كشف بحث جديد أن “الحمض النووي العشوائي” يتم نسخه بشكل نشط في الخميرة ولكنه يظل غير نشط إلى حد كبير في خلايا الثدييات، على الرغم من أن كلا الكائنات الحية تشترك في سلف مشترك وآليات جزيئية. تضمنت هذه الدراسة إدخال جين اصطناعي بترتيب عكسي في الخلايا الجذعية للخميرة والفأر، مما يكشف عن اختلافات كبيرة في نشاط النسخ. تشير النتائج إلى أنه بينما تقوم خلايا الخميرة بنسخ جميع الجينات تقريبًا، فإن خلايا الثدييات تقوم بشكل طبيعي بقمع النسخ. لا يتحدى هذا البحث فهمنا للنسخ الجيني عبر الأنواع فحسب، بل يحمل أيضًا آثارًا على مستقبل الهندسة الوراثية واكتشاف جينات جديدة.
كشفت دراسة جديدة أنه في الفطريات وحيدة الخلية الخميرة “عشوائية”. الحمض النووي“نشط بشكل طبيعي، بينما في خلايا الثدييات، يتم إيقاف هذا الحمض النووي كحالته الطبيعية في خلايا الثدييات، على الرغم من وجود سلف مشترك قبل مليار سنة ونفس الآلية الجزيئية الأساسية.
يدور الاكتشاف الجديد حول العملية التي يتم من خلالها تحويل التعليمات الوراثية للحمض النووي أولاً إلى مادة ذات صلة تسمى الحمض النووي الريبي ومن ثم إلى البروتينات التي تشكل هياكل الجسم وإشاراته. في الخميرة والفئران والبشر، تتم الخطوة الأولى في التعبير الجيني، أي النسخ، حيث تتم قراءة “حروف” الحمض النووي الجزيئية (القواعد النووية) في اتجاه واحد. في حين أن 80% من الجينوم البشري ــ المجموعة الكاملة من الحمض النووي في خلايانا ــ يتم فك تشفيرها بشكل نشط إلى RNA، فإن أقل من 2% منها ترمز في الواقع إلى الجينات التي توجه بناء البروتينات.
إن اللغز الطويل الأمد في علم الجينوم هو ما الذي يحققه كل هذا النسخ غير المرتبط بالجينات. هل هي مجرد ضجيج، أم أنها أثر جانبي للتطور، أم أن لها وظائف؟
سعى فريق بحث في جامعة نيويورك لانغون هيلث للإجابة على هذا السؤال من خلال إنشاء جين اصطناعي كبير، مع رمز الحمض النووي الخاص به بترتيب عكسي من والده الطبيعي. ثم قاموا بوضع جينات اصطناعية في الخلايا الجذعية للخميرة والفئران، وراقبوا مستويات النسخ في كل منهما. نشرت في المجلة طبيعة، تكشف الدراسة الجديدة أنه في الخميرة تم ضبط النظام الجيني بحيث يتم نسخ جميع الجينات تقريبًا بشكل مستمر، في حين أن نفس “الحالة الافتراضية” في خلايا الثدييات هي إيقاف النسخ.
المنهجية والنتائج
ومن المثير للاهتمام، كما يقول مؤلفو الدراسة، أن الترتيب العكسي للشفرة يعني أن جميع الآليات التي تطورت في الخميرة وخلايا الثدييات لتشغيل النسخ أو إيقافه كانت غائبة لأن الكود المعكوس كان هراء. ومع ذلك، مثل صورة معكوسة، يعكس الكود المعكوس بعض الأنماط الأساسية التي تظهر في الكود الطبيعي من حيث عدد مرات وجود حروف الحمض النووي، وما الذي اقترب منه، وعدد مرات تكراره. نظرًا لأن الكود المعكوس يبلغ طوله 100000 حرف جزيئي، فقد وجد الفريق أنه يتضمن بشكل عشوائي العديد من الامتدادات الصغيرة من الكود غير المعروف سابقًا والذي من المحتمل أنه بدأ النسخ في كثير من الأحيان في الخميرة، وأوقفه في خلايا الثدييات.
“فهم اختلافات النسخ الافتراضية عبر صِنف وقال المؤلف المقابل جيف بوكي، دكتوراه، ومدير معهد علم الوراثة في جامعة نيويورك لانغون هيلث، إن “الجينات ستساعدنا على فهم أفضل لأجزاء الشفرة الوراثية التي لها وظائف، وما هي حوادث التطور”. “وهذا بدوره يعد بتوجيه هندسة الخميرة لصنع أدوية جديدة، أو إنشاء علاجات جينية جديدة، أو حتى لمساعدتنا في العثور على جينات جديدة مدفونة في الكود الضخم.”
يضفي هذا العمل وزنًا على النظرية القائلة بأن حالة النسخ النشطة جدًا للخميرة يتم ضبطها بحيث نادرًا ما يتم حقن الحمض النووي الأجنبي في الخميرة على سبيل المثال عن طريق فايروس لأنه ينسخ نفسه، فمن المرجح أن يتم نسخه إلى RNA. إذا قام هذا الحمض النووي الريبوزي (RNA) ببناء بروتين له وظيفة مفيدة، فسيتم الحفاظ على الكود من خلال التطور كجينة جديدة. على عكس الكائن الحي وحيد الخلية في الخميرة، والذي يمكنه تحمل جينات جديدة محفوفة بالمخاطر تدفع التطور بشكل أسرع، فإن خلايا الثدييات، كجزء من الأجسام التي تحتوي على ملايين الخلايا المتعاونة، تكون أقل حرية في دمج الحمض النووي الجديد في كل مرة تواجه فيها الخلية فيروسًا. العديد من الآليات التنظيمية تحمي الكود المتوازن بدقة كما هو.
الحمض النووي الكبير
كان على الدراسة الجديدة أن تأخذ في الاعتبار حجم سلاسل الحمض النووي، حيث يوجد 3 مليارات “حرف” في الجينوم البشري، وبعض الجينات يبلغ طولها 2 مليون حرف. في حين أن التقنيات الشهيرة تمكن من إجراء التغييرات حرفًا تلو الآخر، فإن بعض المهام الهندسية تكون أكثر كفاءة إذا قام الباحثون ببناء الحمض النووي من الصفر، مع إجراء تغييرات بعيدة المدى على مساحات كبيرة من التعليمات البرمجية المجمعة مسبقًا واستبدالها في خلية بدلاً من نظيرتها الطبيعية. ولأن الجينات البشرية معقدة للغاية، فقد طور مختبر بوكي لأول مرة نهج “كتابة الجينوم” في الخميرة، ولكنه قام مؤخرًا بتعديله ليتوافق مع الشفرة الوراثية للثدييات. يستخدم مؤلفو الدراسة خلايا الخميرة لتجميع تسلسلات طويلة من الحمض النووي في خطوة واحدة، ومن ثم توصيلها إلى الخلايا الجذعية الجنينية للفأر.
بالنسبة للدراسة الحالية، تناول فريق البحث مسألة مدى انتشار النسخ عبر التطور من خلال إدخال امتداد اصطناعي يبلغ 101 كيلو قاعدة من الحمض النووي المُهندس – الجين البشري هيبوكسانثين فسفوريبوزيل ترانسفيراز 1 (HPRT1) بترتيب ترميز عكسي. وقد لاحظوا نشاطًا واسع النطاق للجين في الخميرة، على الرغم من الافتقار إلى الكود الهراء للمروجين، وهي قصاصات الحمض النووي التي تطورت للإشارة إلى بدء النسخ.
علاوة على ذلك، حدد الفريق تسلسلات صغيرة في الشيفرة المعكوسة، وامتدادات متكررة من وحدات بناء الأدينوسين والثايمين، المعروفة بأنها يمكن التعرف عليها من خلال عوامل النسخ، وهي بروتينات ترتبط بالحمض النووي لبدء النسخ. وقال المؤلفون إن مثل هذه التسلسلات التي يتراوح طولها من 5 إلى 15 حرفًا فقط، يمكن أن تحدث بشكل عشوائي بسهولة، وقد تفسر جزئيًا الحالة الافتراضية النشطة للغاية للخميرة.
على العكس من ذلك، نفس الرمز المعكوس, التي تم إدخالها في جينوم الخلايا الجذعية الجنينية للفأر، لم تسبب عملية نسخ واسعة النطاق. في هذا السيناريو، تم قمع النسخ على الرغم من أن ثنائي النوكليوتيدات CpG المتطورة، المعروفة بإيقاف (إسكات) الجينات، لم تكن فعالة في الكود المعكوس. ويعتقد الفريق أن العناصر الأساسية الأخرى في جينوم الثدييات قد تقيد النسخ أكثر بكثير مما هي عليه في الخميرة، وربما عن طريق تجنيد مجموعة بروتينية مباشرة (مجمع متعدد الأقراص) معروف بإسكات الجينات.
قال المؤلف الأول بريندان كاميلاتو، وهو طالب دراسات عليا في مختبر بوكي: “كلما اقتربنا من إدخال “قيمة الجينوم” من الحمض النووي غير المعنى في الخلايا الحية، كلما كان بإمكانهم مقارنتها بالجينوم الفعلي والمتطور بشكل أفضل”. “قد يقودنا هذا إلى آفاق جديدة من علاجات الخلايا المهندسة، حيث تتيح القدرة على إدخال الحمض النووي الاصطناعي الأطول من أي وقت مضى فهمًا أفضل لما ستتحمله الجينومات المدخلة، وربما إدراج واحد أو أكثر من الجينات الأكبر حجمًا والمكتملة المهندسة. “
المرجع: “التسلسلات الاصطناعية المعكوسة تكشف الحالات الجينومية الافتراضية” بقلم بريندان ر. كاميلاتو، وران بروش، وهانا ج. آش، وماثيو ت. مورانو، وجيف د. بوكي، 6 مارس 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07128-2
. “محلل حائز على جوائز. محب للموسيقى. منشئ. هواة Twitter. مستكشف ودود. محب للتواصل ودود.”