الجينات: لماذا يختلف الفيل عن النملة؟

وقارن علماء المعهد جينومات تسع سلالات من الخميرة، وحددوا نحو 2,800 جين مشترك، وفحصوا أسباب الاختلافات بين السلالات.

أورنا مان والدكتور تساحي بيبر. الطفرات الصامتة

لماذا يختلف الفيل عن النملة؟ لقد شغل هذا السؤال الأساسي والقديم أجيالاً من علماء الطبيعة، الذين يحاولون تحديد مصدر التنوع الهائل للكائنات الحية على الأرض. على مر السنين، تم العثور على العديد من الإجابات المحتملة لهذا السؤال. أبسطها يقول أن الاختلاف بين المخلوقات يرجع إلى مجموعة الجينات الخاصة بها: فالبكتيريا التي تحتوي على شوتون تحتوي على مجموعة من الجينات غير الموجودة في البكتيريا التي لا تحتوي على شوتون. رغم أن هذا التفسير قد يكون بسيطًا وغريزيًا، إلا أنه غير كافٍ، حيث تحتوي الكائنات المختلفة تمامًا عن بعضها البعض على كمية كبيرة بشكل مدهش من المواد الجينية المتماثلة.
فالبشر والشمبانزي، على سبيل المثال، يتشاركان حوالي 99% من مادتهما الوراثية. ويقول تفسير آخر أن الجينات المشتركة يمكن أن تساهم أيضًا في الاختلاف بين الكائنات الحية، عندما يتم تنشيطها
بكثافة ومواقع وأوقات مختلفة. ووفقا لهذا التفسير، فإن نظام التحكم الوراثي الذي يشرف على تعبير الجينات، أي عملية تحولها إلى بروتينات نشطة، هو المسؤول إلى حد كبير عن التنوع بين الكائنات الحية. يعمل نظام التحكم هذا على مرحلتين: المرحلة الأولى، التي يركز عليها البحث الرئيسي، هي "النسخ" - إنشاء جزيء RNA الرسول بناءً على جزء من الحمض النووي. المرحلة الثانية هي مرحلة "الترجمة"، حيث يتم إنشاء البروتين بناءً على جزيء الحمض النووي الريبي المرسال.
اختار الدكتور تساحي فلافل من قسم علم الوراثة الجزيئية، وطالبة البحث أورنا مان، والذي يرشده أيضًا البروفيسور يوئيل سوسمان من قسم البيولوجيا الهيكلية، التركيز على هذه المرحلة الأقل بحثًا، واختبار ما إذا كان من الممكن أن قد تسبب عملية الترجمة أيضًا اختلافات بين المخلوقات.
ركز الدكتور بيبر وأورنا مان على "الكلمات المترادفة" في كتاب الجينات. ما هي هذه الكلمات؟ كما تعلم، يتكون تسلسل الحمض النووي من تسلسلات تتضمن أربعة أحرف: A، T، G، C. كل "كلمة" مكونة من ثلاثة أحرف تخلق "كودون" يشير إلى حمض أميني معين، أو كل "جملة"، أو جين، هو المسؤول عن خلق البروتين.
وبما أن عدد الكودونات الممكنة (64) أكبر من عدد الأحماض الأمينية (20)، فإن كل حمض أميني يتم تشفيره بعدة مجموعات. اعتاد العلماء على الإشارة إليها على أنها "مرادفات" - فاستبدال الكودون بكودون مرادف (نتيجة طفرة) لن يؤثر على البروتين الذي سيتم إنتاجه من الجين.
وحتى الآن، كان من الشائع الافتراض أن هذه الطفرات، المعروفة باسم "الطفرات الصامتة"، لا يتم التعبير عنها في الكائن الذي تعرض للطفرة، وبالتالي لا تسبب اختلافات بين الكائنات، كما أنها لا تسبب أمراضا وراثية. يُظهر البحث الذي أجراه الدكتور بيبر وأورنا مان، والذي نُشر مؤخرًا في مجلة Nature Genetics، أن الاختلافات في معدل وكفاءة ترجمة الكودونات المترادفة تؤثر على خصائص الكائن الحي بأكمله.
لماذا تختلف كفاءة الترجمة باختلاف الكودونات المترادفة؟ والسبب في ذلك هو أنه يوجد لكل كودون جزيء فريد يسمى RNA الناقل، والذي يتمثل دوره في قيادة الحمض الأميني المقابل للكودون إلى البروتين الذي يتم بناؤه.
تعتمد كفاءة الترجمة على تكرار جزيئات الحمض النووي الريبوزي الناقل المختلفة: كلما زاد تردد نقل جزيئات الحمض النووي الريبي المقابلة لكودون معين، كلما كانت الترجمة أسرع. قارن الباحثون جينومات تسع سلالات من الخميرة، وحددوا حوالي 2,800 جين مشترك. ثم قاموا بحساب كفاءة ترجمة هذه الجينات، وفقًا للكودونات التي تتكون منها.
وتبين أن هناك بالفعل اختلافات كبيرة في كفاءة ترجمة الجينات في الأنواع المختلفة، وأن هناك علاقة بين كفاءة الترجمة وخصائص أنواع الخميرة. وهكذا، على سبيل المثال، الخمائر التي تفضل استخلاص الطاقة التي تحتاجها من الأكسجين (الأنواع الهوائية) قامت بترجمة الجينات اللازمة لأداء هذا النشاط بكفاءة عالية. في المقابل، أنواع الخميرة التي تنتج الطاقة
وبدون الأكسجين (تخمير الخميرة)، فضلوا الترجمة الفعالة للجينات الأخرى. دكتور بيبر: "إن أسلوب حياة معين، والذي يتطلب زيادة التعبير عن جينات معينة، سوف يسبب تفضيل تمثيل هذه الجينات باستخدام الكودونات التي يتم ترجمتها بأعلى كفاءة. ويتم تحقيق هذا التفضيل من خلال ضغوط الانتقاء الطبيعي."
إحدى النتائج المهمة للبحث تتعلق بدور "الطفرات الصامتة" كأسباب للأمراض. وحتى الآن، كان العلماء يبحثون عن الطفرات التي تغير تسلسل الأحماض الأمينية، مع افتراض أن مثل هذه الطفرات فقط هي التي تسبب اضطرابًا في وظيفة البروتين وبالتالي تسبب الأمراض. تلفت أبحاث الدكتور بيبر الانتباه إلى الطفرات الصامتة، والتي، كما تبين، لها تأثير كبير على شخصية وأداء الكائنات الحية.

من العدد 47 من مجلة معهد وايزمان