هل تمتلك الدودة نفس عدد الجينات تقريبًا مثلنا؟ لكن ليس لديها هذه الأقسام

حدد باحثون إسرائيليون آلية جزيئية تساعد في تفسير إحدى المفارقات الكبرى في التطور: كيف يمكن للإنسان أن يؤدي مثل هذه الوظائف المعقدة بعدد صغير نسبيًا من الجينات

ميريت سلين

الرابط المباشر لهذه الصفحة: https://www.hayadan.org.il/dnazevel1.html

إن الحمض النووي يتغير باستمرار، والتغيرات التي تنطبق عليه هي المسؤولة عن التنوع الكبير في الطبيعة، وخلق أنواع جديدة وبقاء الأنواع الموجودة. الآلية الرئيسية في الخلية التي تساهم في التنوع في الطبيعة هي خلق جينات جديدة. وعلى حد علمنا اليوم، يتم ذلك عن طريق مضاعفة الجينات الموجودة. عندما يتضاعف الجين، يتم تكوين نسختين منه: النسخة الأصلية تحافظ على الوظيفة الأصلية، في حين أن النسخة الجديدة قد تخضع لتغييرات تمنحها وظائف جديدة. ويمكن للجين الجديد أن يبقى موجودا في الحمض النووي لفترة طويلة من الزمن دون أن يسبب أي تأثير. إذا تم في أي مرحلة خلق ظروف بيئية جديدة تتمتع فيها بميزة، فإنها تصبح ضرورية لبقاء النوع.

ووفقاً لهذا النموذج، كلما زاد عدد الجينات، زاد عدد الوظائف؛ وكلما صعدنا السلم التطوري، سيزداد عدد الجينات في الجينوم. لكن فك رموز الجينوم البشري أظهر أن الأمر ليس كذلك. قبل فك شفرة الجينوم، كانت التقديرات أن الشخص لديه حوالي 100,000 ألف جين، أما الآن فمن المعروف أن عدد الجينات البشرية أقل من 30,000 ألف جين، وللمقارنة فإن الديدان المعوية الطفيلية، التي ليس لها رأس وليس لها رأس. تؤدي وظائف معقدة، ولها 18,000 جين.

أثار اكتشاف أن لدى البشر عددًا صغيرًا نسبيًا من الجينات مسألة كيفية نشوء التعقيد البشري. كيف تطورت وظائف التفكير والتواصل والذاكرة والتعلم وغيرها في نظام يوجد به عدد قليل جدًا من الجينات؟ ما هي الآلية الفريدة التي تم تطويرها في الرئيسيات والتي جعلت هذا ممكنا، وكيف أن أقل من 30,000 جينة تشرف على عمل ما يقرب من 90,000 بروتين تقوم ببناء جسم الإنسان والحفاظ عليه.

اكتشف فريق بحثي من كلية الطب في جامعة تل أبيب، بقيادة الدكتور جيل أست، آلية جديدة يتم من خلالها إنشاء بروتينات جديدة في الجسم بناءً على الجينات الموجودة. وتقدم الدراسة التي نشرت مؤخرا في مجلة "ساينس" أجوبة لأسئلة حول تطور الإنسان، والتي لم يكن لها إجابة حتى الآن.

يكافح علماء الأحياء لشرح حقيقة أن حوالي واحد ونصف بالمائة فقط من الجينوم البشري يحتوي على معلومات لبناء البروتينات. في المقابل، تتكون غالبية الجينوم من أجزاء لا معنى لها تكرر نفسها مئات وآلاف المرات ولا تحتوي على معلومات لتكوين البروتينات. لماذا يترك الجسم كل هذه الأمتعة الزائدة ويستثمر الكثير من الطاقة في صيانته؟ لسنوات عديدة، لم يتم العثور على إجابة لهذا السؤال، وكان الحمل الجيني الزائد يسمى "قمامة الحمض النووي".

من بين الأجزاء المتكررة في مجموعة الحمض النووي هناك شرائح قصيرة، والتي تشكل 11٪ من إجمالي الجينوم البشري. وتسمى هذه الشرائح بشرائح ألو (1.4)، وتنتشر مليون نسخة منها في الجينوم، وجميعها متطابقة تقريبًا، ولا يمكن العثور عليها إلا في الإنسان والقردة.

إن العثور على العلاقة بين هذه الأجزاء وتفشي الأمراض دفع الباحثين إلى تغيير موقفهم تجاه هذه الأجزاء - فهي لم تعد تعتبر نفايات الحمض النووي وبدأ الباحثون في إدراك أنها قد تؤثر على تطور الكائن الحي. لكن حتى الآن لم يعرف أحد كيف يحدث هذا.

وتمكن الفريق البحثي من جامعة تل أبيب من الكشف لأول مرة عن الآلية المسؤولة عن ذلك، وأظهر أن هذه الشرائح يتم إنشاؤها بالفعل من لا شيء. إنهم مسؤولون عن إنشاء بروتينات جديدة عن طريق "دفعها" إلى الجينات وإنشاء معلومات جديدة دون الإضرار بالمعلومات الجينية الموجودة. ونظرًا لأن هذه التسلسلات فريدة بالنسبة للرئيسيات، فمن المحتمل أن تساهم المعلومات الجديدة في بعض خصائصنا كبشر.

وتستخدم هذه الأجزاء آلية موجودة في الخلية، والتي تفرق بين الأجزاء الرئيسية للتعامل مع المادة الوراثية. توجد في كل خلية مناطق معلوماتية ومناطق لا معنى لها على سطح الحمض النووي. وتحتوي الجينات على تعليمات التشغيل لبناء البروتينات، والتي تتوسط بين الاثنين هي جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA). تقوم جزيئات الحمض النووي بإنشاء نسخة طبق الأصل من الشفرة الوراثية المخزنة في الحمض النووي وتنقلها إلى الريبوسومات، وهي مصانع البروتين. قبل الانتقال إلى الريبوسومات، تتم معالجة الحمض النووي الريبي (RNA). وفي عملية خاصة تعرف باسم الربط، يتم قطع المناطق التي لا معنى لها منها وإزالتها، ويتم ضم حواف الحواف المقطوعة معًا. وبالتالي، يتم التعبير عن المعلومات ذات المعنى فقط في الخلية.

أثناء تطور الجنس البشري، اخترقت هذه الأجزاء المناطق التي لا معنى لها من الحمض النووي وانضمت إلى مجموعة الحمض النووي. وجد أست وفريقه أنه مع مرور الوقت، بدأت شرائح Alu في تراكم الطفرات، وحوّلت بعض الطفرات شرائح Alu معينة إلى أجزاء يتعرف عليها نظام الربط على أنها ذات معنى. الأجزاء ذات المعنى، كما ذكرنا سابقًا، لا يتم التخلص منها بواسطة نظام الربط، ويتم ترجمة المعلومات التي تحتوي عليها إلى بروتينات.

ومع ذلك، وجد إيست وفريقه أنه حتى عندما يتعرف نظام الربط على هذه الأجزاء، فإنه في نصف الحالات فقط يعاملها كأجزاء ذات معنى، ويربطها بالجينات الموجودة وبالتالي يخلق بروتينًا جديدًا. في النصف الثاني من الحالات، يقوم نظام الربط بقطع هذه الأجزاء ورميها بعيدًا مع الأجزاء الأخرى التي لا معنى لها. في الحالة الأولى، يؤدي دمج هذه الأجزاء مع الأجزاء ذات المعنى إلى إنشاء معلومات جديدة تؤدي إلى إنشاء بروتينات جديدة؛ وفي الحالة الثانية تبقى المعلومات الموجودة في الحديقة دون تغيير.

يقول إست: "لقد حددنا الآلية التي تؤدي فيها هذه الأجزاء إلى إنشاء بروتينات جديدة مع الحرص على عدم إتلاف البروتينات السابقة". "لو لم تكن هذه الآلية موجودة ولم يتم الحفاظ على المعلومات القديمة، لكانت البروتينات الأصلية قد تغيرت. مثل هذا الوضع يمكن أن يسبب تطور الأمراض." وفي الواقع، وجد الباحثون ثلاثة أمراض تم إنشاؤها بهذه الطريقة.

وفي الآلية التي وصفها الباحثون، هناك منتجان لنفس الجين. تحتفظ النسخة الأصلية بالنشاط السابق، بينما يمكن للنسخة الجديدة التي انضمت إليها هذه القطعة أن تقوم بنشاط لم يكن موجودا في الخلية من قبل. يقول إست: "وفقًا للنتائج التي توصلنا إليها، يمكن لبعض الجينات أن تعطي تعليمات بناء لبروتينين، مما يعني أنه يمكن استخدام عدد محدود نسبيًا من الجينات لإنشاء العديد من البروتينات". "وبما أن هذا النظام الفريد موجود فقط في القرود والبشر، فإنه يفسر كيف أن الجنس البشري قادر على أداء مثل هذه الوظائف المعقدة مع عدد صغير من الجينات."

توفر العمليات التي كشف عنها إيست وفريقه أيضًا تفسيرًا لسؤال لماذا لا تتخلص الخلية من الحمض النووي الزائد الهائل في الجينوم. ويوجد ضمن هذه الفوائض احتياطيات لخلق المعلومات الجديدة التي تحرك عجلات التطور.

في مقال مصاحب في مجلة "العلم"، كتب فوتشيك ماكلوفسكي من معهد التطور الوراثي الجزيئي في جامعة بنسلفانيا: "إذا جازفنا بإضفاء الطابع الإنساني على العمليات البيولوجية، فيمكننا القول إن التطور أذكى من أن يهدر معلومات قيمة. ولذلك، يجب ألا تسمى مقاطع DD-NA المتكررة DD-NA Ashfat. وبدلاً من ذلك، ينبغي أن يطلق عليها "ملعب" الجينوم، كونها مستودعًا للأجزاء الجاهزة التي يمكن استخدامها في تجارب تطور الطبيعة.