Structural analysis of the 5' terminal of human immunodeficiency virus type 1 genome RNAs transcribed from proviruses with mutations in the transcription start site

غالبًا ما يُنظر إلى الفيروسات على أنها مجرد غزاة بسيطة، لكن فيروس نقص المناعة البشرية، المعروف باسم HIV-1، يحمل مجموعة معقدة من التعليمات داخل مادته الوراثية. هذه المادة هي شريط من الحمض النووي الريبوزي (RNA)، والذي يعمل كنموذج لصنع جزيئات فيروسية جديدة وكمجموعة من التعليمات لآلية عمل الفيروس الخاصة. وتتمثل المشكلة الحرجة للفيروس في أن هذا الشريط الواحد من الـ RNA يجب أن يؤدي وظيفتين مختلفتين تمامًا في نفس الوقت؛ فهو يحتاج إلى أن يُنسخ إلى DNA ليختبئ داخل خلية بشرية، كما يحتاج أيضًا إلى أن تقرأه الخلية لصنع البروتينات التي تبني الفيروس. ولحل هذه المعضلة، يعتمد الفيروس على نقطة بداية محددة يبدأ عندها عملية النسخ. في الفيروس الطبيعي، تكون نقطة البداية هذه عبارة عن تسلسل من ثلاثة وحدات بناء متطابقة، وجميعها من نوع يسمى "جوانين". لقد طور الفيروس حيلة ذكية: إذا بدأ النسخ عند أول وحدة من هذه الوحدات الثلاث، فإن الـ RNA الناتج يكون مرنًا ومتدليًا، مما يجعله مثاليًا للقراءة والتحول إلى بروتينات. أما إذا بدأ النسخ عند الوحدة الثالثة، فإن الـ RNA ينطوي ليشكل بنية ضيقة ومستقرة، وهي بنية مثالية ليتم تعبئتها داخل جزيئات فيروسية جديدة. هذا الاختلاف الهيكلي هو ما يحدد ما إذا كان الـ RNA سيصبح "عاملاً" أم "راكبًا".

ومع ذلك، نادراً ما تكون الطبيعة مثالية. فعندما يصيب الفيروس خلية جديدة، ترتكب آليات النسخ أحيانًا أخطاءً، فتغير إحدى تلك الوحدات الثلاث الأصلية إلى شيء آخر، مثل "سيتوزين" أو "يوراسيل". ولفترة طويلة، لم يعرف العلماء ما الذي يحدث لهذه النسخ المتحورة. هل يفشل الفيروس ببساطة في التكاثر؟ أم أنه يجد طريقة للتكيف، ربما عبر بدء عملية النسخ من نقطة مختلفة للتعويض عن الخطأ؟ إن فهم هذا الأمر أمر حيوي، لأنه إذا استطاع الفيروس التكيف بسهء مع هذه التغييرات، فسيصبح من الصعب جدًا إيقافه. وقد وضع فريق من الباحثين في اليابان نصب أعينهم حل هذا الغموض من خلال بناء نماذج اصطناعية صغيرة من خيوط الـ RNA المتحورة هذه لمعرفة كيف تتصرف بمفردها.

بدأ الباحثون بإنشاء أربعة إصدارات مختلفة من شريط الـ RNA في المختبر. فقد صمموا نسخة تبدأ عند الوحدة الثانية ولكن بها طفرة في الوحدة الثالثة، ونسخة أخرى تبدأ من الوحدة الأولى مع طفرة في الثالثة. كما صنعوا نسخًا تحتوي على نوع مختلف من الطفرات لمعرفة ما إذا كانت النتيجة ستكون هي نفسها. وبمجما تم بناء هذه الشرائط، احتاج العلماء لرؤية كيفية انطوائها. وقد استخدموا تقنية تسمى "الترحيل الكهربائي للهلام" (gel electrophoresis)، وهي تشبه في جوهرها سباقًا عبر متاهة هلامية؛ في هذا السباق، تتحرك الجزيئات المطوية بإحكام والمدمجة بسرعة، بينما تتعثر الجزيئات الرخوة والمتدلية وتتحرك ببطء. أجرى الفريق السباق مرتين: مرة في بيئة طبيعية، ومرة في بيئة قاسية مليئة بمادة كيميائية تجبر الجزيات على التفكك.

كشفت النتائج عن نمط واضح؛ فالشرائط التي بدأت عند الوحدة الثانية، حتى مع وجود الطفرات، تصرفت تمامًا مثل الـ RNA "الراكب" المستقر والناجح. فقد انطوت لتشكل أشكالًا ضيقة ومدمجة حافظت على شكلها حتى عندما حاولت المادة الكيميائية القاسية تفكيكها. وفي المقابل، ظلت الشرائط التي بدأت من الوحدة الأولى رخوة ومتدلية، وتصرفت مثل الـ RNA "العامل" المخصص لصنع البروتينات. وللتأكد من ذلك، قام الباحثون بقياس درجة الحرارة التي تتفكك عندها هذه الشرائط؛ حيث صمدت الشرائط المستقرة ولم تتفكك إلا عندما وصلت درجة الحرارة إلى حوالي 60 درجة مئوية، بينما تفككت الشرائط الرخوة عند درجات حرارة أقل بكثير. وقد أكد هذا أن الطفرات لم تكسر قدرة الفيروس على صنع مادة وراثية مستقرة، بل إن الفيروس ببساطة نقل نقطة بدء النسخ إلى الوحدة الثانية للحفاظ على البنية الضرورية.

ولرؤية الشكل الدقيق لهذه الأشكال المستقرة، استخدم الفريق طريقة تصوير قوية تسمى "الرنين المغناطيسي النووي"، والتي تسمح للعلماء برسم خريطة لموقع كل ذرة في الجزيء. وقد بنوا نموذجًا ثلاثي الأبعاد لشرائط الـ RNA المستقرة ووجدوا أن القسمين الرئيسيين من الجزيء متصلان بساق مستمرة ومتينة. وهذا الهيكل هو بالضبط ما يحتاجه الفيروس ليتم تعبئته في جزيء جديد. ثم أجروا محاكاة حاسوبية لمراقبة كيفية تحرك هذه الهياكل بمرور الوقت. وحتى بعد محاكاة 200 نانو ثانية من الحركة، حافظت الشرائط المستقرة على شكلها، مما أثبت أن الاتصال بين القسمين كان قويًا وموثوقًا.

تشير الدراسة إلى أنه عندما يواجه الفيروس طفرة في نقطة بدايته، فإنه يمتلك خطة احتياطية مدمجة. فبدلاً من الفشل، يقوم بتغيير بداية عملية النسخ إلى الوحدة الثانية. ويسمح هذا التحول للـ RNA بالانطواء في الهيكل الضيق والمستقر المطلوب ليصبح المادة الوراثية لفيروس جديد. كما لاحظ الباحثون أنه أثناء تكوين هذه الشرائط المستقرة، فإنها ليست الوحيدة التي يتم إنتاجها؛ إذ من المرجح أن ينتج الفيروس مزيجًا من الشرائط المستقرة والرخوة. قد يفسر هذا النوع من المرونة سبب قدرة الفيروس على البقاء والانتشار حتى عندما تكون تعليماته الأصلية غير كاملة. ومن خلال فهم كيفية تكييف الفيروس لبنيته مع هذه الأخطاء، يكتسب العلماء صورة أوضح عن قدرة الفيروس على الصمود والقواعد الفيزيائية المحددة التي يتبعها للبقاء.