نشانه‌های جدید در مورد ویروس‌های متقارن‌نما با ژن‌های قابل‌برگشت عجیب

چاپ‌شده در: مجله Quanta به تاریخ ۱۲ فوریه ۲۰۲۰
نویسنده: Jordana Cepelewicz
لینک مقاله اصلی:https://www.quantamagazine.org/new-clues-about-ambigram-viruses-with-strange-reversible-genes-20200212/
این مقاله توسط ربات هوشمند ترجمه مقالات علمی و به صورت خودکار ترجمه شده و می‌تواند به صورت محدود دارای اشکالات ترجمه باشد.

در سال ۱۹۷۱، میکروبیولوژیست‌هایی که سلول‌های مخمر را بررسی می‌کردند، قطعات عجیب و سرکش RNA را کشف کردند که بعدها به عنوان ویروس شناخته شدند. این "نارناویروس‌ها" (برگرفته از "ویروس‌های RNA برهنه") چندین ویژگی عجیب و غریب داشتند. آن‌ها کوچک بودند - در اصل یک ژن منفرد که یک آنزیم را رمز گذاری می‌کرد که به ویروس کمک می‌کرد تا از خودش کپی کند. علاوه بر این، بر خلاف دیگر ویروس‌های RNA تک‌رشته‌ای مانند ابولا و آنفولانزا، آن‌ها هیچ پوسته "کپسید" نداشتند که مواد ژنتیکی آن‌ها را در خود جای دهد و آن‌ها را در معرض و محدود به سلول‌های میزبان خود کند.

از همه عجیب‌تر اینکه، نارناویروس‌ها را می توان به صورت معکوس خواند.

به طور معمول، توالی بازه نوکلیوتیدی که یک ژن را در RNA تشکیل می‌دهند، عبارتند از آدنین، سیتوزین، گوانین و اوراسیل، به اختصار A، C، G و U - تنها زمانی منطقی است که اندامک‌های پروتئینی به نام ریبوزوم پیام را در یک مکان و خواندن در یک جهت رمزگشایی می‌کنند. گاهی اوقات، بخش‌های یک ژنوم توالی همپوشان دارند که برای پروتئین‌های مختلف کد گذاری می‌کنند. اما در نارناویروس‌ها، کل ژنوم یک توالی همپوشان است: می‌تواند در جهت «مکمل معکوس» خود خوانده شود. یعنی، RNA مثل یک متقارن‌نما است، یک اسکریپت که هنوز هم وقتی وارونه می‌شود معنا دارد.

هریس وانگ، زیست‌شناس سیستم در دانشگاه کلمبیا گفت: «یافتن این نمونه‌ها که محدودیت‌های درک کنونی ما از چگونگی کدگذاری اطلاعات را تحمیل می‌کنند، همیشه شگفت‌انگیز و جالب است.»

آنچه در واقع ژنوم نارناویروس‌ها در جهت مخالف می‌گوید، و چرا ژنوم به هر دو روش پیش می‌رود، یک پازل بوده‌است. در حال حاضر، یافته‌های محققان در کالیفرنیا به یک پاسخ غیر منتظره اشاره دارد. ویژگی آمبیاتیک نارناویروس‌ها ممکن است مکانیزم هوشمندانه حفظ نفس باشد، که می‌تواند به طور قابل‌توجهی تصویر تکامل ویروسی را گسترش دهد و رویکردهای جدیدی را به ژن‌درمانی پیشنهاد کند.

مایکل ویلکینسون، یک فیزیکدان در دانشگاه آزاد انگلستان و بیوهاب چان زاکربرگ، یک موسسه تحقیقات علوم زیستی در منطقه خلیج جایی که این تحقیق انجام شد، گفت: «من فکر می‌کنم که داستان این ویروس‌های متقارن‌نما به نظر می‌رسد که چند پا دارد.»

مجموعه وسیعی از ژن‌های همپوشانی کننده به دلیل چگونگی انتقال اطلاعات توسط RNA و DNA، هنجار نیستند. آن‌ها دستورالعمل‌های ساخت پروتیین خود را در توالی کدونها - کلمات سه حرفی مانند CGA هجی می‌کنند. هر کدون به سلول می‌گوید که یا یک اسید آمینه (بلوک سازنده پروتیین) یا یک پروتئین نهایی را سنتز کند.

سه روش برای خواندن رشته RNA وجود دارد، بسته به این که کدام حرف به عنوان شروع یک کدون تفسیر می‌شود. اما معمولا تنها یک «چارچوب خواندن باز» منطقی به نظر می‌رسد. دو ژن دیگر در مکان‌های اشتباه کدون‌های توقف دارند و قطعات ژنتیکی قطع‌شده را غیر احساسی می‌کنند و قادر به تشکیل پروتیین‌های عملکردی نیستند. مانند یک رکورد، مکمل معکوس رشته RNA معمولا هیچ معنایی ندارد. مکمل معکوس رشته‌ای است که وقتی RNA تکرار می‌شود شکل می‌گیرد - فرآیندی که در آن بازه‌‌های نوکلیوتیدی آن با نوکلیوتیدهای مکمل که در سلول میزبان شناور هستند جفت می‌شوند. هر A یک U را پیدا می‌کند، هر U یک A و C همراه با G را پیدا می‌کند، به طوری که شرکا یک رشته مکمل را شکل می‌دهند، الگویی برای ساخت نسخه‌های بعدی از اصل. سه فریم خواندن بر روی قالب نیز معمولا غیرقابل خواندن هستند، که با کدون‌های توقف تصادفی پر شده‌اند.

جوزف دریسی، بیوشیمیست در دانشگاه کالیفرنیا، سان‌فرانسیسکو و یکی از محققان بیوهاب گفت: «اما ویروس‌های RNA برخی از سریع‌ترین، متنوع‌ترین چیزهای تکثیر شده در دنیای ما هستند.» ویروس‌ها گاهی اوقات توالی‌های نوکلیوتیدی همپوشان را تکامل می‌دهند که به طور همزمان چندین پروتیین را کد می‌کنند یا به برخی عملکردهای تنظیمی اضافی دست می‌یابند. اگرچه اکثریت قریب به اتفاق همپوشانی‌های شناخته‌شده در یک جهت ظاهر می‌شوند، مانند دو فریم خواندن باز، در موارد نادر، به ویژه در HIV، چارچوب همپوشان در مکمل معکوس RNA رخ می‌دهد.

نارناویروس‌ها در دسته دوم جای می‌گیرند، اما چیزی که آن‌ها را از هم جدا می‌کند این است که توالی چند وجهی آن‌ها تا چه حد شامل کل ژنوم می‌شود. ویروس‌شناس، دیوید کارلین از دانشگاه آکسفورد گفت: «این کاملا نمونه‌های قبلی را از آب بیرون می‌آورد.» این ویژگی به قدری محدود کننده است که محققان از دهه ۱۹۷۰ به این موضوع مشکوک شده‌اند که باید یک مزیت ناشناخته را حفظ کند.

در یک مقاله چاپ‌شده آنلاین در سال گذشته، اندرو فرث، یک ویروس‌شناس در دانشگاه کمبریج، و همکارانش فرضیات مختلفی در مورد متقارن‌نما‌ها را آزمایش کردند و همه آن‌ها را قانونمند کردند. فرث گفت: «نتیجه ما این است که چارچوب خواندن باز از نظر عملکردی مهم است. ما هنوز نمی‌دانیم چرا.»

تیم بیوهاب شواهد بیشتری را در رابطه با اهمیت این ویژگی در گزارش‌های علمی در ماه نوامبر گزارش کرده‌است. اول، وقتی آن‌ها روابط ژنتیکی بین ده‌ها گونه نارناویروس را بررسی کردند (همه آن‌ها متقارن‌نما نبودند)، متوجه شدند که توالی‌های همپوشان در طول تکامل خود به دست آورده و گم شده‌اند. نویسنده مشترک، گرگ هوبر، متخصص بیوفیزیک گفت: «این واقعا یک ویژگی است که حداقل دو بار، شاید سه بار یا بیشتر تکامل‌یافته است.»

محققان مشاهده کردند که فریم های خواندن مخالف در نارناویروس‌های بیوماتیک همیشه با مرزهای کدون کاملا منطبق هستند. آن‌ها متوجه شدند که این همترازی به کدون‌های توقف اجازه می‌دهد تا در طول تکامل بدون تخریب آنزیم تکرار کد شده توسط رشته رو به جلو، از توالی معکوس ناپدید شوند. به این معنی که هر زمان که یک کدون در دنباله جلو، مکمل معکوس را با یک توقف ترک می‌کند، در تئوری کدون جلو می‌تواند با یک کدون "مترادف" جایگزین شود که به یک اسید آمینه مشابه تبدیل می‌شود، و توقف در مکمل معکوس را بدون انعکاس حذف می‌کند.

این کار زمانی جواب نمی‌دهد که فریم های خواندن مستقیم و معکوس دچار نوسان می‌شوند. دریسی گفت «که برای چنین همپوشانی طولانی، واقعا تنها یک راه برای انجام این کار وجود دارد … و نارناویروس‌ها از آن راه‌حل استفاده می‌کنند. این به نوبه خود نشان می‌دهد که این بخش از تکامل یک بو - بوی تصادفی نیست.»

محققان شک داشتند که توالی متقارن‌نما ممکن است ابزاری برای بهینه‌سازی کارایی کدگذاری ویروس باشد، مانند دیگر ژن‌های همپوشان شناخته‌شده. توالی معکوس به نظر نمی‌رسد که یک پروتئین شناخته‌شده را کد کند، اما ممکن است در عوض ژن مسئول تکثیر را تنظیم کند و یا به کارآمدتر کردن تولید پروتئین کمک کند.

ویلکینسن گفت: «اما چند ماه پیش، گروهی از محققان بیوهاب یک کشف شگفت‌انگیز انجام دادند، کشفی که به این احتمال اشاره دارد که توضیح "چرا " کمی متفاوت است.»

محققان در حال تحلیل مواد ژنتیکی یافت‌شده در نمونه‌های خرد شده پشه بودند که به داشتن RNA نارناویروس معروف هستند. همان طور که انتظار می‌رفت، بسیاری از ژنوم‌های نارناویروس متقارن‌نما در داده‌ها ظاهر شدند. به طور شگفت‌انگیزتر، دانشمندان دریافتند که سلول‌های حاوی RNA نارناویروس اغلب یک قطعه RNA رمز کوتاه دوم را نیز نگه می‌دارند. برخلاف تمام احتمالات، این بخش کوتاه‌تر نیز کاملا مبهم بود. تحقیقات بیشتر، که در یک پیش‌چاپ جدید توضیح داده شد، نشان داد که این قطعه کوتاه، تاریخچه تکاملی را با ژن اصلی نارناویروس به اشتراک گذاشته‌است. هوبر گفت: «این نتایج این سوال را مطرح می‌کنند که نارناویروس در درجه اول چه چیزی است. می‌تواند این باشد که یک نارناویروس تنها این بخش از RNA نیست، بلکه یک ساختار کمی مبهم‌تر است.»

امی کیستلر، محقق بیماری‌های عفونی در بیوهاب و یکی از نویسندگان این کتاب، گفت که چندین بخش پیشنهاد می‌کنند که ویژگی متقارن‌نماها ممکن است چیزی را در مورد ویروس منعکس کند - روشی که تکثیر می‌کند، روشی که ماشین‌آلات سلولی را برای انتشار خود در سلول تحریک می‌کند.

یک فرضیه مهم این است که قطعه دوم RNA ریبوزوم را تحت‌تاثیر قرار می‌دهد، ساختارهایی که مسئول ترجمه RNA به زنجیره‌های آمینو اسیدها هستند. رشته RNA ممکن است برای پروتئینی کد کند که از جدا شدن ریبوزوم از هر دو توالی نارناویروس جلوگیری می‌کند. اگر ریبوزوم‌ها قادر نباشند که از RNA آزاد شوند، تا زمانی که مواد ژنتیکی را پوشش دهند، تجمع خواهند کرد.

این کار اساسا باعث استتار شدن نارنا ویروس می‌شود و باعث می‌شود که شبیه بخشی از سلول میزبان به نظر برسد و آن را از فرایندهای سلولی که ممکن است در غیر این صورت تجزیه شود، پنهان کند. معمولا، ریبوزوم‌ها تنها در امتداد رشته‌های رو به جلو ساخته می‌شوند، چون مکمل معکوس - الگوی تکثیر RNA ویروسی - کدون‌های متوقف خواهد شد و شبیه یک توالی قابل ترجمه به نظر نمی‌رسد که ریبوزوم‌ها باید به آن متصل شوند. برای مکمل معکوس نارناویروس برای تهیه یک پوشش ریبوزومی، باید یک متقارن‌نما باشد.

بنابراین محققان فرض می‌کنند که ویژگی متقارن‌نما بودن در واقع یک مکانیزم حفاظتی است که ویروس‌های بدون کپسید برای فرار از دفاع سلول میزبان رشد داده‌اند.

این مقاله به صورت خودکار توسط ربات هوشمند ترجمه مقالات علمی و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته در نتیجه می‌تواند دارای اشکالات ترجمه باشد.