكاملة للمخزون الجيني للنوع، يوفر هذه الدراسة خريطة واضحة وعالية الدقة يمكن للعلماء في المستقبل استخدامها لفهم كيفية تطور هذا الممرض المستمر وبقائه.