يحتوي فيروس HIV-1 على جينوم صغير. تتناسب جميع جيناته التسعة مع جزيء واحد من الحمض النووي الريبي ، وتتكون مكتبة المواد الجينية الكاملة في الكائن الحي من 10 كيلوباسات فقط (للسياق ، الجينوم البشري حوالي 3 مليون كيلوباس). ولكن على الرغم من مجموعة الجينات الصغيرة للفيروس ، فإنه قادر على استخدام طريقة تسمى الربط البديل لإنتاج العديد من البروتينات المختلفة ذات الأغراض المختلفة. يقول نصوص RNA لهذه البروتينات مثل الكلمات الفردية المخفية في جدار النص ، يقول زميل معهد وايتهيد سيلفي روسكين: "تقصهم وتلصقهم [من خلال الربط البديل] ، وبعد ذلك عندما تضعهم جميعًا معًا يكون لديك جملة تجعل إحساس." 

وبما أنه لا يوجد أي من جينات فيروس نقص المناعة البشرية حتى يشفر الجهاز الخلوي المطلوب "لقص ولصق" الحمض النووي الريبي - فهو يخطف مواد مضيفه من أجل ذلك - لا يزال العلماء يعملون على تحديد كيفية قدرة كل جزيء فيروس نقص المناعة البشرية على التحكم في مكانه. افترض روسكين وآخرون أن تكوين أو شكل جزيئات الرنا قد يكون له علاقة بهذه العملية. قد تتجعد تسلسلات RNA في الفيروس - حتى تلك التي لها نفس تسلسل النيوكليوتيدات - وتلف بطرق مختلفة ، مما يؤدي إلى اختلافات في كيفية تقطيعها لاحقًا لإنشاء نسخ للبروتينات. الآن ، في دراسة نشرت في 6 مايو في المجلة طبيعة، يقترح روسكين والمؤلفون أن هذه الفرضية صحيحة - ويقدمون خوارزمية جديدة يمكنها تحديد جزيئات الرنا وفرزها بشكل فعال حسب الشكل. 

لتبدأ تحقيقها في هياكل الحمض النووي الريبي لفيروس العوز المناعي البشري -1 ، تحولت روسكين إلى طريقة طورتها خلال السنوات القليلة الماضية في وايتهيد. تتضمن الطريقة ، المسماة DMS-MaPseq ، تمييز جزيئات الرنا بمجموعات الميثيل الدقيقة. ترتبط مجموعات الميثيل بقواعد غير زوجية على طول ضفيرة الحمض النووي الريبي ، والتي تحدث إما على امتداد طويل مستقيم من الحمض النووي الريبي المكشوف ، أو في حلقات تتشكل عندما ترتبط أقسام مكملة ببعضها البعض. يمكن الكشف عن مجموعات الميثيل هذه لأنها تؤدي إلى طفرات عندما يتم تحويل الرنا العكسي إلى DNA. قدم روسكين التقنية لأول مرة في عام 2017 في ورقة في طرق الطبيعة. 

في ورقتها الجديدة ، استخدمت روسكين DMS MaPseq لتمييز جزيئات HIV-1 بهذه الطفرات. ثم صممت هي والمتعاونون في معهد والتر وإليزا هول للأبحاث الطبية وأماكن أخرى خوارزمية تستخدم بيانات التسلسل حول مكان حدوث الطفرات للكشف عن الطرق المختلفة التي يمكن بها تشكيل قالب RNA نفسه. على سبيل المثال ، إذا تم تحوير قاعدة واحدة فقط نصف التردد المتوقع ، فهناك شكلان على الأقل يمكن أن يفترضهما تسلسل الحمض النووي الريبي - شكل واحد يتم فيه عرض القاعدة في حلقة أو امتداد مفتوح ، وآخر حيث يتم ربطه بشكل آمن إلى منطقة تكميلية في تسلسل RNA.

حيث تفترض الطرق القديمة لتحديد بنية الحمض النووي الريبي أن كل جزيء من الحمض النووي الريبي يبدو متشابهًا في الأساس ، تنظر خوارزمية روسكين الجديدة في إمكانية وجود العديد من المطابقات المختلفة - ثم فرز نتائجها حسب شكلها والترددات النسبية لكل منها. وهذا يسمح للباحثين ليس فقط بمراقبة تكرار الأشكال المعروفة ، ولكن أيضًا لاكتشاف تركيبات جديدة. يقول روسكين فائدة أخرى للخوارزمية هي أنه على عكس الأساليب الديناميكية الحرارية ، التي تستخدم النماذج الرياضية لحساب الهياكل المحتملة لجزيئات الرنا ، يمكن استخدام هذه الخوارزمية لتحليل كيفية ظهورها بالفعل في الخلايا الحية.  

للتحقق من الخوارزمية ، أنشأت روسكين ومعاونوها نصوص RNA الخاصة بهم من جين بشري لاستخدامها كقالب اختبار. اختاروا تسلسلًا يفترض بشكل طبيعي شكلين مختلفين معروفين. ثم قاموا بخلط الهيكلين معًا واستخدموا DMS MaPseq لتمييزها بمجموعات الميثيل والطفرات المستحثة. عندما قاموا بتطبيق الخوارزمية الجديدة على بيانات التسلسل ، تمكنت من تحديد الهيكلين بشكل صحيح حتى انخفض تركيز أحدهما إلى أقل من 6 بالمائة من الخليط. 

بعد ذلك ، عادوا إلى جينوم فيروس نقص المناعة البشرية لمعرفة ما إذا كان يمكن استخدام هذه الطريقة سواء في المختبر أو على الفيروسات الحية لأنها تصيب الخلايا البشرية. ركزوا أولاً على جزء محدد من تسلسل RNA HIV-1 الذي أثبتت الدراسات السابقة أنه يشكل هياكل إما مع أربعة أو خمسة سيقان متفرعة. عندما اختبروا الخوارزمية على مزيج من الشكلين ، تمكنوا من قياس الانتشار النسبي لكل منهما بدقة. كشفت تجربة أخرى على فيروس HIV-1 الذي يصيب الخلايا التائية البشرية أن الخوارزمية يمكن أن تقيس أيضًا مدى انتشار الهياكل في الجسم الحي. 

ثم ركزوا على الكيفية التي قد تؤثر بها الهياكل المختلفة على ربط RNA من خلال فحص موقع لصق محدد. إذا تم تقسيم حبلا RNA في هذا الموقع ، فيمكن أن يستمر في الترميز لبروتين يسمى tat. إذا لم يكن كذلك ، فلا يمكن صنع أي من البروتين. حددت الخوارزمية شكلين موجودين في الخلايا المصابة بفيروس نقص المناعة البشرية -1: تركت واحدة من التشكيل موقع الوصل مكشوفًا لآلات قطع الخلية المضيفة لقص الشريط. أخفىها الآخر في الجزيء حتى لا تتمكن جزيئات الربط من الارتباط. عندما اختبروا ما إذا كانت الطفرات في الحمض النووي الريبي التي جعلت الهيكل الأخير أكثر انتشارًا ، لاحظوا انخفاضًا في كمية النسخ التي يمكن أن ينتجها الفيروس. يقول روسكين: "إن إخفاء هذه الإشارات أو فضحها هو وسيلة للسيطرة على الفيروس من خلال الربط".

قد يستخدم الفيروس أيضًا صيغًا بديلة للتأكد من أن بعض جزيئات الحمض النووي الريبي تبقى غير منقسمة تمامًا في جميع الأوقات - مما يضمن أنه سيكون هناك نسخ كاملة كافية من الجينوم الفيروسي لنقله مع تكرار الفيروس. هذه الفرضية قابلة للاختبار عندما تسمح تكنولوجيا التسلسل للباحثين بتحليل بنية جزيئات الحمض النووي الريبي لفيروس HIV-1 بالكامل مرة واحدة (الآن يجب عليهم كسر التسلسل إلى قطع أصغر). إذا كان يمكن ملاحظة جزيء واحد من الحمض النووي الريبي يخفي جميع مواقع الوصلة في نفس الوقت ، "فسيكون هذا هو القاتل" ، كما يقول روسكين. "نحن نفتقد تلك القطعة من البيانات."

تبدو الفرضية محتملة ، على الرغم من ذلك ، استنادًا إلى النتائج التي توصل إليها الفريق حول عدم تجانس جينوم HIV-1 ككل: عندما استخدموا خوارزميتهم لفحص الهياكل التي شكلها فيروس نقص المناعة البشرية RNA ، وجدوا أن الحمض النووي الريبي لفيروس نقص المناعة البشرية متغير للغاية ، مع هيكلان بديلان على الأقل لأكثر من 90 في المائة من أقسام الحمض النووي الريبي التي حللها الفريق.

إن القدرة على فرز جزيئات الحمض النووي الريبي من خلال تشكيلها لها أيضًا تطبيقات لبنية الحمض النووي الريبي البشري ، يقول روسكين. يقول روسكين: "ما نقوم به الآن هو في الأساس أخذ تلك الدروس التي تعلمناها من الفيروسات ، ونحن نسأل ،" هل يقوم الحمض النووي الريبي البشري أيضًا بنفس الشيء؟ " "لقد تعلم الناس الكثير من الأشياء من الفيروسات ثم أدركوا أن الخلية البشرية تفعل الشيء نفسه. نحن متحمسون للغاية. وتشير نتائجنا الأولية إلى أنه في الواقع ، نعم ، هذه أيضًا آلية يستخدمها الرناوات البشرية أيضًا ، لتنظيم الربط البديل لها. "

يقول فيل توميزسكو ، وهو طالب دراسات عليا في برنامج علم الفيروسات في جامعة هارفارد يدرس في مختبر روسكين ، ومؤلف مشارك في البحث: إن معرفة المزيد عن هذه الآلية يمكن أن تكون ذات يوم مفيدة في بيئة سريرية. يقول: "هناك بعض الأمراض الوراثية النادرة التي يمكن علاجها أو علاجها عن طريق تغيير أنماط الربط لجينات مختلفة". "على نطاق أوسع من ذلك ، هناك على الأرجح الكثير من قرارات الربط البديلة التي تحدث في الأمراض المعقدة - وإذا علمنا أن بنية الحمض النووي الريبي البديلة هي طريقة لتنظيم الربط البشري ، فقد يفتح الكثير من البصيرة في الأمراض المختلفة التي لا أفهم حقاً بعد. "

ويقول توميزسكو إن خوارزمية DREEM تُستخدم أيضًا لدراسة الفيروس التاجي الجديد. "من خلال تطبيق هذه التقنية لدراسة بنية الحمض النووي الريبي في دورة النسخ المتماثل لـ SARS-CoV-2 ، نأمل أن نجد خطوات تنظيمية جديدة يمكن استهدافها بواسطة مضادات الفيروسات" ، كما يقول. 

يتم دعم عمل Rouskin على الحمض النووي الريبي لفيروس العوز المناعي البشري -1 ، جزئيًا ، من قبل المعاهد الوطنية للصحة ، ومركز دراسات الحمض النووي الريبي لفيروس العوز المناعي البشري -1 ، ومؤسسة سميث فاميلي ، وصندوق بوروز ويلكوم.