ZTCG؛ چگونه فاژها الفبای ژنتیکی را گسترش می‌دهند؟

ویروس‌های آلوده‌کننده باکتری آنزیم‌های ویژه‌ای دارند که ژن‌هایی با نوکلئوتیدهای دیگری غیر از نوکلئوتیدهای مرسوم تولید می‌کنند.

DNA ژنومی از چهار نوکلئوتید استاندارد تشکیل شده است که هرکدام دارای نوکلئوباز متفاوتی شامل آدنین (A)، تیمین (T)، سیتوزین (C) و گوانین (G) هستند. این نوکلئوتیدها الفبای ژنتیکی، ATCG را تشکیل می‌دهند که در تمام قلمروهای حیات حفظ شده‌اند. با این حال ژنوم‌های بیگانه‌ای را نیز می‌توان روی زمین یافت. برخی از ویروس‌ها که باکتری‌ها را آلوده می‌کنند از الفبای ژنتیکی جایگزینی استفاده می‌کنند که با رمزی که تقریباً در تمام ارگانیسم‌ها استفاده می‌شود متفاوت است. هم‌اکنون، دو گروه چگونگی کار این سیستم را فاش کرده‌اند.

در سال ۱۹۷۷، ویروس DNA داری به نام سیانوفاژ S-2L کشف شد که در سراسر ژنوم خود همه موارد آدنین (A) با ۲-آمینوآدنین، یا به‌اختصار Z، جایگزین شده بود. به این گونه الفبای ژنتیکی ZTCG کشف شد. پس از گذشت بیش از چهار دهه، مطالعات نشان می‌دهد که چگونه بسیاری از این باکتریوفاژها (به‌طور خلاصه فاژها) ژنوم خود را با استفاده از این باز شیمیایی تولید می‌کنند.

به گفته سوون ژائو (Suwen Zhao): «دانشمندان مدت‌هاست رؤیای افزایش تنوع بازهای تولیدکننده نوکلئیک‌اسیدها را در سر دارند. کار ما نشان می‌دهد که طبیعت قبلاً راهی برای انجام این کار پیدا کرده است.» وی که یک زیست‌شناس محاسباتی در دانشگاه شانگهای‌تک در چین است به همراه گروه پژوهشی‌اش مقاله‌ای را در ۲۹ آوریل ۲۰۲۱ در ژورنال Science منتشر کردند که نحوه ساخت «Z-DNA» را توضیح می‌دهد. محققان در فرانسه نیز نظرات مشابهی را در دو مقاله در همان ژورنال توصیف کردند.

استیون بنر (Steven Benner)، زیست‌شناس مصنوعی و بنیان‌گذار بنیاد تکامل مولکولی کاربردی در آلاچوا، فلوریدا، می‌گوید که این پژوهش بسیار مهم است. او این کار را با کشف کارل ووز (Carl Woese) میکروبیولوژیست آمریکایی مقایسه می‌کند. ووز حدود نیم‌قرن پیش یک شاخه جدید از زندگی تک‌سلولی یعنی آرکیا را شناسایی کرد. استیون بنر این کشف جدید را نخستین کشف از یک حیات در سایه (shadow biosphere) می‌داند.

تقویت‌کننده پیوند

دانشمندان در اتحاد جماهیر شوروی اولین کسانی بودند که Z-DNA را در اواخر دهه ۱۹۷۰ در فاژی به نام S-2L کشف کردند. این فاژ باکتری‌های فتوسنتز کننده را آلوده می‌کند. آن‌ها دریافتند هنگامی‌که دو رشته مارپیچ DNA فاژ از هم جدا می‌شوند، رفتار عجیبی دارند. به‌طورکلی پیوندی که بین بازهای G و C ایجاد می‌شود در مقایسه با پیوند بین A و T در دمای بالاتر می‌شکند. DNA این فاژ به‌گونه‌ای رفتار می‌کند که به نظر می‌رسد بیشتر از G و C ایجاد شده است؛ اما تجزیه‌وتحلیل بیشتر توسط گروه اتحاد جماهیر شوروی نشان داد که فاژ A را با Z جایگزین کرده بود که پیوند قوی‌تری با T ایجاد می‌کند.

فیلیپ مارلیر(Philippe Marlière)، مخترع و متخصص ژنتیک در دانشگاه اوری، فرانسه، راهبر یکی از دو مقاله ژورنال Science که بالاتر به آن اشاره شد، می‌گوید: به نظر می‌رسید چیزی اشتباه شده است. چرا این فاژ باز ویژه‌ای مانند این دارد؟

مطالعات بعدی نشان داد که ژنوم S-2L در برابر آنزیم‌های تخریب‌کننده DNA و سایر سامانه‌های دفاعی ضد فاژ در باکتری‌ها مقاوم است؛ اما محققان نمی‌دانستند که سیستم Z-DNA چگونه کار می‌کند یا چقدر این سیستم رایج است. Z-DNA تنها یکی از چندین تغییراتی است که در DNA فاژ وجود دارد.

برای پاسخ به این پرسش‌ها، گروهی به سرپرستی مارلیر و پیر الکساندر کامینسکی (Pierre-Alexandre Kaminski)، بیوشیمیستی در انستیتوی پاستور پاریس، در اوایل دهه ۲۰۰۰ ژنوم فاژ را توالی‌یابی کردند. آن‌ها ژنی را یافتند که احتمالاً در یک مرحله ساخت Z-DNA نقش داشت، اما در سایر مراحل نقشی نداشت؛ اما در آن زمان این ترادف در پایگاه داده‌های ژنومی مشابهی نداشت و تلاش گروه برای شناخت اساس Z-DNA به بن‌بست رسید.

مارلیر و همکارانش حق امتیاز ژنوم S-2L را به ثبت رساندند؛ اما آن را در اختیار عموم نیز قرار دادند. مارلیر همچنان به جستجوی پایگاه داده‌های ژنومی ادامه داد. سرانجام، در سال ۲۰۱۵، این گروه موردی را یافت. آن‌ها دریافتند فاژی که باکتری‌های آب از جنس Vibrio را آلوده می‌کند، ژنی را در خود دارد که با یک ژنوم S-2L مطابقت دارد. این ژن آنزیمی را رمزدهی می‌کند که شبیه آنزیمی است که باکتری‌ها از آن برای ساختن آدنین استفاده می‌کنند. مارلیر می‌گوید: «این لحظه‌ای شادی‌آور بود. «

گروه ژائو نیز در سال ۲۰۱۹ مطابقت مشابهی در پایگاه داده پیدا کردند. هر دو گروه نشان دادند که همه فاژها دارای ژنی به نام PurZ هستند. این ژن آنزیمی را رمزدهی می‌کند که نقشی اولیه اما بسیار مهم در ساختن نوکلئوتید Z دارد. این مولکول از یک مولکول پیش ساز موجود در سلول‌های باکتری ساخته می‌شود. آن‌ها سپس آنزیم‌های دیگری را شناسایی کردند که در ژنوم باکتری‌هایی آلوده‌شده با فاژها وجود داشتند. این آنزیم‌ها مسیر ساخت را کامل می‌کنند.

اما پاسخ دادن به یک سؤال اساسی به تأخیر افتاد. آنزیم‌هایی که این گروه‌ها شناسایی کردند، ماده اولیه Z-DNA یعنی مولکولی به نام dZTP را تولید می‌کند، اما توضیح نمی‌داد که چگونه فاژها این مولکول را در رشته‌های DNA قرار می‌دهند و هم‌زمان بازهای A (به شکل شیمیایی dATP) را حذف می‌کنند.

در اینجا نتیجه‌گیری گروه‌ها کمی متفاوت بود. در کنار PurZ در ژنوم فاژ آلوده‌کننده باکتری Vibrio ژنی قرار دارد. این ژن آنزیمی به نام پلیمراز را تولید می‌کند که رشته‌های DNA را همانند‌سازی می‌کند. مارلیر و کامینسکی دریافتند که پلیمراز فاژ dZTP را وارد DNA می‌کند و هم‌زمان بازهای A واردشده را جدا می‌کند. کامینسکی می‌گوید: «این مشاهده به ما توضیح داد که چرا A حذف شده است. این موضوع واقعاً جالب بود.»

ژائو فکر می‌کند این همه ماجرا نیست. کارهای وی نشان می‌دهد که آنزیم فاژی دیگری نیز لازم است، آنزیمی که dATP را تجزیه می‌کند؛ اما dZTP را در داخل سلول‌ها حفظ می‌کند. گروه وی دریافتند که افزایش سطح dZTP نسبت به dATP به‌اندازه‌ای بود که پلیمراز خود سلول را فریب دهد که Z-DNA تولید کند.

ارتباط‌های گم‌شده

ژائو می‌گوید: «چیزهای زیادی وجود دارد که نمی‌دانیم.» مشخص نیست که میزبان‌ها چگونه Z را از DNA خود دور می‌کنند. همچنین مشخص نیست چگونه ماشین‌های سلولی که DNA را برای تولید پروتئین می‌خوانند از عهده Z-DNA برمی‌آیند. چراکه Z-DNA مارپیچ مضاعفی است که کمی با مولکول‌های DNA معمولی متفاوت است. کامینسکی اضافه می‌کند، همچنین چگونگی همانندسازی Z-DNA کاملاً شناخته نشده است؛ چراکه در فرایند همانندسازی ممکن است علاوه بر پلیمراز به آنزیم‌های تخصصی دیگری نیز نیاز باشد. وی ادامه می‌دهد: «ما هنوز نمی‌دانیم که کل سیستم چگونه کار می‌کند.»

دیوید دونلاپ(David Dunlap)، بیوفیزیکدان دانشگاه اموری در آتلانتا، جورجیا، می‌گوید که عملکرد آنزیم‌های میزبان می‌تواند هنگام کار روی Z-DNA بهبود یابد یا مختل شود. وی دریافته است که آنزیم E. coli برای پیچاندن و خم کردن این مارپیچ مضاعف عجیب، تلاش می‌کند. کشف فاژهای بیشتر با Z-DNA و ژن‌هایی که در ساخت این مولکول نقش دارند، قطعاً به پژوهشگران در شناخت نحوه بهره بردن فاژها در استفاده از آن کمک کند.

ژائو می‌گوید دسترسی به این ژن‌ها می‌تواند با ساده‌تر کردن و ارزان‌تر کردن ساخت Z-DNA سبب تسریع کاربردهای بالقوه آن شود. پایداری Z-DNA می‌تواند روش نوپای ذخیره‌سازی داده با DNA را باثبات‌تر و بادوام‌تر کند. نانو ماشین‌هایی که از Z-DNA دقیقاً مرتب‌شده ساخته شده‌اند – معروف به اوریگامی -DNA ممکن است سریع‌تر به شکل خود درآیند. گروه فرانسوی در حال کار روی وارد کردن مولکول در ژنوم‌های باکتری است. مارلیر می‌گوید «ما سلول‌های E. coli داریم که با «Zed» مورد حمله قرار می‌گیرند. این به‌اندازه‌ای که من می‌ترسم سمی نیست».

استیون بنر – که پژوهش‌های وی الفبای ژنتیکی را گسترش داده است و چندین باز مصنوعی DNA را در این الفبا جا داده است – امیدوار است که این مطالعات جدید نظر محققان را به درک قدرت تغییر الفبای ژنتیکی جلب کند. او می‌گوید: «این واقعیت که طبیعت گام کوچکی در همین جهت برداشته است، ممکن است یک محرک فکری باشد تا جامعه زیست‌شناسی مولکولی درک کند که DNA را می‌تواند بهبود داد و این تغییر سودمند باشد.»

Orginal References:

منابع: Science و Nature