يحتوي 1% فقط من الجينوم البشري على جينات ترمز للبروتينات، ويحتوي ما يقرب من نصف الجينوم على جينات تستخدم للتحكم. يتكون أكثر من نصف الجينوم البشري من تسلسلات متكررة لم يكن من الممكن تسلسلها في المرور الأول على الجينوم البشري في التسعينيات، لكن التكنولوجيا الآن جعلت ذلك ممكنًا وفتح عصر جديد لأبحاث الجينوم
بقلم: غابرييل هارتلي، طالب دكتوراه في البيولوجيا الجزيئية والخلوية، جامعة كونيتيكت. ترجمة: آفي بيليزوفسكي، موقع المعرفة
عندما أعلن رؤساء مشروع الجينوم البشري في عام 2003 أنهم أكملوا تسلسل الجينوم البشري الأول، كان ذلك بمثابة إنجاز مهم: فللمرة الأولى، تم فك تشفير برنامج الحمض النووي الذي تقوم عليه حياة الإنسان. لكن الإعلان جاء مع مشكلة، إذ لم يتمكنوا من جمع كل المعلومات الجينية المخزنة في الجينوم. كانت هناك فجوات: غالبًا ما كانت المناطق المتكررة هي التي كانت مربكة عند تجميعها معًا وفهم المكان الذي تنتمي إليه.
ومع التقدم التكنولوجي الذي يجعل من الممكن الآن التعامل مع التسلسلات المتكررة، قام العلماء أخيرًا بملء هذه الثغرات في مايو 2021، وتم نشر أول جينوم بشري شامل رسميًا في 31 مارس 2022.
أنا عالم أحياء الجينوم وأدرس تسلسلات الحمض النووي المتكررة وكيفية تشكيل الجينومات عبر التاريخ التطوري. لقد كنت جزءًا من الفريق الذي ساعد في توصيف التسلسلات المتكررة في الجينوم. والآن بعد أن أصبح لدينا جينوم بشري كامل حقًا، فإن المناطق المتكررة التي تم الكشف عنها أخيرًا يتم استكشافها بالكامل لأول مرة.
القطع المفقودة من اللغز
صاغ عالم النبات الألماني هانز فينكلر كلمة "جينوم" في عام 1920، عندما جمع كلمة "جين" مع اللاحقة "-ome"، والتي تعني "مجموعة كاملة"، لوصف تسلسل الحمض النووي الكامل الموجود في كل خلية. ولا يزال الباحثون يستخدمون هذه الكلمة بعد قرن من الزمان للإشارة إلى المادة الوراثية التي يتكون منها الكائن الحي.
إحدى الطرق لوصف شكل الجينوم هي مقارنته بكتاب مرجعي. في هذا التشبيه، الجينوم هو مختارات تحتوي على تعليمات الحمض النووي للحياة. وهو يتألف من مجموعة كبيرة ومتنوعة من النيوكليوتيدات (الحروف) المعبأة في الكروموسومات (الفصول). يحتوي كل كروموسوم على جينات (فقرات) وهي مناطق من الحمض النووي ترمز لبروتينات محددة تسمح للكائن الحي بالعمل.
رسم تخطيطي للكروموسوم يتحلل إلى الحمض النووي الملفوف والجينات والنيوكليوتيدات
كل كائن حي لديه جينوم، ولكن حجم الجينوم يختلف من نوع إلى آخر. يستخدم الفيل نفس شكل المعلومات الوراثية الذي يستخدمه العشب الذي يأكله والبكتيريا الموجودة في أمعائه. لكن لا يوجد جينومان يبدوان متماثلين تمامًا. وبعضها قصير، مثل جينوم بكتيريا النوع
الموجودة داخل الحشرات التي تحتوي على 137 جينًا فقط وأكثر من 112,000 نيوكليوتيدات. بعضها، مثل الـ 149 مليار نيوكليوتيدات الموجودة في نبات باريس جابونيكا المزهر، طويلة جدًا بحيث يصعب معرفة عدد الجينات التي تحتوي عليها.
لكن الجينات كما تم فهمها تقليديا - أجزاء من الحمض النووي التي ترمز للبروتينات - ليست سوى جزء صغير من جينوم الكائن الحي. في الواقع، فهي تشكل أقل من 2% من الحمض النووي البشري.
يحتوي الجينوم البشري على ما يقرب من 3 مليارات نيوكليوتيدات وأقل بقليل من 20,000 جينًا لترميز البروتين والتي تشكل حوالي 1٪ من إجمالي طول الجينوم. أما الـ 99% المتبقية فهي عبارة عن تسلسلات الحمض النووي التي لا ترمز للبروتينات. بعضها عبارة عن عناصر تحكم تتحكم في كيفية عمل الجينات الأخرى. البعض الآخر عبارة عن جينات كاذبة أو بقايا جينية فقدت قدرتها على العمل. يتكون أكثر من نصف الجينوم البشري من جينات متكررة، مع نسخ متعددة من تسلسلات متطابقة تقريبًا.
ما هي شرائح الحمض النووي المتكررة؟
أبسط أشكال الحمض النووي المتكرر هي كتل من الحمض النووي التي تكرر نفسها مرارًا وتكرارًا بنفس الترتيب وتسمى الأقمار الصناعية. يختلف عدد قطع الحمض النووي التابعة من شخص لآخر، ولكنها غالبًا ما تتجمع بالقرب من نهايات الكروموسومات في مناطق تسمى التيلوميرات. تحمي هذه المناطق الكروموسومات من الاضطراب أثناء تكرار الحمض النووي. توجد أيضًا في السنتروميرات للكروموسومات، وهي المنطقة التي تساعد في الحفاظ على المعلومات الوراثية سليمة عندما تنقسم الخلايا.
لا يزال الباحثون لا يفهمون بوضوح جميع وظائف الحمض النووي الساتلي، ولكن نظرًا لأن الحمض النووي الساتلي يخلق أنماطًا فريدة في كل شخص، يستخدم علماء الأحياء الشرعي وعلماء الأنساب هذه "البصمة" الجينومية لمطابقة عينات مسرح الجريمة مع المشتبه بهم وتتبع أصولهم. ويرتبط أكثر من 50 اضطرابًا وراثيًا بالتغيرات في الحمض النووي، بما في ذلك مرض هنتنغتون.
هناك نوع شائع آخر من الحمض النووي المتكرر يحتوي على عناصر أو تسلسلات قابلة للتبديل يمكنها التحرك على طول الجينوم. وقد وصفها بعض العلماء بالحمض النووي الأناني لأنها تستطيع إدخال نفسها في أي مكان في الجينوم، بغض النظر عن عواقب القيام بذلك. مع تطور الجينوم البشري، تراكمت لدى العديد من التسلسلات القابلة للإزاحة طفرات تثبط قدرتها على الحركة لتجنب التداخل الضار، ولكن من المحتمل أن بعضها لا يزال قادرًا على التحرك. على سبيل المثال، ترتبط الجينات التي يمكن استبدالها أو نقلها بعدة أمراض مثل الهيموفيليا A أو اضطرابات النزيف الجيني.
ربما يكون الحمض النووي القابل للاستبدال هو السبب وراء امتلاك البشر للعصعص ولكن ليس لديهم ذيل؟
لكن العناصر الجينومية القابلة للتبديل ليست مجرد مدمرة. يمكن أن يكون لها وظائف تنظيمية تساعد في التحكم في التعبير عن تسلسلات الحمض النووي الأخرى. عند تركيزها في السنتروميرات، فإنها قد تساعد أيضًا في الحفاظ على سلامة الجينات الأساسية والمساهمة في بقاء الخلية.
يمكن أن يساهم نشاط الجينات القابلة للاستبدال أيضًا في التطور. اكتشف الباحثون مؤخرًا أن إدخال عنصر قابل للنقل في جين مهم للنمو قد يكون السبب وراء عدم امتلاك بعض الرئيسيات، بما في ذلك البشر، ذيولًا. إن إعادة ترتيب الكروموسومات بسبب إدخال عناصر قابلة للتبديل يرتبط أيضًا بتكوين أنواع جديدة مثل الجيبون في جنوب شرق آسيا والولبي في أستراليا.
إكمال اللغز الجينومي
حتى وقت قريب، كان من الممكن مقارنة العديد من هذه المناطق المعقدة بالجانب البعيد من القمر: المعروف بوجوده ولكن لم يتم فهمه بدقة كبيرة.
عندما تم إطلاق مشروع الجينوم البشري لأول مرة في عام 1990، جعلت القيود التكنولوجية من المستحيل الكشف الكامل عن المناطق المتكررة في الجينوم. يمكن لتكنولوجيا التسلسل المتاحة قراءة حوالي 500 نيوكليوتيدات فقط في المرة الواحدة، ويجب أن تتداخل هذه الأجزاء القصيرة مع بعضها البعض. استخدم الباحثون هذه الأجزاء المتداخلة لتحديد النيوكليوتيدات التالية في التسلسل، وتوسيع تجميع قطعة الجينوم تدريجيًا بعد قطعة.
كان تجميع المناطق المتكررة من الجينوم أشبه بتجميع أحجية مكونة من 1,000 قطعة يتم فيها رسم سماء غائمة: عندما تبدو كل قطعة متشابهة، فكيف تعرف أين تبدأ سحابة وتنتهي أخرى؟ مع وجود أجزاء متداخلة متطابقة تقريبًا في العديد من الأماكن، أصبح التسلسل الكامل للجينوم بواسطة أجهزة تسلسل الجينوم الأولى أمرًا مستحيلًا. ظلت الملايين من النيوكليوتيدات مخفية في التكرار الأول لفك تشفير الجينوم البشري.
ومنذ ذلك الحين، تم سد الفجوات في الجينوم البشري تدريجياً. في عام 2021، أعلن اتحاد التيلومير إلى التيلومير (T2T)، وهو اتحاد دولي من العلماء الذين يعملون على إكمال التجميع الشامل للجينوم البشري، أن جميع الفجوات المتبقية قد تم سدها أخيرًا.
ومع الانتهاء من الجينوم البشري الأول، يتطلع الباحثون الآن إلى فهم التنوع الكامل للبشرية.
لقد أصبح هذا ممكنًا بفضل تقنية التسلسل المحسنة القادرة على قراءة تسلسلات أطول لآلاف النيوكليوتيدات بالإضافة إلى معلومات إضافية لوضع تسلسلات متكررة داخل صورة أكبر حيث يسهل تحديد مكانها الصحيح في الجينوم. إنه مثل تحويل لغز مكون من 1,000 قطعة إلى لغز مكون من 100 قطعة. أتاحت القدرة على قراءة التسلسلات الطويلة لأول مرة تجميع مناطق تكرار كبيرة.
ومع القوة المتنامية لتكنولوجيا تسلسل الحمض النووي على المدى الطويل، انفتح عصر جديد في أبحاث الجينوم - إمكانية فك رموز تسلسلات معقدة من الجينات المتكررة لأول مرة عبر المجموعات السكانية والأنواع، وفي جينوم بشري كامل دون ثغرات. توفر هذه المعرفة قوة قيمة للباحثين لدراسة المناطق المتكررة وبالتالي خلق اختلافات في البنية الجينية، مما يجعل من الممكن دراسة تطور الأنواع والمساهمة في صحة الإنسان.
لكن الجينوم الكامل لا يعطي الصورة كاملة. تُبذل الجهود باستمرار لإنشاء تسلسلات مرجعية جينومية متنوعة تمثل بشكل كامل السكان البشريين والحياة على الأرض. وبفضل المراجع الجينومية الأكثر اكتمالا التي تم الحصول عليها بطريقة "من التيلومير إلى التيلومير"، سيصبح فهم العلماء لـ "المادة المظلمة" للجينوم المتكرر أكثر وضوحا.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 2
مقال جميل وواضح على مستوى العين.
وما هو حجمه بالميجابايت؟