Το DNA, το μόριο της ζωής στη Γη, αποθηκεύει τις γενετικές πληροφορίες χρησιμοποιώντας ένα «αλφάβητο» που αποτελείται από τέσσερα μόνο χημικά «γράμματα». Ωστόσο, ορισμένοι ιοί φέρουν ένα DNA που περιέχει ένα διαφορετικό γράμμα – το Z – το οποίο μπορεί να τους βοηθά να επιβιώσουν.
Μια σειρά από νέα δημοσιεύματα περιγράφουν πώς αυτό το παράξενο χημικό γράμμα εισέρχεται στο ιικό DNA. Ερευνητές απέδειξαν ότι το «γονιδίωμα Ζ» είναι πολύ πιο διαδεδομένο σε ιούς που εισβάλλουν σε βακτήρια και μπορεί να εξελίχθηκαν για να βοηθήσουν τα παθογόνα να επιβιώσουν τις καυτές, σκληρές συνθήκες του πλανήτη μας κατά την πρώιμη ιστορία του.
Το DNA αποτελείται σχεδόν πάντα από το ίδιο αλφάβητο τεσσάρων χημικών «γραμμάτων» (γουανίνη, κυτοσίνη, αδενίνη, θυμίνη), γνωστότερα εν συντομία από τα αντίστοιχα αρχικά τους στα αγγλικά G, C, A και T.
Ένα μόριο DNA αποτελείται από δύο σκέλη αυτών των χημικών που συνδέονται μεταξύ τους σε σχήμα διπλής έλικας. Το αλφάβητο του DNA είναι το ίδιο στα βατράχια, στους ανθρώπους και στα φυτά, αλλά οι οδηγίες είναι διαφορετικές. Το μόριο RNA χρησιμοποιεί σχεδόν το ίδιο αλφάβητο, αλλά αντί για θυμίνη, χρησιμοποιεί ουρακίλη (U).
Το 1977, μια ομάδα επιστημόνων στη Ρωσία ανακάλυψε για πρώτη φορά ότι ένας κυανοφάγος- ιός που εισβάλλει σε μια ομάδα βακτηρίων γνωστών ως κυανοβακτήρια- είχε αντικαταστήσει την αδενίνη με το χημικό 2-αμινοαδενίνη (Z). Με άλλα λόγια, ενώ το γενετικό αλφάβητο αποτελείται συνήθως από τα γράμματα ATCG, στους συγκεκριμένους ιούς, αποτελείτο από τα γράμματα ZTCG.
Για δεκαετίες αυτή η ανακάλυψη προβλημάτιζε τους επιστήμονες καθώς λίγα πράγματα ήταν γνωστά για το πώς αυτή η αντικατάσταση μπορεί να έχει επηρεάσει τον ιό. Στα τέλη της δεκαετίας του 1980, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτό το νουκλεοτίδιο Z έδινε στον ιό μερικά πλεονεκτήματα.
Ήταν πιο σταθερό σε υψηλότερες θερμοκρασίες και βοήθησε ένα σκέλος του DNA να συνδεθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια στο δεύτερο σκέλος του μετά την αντιγραφή. Το Z-DNA θα μπορούσε να αντισταθεί σε ορισμένες πρωτεΐνες που υπάρχουν σε βακτήρια και θα μπορούσαν να καταστρέψουν το ιικό DNA.
Νέα ευρήματα
Τώρα, δύο ερευνητικές ομάδες στη Γαλλία και μία στην Κίνα ανακάλυψαν ένα άλλο κομμάτι του παζλ: πώς αυτό το νουκλεοτίδιο Ζ καταλήγει στα γονιδιώματα των βακτηριοφάγων ιών που εισβάλλουν στα βακτήρια και χρησιμοποιούν το μηχανισμό τους για την αναπαραγωγή τους. Και οι τρεις ερευνητικές ομάδες, χρησιμοποίησαν μια ποικιλία γονιδιωματικών τεχνικών κι εντόπισαν ένα μέρος του μονοπατιού που οδηγεί στο γονιδίωμα Ζ, στους βακτηριοφάγους.
Οι πρώτες δύο ομάδες βρήκαν δύο κύριες πρωτεΐνες γνωστές ως PurZ και PurB που εμπλέκονται στην παραγωγή του Ζ-νουκλεοτιδίου. Μόλις το κυανοφάγο εγχύσει το DNA του σε βακτήρια για να αναπαραχθεί, ακολουθεί μια σειρά μετασχηματισμών. Αυτές οι δύο πρωτεΐνες δημιουργούν ένα πρόδρομο μόριο Ζ και στη συνέχεια το μετατρέπουν σε Ζ-νουκλεοτίδιο. Άλλες πρωτεΐνες στη συνέχεια το τροποποιούν έτσι ώστε να μπορεί να ενσωματωθεί στο DNA.
Η τρίτη ερευνητική ομάδα εντόπισε το ένζυμο που είναι υπεύθυνο για τη συγκέντρωση νέων μορίων DNA από το γονικό μόριο DNA: μια πολυμεράση γνωστή ως DpoZ. Διαπίστωσαν επίσης ότι αυτό το ένζυμο αποκλείει συγκεκριμένα το Α-νουκλεοτίδιο και το αντικαθιστά με το Ζ.
Για δεκαετίες, το Ζ-γονιδίωμα ήταν γνωστό ότι υπάρχει μόνο σε ένα είδος κυανοβακτηρίων. «Οι επιστήμονες πίστευαν ότι αυτό το Z-γονιδίωμα ήταν πολύ σπάνιο», δήλωσε η Σουέν Ζάο, επίκουρη καθηγήτρια στη σχολή επιστήμης και τεχνολογίας της ζωής στο Πανεπιστήμιο ShanghaiTech και κύρια συγγραφέας μιας από τις μελέτες.
Η Ζάο και η ομάδα της ανέλυσαν τις ακολουθίες των βακτηριοφάγων με το Ζ-γονιδίωμα και τις συνέκριναν με άλλους οργανισμούς. Ανακάλυψαν ότι τα Ζ-γονιδιώματα είναι στην πραγματικότητα πολύ πιο διαδεδομένα από ό, τι πιστεύαν προηγουμένως καθώς εντοπίστηκαν σε περισσότερους από 200 διαφορετικούς τύπους βακτηριοφάγων.
Οι βακτηριοφάγοι που φέρουν αυτό το Ζ-γονιδίωμα «θα μπορούσαν να θεωρηθούν ως μια διαφορετική μορφή ζωής», δήλωσε ο Πιέρ Καμίνσκι, ερευνητής στο Ινστιτούτο Παστέρ στη Γαλλία, κύριος συγγραφέας μιας άλλης μελέτης και συν-συγγραφέας της τρίτης. «Ωστόσο είναι δύσκολο να γνωρίζουμε την ακριβή προέλευσή του και θα πρέπει να διερευνήσουμε την έκταση αυτής της πρωτεΐνης PurZ στους βακτηριοφάγους και ίσως και σε οργανισμούς», δήλωσε ο επιστήμονας στο Live Science.
Ο Καμίσνκι και η ομάδα του ανέλυσαν την εξελικτική ιστορία της πρωτεΐνης PurZ και ανακάλυψαν ότι σχετίζεται με μια πρωτεΐνη που ονομάζεται PurA η οποία βρίσκεται στα αρχαιοβακτήρια που συνθέτουν το Α-νουκλεοτίδιο. Αυτή η «μακρινη εξελικτική σύνδεση γεννά το ερώτημα αν οι πρωτεΐνες που εμπλέκονται στην παραγωγή του νουκλεοτιδίου Ζ εμφανίστηκαν πρώτα σε βακτήρια και μετέπειτα σε ιούς ή αν εμφανίστηκαν συχνότερα σε πρόωρες μορφές ζωής στον πλανήτη, ίσως ακόμη και μέσα σε κύτταρα, έγραψαν σε σχετικό άρθρο που επίσης δημοσιεύθηκε στο περιοδικό «Science», οι Μάικλ Γκρόουμ και Φάρεν Άιζακς στο Πανεπιστήμιο του Γιέιλ, οι οποίοι δεν συμμετείχαν στις μελέτες.
Οι PurZ και DpoZ συχνά κληρονομούνται μαζί, γεγονός που υποδηλώνει ότι τα Ζ-γονιδιώματα υπήρχαν παράλληλα με το κανονικό DNA από τις πρώτες μέρες της ζωής στον πλανήτη μας, πριν από 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Επιπλέον, μια ανάλυση που πραγματοποιήθηκε το 2011 ενός μετεωρίτη που έπεσε στην Ανταρκτική το 1969, αποκάλυψε την ύπαρξη του νουκλεοτιδίου Ζ και κάποιων τυπικών και μη τυπικών νουκλεοτιδίων πιθανώς εξωγήινης προέλευσης, «υποδηλώνοντας έναν πιθανό ρόλο του Ζ σε πρώιμες μορφές ζωής», έγραψαν οι επιστήμονες.
Πώς εξελίχθηκε το γονιδίωμα Ζ
Είναι πιθανό το γονιδίωμα Ζ- εάν είναι τόσο παλιό- να βοήθησε τις πρώιμες μορφές ζωής. «Νομίζω ότι οι οργανισμοί με Ζ-γονιδίωμα μπορούν να επιβιώσουν καλύτερα στο ζεστό και ζεστό περιβάλλον του πρώιμου πλανήτη», δήλωσε η Ζάο.
Το Ζ-γονιδίωμα είναι πολύ σταθερό. Όταν δύο σκέλη φυσιολογικού DNA ενώνονται για να σχηματίσουν μια διπλή έλικα, δύο δεσμοί υδρογόνου συνδέουν το Α με το Τ και τρεις δεσμοί υδρογόνου συνδέουν το G με το C. Αλλά όταν το Α αντικαθίσταται με το Ζ, συνδέεται με τρεις δεσμούς υδρογόνου, καθιστώντας τον δεσμό ισχυρότερο. Αυτό είναι το μόνο μη φυσιολογικό DNA που τροποποιεί τη σύνδεση υδρογόνου, είπε ο Καμίνσκι.
Ωστόσο δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι το γονιδίωμα Ζ δεν είναι διαδεδομένο στα είδη σήμερα. Το Z-γονιδίωμα δημιουργεί πολύ σταθερό, αλλά όχι εύκαμπτο, DNA, εξηγεί η Ζάο. Για πολλά βιολογικά γεγονότα, όπως η αναπαραγωγή του DNA, πρέπει να αποσυμπιέσουμε το διπλό κλώνο και ο επιπλέον δεσμός υδρογόνου καθιστά την αποσυμπίεση πιο δύσκολη, εξηγεί η επιστήμονας.
Ωστόσο, η σταθερότητα του γονιδιώματος Z το καθιστά ιδανικό υποψήφιο για ορισμένες τεχνολογίες. Τώρα που οι ερευνητές γνωρίζουν ποιες πρωτεΐνες χρησιμοποιεί ο ιός για να δημιουργήσει αυτά τα Ζ-γονιδιώματα, μπορούν να τα παράγουν.
Το Ζ-γονιδίωμα μπορεί να βοηθήσει στη βελτίωση της θεραπείας με βακτηριοφάγο, που χρησιμοποιείται όταν τα βακτήρια αναπτύσσουν αντίσταση στα αντιβιοτικά. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της μακροζωίας και της ικανότητας στόχευσης σκελών του DNA που χρησιμοποιούνται στη γονιδιακή θεραπεία. Επιπλέον, οι ερευνητές θα μπορούσαν να μελετήσουν τις επιπτώσεις της ενσωμάτωσης του γονιδιώματος Ζ στα κύτταρα για την βελτίωση της λειτουργίας του κυττάρου.
Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν τόσα πολλά αναπάντητα ερωτήματα σχετικά με το γονιδίωμα Z, είπε η Ζάο. Για παράδειγμα, η ερευνητική ομάδα θέλει να δει αν η τρισδιάστατη δομή του έχει διαφορές από εκείνες του φυσιολογικού DNA, ενώ ο Καμίνσκι ελπίζει να διερευνήσει περαιτέρω ποια πλεονεκτήματα δίνει αυτό το γονιδίωμα Ζ στον βακτηριοφάγο, εκτός από το να βοηθά να αποφύγει τις αμυντικές πρωτεΐνες των βακτηρίων.
Επίσης, δεν είναι γνωστό εάν το Ζ-γονιδίωμα μπορεί να αποτελέσει σκέλη του σχετικού RNA του DNA. Δεν είναι καν σαφές εάν το γονιδίωμα αυτό μπορεί να ενσωματωθεί στα γονίδια ενός βακτηριακού ξενιστή του ιού. Αυτό που είναι σαφές από αυτές τις μελέτες είναι ότι το γονιδίωμα Ζ είναι πιο διαδεδομένο από ό, τι νομίζαμε – και πιθανότατα έχει μια πολύ ενδιαφέρουσα εξελικτική ιστορία.
Οι τρεις ξεχωριστές μελέτες δημοσιεύθηκαν την Πέμπτη 29 Απριλίου στο περιοδικό «Science».
ΠΗΓΗ: Live Science
www.ertnews.gr
Εύη Τσιριγωτάκη