البكتيريا والبشر: علاقة تبادل الحمض النووي لآلاف السنين

كتابة: كيلي روبنسون وجولي دونينج هوتوب.
ترجمة: سفانة محمد الزرقاء.

كان العلماء على علمٍ بأن البكتيريا تنقل الحمض النووي منقوص الأكسجين بين الخلايا، وذلك قبل أن نُدرك حتى بأنه هو الشيفرة الوراثية، ففي عام ١٩٢٨مـ وقبل ٢٥ عاماً من اكتشاف تركيب الحمض النووي منقوص الأكسجين، وضّح عالم البكتيريا البريطاني فردريك غريفيث أن البكتيريا الحية وغير الخطرة بإمكانها أن تتحول إلى ميكروباتٍ خطِرة بعد أن تُحتضن مع سلالةٍ خطرةٍ قُتلت بالحرارة. ثم وضح فريقٌ ثلاثيٌ من الباحثين بعد ١٥ عاماً من معهد روكفيلر للأبحاث الطبية والمسمى حالياً جامعة روكفيلر أن هذا التحول تم بواسطة الحمض النووي منقوص الأكسجين، حيث يبدو أن حتى البكتيريا الميتة بإمكانها مشاركة مورثاتها، وكان الباحثون هم أوسوالد آفيري، كولين ماكليود، وماكلين ماكارتي.

تُعرف الآن عملية تشارك الحمض النووي منقوص الأكسجين هذه بنقل المورّث أفقياً أو جانبياً، ويُفهم حدوثها عن طريق الحركة المباشرة للحمض النووي منقوص الأكسجين بين كائنين حيين اثنين، ويُظهر الجينوم البكتيري بأكمله تقريباً أدلةً على حدوث انتقال المورث جانبياً في السابق، ومن المعروف أن لهذه الظاهرة آثارٌ عميقةٌ في علم الأحياء الدقيقة، ابتداءً من نشر مورثاتٍ مقاومةً للمضادات الحيوية، وانتهاءً بإنتاج مساراتٍ جديدةٍ لتحليل المواد الكيميائية. لكن نقل المورثات جانبياً ليس محصوراً على البكتيريا فحسب، فمن المعلوم لدى العلماء الآن أن الميكروبات تنقل الحمض النووي منقوص الأكسجين إلى النباتات، الفطريات، والحيوانات التي تصيبها أو تسكن بها، وعلى العكس من ذلك وُجدت العناصر البشرية المنتشرة الطويلة في الجينوم البكتيري. كما وثّق الباحثون حوادث نقل المورث جانبياً من الفطريات إلى الحشرات، ومن الطحالب إلى حلزون البحر. وهناك سببٌ وجيهٌ للاعتقاد بأنه بإمكان أيّ مجموعتين كبيرتين من الكائنات الحية بما فيها البشر مشاركة شيفرتهم الوراثية.

لطالما كان الناس قلقين من فكرة وجود حمضٍ نووي غريبٍ في جينومنا، إذ يحتضن الجينوم البشري أدلةً على عملياتٍ نافعةٍ لانتقال المورّث جانبياً من البكتيريا التي حدثت في الماضي القريب، كما أن هناك أدلةً على أن الانتقال قد يحدث بانتظامٍ بين البكتيريا المقيمة والخلايا الجسدية في الجسم. إلا أنه من غير الواضح مقدار شيوع هذا النوع من الانتقال بين البكتيريا والحيوانات، وكذلك الآلية التي يتم بها، ولكن إن كانت هذه الانتقالات تُسبب طفراتٍ ضارّة فقد تكون مسبباً غير معروفٍ للأمراض.

تبادل المورّث
البكتيريا هي مجموعة متنوعةٌ وراثياً، فهي من ضمن أكثر الأجناس تنوعاً وراثياً على الرغم من عدم تكاثرها جنسياً، وذلك لأنها تتبادل أجزاءً من شيفرتها الوراثية باستمرارٍ بواسطة نقل المورثات جانبياً، ولقد سمح لها هذا التنوع بالتكيف مع جميع الظروف البيئية على الأرض، بدءاً من المنافذ الحرارية في أعماق البحر إلى البحيرات المتجمدة في القطب الجنوبي، ومن الشقوق الصخرية وصولاً الى أمعائنا الدقيقة. ويُصنّف انتقال المورّثات جانبياً بين البكتيريا لثلاثة أنواعٍ: التحوّلٍ بواسطة الحمض النووي منقوص الأكسجين الحر (تُطلق البكتيريا المادة الوراثية في البيئة المحيطة ثم تبتلعها الميكروباتٍ الحية، كما في تجربة غريفيث)، التوصيل عن طريق الفيروسات، والنقل المباشر ما بين خليتين بواسطة الاقتران.

إن آليات انتقال المورّثات من البكتيريا إلى كائناتٍ أخرى أقل وضوحاً، ولكن يرجح أنها مشابهةٌ، فنظام إفرازات البكتيريا من النوع الرابع هو بروتين يشبه الحقنة، ويُعرف بأنه يحقن الجزيئات من البكتيريا الى الخلايا المستضيفة لها عبر التلامس الخلوي، وهذه الآلية هي وسيطٌ مهمٌ في نقل المورّثات جانبياً بين جنس الأجرعية والنباتات في الطبيعة والمختبر، حيث يمكن استخدامه لإنتاج محاصيلٍ معدلةٍ وراثياً، كما يمكنها التوسط في الانتقال بين الأجرعية وخلايا الانسان. ولقد وجد الباحثون باستخدام مسح تسلسل الجينوم الكامل أن جينوم العديد من الحشرات والديدان المفلطحة يحتوي أحياناً على حمضٍ نوويٍ من ميكروباتٍ تسكن أو تُصيب أجسادها، كما تحتوي بعض الأجناس على مجموعةٍ واسعةٍ من الحمض النووي منقوص الأكسجين الخاص بالبكتيريا الولبخية المتعايشة داخلياً، ويصل ذلك إلى نُسخٍ كاملةٍ وعديدةٍ من الجينوم البكتيري على سبيل المثال.

يُمكن لتلك الكمية الكبيرة من المورّثات المنقولة جانبياً أن تكون مطابقةً تقريباً لتسلسل الجينوم للبكتيريا المتعايشة داخلياً، مما يعني أنها حدثت قريباً جداً. وتحملُ بعض أجناس الحشرات بقايا عملياتٍ وراثيةٍ قديمةً جداً كانت نافعةً للأجناس المُستقبِلة وتم انتخابها عبر الزمن، فعلى سبيل المثال استعملت الخنفساء القارضة لثمار القهوة مورّث المنانيز البكتيري الذي يسمح لها بأن تأكل ثمار القهوة، وقد يكون مورّث المنانيز البكتيري المنقول جانبياً لحشرة العفن البنية الغازية هو المتسبب في تدمير المحاصيل، كما أن حشرات المنّ تكوّن مركبات الكاروتين الخاصة بها باستخدام مورّثاتٍ منقولةٍ من الفطريات، وذلك لإنتاج مظهرٍ ملوّنٍ مُهمٌ في للدفاع عن نفسها. ومع تراكم الأمثلة التي تشمل انتقال المورّثات جانبياً في كائناتٍ عديدةٍ في الأبحاث العلمية، فمن الطبيعي أن نركز على الزاوية البشرية: فهل يحدث ذلك في أجسامنا؟ وإن كان كذلك فما مدى تكراره؟ وما هي العواقب؟

انتقال المورّث جانبياً عند البشر
إن أهمية ومدى حدوث انتقال المورّث جانبياً في الحيوانات الفقارية يُعدّ أقل وضوحاً، ويعود ذلك جزئياً إلى إجراء عمليات أقل لمسح تسلسل جينومها، و/ أو تحليله بطرقٍ مناسبةٍ مقارنةً بالجينوم الخاص باللافقاريات. ويُعدُّ جينوم الإنسان أحد أنواع الفقاريات الذي دُرس على نطاقٍ واسع، وأظهر دلائل قويةٍ على حدوث عملياتٍ قديمةٍ لانتقال المورّثات جانبياً.

اُقترح وجود 223 منطقةٍ مشتقةٍ من انتقال المورّثات جانبياً في أول مسودةٍ لتسلسل الجينوم البشري في عام 2001مـ، والتي لم تكن موجودةً في الجينوم الخاص بأنواعٍ أخرى تم مسح تسلسلها في ذلك الوقت. ولقد سارع بعض الباحثون إلى القول بأن الرقم مبالغٌ فيه، وأشاروا إلى أن انتقال المورّثات جانبياً المُقترح يرجح أن يُفسّر عبر آلياتٍ أخرى كفقدان المورّث أو التطور المتقارب. ولقد نشر آلاستين كريسب وزملاؤه تحليلاً جديداً في السنة الماضية من جامعة كامبردج، وجدوا فيه أكثر من 130 أثرٍ لعملياتٍ محتَملةٍ لانتقال المورّثات جانبياً في الجينوم البشري، وتتضمن وجود مركبات الهيالورونات الفطرية وهو مورّثٌ مرتبطٌ بكتلة الدهن والسمنة، والمورّث المسؤول عن فصائل الدم (إيه، بي، و أو). ولكن معظم الأحداث التي حُددت تسبق السلالات البشرية والرئيسيات، وتم تعريفها فقط لاختيار الباحثين بأن لا يحصروا النتائج على انتقال المورّثات جانبياً التي توجد في البشر فقط ولا توجد في أنواعٍ أخرى من الحيوانات.

حتى يظهر مورّثٌ غير بشري في الجينوم لأشخاص كثر، فعلى عمليات انتقال المورّثات جانبياً ان تحدث في سلالة الخلايا الجنسية لتنتقل للأجيال المقبلة، وعليها كذلك أن تمنح بعض الفائدة للمضيف، وربما تكون هذه الحالات نادرةً لأن البشر قد لا يتعرضون لانتخابٍ طبيعيٍ قويٍ للصفات الجديدة في الجينوم الخاص بنا، ولأنه يُعتقد أن خلايانا الجنسية تُحمى من الكائنات الأخرى وحمضها النووي. ومع ذلك قد تكون حالات انتقال المورّثات جانبياً ممكنة في الجينوم البشري للخلايا الجسدية، لكن من الصعب ملاحظة تلك الطفرات الدخيلة دون مسح تسلسل عددٍ كبيرٍ من الخلايا البشرية.

بمجرد وجودها في الجينوم البشرى للخلايا الجسدية، لا يصعب أن نتخيل الكيفية التي تؤدي بها عمليات إدخال انتقال المورّثات جانبياً إلى التسبب بالأمراض، وبينما نفتقد للأدلة القاطعة لانتقال المورّثات جانبياً حديثاً في البشر، إلا أن هناك أنواعاً أخرى من انتقال الحمض النووي والمعروفة بأثرها السلبي على البشر. ففيروس الورم الحليمي الذي يصيب البشر على سبيل المثال، هو السبب في 80% إلى 100% من سرطانات عنق الرحم، ويُمكن أن يندمج هذا الفيروس مع كروموسومات خلايا عنق الرحم، وإذا لم يكن الاندماج كاملاً فقد تضطرب بعض البروتينات الخاصة بالفيروس، مما يؤدي إلى اضطرابٍ في عملية استماتة الخلايا وزيادةٍ في تكاثرها وبالتالي الاصابة بالسرطان. وبالمثل يسبب فيروس الالتهاب الكبدي (ب) سرطان خلايا الكبد، ووُجد انه يُدخل حمضه النووي لخلايا الكبد المصابة أثناء تجددها، ويدمج فيروس التهاب الكبد الفيروسي باستمرار مورّثه المعزز للفيروس ومورّثه الأساسي في مورّثاتٍ لها علاقةٌ بالسرطان، مما يسبب زيادةً في نمو الخلية وبقاءها على قيد الحياة، وهما من السمات المميزة للسرطان. وإذا كان معلومًا لدينا خطر هذا النوع من الاندماج، فقد ركزنا على التعرف على حالات انتقال المورّثات جانبياً للحمض النووي البكتيري الى الجينوم البشري.

نعلم أنه ينبغي علينا النظر إلى بيانات عددٍ كبيرٍ من الأفراد، لذلك اعتمدنا على بيانات مسح تسلسل الجينوم البشري المتوفرة للعامة من مشروعي الجينوم البشري الخاصة والعامة، ومشروع1000 جينوم، وسرعان ما علمنا أنه إذا حدثت عمليات انتقال المورّثات جانبياً في خليةٍ متمايزةٍ نهائياً والتي لم تعد تُضاعف حمضها النووي، فذلك يعني أنها ستوجد بنسخةٍ واحدةٍ فقط، و لن نستطيع تمييزها على الإطلاق من التداخل الضوضائي خلال عملية مسح تسلسل المورّثات، لذا اتجهنا للأورام، حيث فكرنا بأنه عندما يحدث التداخل في خلية السلف من الورم، فيجب أن ينتشر في الورم ويلاحظ عدة مراتٍ.

قمنا بتحليل بيانات مسح تسلسل الجينوم لتسعةِ أنواعٍ مختلفةٍ من الأورام من مشروع أطلس الجينوم السرطاني، واستخدمنا أدوات علم المعلوماتية الحيوية للتعرف على تكاملات الحمض النووي المحتَملة، وعثرنا في نتائجٍ نُشرت في عام 2013مـ على تسلسلات بكتريا من نوع الراكدة في عينات سرطان الدم النخاعي الحاد، وعيناتٍ من بكتريا الزائفة في سرطان المعدة الغُديّ، وكانت هناك إدخالٌ متكررٌ لمورّثاتٍ متعلقةٍ بالسرطان في عينات سرطان المعدة الغديّ.

لقد حددّنا أدلةً على تكامل 16 و23 من الحمض النووي الرايبوزي الخاص بالبكتيريا بالجينوم البشري في كلا العينتين من حالتي السرطان، وأنشأ كارستن سيبر نماذجاً لتكاملات سرطان المعدة الغديّ في مورّثاتٍ متعلقةٍ بالسرطان عندما كان طالباً للدراسات العليا في معمل دونينج هوتوب، ولاحظ أن هذه المناطق من مورثات الحمض النووي الرايبوزي تحتوي على تركيباتٍ ثانويةٍ تشكّل نمط الحلقات الجذعية (او المسماة بدبوس الشعر) من اقتران القواعد النيتروجينية، وهذه التكاملات تحدث في المنطقة (5′) غير المترجمة من المورثات المرتبطة بالسرطان، مما يعني أنها نُسِخت ولكن لم تُترجَم. ويُمكن للحلقات الجذعية المتنبئ بها في مورّث الحمض النووي الرايبوزي المُدرج أن يغير التراكيب الثانوية للنسخ الأصلية وبالتالي اضطراب عمليتي النسخ و/ أو الترجمة. كما لاحظنا أيضًا أن تكاملات سرطان المعدة المحتملة تحدث في المناطق الغنية بالقاعدة النيتروجينية الجوانين للمورّثات المرتبطة بالسرطان والتي من الممكن ان تكون مهمة لتنظيم المورّث.

تعرّف ينغ تشو بجامعة جورجيا أيضاً على عمليات انتقال المورّثات جانبياً في الأورام البشرية، حيث بحث فريقه عن دليلٍ على مواد وراثيةٍ من بكتريا الجرثومة الحلزونية البوابية وفيروس إبشتاين وبار المرتبطان بسرطان المعدة، فحدّد الباحثون تداخل بكتريا الجرثومة الحلزونية البوابية في 36 مورّثٍ في عيناتٍ من المعدة، مع تكاملاتٍ موجودةٍ في الأورام المرتبطة أكثر من المجموعة المرجعية. بإمكان الإصابات المزمنة بهذه البكتيريا أن تُسبب تكسّراً في خيطَي الحمض النووي منقوص الأكسجين، وقد “تُعالج” خلايا الانسان هذه الكسور عن طريق إدخال قطعٍ متناثرةٍ من الحمض النووي منقوص الأكسجين، ويكون هذا الحمض النووي من النواة او من الميتوكندريا غالباً، ولكن إذا وُجد حمضٌ نوويٌّ بكتيري بما في ذلك الخاص ببكتيريا الجرثومة الحلزونية البوابية فقد يُدخل، وقد تكون هذه التداخلات عرضًا جانبياً وليست مسبباً للسرطان.

إنه من غير الواضح كيفية تفادي الحمض النووي البكتيري للجهاز المناعي للإنسان الذي يتعرف على مُعظم أنواع الأحماض النووية، ولكن هذه الدراسات تقترح أن عمليات انتقال المورّثات جانبياً يمكنها ذلك وتحدث بالفعل في أنسجة الإنسان وربما بعواقب وخيمةٍ، وهذه إلى الآن هي الحالات الوحيدة المسجلة لتكاملات حمض نووي بكتيري في سرطانات البشر، ولا يزال يُنظر في مسألة كون هذه العمليات تسبب السرطان أم لا، ومدى شيوعها إن كانت كذلك.

طريقٌ وعرٌ أمامنا
هناك عددٌ من التحديات التي تواجه الباحثين الذين يأملون في تقييم وجود وتأثير تكامل الحمض النووي البكتيري في جينوم الخلايا البشرية، ولا يزال إجراء دراسةٍ مفصلةٍ من هذا النوع مكلّفاً ويتطلب موارد معتبرةً لتطوير، تنفيذ، وتشغيل أدواتٍ حاسوبية لتحديد عمليات انتقال المورّثات جانبياً بعد ما تم مسح تسلسل العينات.

لا يزال التلوث حاجزاً، فلقد كان هذا مشكلة في تحليل الجينوم البشري في عام 2001مـ، ولا زال كذلك حتى اليوم. فقد ثبُت أن أدوات استخراج الحمض النووي تحتوي على الأحماض النووية البكتيرية، وقد تدخل الملوثات عند معالجة العينات، عن طريق الكواشف الكيميائية، وخلال عملية مسح التسلسل، كما أن كائناتٍ ذات حمضٍ نوويٍ مشابهٍ لتكاملات لبكتيريا قد تنشأ خلال تجهيز مكتبة الحمض النووي المراد مسح تسلسله. ووجد الباحثون في بداية عام 2016مـ أن مدى عمليات انتقال المورّثات جانبياً في جينوم دب الماء تمت المبالغة فيه مبدئياً، وبعضهم اقترح ان عمليات انتقال المورّثات جانبياً نشأت من جينوم الملوّثات البكتيرية، وليس من جينوم دب الماء نفسه.

نعتقد أخيراً أن عمليات انتقال المورّثات جانبياً نوعٌ مهمٌ من تكوّن الطفرات الإدراجية، بغض النظر عن التشكيك من قبل بعض الجهات في المجتمع العلمي والصعوبات في دراسة تكاملات الحمض النووي البكتيري. وربما سيبحث المزيد من الباحثين عن هذه الطفرات في أمراضٍ أخرى، بما أنه تم التعرف على التكاملات المحتملة البكتيرية للحمض النووي في السرطان، فعلى سبيل المثال قد تُحفِز تكاملات الحمض النووي التي تحدث في خلايا الانسان أمراض المناعة الذاتية، عن طريق تكوّين مركبٍ بكتيريٍ يتعرف عليه الجهاز المناعي، وقد تكشف المزيد من الأبحاث المفصلة عن انتشار وعواقب هذه العمليات في البشر أن هذه الظاهرة أكثر أهميةً مما هي عليه الآن.

المصدر (The Scientists)

المصطلحات:
الحمض النووي منقوص الأكسجين  DNA
مورث Gene
فردريك غريفيث Frederick Griffith
معهد روكفيلر للأبحاث الطبية Rockefeller Institute for Medical Research
أوسوالد آفيري Oswald Avery
كولين ماكليود  Colin MacLeod
ماكلين ماكارتي Maclyn McCarty
الجينوم البكتيري bacterial genomes
انتقال المورث جانبياً lateral gene transfer (LGT)
العناصر القافزة البشرية human long interspersed elements (LINEs)
الأجرعية Agrobacterium
البكتيريا الولبخية المتعايشة داخلياً Wolbachia endosymbiontط
المنانيز mannanase
حشرة العفن البنية brown marmorated stink bug
حشرات المنّ aphids
الكاروتين carotenoids
آلاستين كريسب Alastair Crisp
الهيالورونات الفطرية fungal hyaluronan
فيروس الورم الحليمي human papillomavirus (HPV)
فيروس الالتهاب الكبدي hepatitis B virus (HBV)
مشروع1000 جينوم 1000 Genomes Project
سرطان المعدة الغديّ stomach adenocarcinoma (STAD)
الحمض النووي الرايبوزي RNA
الجرثومة الحلزونية البوابية Helicobacter pylori
فيروس إبشتاين وبار Epstein-Barr virus

السعودي العلمي

السعودي العلمي

السعودي العلمي هي مؤسسة مختصة بإنتاج ونشر المحتوى العلمي بأشكاله المقروءة، المرئية، والمسموعة، وتسعى لنشر المعرفة العلمية ورفع مستويات الوعي العلمي بالعالم العربي.
السعودي العلمي

شاركنا تعليقك ..