ไวรัสบางชนิดมีจีโนม ‘Z’ ลึกลับ

ไวรัสเหล่านี้ใช้ตัวอักษรทางพันธุกรรมที่ไม่เหมือนใครซึ่งไม่พบที่ใดในโลก

พิมพ์เขียวสำหรับชีวิตบนโลกของเราโดยทั่วไปจะเขียนโดยโมเลกุลดีเอ็นเอโดยใช้ตัวอักษรพันธุกรรมสี่ตัวอักษร แต่ไวรัสที่บุกรุกแบคทีเรียบางชนิดมี DNA ที่ต่างกันด้วยตัวอักษร Z ที่อาจช่วยให้พวกมันอยู่รอดได้ และผลการศึกษาใหม่แสดงให้เห็นว่ามีความแพร่หลายมากกว่าที่เคยคิดไว้มาก

เอกสารชุดใหม่อธิบายว่าจดหมายเคมีแปลก ๆ นี้เข้าสู่DNA ของไวรัส ได้อย่างไร และตอนนี้นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่า “Z-genome” เป็นที่แพร่หลายมากขึ้นในไวรัสที่บุกรุกแบคทีเรียทั่วโลก และอาจมีวิวัฒนาการมาเพื่อช่วยเชื้อโรค เอาตัวรอดจากสภาวะที่ร้อนและรุนแรงของโลก ยุคแรก ของ  เรา

ผลการศึกษา3 ชิ้น แยกกัน เผยแพร่ในวันพฤหัสบดี (29 เมษายน) ในวารสาร Science 

ดีเอ็นเอมักประกอบด้วยตัวอักษรสี่ตัวเดียวกันของสารประกอบทางเคมีที่เรียกว่านิวคลีโอไทด์: Guanine (G), cytosine (C), thymine (T) และ adenine (A) โมเลกุลดีเอ็นเอประกอบด้วยสารเคมีสองเส้นที่ผูกเข้าด้วยกันเป็นรูปทรงเกลียวคู่ ตัวอักษรของ DNA จะเหมือนกันไม่ว่าจะเขียนโค้ดสำหรับกบ คน หรือต้นไม้ข้างหน้าต่าง แต่คำแนะนำต่างกัน โมเลกุล RNA ใช้ตัวอักษรเกือบเหมือนกัน แต่ใช้ uracil (U) แทนไทมีน

ที่เกี่ยวข้อง: รหัสของชีวิต: ภาพถ่ายของโครงสร้างดีเอ็นเอ

ในปี 1977 กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ในรัสเซียค้นพบครั้งแรกว่าไซยาโนฟาจหรือไวรัสที่บุกรุกกลุ่มแบคทีเรียที่รู้จักกันในชื่อไซยาโนแบคทีเรียได้เข้ามาแทนที่ As สำหรับสารเคมี 2-aminoadenine (Z) ทั้งหมด กล่าวอีกนัยหนึ่ง ตัวอักษรทางพันธุกรรมที่โดยทั่วไปประกอบด้วย ATCG ในสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่บนโลกของเราคือ ZTCG ในไวรัสเหล่านี้ 

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่สิ่งนี้เป็นการค้นพบที่น่าปวดหัว — แปลกพอๆ กับการสะกดคำว่า apples “zpples” — และไม่ค่อยมีใครรู้ว่าการแทนที่ด้วยตัวอักษรเพียงตัวเดียวนี้อาจส่งผลต่อไวรัสได้อย่างไร ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 นักวิจัยพบว่า Z nucleotide ให้ประโยชน์กับไวรัสจริง ๆ : มันมีความเสถียรมากกว่าที่อุณหภูมิสูงขึ้น มันช่วยให้ DNA สายหนึ่งจับกับ DNA สายที่สองได้แม่นยำยิ่งขึ้นหลังจากการทำซ้ำ (DNA เป็นแบบสองสาย) และ Z-DNA สามารถต้านทานโปรตีนบางชนิดที่มีอยู่ในแบคทีเรียที่ปกติแล้วจะทำลาย DNA ของไวรัส

ตอนนี้ กลุ่มวิจัยสองกลุ่มในฝรั่งเศสและอีกหนึ่งกลุ่มในจีนได้ค้นพบปริศนาอีกชิ้นหนึ่งว่า Z-nucleotide นี้ไปจบลงที่จีโนมของแบคทีเรียได้อย่างไร — ไวรัสที่บุกรุกแบคทีเรียและใช้เครื่องจักรในการทำซ้ำ

โรงงาน Z

กลุ่มวิจัยทั้งสามกลุ่มโดยใช้เทคนิคจีโนมที่หลากหลาย ระบุส่วนหนึ่งของเส้นทางที่นำไปสู่ซี-จีโนมในแบคทีเรีย

สองกลุ่มแรกพบโปรตีนหลักสองชนิดที่เรียกว่า PurZ และ PurB ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสร้าง Z-nucleotide เมื่อไซยาโนฟาจฉีด DNA ของมันเข้าไปในแบคทีเรียเพื่อทำซ้ำตัวเอง จะเกิดการเปลี่ยนแปลงหลายชุด: โปรตีนทั้งสองนี้สร้างสารตั้งต้นของโมเลกุล Z แล้วแปลงโมเลกุลของสารตั้งต้น Z เป็น Z-นิวคลีโอไทด์ โปรตีนอื่น ๆ ดัดแปลงเพื่อให้สามารถรวมเข้ากับ DNA ได้ 

กลุ่มที่สามระบุเอนไซม์ที่รับผิดชอบในการประกอบโมเลกุลดีเอ็นเอใหม่จากโมเลกุลดีเอ็นเอแม่: DNA polymerase ที่เรียกว่า DpoZ พวกเขายังพบว่าเอนไซม์นี้แยก A-nucleotide โดยเฉพาะและเพิ่ม Z แทนเสมอ

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่ Z-genome เป็นที่รู้กันว่ามีอยู่ในไซยาโนแบคทีเรียเพียงสายพันธุ์เดียวเท่านั้น “ผู้คนเชื่อว่า Z-genome นี้หายากมาก” Suwen Zhao ผู้ช่วยศาสตราจารย์ในโรงเรียนวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิตและเทคโนโลยีแห่ง ShanghaiTech University และผู้เขียนอาวุโสของการศึกษาชิ้นหนึ่งกล่าว 

Zhao และทีมของเธอวิเคราะห์ลำดับของฟาจด้วย Z-genome และเปรียบเทียบกับสิ่งมีชีวิตอื่นๆ พวกเขาค้นพบว่า Z-genomes นั้นแพร่หลายมากกว่าที่เคยคิดไว้มาก Z-genome มีอยู่ในแบคทีเรียชนิดต่างๆ มากกว่า 200 ชนิด 

Pierre Alexandre Kaminski นักวิจัยจาก Institut Pasteur ในฝรั่งเศส ผู้เขียนอาวุโสของการศึกษาวิจัยอีกชิ้นหนึ่งและผู้เขียนร่วมในส่วนที่สามกล่าวว่า phages ที่มีจีโนม Z นี้ “ถือได้ว่าเป็นรูปแบบชีวิตที่แตกต่างออกไป” แต่ “เป็นการยากที่จะรู้ที่มาที่แน่นอน” และจำเป็นต้องสำรวจขอบเขตที่โปรตีน PurZ นี้มีอยู่ในแบคทีเรียและบางทีแม้แต่สิ่งมีชีวิต เขากล่าวกับ WordsSideKick.com

Kaminski และกลุ่มของเขาวิเคราะห์ ประวัติ วิวัฒนาการของโปรตีน PurZ และพบว่าเกี่ยวข้องกับโปรตีนที่เรียกว่า PurA ซึ่งพบในอาร์เคียที่สังเคราะห์ A-nucleotide การเชื่อมต่อทางวิวัฒนาการที่ “ห่างไกล” นี้ทำให้เกิดคำถามว่าโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับการสร้าง Z-nucleotide เกิดขึ้นครั้งแรกในแบคทีเรียและในที่สุดก็ถูกดัดแปลงโดยไวรัสหรือไม่ หรือเกิดขึ้นบ่อยขึ้นในสิ่งมีชีวิตเบื้องต้นบนโลกใบนี้ หรือแม้กระทั่งภายในเซลล์ Michael Grome และ Farren Isaacs จาก Yale University ซึ่งไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษานี้ เขียนในบทความเกี่ยวกับมุมมองที่เกี่ยวข้องซึ่งตีพิมพ์ในวารสารScienceเมื่อวันที่ 29 เมษายน

PurZ และ DpoZ มักได้รับการสืบทอดมาด้วยกัน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าจีโนม Z มีอยู่เคียงข้าง DNA ปกติตั้งแต่ช่วงแรกๆ ของชีวิตบนโลกของเรา ก่อน 3.5 พันล้านปีก่อนที่พวกเขาเขียน ยิ่งไปกว่านั้น การวิเคราะห์ที่ดำเนินการในปี 2554 เกี่ยวกับอุกกาบาตที่ตกลงมาในทวีปแอนตาร์กติกาในปี 2512 ได้ค้นพบ Z-nucleotide ควบคู่ไปกับนิวคลีโอไทด์ที่เป็นมาตรฐานและไม่เป็นมาตรฐานซึ่งน่าจะมาจากนอกโลก “เพิ่มบทบาทที่เป็นไปได้สำหรับ Z ในรูปแบบแรกเริ่มของชีวิต” พวกเขาเขียน

อนาคตZ

เป็นไปได้ว่าซี-จีโนมนี้ ถ้ามันมีอยู่ในช่วงต้นของประวัติศาสตร์โลกของเรา ก็สามารถให้ความได้เปรียบแก่สิ่งมีชีวิตในยุคแรกๆ Zhao กล่าวว่า “ฉันคิดว่ามันเหมาะสมกว่าสำหรับสิ่งมีชีวิต Z-genome ที่จะอยู่รอดในสภาพแวดล้อมที่ร้อนและรุนแรง” ของดาวเคราะห์ยุคแรก Zhao กล่าว 

Z-genome นั้นเสถียรมาก เมื่อ DNA ปกติสองเส้นมารวมกันเป็นเกลียวคู่ พันธะ ไฮโดรเจน สอง พันธะจะจับ A กับ T และพันธะไฮโดรเจนสามพันธะจะจับ G กับ C แต่เมื่อ A ถูกแทนที่ด้วย Z พันธะไฮโดรเจนสามพันธะจะจับกันทำให้มัดแน่นขึ้น . นี่เป็น DNA ที่ไม่ปกติเพียงตัวเดียวที่ปรับเปลี่ยนพันธะไฮโดรเจน Kaminski กล่าว 

แต่ไม่น่าแปลกใจเลยที่ Z-genome จะไม่แพร่หลายในสปีชีส์ต่างๆ ในปัจจุบัน Z-genome สร้าง DNA ที่เสถียรมาก แต่ไม่ยืดหยุ่น Zhao กล่าว สำหรับเหตุการณ์ทางชีววิทยาหลายอย่าง เช่น การจำลองดีเอ็นเอ เราจำเป็นต้องคลายซิปสายคู่ และพันธะไฮโดรเจนที่เกินมาทำให้การคลายซิปทำได้ยากขึ้น เธอกล่าว “ฉันคิดว่ามันเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่ร้อนและสมบุกสมบันมากกว่า แต่ตอนนี้ไม่เหมาะกับสภาพแวดล้อมที่สะดวกสบายกว่านี้” จ้าวกล่าว 

อย่างไรก็ตาม ความเสถียรของ Z-genome ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับเทคโนโลยีบางอย่าง ตอนนี้นักวิจัยรู้แล้วว่าโปรตีนชนิดใดที่ไวรัสใช้สร้าง Z-genomes เหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถสร้างพวกมันขึ้นมาเองได้ “ตอนนี้เราสามารถผลิต Z-genome ได้ในวงกว้าง” Zhao กล่าว 

ตัวอย่างเช่น Z-genome อาจช่วยปรับปรุงการรักษาด้วยฟาจ ซึ่งเป็นวิธีการรักษาการติดเชื้อแบคทีเรียที่ใช้แบคทีเรีย โดยทั่วไปเมื่อแบคทีเรียพัฒนาความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะ เธอกล่าว หรืออาจใช้เพื่อปรับปรุงอายุขัยและความสามารถในการกำหนดเป้าหมายของสาย DNA ที่ใช้ในการบำบัดด้วยยีน ตามบทความในมุมมอง ยิ่งไปกว่านั้น นักวิจัยสามารถศึกษาสิ่งที่อาจเกิดขึ้นได้หากพวกเขารวม Z-genome ไว้ในเซลล์ เพื่อปรับปรุงการทำงานของเซลล์ ตามบทความในมุมมอง 

แต่ยังมีคำถามมากมายที่ยังไม่ได้คำตอบเกี่ยวกับจีโนม Z Zhao กล่าว ตัวอย่างเช่น เธอหวังว่าจะเข้าใจว่าโครงสร้าง 3 มิติของมันมีความแตกต่างใดๆ มากกว่า DNA ปกติหรือไม่ ในขณะที่ Kaminski หวังที่จะสำรวจเพิ่มเติมว่า Z-genome มีประโยชน์อย่างไรต่อ bacteriophage นอกเหนือจากการช่วยหลีกเลี่ยงโปรตีนป้องกันของแบคทีเรีย

ไม่ทราบว่าจีโนม Z สามารถสร้างสายสัมพันธ์ของ RNA สัมพัทธ์ของ DNA ได้หรือไม่ตามบทความมุมมอง ยังไม่ชัดเจนว่าจีโนม Z นี้สามารถรวมเข้ากับยีนของโฮสต์แบคทีเรียของไวรัสได้หรือไม่ สิ่งที่ชัดเจนจากการศึกษาเหล่านี้ก็คือ จีโนม Z นั้นแพร่หลายมากกว่าที่เราคิด และน่าจะมีเรื่องราววิวัฒนาการที่น่าสนใจมาก

หน้าแรก