قال "كل أشكال الحياة على الأرض لديها نفس المشكلة" جوناثان كاجان، باحث في علم المناعة في مستشفى بوسطن للأطفال. "وهذا هو التعامل مع العدوى." تمامًا كما نشعر بالقلق بشأن الالتهابات البكتيرية ، تراقب البكتيريا الفيروسات التي تُسمى العاثيات التي تصيبها ، و- مثل كل كائن حي في كل مملكة في الحياة- طورت ترسانة من الأدوات الجزيئية لمكافحة العدوى.
يمكن للمخلوقات الكبيرة والمعقدة مثل البشر أن تتفاخر على أجهزة المناعة الهائلة للخلايا المتخصصة التي تكتشف الغزاة أو تدمرهم. غالبًا ما تحتاج الكائنات الحية الأبسط مثل النباتات والبكتيريا إلى الاعتماد بدلاً من ذلك على مجموعات من البروتينات متعددة المهام التي ، مثل سكاكين الجيش السويسري ، مجهزة لكلتا الوظيفتين. نظرًا لأن الدفاع يمثل مصدر قلق عالمي ، فليس من المستغرب أن يتم الحفاظ على العديد من هذه الأنظمة الدفاعية من خلال التطور وتقاسمها بين الكائنات الحية المتنوعة ، بما في ذلك البشر.
لكن دراسة جديدة نشرت هذا الشهر في علوم اكتشفوا أن عائلة من البروتينات في البكتيريا والعتائق ، الخلايا بدائية النواة البسيطة التي هي أقدم شكل من أشكال الحياة ، تكتشف الفيروسات بطريقة لم يسبق لها مثيل من قبل.
ملائم كالقفاز
بسبب التقدم في تسلسل الجينات وتقنيات المعلومات الحيوية ، بدأ العديد من الدفاعات المضادة للفيروسات التي تستخدمها البكتيريا في الظهور فقط خلال الخمسين عامًا الماضية. لكن الاهتمام بها قد تضخم في العقد الماضي بسبب أداة تعديل الجينات القوية التي تسخر نظام CRISPR-Cas50 البكتيري. دفع نجاح الأداة الباحثين إلى التركيز بشكل أكبر على كيفية تعرُّف الجزيئات البكتيرية على الفيروسات والقضاء عليها.
تتعرف بعض هذه الدفاعات المضادة للفيروسات ، مثل CRISPR-Cas9 ، على تسلسلات معينة في الحمض النووي التي تحقنها العاثية في مضيفها. لا يشعر الآخرون بشكل مباشر بشظايا الفيروس ولكنهم يستجيبون للأدلة على الضرر الذي يسببه الفيروس ، مثل تلف الحمض النووي أو خلل في العمليات الخلوية - المكافئات الجزيئية للزجاج المكسور في مكان الاختراق.
لكن أجهزة الاستشعار المناعية البكتيرية التي تسمى بروتينات Avs لا تفعل ذلك أيضًا ، كما يقودها الباحثون فنغ تشانغ من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا و يوجين كونين من المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية قد اكتشفت الآن. يمكن لبروتينات Avs الكشف مباشرة عن البروتينات الفيروسية التي تصنعها آلية الخلية المختطفة.
تُعد مراقبة البروتين استراتيجية محفوفة بالمخاطر بالنسبة للميكروبات: فحتى طفرات قليلة يمكن أن تجعل تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين غير معروف ، مما يمكّن العامل الممرض من الإفلات من اكتشافه. يمكن لأجهزة المناعة التكيفية في البشر والفقاريات الأخرى أن تطارد البروتينات الفيروسية لأنها يمكن أن تنشر مليارات الخلايا المتخصصة لإجراء البحث - وهو خيار غير متاح للبكتيريا الفردية.
ومع ذلك ، وجدت مجموعة Zhang أن بروتينات Avs لا تنزعج من التغييرات الطفيفة في تسلسل الأحماض الأمينية - أو بالتغيرات الكبيرة ، في هذا الصدد. قال: "لقد اختبرنا 24 لاقمًا مختلفًا ، تغطي تسع عائلات من لاقمات العاثيات" اليكس جاو، عالم الكيمياء الحيوية في جامعة ستانفورد والمؤلف الرئيسي على الورقة ، "ووجد أن هناك تقريبًا هذا التنشيط الشامل" لـ Avs.
تحتوي البروتينات المستهدفة في العائلات الفيروسية المختلفة على تسلسلات مختلفة تمامًا تقريبًا من الأحماض الأمينية ، لكنها تؤدي جميعها نفس الوظيفة: تخزين خيوط من الحمض النووي الفيروسي وتعبئتها في جزيئات فيروسية حديثة التكوين. وبالتالي ، فقد احتفظوا جميعًا بنفس الشكل الوظيفي.
أدرك الفريق أن بروتينات Avs تستفيد من هذا التشابه الجزيئي. وأوضح جاو أن البروتينات كانت "تتعرف على الطيات والأشكال ثلاثية الأبعاد ، وليس التسلسلات". بروتين Avs "يلتف بشكل أساسي مثل القفاز حول اليد." وأضاف أن هذا النوع من التعرف الهيكلي ثلاثي الأبعاد "ليس له الكثير من السوابق ، على حد علمنا ، في البيولوجيا الجزيئية".
الطريقة الوحيدة لهذه البروتينات الفيروسية للهروب من اكتشاف Avs هي أن تتحول إلى شكل لا يمكن التعرف عليه. قال كونين: "إن تغيير الشكل دون زعزعة استقرار البروتين أو المساس بوظائفه في العاثية ليس بالأمر الهين".
لا تقتصر مهارات التعرف الملتفة والمتعددة الاستخدامات على بروتينات Avs على اكتشاف الفيروسات التي تصيب البكتيريا. يتذكر كونين سؤاله لـ Gao على سبيل المزاح عما إذا كانت بروتينات Avs يمكنها اكتشاف فيروسات الهربس الحيوانية - وهي أقارب بعيدة جدًا للعاثيات التي تم اختبارها في الورقة. لدهشته ، أجاب قاو: "نعم ، لقد فعلنا ذلك بالفعل! إنهم يفعلون." تعرفت بروتينات Avs على البروتينات المعبأة للحمض النووي في فيروسات الهربس البشرية ، على الرغم من أن التعرف عليها كان أضعف من العاثيات البكتيرية.
قال: "إنها المرة الأولى التي أعرف فيها أن عنصر التعرف على الغزاة يمكنه تحديد الفيروسات التي تصيب مثل هذه الكائنات البعيدة". روتم سوريك، عالم الوراثة الميكروبية في معهد وايزمان للعلوم ولم يشارك في الدراسة.
عندما تكتشف بروتينات Avs البروتينات الفيروسية ، يمكنها أن تصطدم بالفيروس بعدة طرق - بعضها على الأقل ينتهي بالتدمير الذاتي للبكتيريا. قد يبدو الانتحار الخلوي غير بديهي كوسيلة دفاع ، لكن البكتيريا تعيش غالبًا في مستعمرات ذات تشابه جيني قوي. قال كونين إنه من خلال تدمير نفسها ، يمكن للخلايا المصابة أن تحمي الجيران الذين هم في الأساس توائمهم ، وهذا "منطقي تمامًا" كإستراتيجية تطورية.
إلى جانب ذلك ، بحلول الوقت الذي تصبح فيه البروتينات الفيروسية واضحة لدفاعات Avs في البكتيريا ، يقوم الفيروس بالفعل بتجميع نسخ من نفسه وسرعان ما ينفجر من الخلية المصابة. قال سوريك في تلك المرحلة ، "ليس هناك مفر من موت العاثية على أي حال."
مدرسون صغيرون
في دراساتهم للدفاعات المناعية الأخرى في البكتيريا والعتائق ، كشف الباحثون عن أوجه تشابه مذهلة مع تلك الموجودة في الخلايا حقيقية النواة الأكثر تعقيدًا عند البشر والكائنات الحية الأخرى. بعض هذه الجينات أوجه التشابه في الشكل والوظيفة قريبة بما يكفي للإشارة إلى أننا حقيقيات النوى ورثنا بعضًا من دفاعاتنا من أسلافنا بدائية النواة.
يبقى أن نرى ما إذا كنا قد ورثنا أي شيء من بروتينات Avs. في حين أن القليل من أجهزة الاستشعار المناعية الفطرية للإنسان تتعرف على بروتينات مُمْرِضة معينة ، لم يعثر أحد حتى الآن على أي شيء مثل التعرف على شكل البروتين في العمل في أجهزة الاستشعار المناعية الفطرية لدينا. تمتلك بروتينات Avs بعض أوجه التشابه البنيوية المثيرة للاهتمام مع بعض الجزيئات الدفاعية حقيقية النواة ، لكن التشابه قد يكون نتاجًا للتطور المتقارب وقوة التعرف على الأنماط كاستراتيجية دفاعية. قال جاو: "من المحتمل أن تكون الطبيعة تحب صنع أجهزة الاستشعار المناعية هذه لأنها تعمل بشكل جيد حقًا".
بالنظر إلى مدى نجاح التعرف على شكل البروتين مع البكتيريا والعتائق ، قد نتوقع أن يظهر شيء مثل بروتينات Avs في نهاية المطاف في حقيقيات النوى. يعتقد كاجان أن هذا الاكتشاف ، إذا لم يكن هناك شيء آخر ، يمكن أن يثير الاهتمام بدراسة البروتينات كأهداف للاستجابات المناعية الفطرية.
قال كاغان إن البكتيريا "لم تتوقف عن تعليمنا". "لقد علمونا عن تكرار الحمض النووي ، وعلمونا عن إصلاح الحمض النووي ، وعلمونا عن انقسام الخلايا ، والآن يمكنهم أن يعلمونا عن المناعة."
