کشف RNA حلقوی موسوم به «ابسلیک» در میکروبیوم انسان

دانشمندان گروه جدیدی از اجسام کوچک مبتنی بر RNA را شناسایی کرده‌اند که در باکتری‌هایی زندگی می‌کنند که در دهان و رودهٔ انسان مقیم شده‌اند. این RNAهای حلقوی و میله‌ای‌شکل که به طور مستعار «ابسلیک‌ها» نامیده شده‌اند، از بسیاری ویروس‌ها کوچک‌تر هستند اما حاوی دستورالعمل‌های ژنتیکی‌اند که ماشین‌آلات سلولی می‌توانند آن‌ها را بخوانند. این کشف پرسش‌های تازه‌ای دربارهٔ میزان ناشناخته‌های اکوسیستم داخلی بدن ما و نقش احتمالی این سازه‌های میکروسکوپی در سلامت انسان مطرح می‌کند.

ابیلیک‌ها چه هستند و چرا غیرمعمول‌اند

پژوهشگران دانشگاه استنفورد ابیلیک‌ها را به‌صورت مولکول‌های RNA تک‌رشته‌ای حلقوی توصیف کرده‌اند که در اندازه نزدیک به ویرویدها قرار دارند اما ساختار خودسازماندهٔ میله‌ای شکل تشکیل می‌دهند. برخلاف ویروس‌های کلاسیک، ابیلیک‌ها فاقد پوشش پروتئینی (کپسید) هستند. با این حال، برخی از ژنوم‌های آنان شامل یک یا دو رشته ژنی هستند که به نظر می‌رسد قابلیت رمزگذاری پروتئین را داشته باشند؛ موضوعی که آن‌ها را از نظر زیستی مبهم می‌سازد: تا حدودی شبیه ویرویدها و تا حدودی شبیه ویروس‌ها.

ساختار حلقوی این RNAها احتمالاً پایدارتر از مولکول‌های خطی است و از تحلیل‌رفتگی از انتهاها محافظت می‌کند. شکل میله‌ای که با برهم‌کنش‌های درون‌رشته‌ای ایجاد می‌شود، می‌تواند بر برهم‌کنش با مولکول‌های میزبان، دسترسی ریبوزوم یا عملکردهای تنظیمی اثر بگذارد. تحلیل ساختاری و پیش‌بینی مجموعهٔ پایه‌جفت‌ها (پایدارسازی از طریق جفت‌شدن مکمل) نشان می‌دهد که بسیاری از این توالی‌ها توانایی تشکیل حوزه‌های استوانه‌ای یا شبیه-میله‌ای را دارند که به آن‌ها در متون پژوهشی اشاره شده است.

از منظر تکاملی نیز این عناصر جالب‌اند: اگرچه فاقد کپسید هستند، وجود توالی‌های شبیه به ORF (فریم باز خوانش) در برخی ابیلیک‌ها امکان تولید پروتئین‌های بسیار کوچک یا پپتیدهای مختصر را مطرح می‌کند که می‌تواند آن‌ها را مابین ویرویدها (viroids) و ویروس‌ها قرار دهد. تشخیص اینکه آیا این ORFها واقعاً ترجمه می‌شوند نیازمند آزمایش‌هایی مانند ریبوسوم پروفایلینگ یا شناسایی پپتیدهای تولیدشده در نمونه‌های آلوده است.

چگونه دانشمندان نزدیک به ۳۰٬۰۰۰ نوع را یافتند

تیم پژوهشی نزدیک به ۳۰٬۰۰۰ توالی متمایز ابیلیک را در نمونه‌های میکروبیوم جهانی شناسایی کرد، که بیشترین شیوع آنها در جوامع دهانی و روده‌ای گزارش شد. برای این کار از توالی‌یابی متاژنومیک در مقیاس بزرگ، همراه با جستجوهای هدفمند بیوانفورماتیکی برای RNAهای حلقوی کوچک استفاده شد. روش‌های ترکیبی شامل مونتاژهای کوتاه-خوان، فیلتر کردن کانتیگ‌های حلقوی، و پایش ویژگی‌های ساختاری بود که مولکول‌های حلقوی و قابل تا شدن به شکل میله را از میان پس‌زمینهٔ عظیم داده‌ها تشخیص می‌داد.

در عمل، تیم از پایگاه‌های دادهٔ میکروبیوم انسانی متنوع استفاده کرد: نمونه‌های دهانی، بزاق، مدفوع، و نمونه‌های پوستی و مخاطی از جمعیت‌های جغرافیایی و سنی مختلف. تحلیل‌های بیوانفورماتیکی شامل تطابق توالی، خوشه‌بندی بر پایهٔ شباهت، و ارزیابی فراوانی نسبی هر توالی در نمونه‌ها بود. به‌علاوه، برای کاستن از خطاهای مونتاژ، از معیارهای کیفیت بالای کانتیگ و تأیید توسط خوانش‌های پشتیبان (backmapping) استفاده شد.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

کشف دنیای پنهان: شناسایی ویروس های غول پیکر در اقیانوس ها

کشف ویروس‌های غول‌پیکر؛ تحولی نوین در ویروس‌شناسی دریایی در دستاوردی مهم برای میکروبیولوژی و ویروس‌شناسی دریایی،...

ادوارد فیل، کارشناس تکامل میکروبی، اشاره کرده است که ابیلیک‌ها شبیه قطعات ژنتیکی حلقوی‌اند که خودبه‌خود به ساختارهای میله‌ای شکل سازماندهی می‌شوند و احتمالاً می‌توانند سلول‌های باکتریایی و قارچی را مستعمره کنند. این نتیجه‌گیری بر اساس ترکیب شواهد توالی، الگوهای فراوانی در نمونه‌ها و پیش‌بینی‌های ساختاری است، اما برای اثبات میکروب‌دوستی (colonization) نیاز به آزمایش‌های تکمیلی در شرایط آزمایشگاهی وجود دارد.

از منظر روش‌شناختی، یافتن توالی‌های کوچک و حلقوی در میان حجم عظیم توالی‌های میکروبیوم یک چالش فنی است. بسیاری از پایپ‌لاین‌های متاژنومیک استاندارد به‌شکل پیش‌فرض توالی‌های بسیار کوتاه را فیلتر می‌کنند یا در فرآیند مونتاژ نادیده می‌گیرند؛ بنابراین مطالعهٔ اختصاصی و طراحی الگوریتمی ویژه برای شناسایی کانتیگ‌های حلقوی ضروری بود. از روش‌هایی مانند RNase R پیش‌درمان نمونه‌ها برای حذف RNAهای خطی و غنی‌سازی RNA حلقوی، و نیز استفاده از روش‌های آزمایشی تکمیلی مانند PCR حلقوی معکوس برای اعتبارسنجی نتایج بیوانفورماتیکی استفاده می‌شود.

چرا میکروبیولوژیست‌ها هم هیجان‌زده‌اند و هم محتاط

«این دیوانه‌کننده است»، مارک پیفر، زیست‌شناس سلولی و تکوینی، چنین گفت—اظهاری که تعجب گستردهٔ بسیاری از پژوهشگران را نسبت به وسعت این یافته بازتاب می‌دهد. سوالات فوری از جنس عملی‌اند: کدام سلول‌های میزبان از تکثیر ابیلیک‌ها پشتیبانی می‌کنند؟ این RNAها چگونه با باکتری‌ها و قارچ‌ها تعامل دارند؟ آیا می‌توانند اطلاعات عملکردی را به سلول میزبان منتقل کنند؟

قابلیت آن‌ها برای «انتقال دستورالعمل‌ها»––یعنی اینکه RNA آن‌ها ممکن است توسط ماشین‌آلات ترجمه یا دیگر دستگاه‌های سلولی خوانده شود––این عناصر را به نامزدهای جالبی برای بررسی تأثیرات زیست‌محیطی و زیست‌پزشکی تبدیل می‌کند. به‌طور مثال، اگر برخی ابیلیک‌ها توانایی تولید پپتید یا تعدیل بیان ژن‌های باکتری میزبان را داشته باشند، ممکن است بر ترکیب جمعیتی میکروبیوم یا رفتار متابولیک باکتری‌ها اثر بگذارند.

به رغم علاقهٔ زیاد، احتیاط علمی ضروری است. بسیاری از دستکاری‌های بیوانفورماتیکی می‌توانند سیگنال‌های کاذب تولید کنند؛ از سوی دیگر، حتی در صورتی که توالی واقعی باشد، نشان‌دادن عمل‌کرد زیستی نیازمند آزمایش‌های کنترل‌شدهٔ آزمایشگاهی است. آزمایش‌های ضروری شامل جداسازی در شرایط خالص، آزمون‌های عفونیّت (infectivity assays)، آزمون‌های دامنهٔ میزبان (host-range)، و ارزیابی قابلیت تکثیر مستقل یا وابسته به مولکول‌های میزبان است.

مقایسهٔ ابیلیک‌ها با ویروس‌ها و ویرویدها

• ویرویدها: عوامل پاتوژن حداقلی گیاهی مرکب از RNA حلقوی برهنه که پروتئین رمزگذاری نمی‌کنند.
• ویروس‌ها: شامل ژنوم و پوشش پروتئینی، معمولاً چندین پروتئین رمزگذاری می‌کنند و برای تکثیر به ماشین‌آلات میزبان وابسته‌اند.
• ابیلیک‌ها: RNAهای حلقوی تک‌رشته‌ای بدون پوشش پروتئینی اما دارای توالی‌های شبه‌ژنی، که آن‌ها را از نظر پیچیدگی در میانی بین ویرویدها و ویروس‌ها قرار می‌دهد.

این رده‌بندی می‌تواند به‌عنوان چارچوبی مفید عمل کند، اما مرزهای زیستی میان این گروه‌ها ممکن است نرم‌تر از آنچه در طبقه‌بندی سنتی دیده می‌شود، باشد. برای مثال، برخی عفونت‌های ویرویدی «ماژور» ممکن است ژن‌های بسیار کوچک یا ساختارهای حلقوی را تولید کنند که عملکردهای جدیدی پیدا می‌کنند. بنابراین، بررسی عملکردی، تطبیق با داده‌های ریزآرایه‌ای یا رونوشت‌نما (transcriptomics)، و تایید وجود محصولات ترجمه‌شده اهمیت دارد.

پیامدها و گام‌های بعدی پژوهش

دانشمندان اکنون با معمایی روبه‌رو هستند: تعیین اینکه آیا ابیلیک‌ها مسافران بی‌ضرر هستند، تنظیم‌کننده‌های رفتار میکروبی یا عوامل بالقوه‌ای که می‌توانند به‌طور غیرمستقیم از طریق میکروبیوم بر سلامت انسان اثر بگذارند. گام‌های بعدی پژوهش شامل جداسازی آزمایشگاهی، آزمون‌های تکثیر و عفونت‌زایی، آزمایش‌های دامنهٔ میزبان، و مطالعات ساختاری برای درک چگونگی تشکیل شکل‌های میله‌ای این RNAها خواهد بود.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

سرطان روده در استرالیا: روندهای نوین و راهکارهای پیشگیری

سرطان روده در استرالیا: چشم‌اندازی در حال تغییر سرطان روده که با نام سرطان کولورکتال نیز...

در عمل، پروتکل‌های بعدی احتمالاً چنین خواهند بود: 1) استفاده از روش‌های آزمایشگاهی برای غنی‌سازی RNA حلقوی، 2) انجام RT-PCR حلقوی و تعیین توالی کامل برای تأیید ساختار حلقوی، 3) تلاش برای کشت یا واردکردن ابیلیک‌ها به میزبان‌های باکتریایی/قارچی در کشت برای مشاهدهٔ تکثیر یا اثرات بالینی، و 4) استفاده از روش‌های میکروسکوپی الکترونی و کریو-EM برای بررسی ساختار فیزیکی در صورت امکان.

افزون بر این، شواهد بیوانفورماتیکی باید با داده‌های تجربی تداخل پیدا کند: ریزآرایه‌ها یا توالی‌یابی Ribo-seq می‌تواند به شناسایی ترجمهٔ احتمالی ORFها کمک کند؛ آنالیزهای متابلومیک ممکن است نشان دهند که حضور ابیلیک‌ها با تغییرات متابولیک میکروبیوم مرتبط است؛ مطالعات مداخله‌ای بالینی کوچک می‌تواند ارتباط بالقوه با وضعیت‌های التهابی دهان یا روده را بررسی نماید.

کشف ابیلیک‌ها تنوع ژنتیکی شناخته‌شده در میکروبیوم انسان را گسترش می‌دهد و تأکید می‌کند که چقدر هنوز برای آموختن دربارهٔ عناصر ژنتیکی میکروسکوپی باقی مانده است که بر اکوسیستم‌های میکروبی تأثیر می‌گذارند. اینکه آیا ابیلیک‌ها بخش‌هایی از ویروس‌شناسی یا زیست‌شناسی میکروبیوم را بازنویسی خواهند کرد هنوز نامشخص است—اما شیوع و تازگی آن‌ها تضمین می‌کند که در سال‌های آینده مورد توجه دقیق قرار گیرند.

از جنبه‌های عملی‌تر، حضور این توالی‌ها می‌تواند بر طراحی مطالعات میکروبیوم و شاخص‌های زیستی (biomarkers) اثر بگذارد. در پژوهش‌ها و بالین‌های آینده، ممکن است لازم باشد پایپ‌لاین‌های توالی‌یابی متاژنومیک برای جستجوی RNAهای حلقوی و عناصر کوچک بهینه شوند، و بانک‌های دادهٔ عمومی به‌روزرسانی شوند تا این نوع عناصر را نمایه‌سازی کنند. همچنین سوالات طبقه‌بندی و نام‌گذاری این عناصر مطرح می‌شود: آیا باید یک خانوادهٔ جدید از عناصر ژنتیکی تعریف شود یا آن‌ها زیرمجموعهٔ شناخته‌شده‌ای از عناصر حلقوی قرار گیرند؟

سرانجام، از منظر سلامت عمومی و زیست‌فناوری، اگر برخی ابیلیک‌ها قابلیت رمزگذاری پروتئین یا تعامل مستقیم با میزبان انسانی را داشته باشند، ممکن است پتانسیل‌هایی برای توسعهٔ ابزارهای تشخیصی یا حتی درمانی باز کنند. به عنوان نمونه، در آینده می‌توان از فهم مکانیزم‌هایی که این RNAها برای تنظیم میکروبیوم استفاده می‌کنند، برای طراحی آنتی‌بیوتیک‌های هدفمند، پروبیوتیک‌های مهندسی‌شده یا معیارهای تشخیصی جدید بهره برد.

در مجموع، ترکیب داده‌های توالیٔی، شواهد آزمایشگاهی و تحلیل‌های عملکردی برای درک کامل نقش ابیلیک‌ها ضروری خواهد بود؛ یک برنامهٔ چندرشته‌ای که زیست‌شناسان مولکولی، میکروبیولوژیست‌ها، بیوانفورماتیک‌ها و محققان سلامت عمومی را گرد هم می‌آورد.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

نقش خفاش ها در ظهور ویروس های نوظهور: یافته های جدید در باغ های میوه یوننان چین

پیش‌زمینه: خفاش‌ها به عنوان مخزن ویروس‌های نوظهور تحقیقات اخیر کشف قابل توجهی را در استان یوننان...