A Severe COVID-19-associated hNTPDase2 Variant is Enzymatically Inactive

في العالم المجهري لأجسادنا، تتواصل الخلايا باستمرار باستخدام إشارات كيميائية، بعضها مبني من جزيئات تُعرف بالنيوكليوتيدات. ومن بين هذه الجزيئات، يعمل جزيء يُعرف باسم ATP كإشارة قوية يمكنها تحفيز الالتهاب، مما يعني إطلاق إنذار لاستدعاء الجهاز المناعي إلى موقع الإصابة أو العدوى. في الظروف العادية، يمتلك الجسم طاقم تنظيف متطور من الإنزيمات التي تعمل على تفكيك هذه الإشارات بمجرد أن تؤدي مهمتها، مما يمنع الإنذار من الرنين بصوت عالٍ جدًا أو لفترة طويلة جدًا. أحد هذه الإنزيمات، ويُسمى hNTPDase2، يستقر على سطح خلايا معينة ويعمل مثل مقص متخصص، حيث يقوم بقطع جزيئات ATP والجزيئات المشابهة لها لإبقاء مستوياتها تحت السيطرة. عندما يعمل هذا النظام بشكل صحيح، يتم التحكم في الالتهاب واحتواؤه. ومع ذلك، عندما ترتفع مستويات هذه الجزيئات الإشارية بشكل كبير، كما هو ملاحظ في الحالات الشديدة من أمراض الجهاز التنفسي، فإن الاستجابة المناعية المفرطة الناتجة عن ذلك يمكن أن تسبب ضررًا للأنسجة التي تحاول حمايتها في الأصل.

لقد عرف الباحثون منذ فترة طويلة أن المرضى الذين يعانون من حالات شديدة من كوفيد-19 غالبًا ما يظهرون مستويات عالية وخطيرة من هذه الجزيئات الإشارية خارج الخلايا. وتستقصي دراسة حديثة نشرها فريق من جامعة لافال في كندا تغيرًا جينيًا محددًا يوجد لدى بعض هؤلاء المرضاء، والذي قد يفسر سبب فشل أجسادهم في تنظيم هذه العملية. ركز العلماء على خطأ ضئيل في الشفرة الجينية لإنزيم hNTPDase2، وهو طفرة تم تصنيفها في قواعد البيانات الطبية على أنها قد تكون ضارة. ومن خلال إعادة إنشاء هذا المتغير الجيني المحدد في المختبر، اكتشف الفريق أن الطفرة تدمر تمامًا قدرة الإنزيم على العمل. وتشير نتائجهم إلى أن الأفراد الذين يحملون هذا الخلل الجيني يفتقرون إلى المقصات الجزيئية اللازمة لإزالة ATP الزائد، مما قد يترك مجاري تنفسهم في حالة من الالتهاب غير المنضبط الذي يزيد من شدة المرض.

بدأت الدراسة بفحص دقيق لتسلسل جيني محدد وجد لدى مرضى كوفيد-1وفيد-19 الشديدين. حدد الباحثون حرفًا واحدًا مفقودًا في التعليمات الحمضية (DNA) لإنزيم hNTPDase2. وفي لغة الوراثة، يتسبب هذا الحذف الصغير في إزاحة لكيفية قراءة التسلسل المتبقي بأكمله، تمامًا مثل إزالة حرف واحد من جملة وتغيير معنى كل كلمة تليها. تؤدي هذه الإزاحة إلى إنشاء إشارة توقف مبكرة، مما يتسبب في بناء الجسم لبروتين أقصر بكثير من النسخة كاملة الطول. فبدلاً من وحدات البناء المعتادة البالغ عددها 495 حمضًا أمينيًا، يتوقف البروتين المتحور عند 408. وهذا البتر أمر بالغ الأهمية لأن هذا الجزء المقطوع يزيل نهاية البروتين، وهي منطقة تُعرف باسم نطاق الغشاء الطرفي C-terminal، بالإضافة إلى أجزاء أخرى ضرورية لوظيفة الإنزيم.

لفهم ما يعنيه هذا الخطأ الجيني بدقة بالنسبة لوظيفة الإنزيم، قام العلماء بإعادة إنشاء الطفرة في بيئة مختبرية. استخدموا تقنية تسمى "الطفرات الموجهة للموقع" (site-directed mutagenesis) لإدخال نفس حذف الحرف الواحد في تسلسل DNA قاموا باستنساخه، مما أدى لإنشاء نسخة من الإنزيم أطلقوا عليها اسم hN2COV. ثم أدخلوا هذه الشفرة الجينية في خلايا حية، وتحديدًا نوع من سلالات خلايا الهامستر التي تُستخدم غالبًا لإنتاج البروتين، لمعرفة ما إذا كانت الخلايا ستبني الإنزيم المعيب. ولضمان تتبع البروتين، أضافوا علامة جزيئية صغيرة إلى نهاية كل من النسختين الطبيعية والمتحورة. وأكد الفريق أن الخلايا كانت تنتج بالفعل تعليمات mRNA للبروتين المتحور، مما أثبت أن الشفرة الجينية يتم قراءتها. ومع ذلك، عندما بحثوا عن البروتين الفعلي باستخدام أجسام مضادة مصممة للتعرف على الإنزيم الطبيعي، لم يجدوه. وهذا يشير إلى أن البروتين المتحور كان إما غير مستقر أو مختلفًا بنيويًا لدرجة أن أدوات الكشف القياسية لم تستطع التعرف عليه.

ثم انتقل الباحثون إلى طريقة أكثر مباشرة لمعرفة ما إذا كان الإنزيم المتحور لا يزال قادرًا على القيام بعمله. قاموا بقياس قدرة الإنزيم على تفكيك ATP وADP وUTP وUDP، وهي الجزيئات الأربعة الرئيسية التي يُفترض أن يعالجها. وباستخدام اختبار كيميائي قياسي يكتشف إطلاق الفوسفات عند تفكيك هذه الجزيئات، قارنوا أداء الإنزيم الطبيعي مقابل النسخة المتحورة. كانت النتائج صارخة وحاسمة؛ فالإنزيم الطبيعي يفكك ATP وUTP بكفاءة، كما هو متوقع. في المقابل، لم يظهر hN2COV المتحور أي نشاط قابل للكشف على الإطلاق؛ فقد كان عاجزًا تمامًا عن تفكيك أي من الجزيئات الأربعة. وقد أكد هذا أن الطفرة لم تكن مجرد خلل بسيط، بل كانت فقدانًا تامًا للوظيفة، مما جعل الإنزيم عديم الفائدة.

يكمن السبب في هذا الفشل التام في الأجزاء المحددة من البروتين التي فُقدت. فالذيل المفقود للإنزيم يحتوي على حمض أميني حاسم يُسمى "السيستين 399"، والمعروف بقدرته على تكوين جسر كيميائي مع جزء آخر من البروتين لتماسك شكله. وبدون هذا الجسر، لا يمكن للإنزيم أن ينطوي بشكل صحيح. كما تضمن القسم المفقود موقعًا تُلحق به جزيئات السكر عادةً، وهي عملية ضريدة لنشاط الإنزيم الكامل، بالإضافة إلى بقايا أخرى تساعد الإنزيم على الإمساك بجزيئاته المستهدفة. وأشار الفريق إلى أن الطفرة استبدلت الذيل الطبيعي المفقود بسلسلة قصة وعشوائية من 18 حمضًا أمينيًا جديدًا لا تنتمي إلى أي عائلة بروتينية معروفة، مما لا يترك أي فرصة للإنزيم لاكتساب وظيفة جديدة للتعويض عن الخسارة.

إن آثار هذا الاكتشاف تمتد إلى ما وراء طاولة المختبر. فبينما لا يوجد هذا الإنزيم في خلايا الدم التي تدور في جميع أنحاء الجسم، إلا أنه موجود في بطانة الجهاز التنفسي، بما في ذلك الأنف والشعب الهوائية. وهذا هو المكان ذاته الذي يدخل منه الفيروس المسبب لكوفيد-19 إلى الجسم ويهاجمه لأول مرة. وفي حالات العدوى التنفسية الأخرى، مثل الإنفلونزا، ارتبطت المستويات العالية من ATP في المجاري الهوائية بالتورم الشديد وتراكم السوائل. ويقترح الباحثون أنه في المرضى الذين يحملون هذه الطفرة الجينية المحددة، يؤدي نقص إنزيم hNTPDase2 الوظيفي في المجاري الهوائية إلى عدم القدرة على إزالة ATP الزائد الناتج أثناء العدوى الفيروسية. ومن المرجح أن يؤدي هذا التراكم إلى إبقاء إنذار المناعة يقرع بصوت عالٍ جدًا، مما يؤدي إلى استجابة التهابية أكثر عدوانية وإلحاقًا بالضرر، مما يساهم في شدة المرض.

لا تدعي الدراسة أن هذه الطفرة هي السبب الوحيد لشدة كوفيد-19، كما لا تشير إلى أن كل مريض يعاني من أعراض شديدة يحمل هذا الخلل الجيني المحدد. بدلاً من ذلك، يقدم هذا العمل تفسيرًا ميكانيكيًا واضحًا لسبب احتمال كون المرض أكثر شدة لدى مجموعة فرعية من الأفراد. ومن خلال إثبات أن هذا المتغير غير نشط إنزيميًا، حدد الباحثون نقطة ضعف بيولوجية محتملة. وتشير النتائج إلى أن اضطراب إشارات النيوكليوتيدات في المجاري الهوائية يمكن أن يكون عاملًا موضعيًا يؤدي لتفاقم المرض، مما يسلط الضوء على منطقة محددة فشلت فيها آليات الدفاع الطبيعية للجسم. ويقدم هذا التصور صورة أوضح للمشهد البيولوجي في الحالات الشديدة، ويبرز أهمية الاختلافات الجينية في كيفية استجابة الأفراد للعدوى التنفسية.