أنشأت الفيروسات النواة بالخلية ربما

 مصر: ايهاب محمد زايد

 قد يتم قريبًا وضع نظرية تكافلية غير تقليدية حول أصل الخاصية المميزة لحقيقيات النوى على المحك.

 داخل الخلية ، يُحاط “مصنع فيروسي” (حجرة دائرية كبيرة يسار المركز) بجزيئات الفيروس الجديدة (كائنات أصغر متعددة السطوح) التي صنعها. توجه بعض الفيروسات تكوين هذه الأجزاء لعزل حمضها النووي عن المضيف.

 تختلف الخلايا من الحيوانات والنباتات والفطريات والبروتوزوا ، فإنها تشترك جميعها في ميزة واحدة بارزة: النواة. لديهم عضيات أخرى أيضًا ، مثل الميتوكوندريا المنتجة للطاقة ، لكن وجود نواة – كيس مسامي واضح المعالم ومليء بالمواد الوراثية – هو ما ألهم عالم الأحياء إدوارد تشاتون في عام 1925 لابتلاع مصطلح حقيقيات النوى ، الذي أشار إلى العيش مع “نواة حقيقية”. كل الباقي وصفه بدائيات النوى للحياة “قبل النواة”. أصبح هذا الانقسام بين الحياة المنواة وغير المنواة أمرًا أساسيًا في علم الأحياء.

 لا أحد يعرف بالضبط كيف تطورت النواة وخلقت هذا الانقسام. ومع ذلك ، فقد أقنعت الأدلة المتزايدة بعض الباحثين بأن النواة ربما نشأت من خلال شراكة تكافلية تشبه كثيرًا تلك التي يُعتقد أنها أنتجت الميتوكوندريا. لكن الاختلاف الجوهري هو أن الشريك المسؤول عن النواة ربما لم يكن خلية على الإطلاق ، بل كان فيروسًا.

 أوضح فيليب بيل ، رئيس قسم الأبحاث في شركة MicroBioGen للتكنولوجيا الحيوية في الخميرة: “ما نحن (حقيقيات النوى) هو حالة كلاسيكية لما يسمونه التعقيد الناشئ”. اقترح بيل أصلًا فيروسيًا للنواة حقيقية النواة في عام 2001 وقام بتحديث النظرية في سبتمبر. “إنها الكائنات الحية الثلاثة التي اجتمعت معًا لتكوين مجتمع جديد ، والذي تم دمجه في النهاية لدرجة أنه أصبح ، بشكل فعال ، شكلاً جديدًا من أشكال الحياة.”

 سيكون اكتشاف الفيروسات البدائية التي تبني هياكل تشبه النواة والغشاء في الخلايا البدائية أقوى دليل على الأصل الفيروسي للنواة.

 

 أخذ هو وباحثون آخرون ثقتهم من النتائج مثل إثبات أن الفيروسات العملاقة تبني “مصانع فيروسية” داخل الخلايا بدائية النواة – وهي أجزاء تشبه إلى حد كبير النواة ، تفصل عمليات النسخ (قراءة الجينات) والترجمة (بناء البروتينات). قال: “أعتقد أنه الآن أقوى نموذج”.

 قد لا يتفق معه معظم الباحثين الذين يدرسون أصول حقيقيات النوى ؛ لا يزال البعض يصفها بأنها فكرة هامشية. لكن مؤيدي الأصل الفيروسي يشيرون إلى أن العديد من الاكتشافات الحديثة تتماشى بشكل ملائم مع نموذج فيروسي – ويعتقدون أن الأدلة القاطعة لصالحهم أصبحت أخيرًا في متناول اليد.

 هدية أو نثر فيروسي

 يعتقد العلماء عمومًا أن حقيقيات النوى ظهرت لأول مرة على الساحة منذ ما بين 2.5 مليار و 1.5 مليار سنة ، عندما تشير الأدلة إلى أن البكتيريا استقرت داخل نوع مختلف من بدائيات النوى ، أركيون ، وأصبحت ميتوكوندريا. لكن لغزاً أعمق يحيط بظهور النواة. لا أحد يعرف حتى ما إذا كان هذا الأركون القديم نوعًا من حقيقيات النوى البدائية مع نواة ، أو ما إذا كانت النواة قد جاءت لاحقًا.

 تحتاج أي قصة منشأ لنواة حقيقية النواة إلى شرح العديد من ميزاتها. هناك طبيعة الهيكل ، بالنسبة للمبتدئين: أغشيته الداخلية والخارجية المتداخلة ، والمسام التي تربط باطنه ببقية الخلية. هناك أيضًا طريقة غريبة تقسم بها تعبير الجينات داخل نفسها ولكنها تترك بناء البروتينات في الخارج. ويجب أن تشرح قصة الأصل المقنعة حقًا سبب وجود النواة على الإطلاق – ما هي الضغوط التطورية التي دفعت تلك الخلايا القديمة إلى عزل جينوماتها.

 خلال معظم القرن الماضي وأكثر ، فشلت التخمينات حول أصل النواة في الإجابة على واحد على الأقل من هذه الأسئلة. ولكن في مطلع القرن الحادي والعشرين ، توصل باحثان بشكل مستقل إلى فكرة أن الفيروسات مسؤولة عن النواة.

 في اليابان ، كان ماساهارو تاكيمورا (الذي كان آنذاك باحثًا مشاركًا في جامعة ناغويا) يدرس الكيمياء الحيوية لبوليميراز الحمض النووي – الإنزيمات التي تستخدمها الخلايا لنسخ الحمض النووي – عندما أصبح مهتمًا بتطورها. قال تاكيمورا ، عالم الأحياء الجزيئية وعالم الفيروسات في جامعة طوكيو للعلوم ، في رسالة بالبريد الإلكتروني: “أجريت تحليلاً للتطور الوراثي لبوليميراز الحمض النووي ، بما في ذلك حقيقيات النوى والبكتيرية والبدائية والفيروسية”. كشف تحليله أن مجموعة واحدة من الفيروسات (فيروسات الجدري) لديها بوليميرات الحمض النووي التي كانت مشابهة بشكل مدهش لواحدة من الفئات الرئيسية للبوليميرات من حقيقيات النوى. افترض أن إنزيم حقيقيات النواة نشأ كمساهمة من بعض فيروسات الجدري القديمة.

 عرف Takemura أيضًا أن فيروسات الجدري تخلق وتتكاثر داخل حجرات داخل الخلايا التي تصيبها. قاده هذا المزيج من الحقائق إلى وضع نظرية مفادها أن نواة الخلية حقيقية النواة مشتقة من إحدى مقصورات فيروس الجدري الأسلاف – وهو اقتراح نشره في مجلة التطور الجزيئي في مايو 2001.

 في غضون ذلك ، في أستراليا ، توصل بيل إلى نتيجة مماثلة لأسباب مختلفة. كطالب دراسات عليا في أوائل التسعينيات ، كان مهتمًا بالنظريات حول أصل النواة ، خاصةً فكرة أنها ، مثل الميتوكوندريا ، ربما بدأت كمعايش داخلي. “خمس دقائق من البحث وذهبت ،” يا إلهي ، إذا كان تعايشًا داخليًا ، فهو ليس بكتيريًا “، يتذكر. كان هناك الكثير من الاختلافات بين الجينومات البكتيرية وحقيقية النواة ، كما شعر ، مثل حقيقة أن حقيقيات النوى لها صبغيات خطية بينما البكتيريا تميل إلى أن تكون لها صبغيات دائرية.

 ولكن عندما نظر إلى الجينومات الفيروسية ، وجد أوجه تشابه مذهلة بين التركيب الجيني لفيروسات الجدري وحقيقيات النوى. وأشار “لقد استغرق الأمر تسع سنوات لنشر النسخة الأولى من النموذج”. ثم استغرق الأمر 18 شهرًا من التراجع لنشر الورقة في مجلة التطور الجزيئي … أربعة أعداد بعد ورقة تاكيمورا.

 الفيروسات العملاقة هي ما يقول فورتيري وتاكيمورا وبيل إنها مسؤولة عن أصل النواة.

 الآن ، بعد ما يقرب من 20 عامًا ، قام كل من Takemura و Bell بتحديث فرضياتهما بشكل مستقل. تم نشر مراجعة Takemura على الإنترنت في Frontiers in Microbiology في 3 سبتمبر ، بيل في Virus Research في 20 سبتمبر ، قال بيل ضاحكًا: “لقد فعلها بي مرة أخرى”.

 أشار كلا العالمين إلى الاكتشافات الحديثة التي تضمنت مجموعة غير عادية من “الفيروسات العملاقة” كأحد الأسباب الرئيسية للتحديثات. كانت هذه الفيروسات غير معروفة تمامًا عندما نشر تاكيمورا وبيل فرضياتهما الأولية. جينوماتها ، التي تحتوي على أكثر من مليون زوج قاعدي ، تنافس تلك الموجودة في البكتيريا الصغيرة التي تعيش بحرية في الحجم ، وهي تحمل نسخًا فيروسية من الجينات للبروتينات المشاركة في العمليات الأساسية في الخلايا. (هناك بعض الأدلة على أن النسخ حقيقية النواة للعديد من هذه البروتينات جاءت من هذه الفيروسات).

 ولكن الأهم من ذلك ، أن هذه الفيروسات العملاقة تتكاثر داخل مقصورات معقدة ذاتية الإنشاء في سيتوبلازم الخلية المضيفة ، وهذا هو سبب تصنيف هذه الفيروسات ، مثل فيروسات الجدري ، على أنها فيروسات DNA كبيرة النواة (NCLDVs). بالنسبة لهذه الفيروسات العملاقة ، فإن الأجزاء التي يصنعونها هي “مصانع فيروسية بحجم نواة حقيقية النواة” ، كما قال باتريك فورتيري ، عالم الأحياء التطوري في معهد باستير في باريس. بصراحة ، فإن المصانع الفيروسية التي تصنعها NCLDVs التي تصيب حقيقيات النوى لها أيضًا أغشية داخلية وخارجية مثل النواة. الفيروسات العملاقة هي ما يقول فورتيري وتاكيمورا وبيل إنها مسؤولة عن أصل النواة.

 هناك طريقتان محتملتان يمكن أن تأتيهما النواة من فيروسات عملاقة ، وفقًا لـ Forterre. قال: “إما أن المصانع الفيروسية أصبحت النواة ، أو خلايا حقيقية النواة الأولية … تعلمت من الفيروس من أجل جعل نفسها نوعًا من المصانع الفيروسية لحماية الكروموسومات”.

 يعتقد تاكيمورا أن هذا الأخير هو الأرجح: أن الفيروس كان مساهماً غير مقصود في الخلايا حقيقية النواة ، كحافز لبناء الأركون لحاجز جيني ومصدر لبعض الجينات اللازمة لبناءه.

 وفقًا لفرضيته ، منذ فترة طويلة ، بنى فيروس عملاق مصنعًا فيروسيًا ، يحوي جينومه الخاص وأيضًا مضيفه الأركوني. ولكن على عكس معظم الخلايا المصابة ، نجح هذا المضيف في سرقة خدعة بناء الحاجز الخاص بالفيروس وبنى مقصورًا خاصًا به – وهو الجزء الذي يدافع عن جينومه ضد الفيروس. بمرور الوقت ، تطور هذا الحاجز شبه الدائم إلى النواة كما نعرفها.

 يفضل بيل النسخة التي أصبح فيها المصنع الفيروسي نواة مباشرة ، حيث تعكس العملية بشكل وثيق السلوك المعروف للفيروسات التي تصيب بدائيات النوى اليوم. قال: “إنهم أشبه بغزو سارقي الجثث”.

 إنه يعتقد أن فيروسًا عملاقًا قديمًا أصاب أركيون وأنشأ مصنعًا فيروسيًا لكنه لم يقتل خليته المضيفة. بدلاً من ذلك ، تمكن الهيكل من البقاء. وأوضح أن “الفيروس ، وهو لص جينات ، سرق الجينات من العتائق ودمر جينومها تمامًا”. هذا موضوع مشترك مع الفيروسات ، وخاصة الفيروسات العملاقة – فهي تأخذ الجينات من مضيفها ، مما يجعلها أقل اعتمادًا على مضيفيها. قد يساعد ذلك في تفسير سبب انتقال العديد من جينات الميتوكوندريا إلى النواة: “على مر السنين كانت تسرق الجينات من الميتوكوندريا وبدأت في السيطرة عليها أيضًا”.

 وبطريقة ما ، قال بيل: “إن الفيروس يرتدي خلية الأركون كعباءة”. وأشار إلى أنه إذا كان هذا النموذج صحيحًا ، “يمكنك أن تقول في قلب كل خلية بشرية وجود فيروس”.

 الأصول المتنازع عليها

 منذ تلك المنشورات المبكرة من Takemura و Bell ، اصطفت العديد من الاكتشافات بشكل جيد مع فكرة الأصل الفيروسي للنواة. تم اكتشاف فروع كاملة من شجرة عائلة الفيروس العملاق ، على سبيل المثال ، توسيع فهمنا لتطورهم ، وعلى وجه الخصوص ، الجينات الأساسية التي قاموا بتبادلها مع مضيفيهم – تلك التي سرقوها أو ، في بعض الحالات ، ربما تم إعطاؤها لهم الخلايا.

 بالإضافة إلى ذلك ، اكتشف الباحثون في عام 2017 فيروسًا أنشأ مصنعًا فيروسيًا داخل مضيف بكتيري. حتى ذلك الحين ، بدت المصانع الفيروسية مقصورة على الفيروسات التي تصيب حقيقيات النوى ، لذا فإن العثور على واحدة في بدائيات النوى عزز فكرة أن شيئًا مشابهًا قد حدث منذ فترة طويلة لبدء تكوين نواة.

 وقال تاكيمورا إنه في حالة هذا الفيروس ، فإن “هذا الهيكل الشبيه بالنواة لا يعتمد على الغشاء” ، مما يجعله متميزًا عن العديد من المصانع الفيروسية ونواة حقيقية النواة. ومع ذلك ، فهو يشعر أن هذا المثال الذي قام فيه الفيروس ببناء “مقصورة” واقية حول جينومه داخل الخلايا بدائية النواة “يشير بقوة إلى أنه في [] الخلية حقيقية النواة الموجودة في الأسلاف … كان من الممكن أن يحدث نفس النوع من التقسيم بواسطة الفيروس”.

 في هذا العام فقط ، اكتشف الباحثون مسامًا في المصانع الفيروسية ذات الأغشية المزدوجة لفيروسات كورونا ، والتي تذكرنا بشكل مخيف بالمسام الموجودة في نواة الخلية. كتب ديفيد أ. بوم ، عالم الأحياء التطوري بجامعة ويسكونسن: “إذا صمدت هذه النتيجة ، وعلى افتراض أن البروتين المكون للمسام لم يتم اشتقاقه من جينوم حقيقيات النوى ، فإن ذلك يضعف حجة واحدة ضد نموذج الفيروس”. ماديسون ، في رسالة بريد إلكتروني.

 ومع ذلك ، لا يؤمن بوم بفكرة أن للفيروسات أي علاقة بأصل النواة. بالنسبة له ، الفكرة تعقد الأمور فقط. “ما هي مشكلة تكوين حقيقيات النوى التي تتطلب الفيروسات كحل لها؟” هو كتب.

 اقترح باوم ، جنبًا إلى جنب مع ابن عمه ، باز بوم ، عالم الأحياء الخلوية في جامعة كوليدج لندن ، فرضية مختلفة: أن النواة هي في الواقع بقايا من الغشاء الخارجي للأجداد. في الأساس ، يعتقدون أن أركيون أسلاف بدأ بالوصول إلى العالم من حوله وربط البكتيريا من خلال هذه الفقاعات الاستكشافية من الغشاء. بمرور الوقت ، نمت الفقاعات ونمت ، حتى اندمجت معًا مرة أخرى – مما أدى إلى تكوين غشاء خارجي جديد وطيات غشاء داخلية أدت إلى ظهور أجزاء أخرى داخل الخلايا. أشار ديفيد بوم إلى أن “أقرب الأقارب الأحياء المعروفين لحقيقيات النوى لديهم نتوءات واسعة خارج الخلية” التي تتفاعل مع بدائيات النوى ، “تشبه إلى حد كبير النموذج الذي اقترحناه”.

 أما بالنسبة للدليل على أن الفيروسات أعطت حقيقيات النوى بعضًا من أهم بروتيناتها النووية ، فإن مصدر قلقه الرئيسي هو أنه من الصعب جدًا التأكد من الاتجاه. قال: “الفيروسات هي أكبر حالات الهوس السرقة” ، لذا فهي تأخذ الجينات باستمرار من مضيفيها. “أعتقد أنه يتعين علينا توخي الحذر الشديد في التساؤل عما إذا كنا نجد أوجه تشابه بين الفيروسات وحقيقيات النوى. لا نعرف ما إذا كانوا قد أعطوها لحقيقيات النوى ، أم أنها أعطتها لهم “.

 Purificación López-García ، عالم البيئة الميكروبية في جامعة باريس ساكلاي ومدير الأبحاث في المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي ، غير مقتنع بالمثل بأن حقيقيات النوى تعتمد على ما كان في الأصل بروتينات فيروسية. وقالت: “لا يوجد دليل على الإطلاق على وجود أي علاقة متجانسة بين الفيروسات والخلية ونواة حقيقية النواة”.

 وأشار إلى أنه إذا كان هذا النموذج صحيحًا ، “يمكنك أن تقول في قلب كل خلية بشرية وجود فيروس”.

 ومع ذلك ، لا يتفق لوبيز غارسيا أيضًا مع نموذج بومس المبهج. لا تعتقد هي وزملاؤها أن حقيقيات النوى بدأت ببكتيريا غارقة في الأركون ستصبح ميتوكوندريا. بدلاً من ذلك ، من وجهة نظرهم ، كان الأركون يعيش بالفعل داخل بكتيريا أكبر ، نتيجة لحدث تعايش داخلي سابق. وأوضحت: “لذلك في نموذجنا ، ستشتق النواة من هذا الأركون ، وسيشتق السيتوبلازم من بكتيريا” ، وقد أخذ هذا الثنائي الميتوكوندريا في المستقبل.

 لكن تاكيمورا يقول إن هذه الفرضيات الأخرى معيبة ، لأنها في أحسن الأحوال “تفسر فقط الظاهرة التي ظهرت فيها النواة” – فهي تفتقر إلى الأساس المنطقي التطوري لسبب حشو الجينوم ، ولماذا تم استبعاد الأجزاء التي تصنع البروتين. هذه نقطة شائكة لبيل أيضًا: فهو لا يرى كيف تفسر أي من الفرضيات الأخرى الفصل بين النسخ والترجمة.

 قال فورتيري إن الأصل الفيروسي هو الأكثر منطقية ولديه أقوى دليل. قال عن النظريات المتعارضة: “لا أعتقد أنهم جادون حقًا”. “أود أن أقول إن الفيروسات تلعب دورًا رئيسيًا في هذه القصة.”

 في انتظار الاكتشاف

 سوف يتطلب الأمر الكثير من الأدلة لإقناع العلماء مثل Baums و López-García للوقوف على وجهة نظر Forterre. لكن التقدم التكنولوجي على مدى عقدين من الزمن قد يجعل هذه الأدلة في متناول اليد أخيرًا.

 في هذا العام فقط ، أعلن باحثون من اليابان أنه بعد أكثر من عقد من المحاولة ، قاموا أخيرًا بعزل وثقافة Lokiarchaeota – العتيقة من النوع الذي يُعتقد أنه كان جزءًا من الشراكة الأصلية حقيقية النواة. يمكن أن يفتح ذلك الباب لاكتشاف الفيروسات التي تصيب أقاربنا البعيدين وتصور بالضبط كيف تبدو تلك العدوى في الواقع.

 “إذا كنت ستعثر على فئة جديدة من الفيروسات التي تصيب Lokiarchaeota ، والتي دخلت الخلايا وأقامت معسكرًا هناك وفتحت المسام لتسهيل التدفق السريع للنصوص إلى السيتوبلازم – فسيكون ذلك دليلًا مقنعًا [أكثر]” قدمته الفيروسات قال ديفيد باوم إن الصعود إلى النواة.

 أشار بيل إلى أن مجموعة من الفيروسات العملاقة تم تسلسلها مؤخرًا من نفس رواسب أعماق البحار حيث تم اكتشاف Lokiarchaeota. ويأمل أن يقوم شخص ما باختبار ما إذا كان أي من هذه الفيروسات يمكن أن يصيب العتائق ، وإذا كان الأمر كذلك ، ما إذا كانوا يبنون مصانع فيروسية مماثلة لتلك التي تصنعها NCLDVs التي تصيب حقيقيات النوى. وقال إن إثبات ذلك ، كما قال ، سيكون “نهاية اللعبة”.

 

 يأمل تاكيمورا أيضًا في وجود مثل هذا الفيروس. وقال: “إن اكتشاف الفيروسات البدائية التي تبني هياكل شبيهة بالنواة وغشائية في الخلايا البدائية سيكون أقوى دليل على الأصل الفيروسي للنواة”.

 حتى يتوفر هذا النوع من الأدلة غير العادية في متناول اليد ، من المرجح أن يظل تكوين حقيقيات النوى الفيروسي مثيرًا للجدل. ولكن حتى لو لم ينتهي الأمر بالفوز في معركة القبول ، فإن كل اختبار للنظرية يكشف أجزاء وأجزاء من ماضينا التطوري – وبسبب ذلك ، نقترب أكثر فأكثر من معرفة الحقيقة حول من أين أتينا .

المصدر كوانتا