التطور بين الطبقات

النتائج المفاجئة حول نمو الجنين قد تساعد الطب

كل من يقرأ "النور الصغير" بدأ حياته من نفس الزنزانة. بيضة مخصبة. تنقسم هذه الخلية لتكوين نسختين متطابقتين من نفسها، وتنقسم هذه الخلايا مرارًا وتكرارًا. فقط عندما يصبح الجنين الصغير كتلة من آلاف الخلايا المتطابقة، تبدأ عملية التمايز، وفي نهايتها يتم إنشاء مجموعة كبيرة ومتنوعة من الخلايا، مختلفة في الحجم والشكل والوظيفة، من تلك الخلايا المتماثلة: خلايا الجلد، والأعصاب. وخلايا الدم والعضلات والكبد وما إلى ذلك. هذه العملية ليست مقتصرة على البشر، ولا حتى على الثدييات. إنه موجود في جميع الكائنات متعددة الخلايا تقريبًا: من الفيل إلى اليعسوب، ومن الحلزون إلى البطاطس. عملية التمايز ليست مباشرة، فهناك العديد من المراحل الوسيطة بين الخلايا المتماثلة والبويضة المخصبة، والخلايا العضلية أو الدموية أو العصبية التي تتكون في النهاية. في المرحلة الأولى من عملية التمايز، يتم تشكيل ثلاث طبقات من الخلايا في الجنين. الأديم الظاهر (الأديم الظاهر، من الكلمات اليونانية "ecto" - خارجي و "derma" - الجلد)، والذي يتطور منه الجلد والجهاز العصبي؛ الأديم المتوسط ​​(الأديم المتوسط، أي الطبقة الوسطى)، والتي يتكون من خلاياها الهيكل العظمي والعضلات وخلايا الدم، من بين أشياء أخرى؛ والأديم الباطن (الأديم الباطن، الطبقة الداخلية)، الذي ينتج فيما بعد الجهاز التنفسي والجهاز الهضمي والكبد والغدد. بدأت الدراسة الحديثة للتطور الجنيني في وقت مبكر من القرن التاسع عشر، ولكن حتى الآن لم يتمكن الباحثون من تحديد الترتيب الذي تشكلت به هذه الطبقات. وبتعبير أدق، لم يكن الباحثون مهتمين حقًا بهذه المشكلة أيضًا.

سؤال النشاط

والذي أبدى اهتمامًا بالموضوع هو البروفيسور إيتاي ياناي، الباحث في كلية الأحياء في التخنيون. اقترب ياناي من دراسة مدى الاهتمام بالتكنولوجيا التي طورها مع زملائه قبل نحو عامين، وهي تتيح فحص وظيفة الخلايا بدقة كبيرة. وكما ذكرنا سابقًا، فإن جميع الخلايا تتطور من نفس الخلية، كما أنها جميعها تحمل نفس المعلومات الوراثية - نفس الحمض النووي - الذي يتضمن ما يقرب من 20,000 ألف جين في الإنسان. فكيف تتطور إلى مجموعة واسعة من الخلايا التي تختلف عن بعضها البعض؟ تقوم كل خلية بتنشيط جينات مختلفة. يوضح ياناي: "يمكنك أن تتخيلها كغرفة، تحتوي جدرانها على 20,000 ألف مفتاح إضاءة مختلف". "في كل غرفة، يتم تشغيل وإيقاف المصابيح الكهربائية في مجموعات مختلفة، وهذه هي الطريقة التي يتم بها الحصول على مجموعة كبيرة ومتنوعة من الخلايا." الجينات هي في الواقع تعليمات لصنع البروتينات. لكن التعليمات لا تنفذ مباشرة من البرنامج نفسه وهو الحمض النووي الموجود في نواة الخلية، بل يتم إنشاء نسخة منه. تخرج النسخة، المعروفة باسم mRNA، من النواة ويتم إرسالها لتتم معالجتها في العضيات المسؤولة عن إنتاج البروتينات. باستخدام الطريقة التي طورها ياناي، CEL-Seq، يتم اختبار كمية الرنا المرسال لكل جين في لحظة معينة. كلما زاد عدد نسخ هذا الجين، كلما كان أكثر نشاطا. تتيح هذه التقنية، إلى جانب المعالجة القوية للبيانات، للباحثين التعرف بدقة كبيرة على الجينات النشطة في الخلية في أي وقت، وبالتالي فهم سلسلة طويلة من العمليات البيولوجية بشكل أفضل. استخدمه ياناي وفريقه البحثي - تمار شامشوني، ومارتن فيدر، وميشال ليفين، وبريان هول - لتتبع عملية التطور الجنيني.

ماذا تريد الدودة؟

عند الإنسان، يتم تكوين الطبقات في الجنين في الأسبوع الثالث من الحمل. ولتبسيط العمليات، تحول الباحثون إلى مخلوق أبسط بكثير: Caenorhabditis elegans، وهي دودة صغيرة يبلغ حجمها حوالي ملليمتر واحد، ويتكون جسمها من إجمالي 959 خلية (مقارنة بحوالي 100 تريليون خلية في البشر). على الرغم من المظهر البسيط لـ C. elegans، فإن خلاياها معقدة للغاية، وتحتوي على حوالي 19,000 جين - وهو أقرب بكثير إلى الجينوم البشري مما قد يتوقعه المرء. هذا المزيج من البساطة والتعقيد يجعل من الدودة الصغيرة حيوانًا يحظى بشعبية كبيرة لدى علماء الأحياء، الذين يستخدمونها في العديد من الدراسات الأساسية. وتنضم إليهم ميزة عملية أخرى كبيرة. تكتمل الدودة تطورها الجنيني خلال 12 ساعة فقط، مما يجعل العمل معها سهلاً للغاية. تابع ياناي وزملاؤه تعبير الجينات في الخلايا الجنينية للدودة، ومن خلالها تمكنوا من التعرف على ترتيب تكوين طبقات الخلايا: يتكون الأديم الباطن -الطبقة الداخلية- أولاً، يليه الأديم المتوسط والأديم الظاهر. قد تبدو هذه النتيجة، التي نشرت في مجلة Nature، تقنية للغاية، ولكنها تكشف عن معلومات مثيرة للاهتمام حول العلاقة بين الجنين الواحد وتطور النوع بأكمله.

التطور في الانفين الصغير

كان إرنست هيكل (هيكل) عالم أحياء ألماني عمل في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين. لقد اكتشف ووصف الآلاف من الأنواع الحيوانية، وأنشأ سلسلة نسب تطورية للعالم الطبيعي، وصاغ العديد من المصطلحات التي لا تزال مستخدمة حتى اليوم (مثل الخلايا الجذعية). لاحظ هاكيل، مثل غيره من قبله، أن العمليات التي تتم أثناء تطور الجنين - أي جنين - تعكس التطور بطريقة معينة: فهو يبدأ من خلية واحدة، ثم يتحول تدريجياً إلى كائن متعدد الخلايا يتكون من خلايا متماثلة ثم يتطور فيما بعد. إلى مخلوق مكون من خلايا ذات وظائف مختلفة، مرتبة في الأنسجة والأعضاء. وتترافق عملية النمو مع تغيرات في الشكل، مثل تطور التماثل، وتكوين الأطراف، وتطور الدماغ. يمكن رؤية عمليات مماثلة في تطور الحيوانات: بعد ملايين السنين من المخلوقات أحادية الخلية، ظهرت مخلوقات بسيطة متعددة الخلايا. وتدريجيًا، تم إنشاء حيوانات أكثر تعقيدًا، وتطورت الكائنات ذات التناظر الدائري، مثل قناديل البحر على سبيل المثال، إلى كائنات ذات تناظر ثنائي. ومع تقدمنا ​​في شجرة التطور تظهر حيوانات ذات أطراف متحركة، وكلما تقدم الحيوان كلما زاد تركيز الأعصاب في الجزء الأمامي من جسمه أي الرأس. وصف هاكيل العملية في جملة واحدة جذابة: يعكس التطور التطوري تطور السلالات. أي أن التطور (الجنيني) للفرد يعكس التطور (التطوري) للنوع بأكمله. وعلى مر السنين، رفض العديد من العلماء هذه النظرية، بعد اكتشاف انحرافات كثيرة عنها في عالم الحيوان. ومع ذلك، تشير النتائج التي توصل إليها ياناي وزملاؤه إلى أنه قد يكون هناك شيء ما في هذا الأمر، على الأقل على المستوى الخلوي. ووفقا لهم، فإن طبقة الأديم الباطن، التي أثبتوا أنهم أول من شكلها، تنبع من تلك الكائنات القديمة أحادية الخلية التي تطورت منها كل أشكال الحياة. الخلايا الموجودة في هذه الطبقة هي التي تعبر عن الجينات الأقدم والأكثر حفظًا في التطور، وهي المسؤولة عن العمليات الأساسية للحياة.

استمرار طبيعي

يقول ياناي: "أحد الأشياء الممتعة في العلم هي الفرصة لتوضيح أهمية القضايا التي لم يفكر أحد في التحقق منها حتى الآن". "لقد اعتقدنا أن مسألة ترتيب تكوين الطبقات في الجنين كانت مهمة، ورأينا بالفعل أن لها عواقب عديدة. نظهر أن الكائن الحي يخضع لعمليته التاريخية. وما حدث قبل 500 مليون سنة لا يزال يؤثر عليه". ويأمل ياناي أن المعرفة الجديدة المتراكمة من البحث ستمكن من فهم أي العمليات في الخلية ثابتة بسبب أهميتها التطورية، وأي العمليات يمكن أن تتأثر دون الإضرار بالخلية، من أجل تحسين حالة الكائن الحي. ويقيم ياناي هذه الأيام في جامعة هارفارد الأميركية، حيث يسخر الطريقة التي طورها، CEL-Seq، لدراسة عملية السرطان. "الأورام السرطانية هي أيضًا خلايا تتطور وتنمو، والتغيرات في التعبير الجيني أثناء تطورها لا تختلف جوهريًا عن تلك التي تحدث أثناء التطور الجنيني. ولذلك فإن أبحاث السرطان هي استمرار طبيعي لأبحاثي."

المقال البحثي في ​​مجلة الطبيعة