Computational Evidence that Array-Associated Reverse Transcriptase Loci Are Retron Systems with Multiple ncRNA Genes

إن الحياة على الأرض هي تفاوض مستمر بين الغزاة الجينيين والكائنات التي يحاولون إصابتها. لقد كانت البكتيريا والفيروسات التي تطاردها، والمعروفة باسم العاثيات (phages)، في حالة حرب تطورية مستمرة لمليارات السنين. وللبقاء، طورت البكتيريا أنظمة دفاع متطورة، يعتمد بعضها على نوع خاص من الإنزيمات يسمى النسخ العكسي (reverse transcriptase). يعمل هذا الإنزيم مثل آلة تصوير جزيئية، ولكن بدلاً من نسخ الحمض النووي DNA إلى DNA إضافي، فإنه يقرأ الحمض النووي الريبوزي RNA لإنشاء جزيء هجين فريد يتكون من كل من RNA وDNA. وفي العديد من الأنظمة الدفاعية البكتيرية المعروفة، تتم إدارة هذه العملية بواسطة زوج: الإنزيم ودليل RNA محدد يخبره بما يجب نسخه. ومؤخراً، اكتشف العلماء عائلة غريبة من هذه الإنزيمات في العاثيات، لكن غرضها وكيفية عملها ظلا لغزاً.

تقدم دراسة جديدة أجرتها يوزين يي في جامعة إنديانا بلومينغتون منظوراً جديداً لهذه الأنظمة الغامضة، مشيرة إلى أنها ليست اختراعات جديدة تماماً، بل هي تنوع غريب لأدوات الدفاع المعروفة. ركز الباحثون على مجموعة من الإنزيمات تسمى "النسخ العكسي المرتبط بالمصفوفات"، أو ARTs. وقد رُصدت هذه الإنزيمات لأول مرة في جينومات العاثيات، حيث تقع بجوار امتدادات طويلة ومتكررة من الـ DNA التي تشبه إلى حد ما مصفوفات الدفاع التي تستخدمها البكتيريا لتذكر الإصابات السابقة. وصف الاكتشاف الأولي هذه الإنزيمات بأنها عائلة جديدة، لكن التحليل الجديد يقترح قصة مختلفة. فمن خلال استخدام برامج حاسوبية لفحص الشفرة الوراثية والتنبؤ بكيفية طي جزيئات RNA إلى أشكال ثلاثية الأبعاد، تقترح الدراسة أن أنظمة ART هذه هي في الواقع نوع فريد من نظام الدفاع المعروف، وتتميز بامتلاك نسخ عديدة من دليل RNA مرتبة في صف واحد بدلاً من نسخة واحدة فقط.

بدأ التحقيق بالنظر عن كثب في الأحياء الجينية التي تعيش فيها هذه الإنزيمات. حلل الباحثون جينومات العديد من العاثيات وقطعة من الحمض النووي البيئي من التربة، بحثاً عن العلامات الجينية المحددة لأنظمة الدفاع المعروفة. ووجدوا أن الإنزيمات المعنية كانت أكثر تشابهاً مع إنزيمات النسخ العكسي الموجودة في الأنظمة الدفاعية البكتيرية القياسية، بدلاً من أي نوع آخر من الإنزيمات. كان هذا التشابه قوياً بما يكفي للإشارة إلى أنها تنتمي إلى نفس العائلة. ومع ذلك، جاءت المفاجأة الحقيقية عندما نظر الفريق إلى الـ DNA المحيط بهذه الإنزيمات؛ فبدلاً من العثور على جين RNA واحد بجانب الإنزيم، كما هو معتاد، وجدوا مصفوفات طويلة تحتوي على نسخ متعددة من جينات RNA. في أحد الفيروسات، كانت هناك خمس نسخ، وفي آخر سبع نسخ، وفي قطعة من حمض DNA التربة، وصل العدد إلى أربع عشرة نسخة.

للوهلة الأولى، بدت تسلسلات RNA المتكررة هذه مختلفة تماماً عن بعضها البعض، تماماً مثل صف من المنازل التي تم طلاؤها بألوان مختلفة ولها أنماط نوافذ مختلفة. إذا نظرت فقط إلى أحرف الشفرة الوراثية، ستكون الاختلافات كبيرة. ومع ذلك، استخدم الباحثون نماذج حاسوبية للتنبؤ بكيفية طي خيوط RNA هذه إلى أشكال فيزيائية. وعندما فحصوا هذه الهياكل المتوقعة، ظهر نمط واضح. فعلى الرغم من الاختلافات في أحرفها الجينية، طوت جزيئات RNA نفسها إلى أشكال متشابهة. والأهم من ذلك، أنها احتفظت جميعها بخصائص هيكلية معينة تُعرف بأنها ضرورية لعمل نظام الدفاع، مثل حلقة محددة تمسك بنقطة بداية رئيسية للإنزيم ومناطق مستقرة أخرى تساعد الإنزيم على التعرف على الـ RNA.

يتحدى هذا الاكتشاف فكرة أن هذه الأنظمة هي نوع جديد تماماً من آليات الدفاع. فقد لاحظ الاكتشاف الأولي أن الـ DNA المتكرر يشبه المصفوفات التي تستخدمها البكتيريا لتخزين ذكريات الهجمات الفيروسية السابقة، مما أدى إلى فرضية أن هذه كانت نوعاً جديداً من الأنظمة. وتقترح الدراسة الجديدة أن التشابه مع مصفوفات الذاكرة تلك هو تشابه سطحي؛ فالوحدات المتكررة ليست نسخاً متطابقة من ذاكرة، بل هي سلسلة من جينات RNA ذات صلة تباعدت بمرور الوقت. تبدو مختلفة على السطح، لكنها تشترك في مخطط أساسي واحد، تماماً مثل عائلة من الأدوات التي تم تعديلها لمهام مختلفة ولكنها لا تزال تشترك في نفس الآلية الأساسية. ووجد الباحثون أن الأجزاء الأكثر أهمية في الهيكل، وهي الأجزاء التي يحتاجها الإنزيم ليمسك بها ويستخدمها، ظلت محفوظة عبر جميع النسخ، حتى مع تغير بقية التسلسل.

لا تدعي الدراسة أنها حلت اللغز الكامل لما تفعله هذه الأنظمة. ويؤكد الباحثون أن استنتاجاتهم تستند إلى التحليل الحاسوبي للتسلسلات الجينية والأشكال المتوقعة، وليس على تجارب مخبرية مباشرة. ويقترحون أن هذه الأنظمة تمثل على الأرجح بنية غير عادية حيث يتم إقران إنزيم واحد بمصفوفة متتالية من أدلة RNA المتعددة. قد يسمح هذا الترتيب للفيروس بإنتاج مجموعة متنوعة من منتجات الدفاع من إنزيم واحد، أو قد يكون وسيلة لتنويع دفاعاته ضد تهديدات مختلفة. ومن الممكن أيضاً أن تكون بعض نسخ RNA هذه بقايا غير وظيفية من ماضٍ تطوري. ويشير المؤلف إلى أنه لتأكيد كيفية عمل هذه الأنظمة، سيتعين على العلماء زراعة هذه الفيروسات في المختبر، واستخراج الجزيئات، ومراقبة الإنزيم أثناء العمل لرؤية ما إذا كان ينتج الجزيئات الهجينة المتوقعة.

في نهاية المطاف، يعيد هذا العمل صياغة فهمنا لنظام بيولوجي تم اكتشافه مؤخراً. فهو يشير إلى أن ما بدا وكأنه عائلة جديدة وغير مشخصة من الإنزيمات هو في الواقع تنوع لاستراتيجية دفاع معروفة، تطورت لحمل العديد من أدلة RNA في عنقود جيني واحد. تسلط الدراسة الضوء على كيف يمكن للتحليل الحاسوبي أن يكشف عن روابط خفية بين التسلسلات الجينية التي تبدو مختلفة على السطح ولكنها تشترك في منطق هيكلي مشترك. وبينما تظل الميزة البيولوجية الدقيقة لامتلاك هذا العدد الكبير من نسخ RNA غير معروفة، فإن الأدلة تشير إلى نظام متجذر بعمق في الأدوات الموجودة للدفاع البكتيري، وقد أُعيد توظيفه وتوسيع نطاقه بطريقة مثيرة للدهشة وأنيقة في آن واحد. والخطوة التالية للمجتمع العلمي هي الانتقال من هذه التنبؤات الحاسوبية إلى الإثبات التجريبي، لمعرفة ما إذا كانت هذه المخططات الجينية تترجم إلى الآلات الجزيئية المعقدة التي تبدو عليها.