باحثو التخنيون وزملاؤهم في الخارج: من الممكن أن تكون الآليات الخلوية التي تمكن من اندماج الحيوان المنوي والبويضة قد تم إنشاؤها منذ 3 مليارات سنة في كائنات وحيدة الخلية من النوع العتائي
إن عملية التكاثر الجنسي، المعروفة عندنا من جنس الإنسان وغيره من الحيوانات والنباتات، تتطلب اندماج الحيوان المنوي والبويضة. يعود تاريخ ظهور التكاثر الجنسي عادة إلى حوالي 1-2 مليار سنة مضت، لكن الباحثين من التخنيون والخارج يفترضون الآن أن الآليات التي تمكن الاندماج بين الحيوانات المنوية والبويضة ظهرت منذ 3 مليارات سنة مضت.
البحث حول هذا الموضوع، المنشور فيطبيعة الاتصالات بقيادة البروفيسور بيني بودبيليفيتش وطالب الدكتوراه شياوهوي لي من كلية علم الأحياء في التخنيون مع باحثين من سويسرا وأوروغواي والسويد وفرنسا وبريطانيا العظمى والأرجنتين.
في التكاثر الجنسي، تحتوي كل خلية جنسية (حيوان منوي أو بويضة) على نصف المعلومات الوراثية اللازمة لتكوين النسل؛ يمثل الاندماج بين الحيوان المنوي والبويضة بداية التطور الجنيني. يتم التحكم في هذه العملية بعناية، لأن الاضطرابات فيها - على سبيل المثال اندماج عدة خلايا منوية مع بويضة واحدة - يمكن أن تكون قاتلة. ولهذا السبب تطورت في التطور بروتينات خاصة تسمى المصهرات، والتي تكون على غشاء خلية التزاوج في الوقت والمكان المناسبين للسماح بالاندماج المناسب.
يقوم مختبر البروفيسور بنيامين بودبيليفيتش من كلية الأحياء بدراسة الفوسوجينات من مجموعة متنوعة من الكائنات الحية. وبعد دراسة وفك رموز بروتينات الاندماج في الديدان الخيطية (بروتينات EFF-1 وAFF-1)، قامت بفك رموز نظيرتها في النباتات (GCS1/ HAP2). وهكذا أصبح من الواضح أن مجموعة واسعة من الكائنات الحية تستفيد من الفوسوجينات التي تشترك في بنية مكانية مشابهة جدًا. تم تسمية هذه العائلة من البروتينات الاندماجية باسم fusexins وتضم ممثلين ينشأون أيضًا من الفيروسات والحيوانات والكائنات وحيدة الخلية.
ومن أجل تحديد أصل الفوسوجينات التي تنتمي إلى عائلة الفوساكسين، أجرى ديفيد موي، زملاء البروفيسور بودبيليفيتش، وفريق مشترك من الباحثين من الأرجنتين وسويسرا، مسحًا للتسلسلات الجينية المأخوذة من مجموعة متنوعة من المصادر، بما في ذلك التربة والمياه الجوفية. والبحيرات المالحة وقاع البحر. اكتشف الباحثون في خصائص التسلسل المشتقة من العتائق التي ألمحت إلى التشابه مع التسلسلات الجينية التي تنتمي إلى بروتينات الاندماج المعروفة. أطلقوا على التسلسل الجيني اسم fusexin1 (fsx1). وأكد فريق من الخبراء بقيادة بابلو أجيلار وهيكتور روميرو ومارتن جرانا أن هذا جزء من أحد الكائنات الأثرية، وقدّروا أن fsx1 ينتمي إلى سلالة تطورية نشأت منذ حوالي 3 مليارات سنة. ومع ذلك، تبقى الأسئلة التالية: هل هو بالفعل تسلسل يخلق البروتين، وهل هيكله مشابه للفوسوجينات من عائلة الفوسوكسين، وهل هو قادر على العمل في الاندماج الخلوي؟
من أجل تحديد بنية بروتين Fsx1، استخدم شونسوكي نيشيو (Shunsuke Nishio) من معهد كارولينسكا في السويد طرقًا بلورية لتحليل الترتيب المكاني لبروتين Fsx1 وأظهر أن طياته ثلاثية الأبعاد تحتوي على ثلاثة أجزاء هيكلية هي إلى حد كبير تذكرنا بالبروتينات التي تنتمي إلى عائلة الفوسوكسين. والمثير للدهشة أن Fsx1 يتضمن عنصرًا رابعًا غير موجود في أي فوسجين معروف. واستخدم البروفيسور لوكا جوفين، الذي ساعد في فك رموز البنية البلورية، برنامج ذكاء اصطناعي مبتكر تم نشره مؤخرًا (AlphaFold2) لتأكيد النموذج المكاني الناتج.
لإثبات أن Fsx1، الذي ينشأ من العتائق، هو بالفعل بروتين اندماج الخلايا، أجرت طالبة الدكتوراه Xiaohui Li من مختبر Podbilevitz تجربة عبرت فيها عن بروتين Fsx1 في نظام خلايا الثدييات. وبالتعاون مع مديرة المختبر كلاري فالينسي وأعضاء المختبر الدكتور نيكولاس بروكمان وكاترينا بلياك، أوضحت لي أن البروتين قادر بالفعل على إحداث اندماج بين الخلايا التي لا تتحد عادة عند الجميع. يشير هذا الاستنتاج إلى أن العتائق مجهزة بالفعل بأقدم بروتين اندماج خلوي يتميز اليوم.
تلعب البروتينات الاندماجية لعائلة الفوسيني دورًا تطوريًا مزدوجًا في مجموعتين مختلفتين تمامًا في عالم الحيوان. في الفيروسات، تتوسط في اختراق الفيروس إلى الخلية المضيفة (هذه هي الطريقة التي يعمل بها فيروس كورونا أيضًا)، بينما في حقيقيات النوى (ذات النواة) - النباتات والديدان الخيطية والطلائعيات (مخلوقات وحيدة الخلية) - تلعب دورًا في تكوين الأنسجة وإصلاح الأنسجة العصبية وفي دمج خلايا زفايج.
ماذا جاء قبل ماذا؟ هل "يختطف" فيروس الفوسوجين المستخدم في التكاثر الجنسي، أم أن البروتين الفيروسي المستخدم في العدوى "تتبناه" النباتات؟ يثير البحث الذي أجراه موي ونيشيو ولي وآخرون سيناريو ثالث محتمل - أصل جميع الفوكسينات موجود في العتائق، ومنها تشعبت البروتينات للقيام بمجموعة متنوعة من الأدوار التنموية، بدءًا من العدوى الفيروسية وانتهاءً بالاندماج بين الحيوانات المنوية و البيضة، قبل مليار سنة من التكاثر الجنسي الذي نعرفه اليوم.
تم دعم البحث من قبل برنامج Horizon 2020 التابع للاتحاد الأوروبي، ومنحة ماري كوري، والمؤسسة الوطنية للعلوم، والمزيد. تم إجراء جزء من تحليل العينات في مرفق الإشعاع السنكروتروني الأوروبي (ESRF).
للمقال العلمي في طبيعة الاتصالات
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
