الشريحة التي تولد الثورة

كيف تعمل الجينات في الدقائق الأولى من تكوين الخلية السرطانية، وأي الجينات تنشط في أنسجة الشاب وأيها تنشط في أنسجة الشخص المسن؟ هذه فقط بعض الاكتشافات التي أصبحت ممكنة بفضل رقائق الحمض النووي، أداة جديدة ورائعة في دراسة الجينوم

في أحد المختبرات في كاليفورنيا، على غرار آلاف مختبرات الكمبيوتر في وادي السيليكون، تقوم مجموعة من الفنيين بتجميع الرقائق باستخدام نفس الأساليب المستخدمة في صناعة شرائح الكمبيوتر. لكن هذه الرقائق ليست مصنوعة من طبقات السيليكون. وهي مصنوعة من الحمض النووي، المادة التي تحتوي على جميع المعلومات البيولوجية للشخص. وهدفهم هو قراءة الكم الهائل من المعلومات المكتوبة في تسلسل وحدات الحمض النووي.

ووفقا لعلماء الأحياء، فإن رقائق الحمض النووي الخاصة بالشركة، والتي تسمى Epimatrix، تجتذب الآن اهتماما أكبر من أي مجال آخر من مجالات أبحاث الجينوم. ارتفعت مبيعات الشركة في الربع الأخير بنسبة 115% مقارنة بالربع المماثل من العام الماضي.

ومؤخراً، بدأت شركة Epimatrix وغيرها من الشركات في تسويق شرائح يمكنها اكتشاف الطفرات التي يمكن أن تسبب السرطان، بالإضافة إلى شرائح يمكنها قياس نشاط آلاف الجينات في نفس الوقت. وقالت الدكتورة شيرلي هورن سابان، مديرة وحدة شرائح الحمض النووي في معهد وايزمان للعلوم: "إنها ثورة في مجال البحث". حتى الآن، كانت هناك طريقة واحدة فقط لدراسة التعقيد الهائل للجينوم: كان على العلماء قضاء سنوات في المختبر لتعلم نشاط أحد الجينات ثم ربطه بنشاط جين آخر، على أمل أن يتمكنوا في يوم من الأيام من ذلك. لرسم صورة لنشاط جميع الجينات. وبمساعدة رقائق الحمض النووي، من الممكن التحقق من نشاط آلاف الجينات في نفس الوقت.

الشريحة عبارة عن مربع زجاجي، أصغر من عملة الشيكل، ومعبأة في خرطوشة بلاستيكية سوداء. تتم طباعة الجينات على الزجاج. يقوم الباحث باستخراج الحمض النووي الريبي (الحمض النووي السلبي الذي ينقل وصفة إنتاج البروتين المكتوبة في الحمض النووي إلى المنطقة في الخلية التي يتم فيها إنتاج البروتينات، الريبوسوم) من الأنسجة التي يريد اختبارها. يتم حقن الحمض النووي الريبوزي (RNA) في الشريحة وتتصل أجزائه بدقة بأجزاء الحمض النووي الأصلية الخاصة بها، والتي تتم طباعتها على الشريحة. ويتم صبغ أجزاء الحمض النووي الريبي (RNA) بأصباغ الفلورسنت، التي ينبعث منها الضوء، ويقوم جهاز مزود بشعاع ليزر بقراءة الشريحة. جميع النقاط الموجودة على الشريحة التي يوجد فيها تطابق بين DNA وRNA سوف ينبعث منها ضوء، بينما النقاط التي لا يوجد فيها تطابق ستظل مظلمة. كلما ارتفع مستوى نشاط الجين في الخلية، كلما زاد الضوء المنبعث من النقطة التي تمثله.

استحوذت تكنولوجيا شرائح الحمض النووي على قلوب العلماء. تتيح الرقائق فحص نشاط الجينات في الدقائق الأولى من تكوين الخلية السرطانية ومتابعتها حتى تبدأ في الانتشار. من الممكن التحقق من الجينات النشطة في أنسجة الشاب وأيها في أنسجة الشخص المسن، وبالتالي الاقتراب من اكتشاف الجينات المسؤولة عن الشيخوخة وحتى الموت في نهاية المطاف. وقال هورن سابان إن الخيال وحده هو الذي يرسم الخط.

أحد محاور البحث في الرقائق هو الجين p53، وهو خلل يميز العديد من مرضى السرطان. عندما يكون الجين طبيعيا، فهو مسؤول عن التحكم في معدل انقسام الخلايا. وعندما يتضرر، فإنه يخلق سلسلة من العمليات الجزيئية التي يمكن أن تؤدي إلى تطور السرطان. اكتشف البروفيسور ديفيد جافول من معهد وايزمان والبروفيسور جيدي رافافي، مدير قسم أورام الأطفال في مركز شيبا الطبي، أن الجين المسمى MIC1، وهو خلل يمكن أن يسبب سرطان البروستاتا، يتم تنشيطه بالفعل بواسطة p53. وأظهر تحليل الشريحة أنه حتى عندما يكون الجين p53 غير نشط، فإنه يحول سلسلة طويلة من الجينات إلى جينات نشطة ويخلق حالة يمكن أن تؤدي أيضًا إلى الإصابة بالسرطان.

إن ما يميز الشريحة، وفقًا لرافافي، هو أنه يمكنك اكتشاف مسارات كيميائية حيوية كاملة لم تكن تعلم بوجودها من قبل، أو لم تكن تعلم أنها كانت متضمنة في عملية أو أخرى. من الممكن الحصول على صور حقيقية وأكثر انعكاسًا بكثير من تلك التي تم الحصول عليها في الماضي، عندما ننظر إلى حديقة أو اثنتين ونحاول تجميع النظريات بناءً عليها. نحن فقط في بداية الطريق، في الواقع هناك عشرات الأشياء الأخرى التي تحدث في الزنزانة. لكن جزءًا كبيرًا من المشكلات التي كانت تعتبر غير مفهومة، يبدو اليوم أنه سيتم فهمها خلال سنوات قليلة".

تشكل الكميات الهائلة من المعلومات الناتجة عن تحليل الرقائق تحديًا جديدًا: كيفية معالجة هذا القدر الكبير من المعلومات. تحتوي الشريحة التي تم تسويقها بواسطة Epimatrix منذ حوالي شهرين على 35 ألف جين. يقيس مسح الرقاقة نشاط كل منهم. لكن العديد من هذه الجينات لا تزال مجهولة، ولا نعرف مكانها وما هو المسؤول عنها، وبالطبع لا نعرف ما هي الروابط بينها أيضًا. وأوضح رافافي: "ما زلنا بعيدين عن اليوم الذي نقوم فيه بالتجربة ونفهم كل شيء". "نجري تجربة لمدة أسبوعين ونحلل النتائج لمدة عام."

وفي هذا المحيط من المعلومات، يبدأ الباحثون العمل على بعض الجينات التي كانوا يعرفونها مسبقًا. وبمساعدة البرامج التي طورتها المعلوماتية الحيوية - وهو علم جديد يجمع بين أجهزة الكمبيوتر وعلم الأحياء - يبحثون عن أهداف جديدة ومثيرة للاهتمام للبحث وتطوير الأدوية.

في دراسة كانت نتائجها مفاجئة، اكتشف فريق من الباحثين، بقيادة الدكتور آش إليزادا من جامعة ستانفورد، أن النوع الشائع من سرطان الغدد الليمفاوية، سرطان الغدد الليمفاوية ذو الخلايا البائية الكبيرة، هو في الواقع نوعان مختلفان تمامًا من المرض. وكان الأطباء يعلمون حتى قبل ذلك أن العلاج الكيميائي والعلاج الإشعاعي يساعدان 40% من المرضى على الشفاء، لكن ليس لهما أي تأثير على أورام المرضى الآخرين؛ وتستمر هذه في الانتشار حتى يستسلم المريض للمرض. لكن السبب وراء ذلك لم يعرف. وفي الفحوصات التي أجريت اليوم في مختبرات علم الأمراض في المستشفيات، تبدو الأورام متشابهة. لكن عند فحص التعبير الجيني في أنسجة المرضى، بمساعدة الشريحة، اتضح أن هناك اختلافا في الجينات النشطة في أنسجة الورم، وبالتالي فإن الأدوية تؤثر عليها بشكل مختلف.

وقال رافافي: "ليس من المؤكد أننا سنكون قادرين على علاج جميع أنواع السرطان". ومع ذلك، "لقد عالجنا السرطان حتى الآن بالعلاج الكيميائي والإشعاعي، وهي أدوات بدائية للغاية وغير موجهة. واليوم، هناك شعور بأنه من الممكن التخطيط لعلاج أكثر ذكاءً، وتكييفه مع المريض، وتطوير أهداف للأدوية التي ستكون محددة، والتي ستركز على الجزيء الصحيح."

رافي والبروفيسور موتي شوحط، مدير معهد الوراثة في مستشفى بيلنسون، على وشك البدء بفحص عينات الحمض النووي لعائلة يعاني العديد من أبنائها من فشل كلوي وراثي. سوف يقومون بذلك عن طريق "شريحة مقتطفة": SNP (اختصار لتعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة) هو تغيير لحرف واحد من الحمض النووي - على سبيل المثال، عندما تظهر بدلاً من وحدة الحمض النووي المميزة بالحرف T، وحدة تحمل علامة حرف G. بالنسبة لجزء كبير من "بيم" ليس له أي تأثير، لكن البعض الآخر يمكن أن يؤثر على درجة خطورة إصابة الشخص بالمرض أو حساسيته للأدوية.

وبحسب شوحط، فإن الدراسات التي أجروها أظهرت بشكل تقريبي مكان وجود الفرع المسبب للمرض، وبمساعدة الشريحة يأملون في العثور على موقعه الدقيق. "باستخدام الشريحة، يمكن إجراء هذا الاختبار خلال يوم واحد؛ مع الطرق التقليدية، كان الأمر سيستغرق عدة أشهر."

وأضاف شوحط أنه على الرغم من عدم وجود علاج حتى الآن للفشل الكلوي، فإن تحديد الخلل يمكن أن يفيد حامليه. "اليوم، اتصل بي أحد أفراد الأسرة، وهو شاب يبلغ من العمر 20 عامًا وأمه مريضة، وسألني إذا كان بإمكاني إخباره إذا كان حاملاً. يفكر في التبرع بكليته لوالدته، وإذا مرض فمن المفهوم أن هذا سيكون خطأ كبيرا. كما يريد أن يتزوج؛ الأسرة متدينة، وإذا لم يكن متزوجا، فيمكن أن تساعده في المباراة".

في غضون ذلك، أنشأت شركة Apimatrix بالفعل، من بين أمور أخرى، شريحة تحتوي على جينات من بكتيريا E. coli التي تسبب تسمم المعدة، وشريحة يمكنها اكتشاف جميع الطفرات في جين p53، لكن الباحثين لا يعتمدون على ذلك. عليه فقط. وبمساعدة جهاز تم شراؤه مؤخرًا من قبل الجامعة العبرية ومعهد وايزمان، يمكنهم تصميم الرقائق بأنفسهم؛ لإعداد شريحة من الحمض النووي لأي كائن حي - من الإنسان إلى النباتات والفيروسات - ووضع مجموعات من الجينات التي يقومون بالبحث عليها.

ويستخدم الدكتور أورلي راينر والدكتور أفيف كاهانا من معهد وايزمان هذه الطريقة لدراسة متلازمة الدماغ الملساء، وهي متلازمة وراثية لا تحتوي فيها أدمغة المصابين على طيات ويعانون من تخلف عقلي شديد. قبل أسبوعين، طبع هورن سابان الجينات التي أنتجها راينر من أدمغة الفئران. قامت بوضع الحدائق في صواني بها ثقوب صغيرة، مع حديقة مختلفة في كل حفرة. تغوص ذراع آلية ذات دبابيس في الدمامل وتتحرك وتطبع الجينات على سطح زجاجي. يقرأ جهاز المسح بالليزر الجينات التي يتم التعبير عنها. سيبدأ راينر قريبًا في اختبار الاختلافات في النشاط الجيني لأدمغة الفئران السليمة وأدمغة المرضى.

يشير راينر إلى أن تعقيد الدماغ هائل وأن عدد الجينات النشطة فيه أكبر من أي نسيج بشري آخر. من الصعب فهم التعقيد الهائل للجينوم البشري. هناك المئات من أنواع الخلايا في الجسم وهي مختلفة تمامًا عن بعضها البعض. ففي خلايا الجلد التي ينمو منها الشعر، على سبيل المثال، يختلف نشاط الجينات عن نشاط خلايا الجلد التي لا تحتوي على شعر. يقول رافافي إن التكنولوجيا الشاملة اللازمة لفهم هذا النظام المعقد ليست موجودة بعد، "ما زلنا لا نملك جميع الجينات على شريحة واحدة، ونحن نتحدث عن 70-50 ألف جين. وهذا كثير، لكن هذه ليست أرقاماً غير محدودة، ولدينا الأدوات اللازمة لقياسها. ومن وجهة نظر تكنولوجية، قمنا بحل هذه المشكلة."
{ظهر في صحيفة هآرتس بتاريخ 21/7/2000}

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~292418423~~~27&SiteName=hayadan