التغيير في مستوى التعبير

تتحدى النتائج الجديدة التي توصلت إليها مجموعتان من الباحثين في معهد وايزمان الافتراضات السابقة حول خطوات عملية إنتاج البروتين

ويقولون إن ما يرميه شخص ما قد يكون ذا قيمة لشخص آخر. قام بذلك عميت زيزل، طالب بحث من مجموعة البروفيسور إيتان دوماني في قسم فيزياء الأنظمة المعقدة، والدكتور فولفغانغ كويستلر، طبيب وطالب بحث في مجموعة البروفيسور يوسف يوردان من قسم المكافحة البيولوجية. عدم تجاهل المعلومات التي تبدو، في ظاهرها، بلا معنى. ساهمت هذه المعلومات برؤى جديدة حول إنتاج الحمض النووي الريبي (RNA) في الخلية.

مصدر النتائج الجديدة هو في دراسة سابقة، قام فيها الاثنان بدراسة مستويات الحمض النووي الريبي المرسال - الجزيئات التي تحمل تعليمات إنتاج البروتينات من مكان يتواجد في الجينات، خارج نواة الخلية. تتضمن عملية إنتاج الحمض النووي الريبوزي (RNA)، على ما يبدو، كمية معينة من النفايات: فهي تبدأ بجزيئات ما قبل الحمض النووي الريبي (RNA)، وهي نسخة كاملة من الشفرة الوراثية الموجودة في الحمض النووي (DNA). من هذه الجزيئات، يتم اشتقاق أجزاء معينة - تسمى الإكسونات - ولصقها معًا بالتسلسل، بينما تبقى الأجزاء الأخرى - التي تسمى الإنترونات - خارج جزيء الحمض النووي الريبي النهائي. لغرض بحثهم، استخدم زيزل والدكتور كويستلر أداة بحث تسمح لهم بتتبع مستويات التعبير لهذه القطاعات - الإكسونات والإنترونات - كدالة للوقت، عندما تستجيب الخلايا للتحفيز الخارجي.

إن مراقبة التغيرات في مستويات التعبير لجزيئات الحمض النووي الريبي المرسال لجين معين، بسبب التحفيز الخارجي، هي جزء من دراسة مستمرة يتم إجراؤها بشكل مشترك من قبل مجموعتي البروفيسور دوماني والبروفيسور جوردان، والتي تتناول توقيت إنتاج الحمض النووي الريبي. بعد تلقي إشارة معينة، يتم تنشيط سلسلة من الجينات في الخلية، وتبدأ مستويات الحمض النووي الريبوزي (RNA) للجينات المختلفة في الارتفاع بخطوات تبدو وكأنها موقوتة: يصل بعضها إلى ذروتها بعد نصف ساعة من الإشارة، بينما يصل بعضها إلى ذروته بعد نصف ساعة من الإشارة، يصل البعض الآخر إلى ذروته بعد ساعة أو ساعتين فقط. يتجاهل معظم الباحثين ببساطة المعلومات المتعلقة بالإنترونات، حيث أن الإكسونات فقط هي التي تصل إلى قائمة التعليمات النهائية. كان زيزل والدكتور كويستلر، اللذان تعاملا مع الإكسونات، منفتحين على احتمال أن تكون المعلومات المتعلقة بالإنترونات مفيدة أيضًا، وقد تركا بعضًا منها في ملفات البيانات الخاصة بهما. وبفضل هذا، تمكنوا من ملاحظة نتيجة مذهلة: كان ملف إنتاج ما قبل الحمض النووي الريبوزي، كما تم التعبير عنه في كميات وتوقيت ذروة الإنتاج، مختلفًا تمامًا عن ملف الحمض النووي الريبوزي المرسال.

أدرك العلماء أن اكتشافهم العرضي يتيح طريقة جديدة لقياس نشاط ما قبل الحمض النووي الريبوزي (RNA) لجميع الجينات المعبر عنها، في نفس الوقت. أشارت النتائج التي توصلوا إليها إلى أن ما قبل الحمض النووي الريبي (RNA) قد تم إنشاؤه وفقًا لجدول زمني مختلف عن الحمض النووي الريبي المرسال، وليس بطريقة متوازية، كما كان يُعتقد حتى ذلك الحين. ولاختبار المشكلة، قاموا بتصميم وتنفيذ تجربة مماثلة، والتي تضمنت قياسًا أكثر تفصيلاً ودقة لكل من الإكسونات والإنترونات. وفي هذه التجربة أيضًا، ارتفعت مستويات ما قبل الحمض النووي الريبوزي (RNA) في بعض الحالات بسرعة وبشكل حاد، لتصل إلى ذروتها في وقت أبكر من مستوى الحمض النووي الريبوزي المرسال (RNA) - الذي ظهر في مرحلة لاحقة.

وفي وقت لاحق، تعاون العلماء مع مجموعات أخرى في المعهد، لاختبار مدى صحة النتائج التي توصلوا إليها في أنواع أخرى من الخلايا، وتحت ظروف مختلفة. اكتشفوا أنه في كل من خلايا الجهاز المناعي - التي تم اختبارها في مختبر البروفيسور ستيفان يونج، وفي الخلايا الجذعية الجنينية - التي يبحث فيها الدكتور يوآف سوان، هناك جينات معينة يتطابق ملف إنتاج الحمض النووي الريبوزي (RNA) الخاص بها مع النمط المكتشف في التجربة الأصلية.

أطلق العلماء على القمم العالية والضيقة والمبكرة في إنتاج ما قبل الحمض النووي الريبي (RNA) اسم "الإنتاج الزائد المخطط له". البروفيسور دوماني: "نبدأ بالملاحظات في اللحظة التي تتلقى فيها الخلايا الإشارة التي تنشط سلسلة معينة من الأحداث. إذا احتاجت الخلايا فجأة إلى كمية كبيرة من بروتين معين، فإن القفزة السريعة في مرحلة ما قبل الحمض النووي الريبوزي (RNA) قد تسرع الأمور." ويقارن المبدأ بدمج السيارة في حركة المرور على الطريق السريع: فبدلاً من الضغط تدريجياً على دواسة الوقود حتى الوصول إلى السرعة الجديدة، سيعطي السائق "البنزين الكامل" لفترة قصيرة، من أجل الوصول بسرعة إلى السرعة المطلوبة. السرعة، وعندها فقط سيقلل الضغط الذي يمارسه على الدواسة.

يمثل كل صف واحدًا من الجينات الأربعمائة التي ينشطها عامل النمو EGF. تشير الألوان الحمراء إلى مستويات عالية من التعبير. يوضح ملف تعريف التعبير أنه لا يوجد دائمًا تطابق بين تعبير ما قبل الحمض النووي الريبي (RNA) والتعبير عن جزيء الحمض النووي الريبي (RNA) النهائي. الحدائق المميزة باللون الأخضر هي تلك التي يوجد فيها "إنتاج فائض مخطط له"

وتتحدى النتائج الجديدة الافتراضات السابقة فيما يتعلق بخطوات عملية إنتاج البروتين، كما أنها، بحسب البروفيسور دوماني، تزود الباحثين بمجموعة من البيانات المعروفة، مما يسمح لهم بحساب البيانات “غير المعروفة” المطلوبة. وهكذا، على سبيل المثال، إذا كانت ملامح إنتاج ما قبل الحمض النووي الريبي (ما قبل الحمض النووي الريبي) والحمض النووي الريبي المرسال (RNA) معروفة على مر الزمن، فمن الممكن حساب كل من معدل إنتاج ما قبل الحمض النووي الريبي (RNA) ومعدل تحلل الحمض النووي الريبي (RNA). في الواقع، تساعد هذه النتائج العلماء على تكوين صورة أكثر اكتمالًا للتحكم في الحمض النووي الريبي المرسال: يعمل الإنتاج الزائد لما قبل الحمض النووي الريبوزي واضمحلال الحمض النووي الريبوزي المرسال معًا كدواسات ومكابح لتنظيم مستويات الجينات التي تظهر بمرور الوقت. الآن يقوم الفريق بمراقبة مستويات البروتين، بهدف الحصول على صورة واسعة للعملية برمتها - من لحظة إنشاء ما قبل الحمض النووي الريبوزي (RNA) عن طريق النسخ من الجين إلى نهاية إنتاج البروتين. بالإضافة إلى ذلك، يقول العلماء إنهم تعلموا درسًا قيمًا: ألا تتفاجأ عندما تكون هناك معلومات قد تغير أنماط التفكير تحت أنفك - في "كومة القمامة".