Νέες ενδείξεις για τους ιούς «Ambigram» με περίεργα αναστρέψιμα γονίδια
Το 1971, μικροβιολόγοι που εξέτασαν κύτταρα ζυμομύκητα ανακάλυψαν περίεργα, αδίστακτα θραύσματα RNA που αποδείχθηκαν ότι ήταν ιοί. Αυτοί οι «narnaviruses» (ένα portmanteau από «γυμνούς ιούς RNA») είχαν αρκετές περίεργες ιδιότητες. Ήταν μικροσκοπικά - ουσιαστικά ένα μόνο γονίδιο που κωδικοποιεί ένα ένζυμο που βοήθησε τον ιό να δημιουργήσει αντίγραφα του εαυτού του. Επιπλέον, σε αντίθεση με άλλους μονόκλωνους ιούς RNA όπως ο Έμπολα και η γρίπη, δεν είχαν κέλυφος «καψιδίου» που να περικλείει το γενετικό τους υλικό, αφήνοντάς τους εκτεθειμένους και περιορίζοντάς τους στα κύτταρα ξενιστές τους.
Το πιο περίεργο από όλα ήταν ότι οι ναρναϊοί μπορούσαν να διαβαστούν ανάποδα.
Κανονικά, η αλληλουχία των βάσεων νουκλεοτιδίων που περιλαμβάνει ένα γονίδιο - στο RNA, αυτά είναι η αδενίνη, η κυτοσίνη, η γουανίνη και η ουρακίλη, με συντομογραφία A, C, G και U - έχει νόημα μόνο όταν τα οργανίδια που παράγουν πρωτεΐνες που ονομάζονται ριβοσώματα αποκωδικοποιούν το μήνυμα ξεκινώντας από ένα θέση και ανάγνωση προς μία κατεύθυνση. Περιστασιακά, τμήματα ενός γονιδιώματος θα έχουν αλληλοκαλυπτόμενες αλληλουχίες που κωδικοποιούν διαφορετικές πρωτεΐνες. Αλλά στους ναρναϊούς, ολόκληρο το γονιδίωμα είναι μια αλληλοκαλυπτόμενη αλληλουχία:μπορεί να διαβαστεί στον «αντίστροφο συμπληρωματικό» προσανατολισμό του. Δηλαδή, το RNA είναι σαν ένα αμφίγραμμα, ένα στυλιζαρισμένο σενάριο που εξακολουθεί να λέει κάτι όταν αναποδογυρίζεται.
"Είναι πάντα πολύ περίεργο και ενδιαφέρον να βρίσκουμε αυτά τα παραδείγματα που ωθούν τα όρια της τρέχουσας αντίληψής μας για τον τρόπο κωδικοποίησης των πληροφοριών", δήλωσε ο Χάρις Γουάνγκ, βιολόγος συστημάτων στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια.
Το τι λέει στην πραγματικότητα το γονιδίωμα των ναρναϊών προς την αντίθετη κατεύθυνση και γιατί το γονιδίωμα πηγαίνει αμφίδρομα, ήταν ένα παζλ. Τώρα, τα ευρήματα ερευνητών στην Καλιφόρνια δείχνουν μια απροσδόκητη απάντηση. Η αμφιγραμματική ιδιότητα των ναρναϊών μπορεί να είναι ένας έξυπνος μηχανισμός αυτοσυντήρησης, που θα μπορούσε να διευρύνει σημαντικά την εικόνα της εξέλιξης του ιού και να προτείνει νέες προσεγγίσεις στη γονιδιακή θεραπεία.
«Νομίζω ότι η ιστορία αυτών των αμφιγραμματικών ιών θα έχει κάποια πόδια», είπε ο Michael Wilkinson, φυσικός στο Open University στην Αγγλία και στο Chan Zuckerberg Biohub, ένα ερευνητικό ινστιτούτο βιοεπιστημών στην περιοχή Bay όπου πραγματοποιήθηκε η έρευνα.
Ένα εκτεταμένο σύνολο επικαλυπτόμενων γονιδίων δεν είναι ο κανόνας λόγω του τρόπου με τον οποίο το RNA και το DNA μεταφέρουν πληροφορίες. Διατυπώνουν τις οδηγίες τους για την παραγωγή πρωτεϊνών σε μια ακολουθία «κωδικονίων» - λέξεις τριών γραμμάτων όπως το CGA. Κάθε κωδικόνιο λέει σε ένα κύτταρο είτε να συνθέσει ένα αμινοξύ (ένα δομικό στοιχείο μιας πρωτεΐνης) είτε να τερματίσει την πρωτεϊνοσύνθεση.
Υπάρχουν τρεις τρόποι ανάγνωσης ενός κλώνου RNA, ανάλογα με το γράμμα που ερμηνεύεται ως η αρχή ενός κωδικονίου. Αλλά συνήθως μόνο ένα «ανοιχτό πλαίσιο ανάγνωσης» έχει νόημα. Τα άλλα δύο έχουν κωδικόνια στοπ σε λάθος σημεία, καθιστώντας τα διακοπτόμενα γενετικά θραύσματα παράλογα και ανίκανα να σχηματίσουν λειτουργικές πρωτεΐνες.
Όπως ένας δίσκος που παίζεται προς τα πίσω, το αντίστροφο συμπλήρωμα του κλώνου RNA συνήθως δεν έχει νόημα. Το αντίστροφο συμπλήρωμα είναι ο κλώνος που σχηματίζεται όταν το RNA αντιγράφεται — μια διαδικασία κατά την οποία οι νουκλεοτιδικές βάσεις του ζευγαρώνουν με συμπληρωματικά νουκλεοτίδια που βρίσκονται να επιπλέουν στο κύτταρο ξενιστή. Κάθε Α βρίσκει ένα U, κάθε U βρίσκει ένα ζεύγος Α και Γ με τα G, έτσι ώστε οι συνεργάτες να σχηματίζουν ένα συμπληρωματικό σκέλος, ένα πρότυπο για τη δημιουργία μελλοντικών αντιγράφων του πρωτοτύπου. Τα τρία πλαίσια ανάγνωσης στο πρότυπο είναι επίσης συνήθως δυσανάγνωστα, γεμάτα με τυχαία κωδικόνια διακοπής.
Αλλά οι ιοί RNA είναι «μερικοί από τους ταχύτερα εξελισσόμενους, πιο διαφορετικούς αντιγραφόμενους πράγματα στο σύμπαν μας», είπε ο Joseph DeRisi, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο και ένας από τους ερευνητές του Biohub. Οι ιοί μερικές φορές αναπτύσσουν αλληλοκαλυπτόμενες αλληλουχίες νουκλεοτιδίων που κωδικοποιούν ταυτόχρονα πολλαπλές πρωτεΐνες ή επιτυγχάνουν κάποια πρόσθετη ρυθμιστική λειτουργία. Αν και η συντριπτική πλειονότητα των γνωστών επικαλύψεων εμφανίζονται προς την ίδια κατεύθυνση, ως δύο μετατοπισμένα ανοιχτά πλαίσια ανάγνωσης, σε σπάνιες περιπτώσεις, κυρίως στον HIV, το επικαλυπτόμενο πλαίσιο εμφανίζεται στο αντίστροφο συμπλήρωμα του RNA.
Οι ναρναϊοί εντάσσονται σε αυτή τη δεύτερη κατηγορία, αλλά αυτό που τους ξεχωρίζει είναι το πόσο τερατώδες είναι η αμφίγραμμα αλληλουχία τους, που περιλαμβάνει σχεδόν ολόκληρο το γονιδίωμα. «Ανατινάζει εντελώς προηγούμενα παραδείγματα από το νερό», είπε ο ιολόγος Ντέιβιντ Κάρλιν από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. Το χαρακτηριστικό είναι τόσο περιοριστικό - δεσμεύοντας την πιθανή εξέλιξη της προς τα εμπρός ακολουθία σε εκείνη της αντίστροφης - που οι ερευνητές υποπτεύονται από τη δεκαετία του 1970 ότι πρέπει να έχει κάποιο άγνωστο πλεονέκτημα.
Σε μια προεκτύπωση που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο πέρυσι, ο Andrew Firth, ιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, και οι συνεργάτες του δοκίμασαν διάφορες εγκόσμιες εξηγήσεις της αμφιγραμματικής ιδιότητας και τις απέκλεισαν όλες. «Το συμπέρασμά μας είναι ότι το αντίστροφο ανοιχτό πλαίσιο ανάγνωσης είναι λειτουργικά σημαντικό», είπε ο Firth. "Ακόμα δεν έχουμε ιδέα γιατί."
Η ομάδα του Biohub ανέφερε περαιτέρω στοιχεία για τη σημασία του χαρακτηριστικού στις Επιστημονικές αναφορές τον Νοεμβριο. Πρώτον, όταν ερεύνησαν τις γενετικές σχέσεις μεταξύ δεκάδων ειδών narnavirus (δεν είναι όλα αμφίγραμμα), διαπίστωσαν ότι οι αλληλοκαλυπτόμενες αλληλουχίες είχαν αποκτηθεί και χαθεί σε όλη την εξέλιξή τους. "Είναι πραγματικά ένα χαρακτηριστικό που έχει εξελιχθεί τουλάχιστον δύο φορές, ίσως τρεις ή περισσότερες φορές", δήλωσε ο συν-συγγραφέας Greg Huber, βιοφυσικός.
Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι τα αντίθετα πλαίσια ανάγνωσης στους αμφιγραμματικούς ναρναϊούς ήταν πάντα ευθυγραμμισμένα, με τα όρια κωδικονίων να ταιριάζουν απόλυτα. Συνειδητοποίησαν ότι αυτή η ευθυγράμμιση επιτρέπει στα κωδικόνια τερματισμού να εξαφανιστούν από την αντίστροφη αλληλουχία κατά τη διάρκεια της εξέλιξης χωρίς να καταστρέψει το ένζυμο αντιγραφής που κωδικοποιείται από τον εμπρόσθιο κλώνο. Δηλαδή, κάθε φορά που ένα κωδικόνιο στην εμπρόσθια αλληλουχία αφήνει το αντίστροφο συμπλήρωμα με ένα στοπ, το εμπρόσθιο κωδικόνιο θα μπορούσε θεωρητικά να αντικατασταθεί με ένα «συνώνυμο» κωδικόνιο που μεταφράζεται στο ίδιο αμινοξύ, αφαιρώντας το στοπ στο αντίστροφο συμπλήρωμα χωρίς επιπτώσεις.
Αυτό δεν λειτουργεί όταν τα πλαίσια ανάγνωσης προς τα εμπρός και προς τα πίσω είναι κλιμακωτά. Για μια τόσο μεγάλη επικάλυψη, «υπάρχει πραγματικά μόνο ένας τρόπος με τον οποίο θα μπορούσατε να το κάνετε αυτό… και οι ναρναϊοί χρησιμοποιούν αυτή τη λύση», είπε ο DeRisi. "Αυτό με τη σειρά του υποδηλώνει ότι αυτό δεν είναι ένα τυχαίο μπου-μπουκ από την πλευρά της εξέλιξης."
Οι ερευνητές υποψιάστηκαν ότι η αμφιγραμματική αλληλουχία μπορεί να είναι ένα μέσο βελτιστοποίησης της αποτελεσματικότητας κωδικοποίησης του ιού, όπως και με άλλα γνωστά επικαλυπτόμενα γονίδια. Η αντίστροφη αλληλουχία δεν φαίνεται να κωδικοποιεί μια γνωστή πρωτεΐνη, αλλά αντίθετα θα μπορούσε να ρυθμίσει το γονίδιο που είναι υπεύθυνο για την αντιγραφή ή να βοηθήσει να γίνει πιο αποτελεσματική η παραγωγή πρωτεΐνης του.
Αλλά πριν από μερικούς μήνες, μια ομάδα ερευνητών του Biohub έκανε μια εκπληκτική ανακάλυψη, μια ανακάλυψη που «υποδεικνύει την πιθανότητα η εξήγηση του «γιατί» να είναι λίγο διαφορετική», είπε ο Wilkinson.
Οι ερευνητές ανέλυαν το γενετικό υλικό που βρέθηκε σε θρυμματισμένα δείγματα κουνουπιών, τα οποία είναι γνωστό ότι περιέχουν RNA του narnavirus. Όπως ήταν αναμενόμενο, πολλά αμφίγραμμα γονιδιώματα narnavirus εμφανίστηκαν στα δεδομένα. Περιέργως, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα κύτταρα που περιείχαν το RNA του narnavirus συχνά διατηρούσαν επίσης ένα δεύτερο, πιο σύντομο μυστήριο θραύσμα RNA. Ενάντια σε όλες τις πιθανότητες, αυτό το μικρότερο απόσπασμα ήταν επίσης εντελώς αμφίγραμμα. Περαιτέρω εργασία, που περιγράφεται σε μια νέα προεκτύπωση, αποκάλυψε ότι το σύντομο τμήμα μοιραζόταν μια εξελικτική ιστορία με το αρχικό γονίδιο του narnavirus. «Αυτά τα αποτελέσματα θέτουν υπό αμφισβήτηση τι είναι καταρχήν ένας narnavirus», είπε ο Huber. "Θα μπορούσε να είναι ότι ένας narnavirus δεν είναι απλώς αυτό το τμήμα του RNA, αλλά μάλλον ένα κάπως πιο νεφελώδες κατασκεύασμα."
Η Amy Kistler, ερευνήτρια μολυσματικών ασθενειών στο Biohub και ένας από τους συν-συγγραφείς, είπε ότι τα πολλαπλά μέρη υποδηλώνουν ότι η αμφιγραμματική ιδιότητα «μπορεί να αντικατοπτρίζει κάτι για τον ιό — τον τρόπο με τον οποίο αναπαράγεται, τον τρόπο με τον οποίο πειράζει τον κυτταρικό μηχανισμό για να διαδοθεί στο κελί."
Μια βασική υπόθεση είναι ότι το δεύτερο κομμάτι του RNA επηρεάζει τα ριβοσώματα, τις δομές που είναι υπεύθυνες για τη μετάφραση του RNA σε αλυσίδες αμινοξέων. Ο κλώνος RNA μπορεί να κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη που εμποδίζει τα ριβοσώματα να αποκολληθούν και από τις δύο αλληλουχίες ναρναϊών. Εάν τα ριβοσώματα δεν είναι σε θέση να απελευθερωθούν από το RNA, θα συσσωρευτούν μέχρι να καλύψουν το γενετικό υλικό.
Αυτό ουσιαστικά θα καμουφλάρει τον narnavirus, κάνοντάς τον να μοιάζει με μέρος του κυττάρου ξενιστή και συγκαλύπτοντάς τον από κυτταρικές διεργασίες που διαφορετικά θα μπορούσαν να τον υποβαθμίσουν. Κανονικά, τα ριβοσώματα θα συσσωρεύονταν μόνο κατά μήκος των μπροστινών κλώνων, επειδή το αντίστροφο συμπλήρωμα - το πρότυπο αντιγραφής του ιικού RNA - θα είχε κωδικόνια τερματισμού και δεν θα έμοιαζε με μια μεταφράσιμη ακολουθία στην οποία θα έπρεπε να προσκολληθούν τα ριβοσώματα. Προκειμένου το ανάστροφο συμπλήρωμα του narnavirus να αναπτύξει επίσης ένα περίβλημα ριβοσώματος, θα πρέπει να είναι αμφίγραμμα.
Ως εκ τούτου, οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η αμφιγραμματική ιδιότητα είναι στην πραγματικότητα ένας προστατευτικός μηχανισμός που οι ιοί χωρίς καψίδια έχουν εξελιχθεί για να διαφύγουν την άμυνα του κυττάρου ξενιστή.
Εάν ο ιός όντως συνδυάζει τον μηχανισμό του κυττάρου ξενιστή του για να κρυφτεί, «ίσως είναι κάτι που τελικά θα διαπιστωθεί ότι υπάρχει γενικότερα», είπε ο Wilkinson. "Αυτό θα μπορούσε να είναι ένας δείκτης για μια νέα κατηγορία ιών." Ο Karlin, ο οποίος δεν συμμετέχει στην έρευνα, συμφωνεί ότι τα ευρήματα θα μπορούσαν να είναι μια γεύση «μιας νέας ηπείρου της βιολογίας».
Το τέχνασμα καμουφλάζ, εάν επιβεβαιωθεί, θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να επεκτείνουν την εργαλειοθήκη επεξεργασίας γονιδίων τους. Για παράδειγμα, τα καλύμματα ριβοσώματος θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον τεχνητό χειρισμό της γονιδιακής έκφρασης με νέους τρόπους. Πιο άμεσα, λένε οι ερευνητές, αυτό το είδος αμφιγραμματικής δυνατότητας θα μπορούσε να εφαρμοστεί για να αυξήσει σημαντικά το ωφέλιμο φορτίο ορισμένων γονιδιακών θεραπειών.
Η ομάδα εκτελεί τώρα πρόσθετα πειράματα, με επικεφαλής τη Hanna Retallack, μια μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο εργαστήριο του DeRisi, με την ελπίδα να εμπλουτίσει τη θεωρία της και να δοκιμάσει πρόσθετες υποθέσεις. «Αισθάνομαι προσεκτικά αισιόδοξος ότι υπάρχει κάτι ουσιαστικά πολύ νέο εδώ», είπε ο Wilkinson.
