كيف أدى فقدان أجزاء مهمة من الحمض النووي إلى جعلنا إنسانًا عصريًا

الآخر: من الواضح تمامًا أن هذه المخلوقات ليست نحن. إن استقامة سيرتنا وعقولنا الكبيرة والحكيمة وقائمة طويلة من الصفات الأخرى تميزنا عنهم بشكل حاد. ما هي الأحداث الرئيسية في التطور التي تميزنا كبشر؟ لماذا حدثوا وكيف؟ ظل علماء الأنثروبولوجيا وعلماء الأحياء التطورية يتصارعون مع هذه الأسئلة منذ عقود. وفي الآونة الأخيرة، غالبًا ما يستخدمون الأساليب الجينية الحديثة لمحاولة حل اللغز. لقد وجدنا أن بعض أهم خصائص البشر، وهي العلامات التي تميزنا عن أقرب الناس إلينا، لم تظهر نتيجة إضافة جينات كما قد يتوقع المرء، بل ظهرت نتيجة فقدان: اختفاء شرائح رئيسية من الحمض النووي.

حددت العديد من مختبرات الأبحاث، بما في ذلك مختبري، بعض أجزاء الحمض النووي التي فقدت مع مرور الوقت عندما قارنوا جينومات البشر مع جينومات الثدييات الأخرى وحتى الأنواع البشرية القديمة: إنسان نياندرتال وأقاربه الأقل شهرة المعروفون باسم الدينيسوفان. لقد تعلمنا أنه خلال الثمانية ملايين سنة التي مرت منذ انفصال سلالتنا عن الشمبانزي، تمت إزالة العديد من "مفاتيح" الحمض النووي التي تنشط جينات مهمة أثناء التطور من جينوم أسلافنا. يتشارك إنسان النياندرتال هذا النقص معنا، لذا فمن الواضح أن حدث الانقراض حدث في وقت مبكر من تطورنا.

في الواقع، يرتبط فقدان تسلسلات الحمض النووي هذه بالسمات التي تميز البشر: الأدمغة الكبيرة، والمشي المنتصب، وعادات التزاوج الخاصة. (قادني الجزء الأخير من المشروع، كجزء من تجاربي، إلى اكتساب قدر مدهش من المعرفة حول بنية قضيب القرد).

الخاسرون

لقد طورت لأول مرة اهتمامًا خاصًا بالتطور البشري خلال السنوات التي قضيتها كطالب دكتوراه في مختبر الأنثروبولوجيا الشهير إس أوين لوفجوي من جامعة ولاية كينت. لذلك تعلمت الفرق بين الهياكل العظمية للذكور والإناث لأسلافنا المنقرضين. كنت أرغب في مواصلة هذا النوع من العمل لمعرفة ما تغير في جيناتنا وعمليات النمو مع تقدم البشر على طول المسار التطوري. ولحسن حظي، تم قبولي لوظيفة ما بعد الدكتوراه في مختبر ديفيد كينجسليفي جامعة ستانفورد والتي ركزت أيضًا على نوع الأسئلة التي أبهرتني بالضبط.

ومن بين أعماله الأخرى، حدد مختبر كينجسلي تغيرات الحمض النووي المرتبطة بتطور سمكة الراي اللساع. ومن بين أمور أخرى، وجد الباحثون أن الجزء المفقود من الحمض النووي في أسماك الراي اللساع في المياه العذبة هو المسؤول عن اختفاء الزعانف الشوكية الخلفية في هذه الأنواع. تحتوي القطعة المفقودة من الحمض النووي على "مفتاح" ضروري لتنشيط الجين المرتبط بتطور الجزء الخلفي من العمود الفقري في الوقت المناسب وفي المكان المناسب.

إذا حدث هذا النوع من العمليات في الراي اللساع، فلماذا لا يحدث في البشر أيضًا؟ ولذلك فمن المعقول أن نفترض أن التغييرات الدقيقة في الزمان والمكان حيث يتم تنشيط الجينات أثناء التطور الجنيني يمكن أن تكون بمثابة إحدى الطرق التي تطور بها الجينوم لدينا لخلق تشريحنا الفريد.

مستوحاة من مثال الأسماك، قررنا أن نرى ما إذا كان بإمكاننا العثور على مفاتيح مهمة اختفت لدى البشر أثناء التطور. واليوم، وبفضل توفر التسلسل الكامل للجينوم البشري وجينوم القردة العليا والأدوات المحوسبة التي تجعل من الممكن تحليل البيانات، أصبحت مثل هذه الدراسات ممكنة. مجموعتنا في مختبر كينغسلي هي شركةجيل بيارنومن جامعة ستانفورد تخصص علوم حسابية [حصل على الدكتوراه من الجامعة العبرية في القدس - المحررين] ودكتوراه. كوري ماكلين لتصميم التجارب.

نظرًا للحجم الهائل للجينوم، فإن العثور على المفاتيح المفقودة ليس بالمهمة السهلة. يحتوي الجينوم الخاص بنا على 3.2 مليار قاعدة (الحروف التي تشكل تسلسل الحمض النووي)، وحوالي 100 مليون منها تختلف عن تلك الموجودة في الشمبانزي. كيف يمكن إجراء مثل هذه التجربة؟ لفهم نهجنا هناك حاجة إلى القليل من الخلفية.

نحن نعلم أن أجزاء الحمض النووي التي تلعب أدوارًا مهمة في جينوم أي مخلوق يتم الحفاظ عليها بدقة كبيرة طوال التطور. ومن المعروف أيضًا أنه كلما اقترب النوعان من بعضهما البعض، زاد التشابه في تسلسلهما الجيني. ففي الشمبانزي والبشر، على سبيل المثال، يحتوي جزء صغير فقط من الجينوم، أقل من واحد بالمائة، على تعليمات صنع البروتينات. وهذا الجزء المهم هو نفسه بنسبة 99% في كلا الجنسين. في حين أن المناطق الواسعة التي لا تحتوي على جينات ترميز البروتين متطابقة بنسبة 96%.

ابحث في كومة القمامة

لقد كنا مهتمين على وجه التحديد بالمنطقة الواسعة، وهي الأجزاء التي كنا نعتبرها سابقًا الحمض النووي "غير المرغوب فيه"، لكننا نعلم الآن أنها مليئة بالمفاتيح التي تعمل على تشغيل الجينات وإيقافها. تشغيل هذه المفاتيح ضروري. وعلى الرغم من أن جميع خلايا الجسم تقريبًا لدى الإنسان تحتوي على نفس الجينات البالغ عددها 20,000 ألفًا، إلا أنها لا يتم تنشيطها في كل مكان وفي جميع الأوقات. على سبيل المثال، هناك حاجة إلى جينات معينة فقط لبناء الدماغ، وهناك حاجة إلى جينات أخرى لبناء العظام أو الشعر. على الرغم من الاختلافات بين الشمبانزي والبشر، فإن البنية الأساسية لأجسامهم متشابهة. لذلك فلا عجب أن تكون المساحة الواسعة التي تحتوي على المفاتيح متشابهة جدًا.

والاختلافات هي المهمة بالنسبة لنا. وعلى وجه الخصوص، أردنا العثور على تسلسلات تم حفظها أثناء التطور في العديد من الأنواع (مما يشير إلى أن هذه التسلسلات مهمة)، ولكنها غير موجودة في البشر. ولهذا الغرض، قام شركاؤنا في مجال الحوسبة الجينومية في المقام الأول بمقارنة جينومات الشمبانزي والقرود الصراصير والفئران. لقد حددوا مئات القطع من الحمض النووي التي ظلت دون تغيير تقريبًا في الأنواع الثلاثة. وكانت الخطوة التالية هي مسح هذه القائمة بحثًا عن الأجزاء غير الموجودة في الجينوم البشري، وبالتالي اختفت في مرحلة ما بعد انفصال سلالتنا عن الشمبانزي. وجدنا أكثر من 500 قطعة من هذا القبيل.

أي واحد لاستكشاف؟ ولأننا أردنا العثور على مفاتيح يمكن أن تغير نمو الثدييات، فقد ركزنا على أوجه القصور الموجودة بالقرب من الجينات المعروفة التي نعرف أنها تشارك في النمو. تعامل أحد زملائي مع قطعة مفقودة تقع بالقرب من الجين الذي ينظم عملية توليد الخلايا العصبية؛ وعمل آخر على قطعة مفقودة بالقرب من الجين المشارك في تكوين الهيكل العظمي.

أما أنا، ونظراً لاهتمامي بالاختلافات بين أشكال أجساد الذكور والإناث، فقد كنت متحمساً لقسم مفقود يقع بالقرب من حديقة مستقبلات الاندروجين. الأندروجينات مثل التستوستيرون، هي هرمونات ضرورية لتطوير الخصائص الفريدة للرجال. تتشكل في الخصيتين وتنتقل في مجرى الدم. رداً على ذلك، ستكون الخلايا التي تنتج مستقبلات الأندروجين مسؤولة عن تطور النمط الذكوري: على سبيل المثال، تكوين قضيب بدلاً من البظر أو (في وقت لاحق من الحياة) نمو لحية وتجويف حلق موسع لعميق. صوت.

أولًا، كان علينا التحقق مما إذا كانت تلك القطع من الحمض النووي تحتوي بالفعل على مفاتيح تنشيط. ولهذا الغرض، استخرجناها من الحمض النووي للشمبانزي والفئران وربطناها بالجين الذي يحول الخلايا إلى اللون الأزرق، ولكن بشرط تنشيط الجين. قمنا بحقن قطعة الحمض النووي المرفقة في خلايا بويضة فأر مخصبة لمعرفة ما إذا كانت أي أجزاء من الأجنة ستتصبغ باللون الأزرق، وهي علامة على وجود مفتاح فعال في قطعة الحمض النووي، وإذا كان الأمر كذلك، فأين.

مفرق زكريا

وكانت النتائج التي حصلت عليها مثيرة: لقد أظهرت أنني كنت أعمل على مفتاح منشط حقيقي لمستقبلات الأندروجين، وهو مفقود في البشر. في أجنة الفئران، كتل الأعضاء التناسلية (الذي يتطور إلى قضيب أو بظر) تم تلوينه باللون الأزرق، وكذلك الغدد الدهنية والنقاط الموجودة على سطح الفأرة في الأماكن التي تتشكل فيها الشعيرات الحسية ("الشوارب"). ومن المعروف أنه في جميع هذه الأنسجة تستجيب مستقبلات الأندروجين لهرمون التستوستيرون. وبعين أكثر فطنة، رأيت أن اللون في الأعضاء التناسلية النامية يقع في الأماكن التي تتشكل فيها المسامير المصنوعة من البروتين الصلب لاحقًا على قضيب الفأر مثل العيون.

البشر بالطبع لا يمتلكون شعيرات حسية في شواربهم ولا زعانف شوكية، لكنها موجودة في العديد من الثدييات مثل الفئران والقرود والشمبانزي. ومن المعروف أيضًا أن نقص هرمون التستوستيرون يسبب قصر شعيرات حسية عند ذكور القوارض وغياب اللسعات في القضيب عند القوارض والقرود. يمكن أيضًا أن تغيب لسعات القضيب والشعيرات الحسية نتيجة لفقد مفتاح الحمض النووي الأساسي المسؤول عن إنتاج مستقبلات الأندروجين في هذه الأنسجة.

نحن نعتقد أن فقدان لسعات القضيب هو أحد أكثر التغييرات بعيدة المدى في مسارنا التطوري.

بينما كنت أعمل على تجاربي، كان آخرون يعملون على الأجزاء المفقودة التي اختاروا التحقيق فيها، وكانت النتائج التي حصلوا عليها مثيرة للاهتمام بنفس القدر. طالب الدكتوراه أليكس بولان ووجد أن قطعة الحمض النووي الخاصة به تنشط الجين العصبي الموجود بالقرب منها، بالضبط في النقاط التي يتطور فيها الدماغ. ويشارك الجين في عملية رئيسية: فهو يساعد على قتل الخلايا العصبية الزائدة التي يتم إنشاؤها أثناء التطور الجنيني. يثير هذا الاكتشاف فكرة مثيرة للاهتمام: بما أن الدماغ البشري أكبر بكثير من دماغ الشمبانزي (1,400 سم مكعب مقابل 400 سم مكعب)، فهل من الممكن أن يكون فقدان هذا المفتاح قد ساهم في التسارع التطوري من خلال تحرير مكابح نمو الدماغ؟

وأهان ب. إندجيان، الذي كان حينها طالبًا ما بعد الدكتوراه في المختبر، وجد أن مفتاحه ينشط الجين المسؤول عن نمو الهيكل العظمي: في تطور الأطراف الخلفية، وخاصة أصابع القدم. تكون أصابع القدم، من الثاني إلى الخامس، أقصر عند الإنسان مقارنة بالقردة والفئران، وهو تغيير يحسن تكيف بنية القدم للمشي المنتصب.

ليس من الصعب أن نفهم كيف تتناسب مفاتيح الدماغ والعظام مع نمط التطور البشري: الدماغ الكبير والمشي على قدمين. من السهل تفسير فقدان الشعيرات الحسية بحقيقة أننا لم نعد نتلمس أنوفنا في الظلام بحثًا عن الطعام أو التقاط الفريسة، بل نستخدم أيدينا في وضح النهار للعثور على الطعام. ولكن على الرغم من أن أهميتها قد تكون أقل، فإنه ليس من الواضح لماذا من الأفضل لنا أن نعيش بدونها.

العلاقات الحساسة

من الصعب شرح قصة لدغات القضيب بشكل بديهي، ولكن قد يكون لها التأثير الأكبر، وتتناسب بشكل رائع مع قصة تكيف جنسنا البشري مع بيئته. نحن نعتقد أن فقدان الإبر هو واحد من سلسلة من التغييرات التي كان لها بشكل جماعي تأثير بعيد المدى على مسارنا التطوري. لقد أعادت هذه التغيرات الجينية تشكيل الطريقة التي نتزاوج بها، والمظهر الجسدي للذكور والإناث، والقرابة بين الشركاء، والطريقة التي نعتني بها بذريتنا.

اللسعات مصنوعة منكيراتين- المادة التي تصنع منها الأظافر. توجد في العديد من الثدييات، بما في ذلك القرود والقوارض والقطط والخفافيش والأوبوسوم. تظهر في أشكال متنوعة، بدءًا من المخاريط المجهرية البسيطة وحتى اللسعات والمهمازات متعددة الأطراف. يمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من الأدوار، اعتمادًا على الجنس البيولوجي: تكثيف التحفيز، أو تحفيز الإباضة، أو إزالة الحيوانات المنوية التي تركها الذكور الآخرون، أو إتلاف جدار مهبل الأنثى لمنعها من التزاوج مع الذكور الآخرين.

وقت التزاوج لدى قرود الململة قصير بشكل ملحوظ: عادة أقل من عشر ثوان في الشمبانزي. وأظهرت التجارب التي أجريت في الماضي البعيد على القرود أن إزالة الإبر يمكن أن يطيل وقت التزاوج بمقدار الثلثين. ومن هذه الملاحظات يمكننا أن نفترض أن فقدان لسعات القضيب كان أحد التغيرات التي طرأت على البشر والتي أدت إلى إطالة مدة الجماع وبالتالي عمقت العلاقة الحميمة بين الزوجين مقارنة بأسلافنا الذين تعرضوا للسعات. قد يبدو الأمر جميلًا، لكنه يمكن أيضًا أن يخدم جنسنا البشري من الناحية التطورية.

إن استراتيجيتنا الإنجابية لا تشبه استراتيجية القردة العليا. في القرود، المنافسة الشديدة بين الذكور هي في المركز. في الشمبانزي والبونوبو، يتنافس الذكور مع بعضهم البعض على حق التزاوج مع أكبر عدد ممكن من الإناث الخصبة. فهي تنتج كمية هائلة من الخلايا المنوية (خصية الشمبانزي أكبر بثلاث مرات من خصية الإنسان)، ولديها لسعات في القضيب، ومثل كل القردة العليا والقردة العليا لديها أنياب قاتلة لردع المنافسين. يتركون تربية النسل للإناث حصريًا. لذا فإن التزاوج الناجح بالنسبة لهم هو التزام كامل: الحمل والرضاعة ونمو الرحم حتى الاستقلال. ولا تحمل الإناث مرة أخرى إلا بعد فطام النسل.

أناس مختلفون. إنهم يشكلون رابطة زوجين مخلصين إلى حد ما. يساعد الذكور عادة في تربية النسل، مما يسمح بالفطام المبكر ومعدل تكاثر أسرع. المنافسة بين الرجال ليست شرسة. نعتقد أنه في نفس الوقت الذي فقدت فيه لسعات القضيب، فقدت أيضًا خصائص أخرى تتعلق بالتنافس على السلطة (مثل الأنياب الخطيرة) وأضيفت خصائص أخرى عززت الارتباط والتعاون بين الزوجين.

ويمكن أن يكون المشي على قدمين، كما اقترح لوجوي، إحدى هذه الخصائص. على الأرجح أن مساعدة الذكر في المراحل الأولى من تربية النسل كانت تعتمد في البداية على الحصول على الأطعمة الغنية بالدهون والبروتينات، مثل اليرقات والحشرات والفقاريات الصغيرة، وهو عمل يتطلب بحثًا قويًا وحمل الطعام. وللقيام بذلك، كان على الذكور أن يذهبوا بعيدًا بأيديهم الحرة للحمل، وربما قدم هذا الميزة الانتقائية الأولية للمشي على قدمين.

فقدان الجينات واكتساب السمات

و إضافة الى ذلك. إن التعاون وتلبية الاحتياجات أتاح للوالدين تربية ذرية تعتمد عليهم لفترة أطول وبالتالي إطالة فترة الطفولة حتى بعد الفطام. وقد أتاح هذا وقتًا أطول للتعلم وبالتالي تسريع الاستفادة من الدماغ الكبير والرشيق. ومن ثم ربما تكون هذه التغييرات قد مهدت الطريق لتطور الدماغ.

إذا واصلنا هذا الخط من التفكير، فإن القصص حول أجزاء الحمض النووي الثلاثة المفقودة، التي تبدو غير مرتبطة ببعضها البعض، تتشابك في نفس القصة.

عندما وصلت إلى مختبر كينجسلي لم أتوقع هذا التحول في عملي. لم أكن أتخيل أنني سوف أتعمق في نصوص الأربعينيات المبللة حول بنية الأعضاء التناسلية في الثدييات. في مختبري نواصل البحث في هذا الاتجاه. لكننا ننظر إلى تغيرات جينية وتنموية أخرى كانت لها عواقب بعيدة المدى: التصميم التطوري لشكل العظام الدقيقة في معصم الإنسان، والذي أهله لصنع الأدوات.

وربما لن نعرف أبدًا تفاصيل كثيرة عن ذلك التاريخ البعيد، مهما كنا حريصين على اكتشافها. ولكن حتى لو لم نتمكن من التأكد من السؤال عن سبب حدوث بعض التغيرات التطورية، فبمساعدة أدوات البيولوجيا الجزيئية الحديثة يمكننا الآن أن نواجه مسألة كيفية حدوثها - وهو سؤال مصيري ومثير في حد ذاته.