Understanding single nucleotide polymorphism (SNP) in pyruvate dehydrogenase E1 and E2 component in different bacterial species

إن الحياة هي عملية تفاوض مستمرة بين الكائن الحي ومحيطه. فلكي تنجو، يجب على البكتيريا أن تحافظ على عمل آلياتها الداخلية بسلاسة حتى مع تغير العالم الخارجي في درجات الحرارة، والحموضة، والغذاء المتاح. وتعد قطعة حيوية من هذه الآلية هي إنزيم يسمى "بيروفات ديهيدروجيناز" (pyruvate dehydrogenase)، والذي يعمل كمركز محوري، حيث يحول العناصر الغذائية إلى الطاقة التي تحتاجها الخلايا لتعمل. يتكون هذا الإنزيم من جزأين رئيسيين، يُعرفان بمكوني E1 وE2. ومع مرور الوقت، يمكن للشفيرة الوراثية التي تبني هذين الجزأين أن تتغير قليلاً. هذه التغييرات الطفيفة، حيث يتم استبدال حرف واحد في الأبجدية الجينية بآخر، تسمى "تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة" (single nucleotide polymorphisms). وبينما تكون بعض عمليات الاستبدال هذه غير ضارة، إلا أن بعضها الآخر يمكن أن يغير شكل ووظيفة الإنزيم، مما قد يساعد البكتيريا على التكيف مع تحديات جديدة، أو على العكس، يتسبب في معاناتها. إن فهم أين تحدث هذه التغييرات ومدى تكرار حدوثها يوفر نافذة على كيفية تطور البكتيريا الآن لمواجهة متطلبات عالم متغير.

في دراسة حديثة، شرع باحث في جامعة سنغافورة الوطنية في رسم خرائط لهذه التغييرات الجينية عبر أنواع عدة من البكتيريا. كان الهدف هو معرفة كيف تختلف الجينات الخاصة بجزئي E1 وE2 لإنزيم "بيروفات ديهيدروجيناز" بين بكتيريا "إيشيريشيا كولاي" (Escherichia coli)، التي كانت بمثابة مرجع قياسي، وثلاثة أنواع أخرى هي: "كليبسيلا نيوموني" (Klebsiella pneumoniae)، و"سالمونيلا إنتيريكا" (Salmonella enterica)، و"ضمات الكوليرا" (Vibrio cholerae). وللقيام بذلك، كتب الباحث برنامجاً حاسوبياً مخصصاً يمكنه مسح التسلسلات الجينية لهذه البكتيريا جنباً إلى جنب. عمل البرنامج مثل محرر دقيق، يقرأ الشفرة الجينية للبكتيريا المرجعية ويقارنها حرفاً بحرف مع شفرات الأنواع الأخرى. وكلما وجد عدم تطابق، سجل الموقع ونوع التغيير المحدد. سمحت هذه العملية برسم ملف تعريف مفصل لمكان تجمع الطفرات وعددها الإجمالي.

كشفت النتائج عن اختلاف صارخ في كيفية تطور هذه البكتيريا. فعند النظر إلى مكون E1 للإنزيم، أظهرت كل من "كليبسيلا نيوموني" و"سالمونويل إنتيريكا" تغييرات قليلة نسبياً مقارنة بالمرجع. كانت تسلسلاتهما الجينية مستقرة في الغالب، مع ظهور طفرات في مجموعات متفرقة تفصلها مساحات واسعة من الشفرات غير المتغيرة. يشير هذا النمط إلى أن هذين النوعين لم يشعرا بضغط قوي لتغيير هذا الجزء المحدد من إنزيمهما. وفي المقابل، حكت "ضمات الكوليرا" قصة مختلفة؛ فقد حمل هذا النوع عدداً أكبر بكثير من التغييرات في مكون E1 الخاص به — حوالي أربعة أضعاف النوعين الآخرين تقريباً. علاوة على ذلك، لم تكن هذه التغييرات متفرقة في فجوات، بل كانت موزعة بالتساوي عبر الجين بأكمله. يشير هذا التوزيع المتساوي إلى أن "ضمات الكوليرا" تتعرض لضغط شديد لإعادة تشكيل هذا الجزء من إنزيمها، ومن المرجح أنها تبحث عن بنية جديدة تعمل بشكل أفضل في الظروف البيئية الحالية.

أصبح المشهد أكثر تعقيداً عندما فحص الباحث مكون E2. هنا، أظهرت الأنواع الثلاثة غير المرجعية كمية هائلة من التغيير الجيني. فقد حمل كل نوع مئات الطفرات عبر جينات E2 الخاصة به، مع ظهور التغييرات بأعداد متساوية تقريباً لجميع أنواع الحروف الجينية الأربعة. وخلافاً لمكون E1، حيث كانت بعض الأنواع مستقرة، كانت جينات E2 مليئة بالتغييرات من البداية إلى النهاية. أشارت البيانات إلى أن هذه البكتيريا تمر بفترة تطور سريع في هذا الجزء تحديداً. إن الحجم الهائل والانتشار المتساوي للطفرات يوحي بأن الشكل الحالي لمكون E2 ليس مثالياً للعالم الحديث. يبدو أن البكتيريا تجرب تنويعات لا حصر لها عبر بنية البروتين بأكملها، بحثاً عن تكوين يمكنه التعامل مع المناظر الطبيعية الغذائية المتغيرة والعوامل البيئية مثل درجة الحرارة والرقم الهيدروجيني (pH).

في نهاية المطاف، تشير الدراسة إلى بكتيريا في حالة تغير مستمر. وتوحي النتائج أنه بينما تظل بعض أجزاء إنزيم "بيروفات ديهيدروجيناز" مستقرة في أنواع معينة، فإن أجزاء أخرى تمر بفترة حثيثة من التعديل. يبدو أن الإنزيم يكافح لإيجاد الشكل المثالي للعمل بكفاءة في بيئة اليوم. إن الانتشار المتساوي للطفرات عبر الجينات، لا سيما في مكون E2، يعني أنه لا يوجد حل واحد سهل وجدته البكتيريا بعد. بدلاً من ذلك، هي تستكشف مجموعة واسعة من الاحتمالات، مدفوعة بالحاجة الملحة لتكييف آليات إنتاج الطاقة لديها مع عالم يتغير بسرعة أكبر مما تستطيع بيولوجيتها مواكبته بسهولة.