الأساس الجزيئي لمتلازمة داون

وكان من السهل نسبيا تبني مفهوم أن الجين المعيب يمكن أن يسبب اضطرابات في الوظيفة البيولوجية للجسم، وحتى الأمراض. ولكن ماذا يحدث عندما يكون هناك عدد كبير جدًا من النسخ الطبيعية لجين معين في الحمل الجيني؟

في الأيام التي اتخذ فيها علم الوراثة خطواته الجزيئية الأولى، كان من السهل نسبيًا تبني مفهوم يمكن بموجبه للجين المعيب أن يسبب اضطرابات في الوظيفة البيولوجية للجسم، وحتى الأمراض. ولكن ماذا يحدث عندما يكون هناك عدد كبير جدًا من النسخ الطبيعية لجين معين في الحمل الجيني؟ هل يمكن للزيادة في الجينات الطبيعية أن تسبب تأثيرات سلبية؟ لم تكن الإجابة على هذا السؤال واضحة، لأن وجود نسخ كثيرة جدًا من نفس الجين لا يؤدي بالضرورة إلى إنتاج كمية زائدة من البروتين المشفر في الجين.

وفي النهاية، البروتينات هي اللاعب الحقيقي في مجال الخلايا الحية. الجينات "فقط" تشفر المعلومات اللازمة لبنائها. وبالإضافة إلى عدم وضوح هذا السؤال، فقد واجه علماء الوراثة العديد من الأمثلة من عالم النباتات، حيث تعد النسخ المتعددة للجينات الطبيعية ظاهرة منتشرة (ومهمة في التنمية)، ولا تسبب أي اضطرابات.

هذا هو السياق الذي جاء فيه العمل الرائد للبروفيسور يورام جرونر، الذي أسس قسم علم الوراثة الجزيئية في معهد وايزمان للعلوم (كدمج قسم علم الوراثة مع قسم علم الفيروسات)، وعمل فيما بعد نائباً له. ينبغي رؤية رئيس المعهد. فاز البروفيسور جرونر مؤخرًا بجائزة AMT في علوم الحياة - علم الوراثة لعام 2008. وجاء في مبررات الحكام، من بين أمور أخرى: "لأبحاثه الرائدة في البيولوجيا الجزيئية لمتلازمة داون والتي أثبتت عمليًا نظرية الجينات ذات الجرعة الزائدة في أداء ثلاث نسخ من الكروموسوم 21..." .

ما هي نظرية الجينات ذات الجرعة الزائدة؟ لماذا كان من المهم إثباتها؟ ومتى تظهر ثلاث نسخ من الكروموسوم 21 في خلايا جسم الإنسان؟ في عام 1866، وصف الطبيب الإنجليزي جون لانغدون داون مرضًا سُمي فيما بعد باسمه وهو متلازمة داون. ومنذ حوالي 50 عاماً أصبح واضحاً أن الأمر يتعلق بظهور ثلاث نسخ من الكروموسوم 21 (بدلاً من النسختين الموجودتين في خلايا الإنسان الطبيعي). خلافا للاعتقاد السائد، فإن متلازمة داون هي مرض وراثي شائع إلى حد ما. على الرغم من الاستخدام الواسع النطاق لطرق التشخيص قبل الولادة، يعاني واحد من كل 800 طفل مولود في العالم الغربي من متلازمة داون. بالإضافة إلى التخلف الفكري النمائي، يعاني المرضى المصابون بهذا المرض من سلسلة من العيوب، يظهر بعضها في أمراض أخرى شائعة بين السكان العاديين. ومن بين أمور أخرى، هناك قصور في وظيفة العضلات، والسكري، وسرطان الدم، وارتفاع معدل الإصابة بمرض الزهايمر نسبيًا.

العلماء، الذين سعوا إلى فهم كيف تسبب نسخة ثالثة إضافية من الكروموسوم 21 متلازمة داون، فحصوا احتمالين في هذا الشأن. تفترض إحدى النظريات، التي تسمى عدم الاستقرار النمائي، أن أعراض داون تنجم عن خلل في التوازن الفسيولوجي نتيجة لزيادة عدد الكروموسومات. يتوافق هذا المفهوم مع التشابه الكبير بين مرضى متلازمة داون ومع حقيقة أن معظم العيوب التي يعانون منها تظهر أيضًا في عامة السكان، على الرغم من أنها أقل تواتراً وخطورة. نظرية أخرى، تسمى تأثير الجرعة الجينية، تقترح أن كل عرض من الأعراض ناتج بشكل مباشر عن جرعة زائدة من جين واحد أو عدة جينات من الكروموسوم الإضافي، والذي يصاحبه زيادة في كمية البروتين التي ينتجها هذا الجين.

كان البروفيسور جرونر، بصفته عالم الأحياء الجزيئية، يميل إلى دعم نظرية "الجرعة الجينية الزائدة"، ووضع لنفسه هدف إثباتها. لم تثبت النتائج التي توصل إليها النظرية فحسب، بل أرست أيضًا الأسس لدراسة الوراثة الجزيئية لمتلازمة داون. لقد وضع لنفسه تحديًا: عزل جين معين من الكروموسوم 21، وإثبات أن الجرعة الزائدة من ذلك الجين تسبب الأعراض المعروفة في متلازمة داون - وبهذه الطريقة يثبت صحة نظرية "الجرعة الجينية الزائدة". وكان هذا النهج في ذلك الوقت (1979) جريئا ومبتكرا. كانت المعلومات المتعلقة بالجينات الموجودة على الكروموسوم 21 غير مكتملة للغاية، ولم تكن الاختبارات الجزيئية التي تسمح بمراقبة التعبير الجيني متاحة، وكانت تكنولوجيا استنساخ الجينات في مهدها.

كما هو الحال في العديد من الحالات الأخرى، في هذه الحالة أيضًا، من أجل الوصول إلى مجالات جديدة من المعرفة، كان على العلماء أن يخترعوا عجلات جديدة. أظهرت نتائج الاختبار أنه يوجد في دم المصابين بمتلازمة داون كمية كبيرة نسبياً من إنزيم يسمى SOD1. ولكن هل الجين الذي يشفر SOD1 موجود على الكروموسوم 21؟ وإذا كان الأمر كذلك، ما هو دور SOD1 في المرض؟ هل زيادة هذا الإنزيم مرتبطة بطريقة أو بأخرى بالأعراض الخاصة بالمتلازمة؟ إن أسئلة من هذا النوع، والتي تُطرح اليوم بشكل روتيني في العديد من الدراسات في مجال علم الوراثة، كانت آنذاك، في أوائل الثمانينات، بعيدة عن متناول العلم تقريبًا.

لكن البروفيسور جرونر وأعضاء مجموعته البحثية لم يستسلموا. انطلقوا في رحلة صيد للجين "المشتبه به" والذي كانوا يأملون من خلاله إثبات نظرية "الجرعة الجينية الزائدة". وأدت رحلة الصيد (انظر الرسم البياني) إلى استنساخ الجين الأول من الكروموسوم 21 وتحديد تسلسله الأساسي، وكانت علامة فارقة مهمة على طريق تحقيق الهدف. ولكن هل الجينات التي تنتج كمية زائدة من SOD1 تلعب حقًا دورًا في التسبب في عيوب متلازمة داون؟ في الخطوة الأولى، قام أعضاء مجموعة البروفيسور جرونر بإنشاء خلايا معدلة وراثيًا تحتوي على عدة نسخ من الجين التي تحتوي على كمية زائدة من SOD1، على غرار الخلايا المأخوذة من مرضى متلازمة داون.

أظهرت هذه الخلايا المعدلة وراثيا خصائص فسيولوجية غير طبيعية نتيجة لتكوين كمية زائدة من بيروكسيد الهيدروجين وهو منتج تفاعل SOD1. ومن العيوب التي نتجت عن ذلك حدوث ضرر في عملية امتصاص الوسائط العصبية (النواقل العصبية) التي يتم امتصاصها وتخزينها عادة داخل الخلية. وفي وقت لاحق، تمكن البروفيسور غرونر وأعضاء مجموعته من فك الآلية الجزيئية المسببة للخلل، وبينوا أن مركز الضرر هو مضخة خاصة وظيفتها ضخ الناقلات العصبية إلى داخل الخلية. قدمت هذه النتيجة تفسيراً ميكانيكياً جزيئياً لكيفية تسبب الجرعة الجينية الزائدة لجين من الكروموسوم 21 في حدوث خلل كبير من الناحية الفسيولوجية في وظيفة الخلية. ولكن ما هي العلاقة بين هذا الخلل في عملية ضخ الناقلات العصبية وأعراض متلازمة داون؟ للإجابة على هذا السؤال، انطلق البروفيسور جرونر وأعضاء مجموعته في مغامرة رائدة أخرى. قاموا بإدخال الجين الذي يشفر SOD1 في الفئران، مما أدى إلى إنشاء نموذج فأر معدل وراثيًا لأول مرة مع جين من الكروموسوم 21.

هذه الفئران، التي حملت جينات SOD1 بجرعة زائدة وأنتجت كميات كبيرة من SOD1، احتوت في دمها على مستوى منخفض جدًا من الناقل العصبي السيروتونين - على غرار ما هو موجود عند الأطفال الذين يعانون من متلازمة داون. وقد أثبتت هذه النتيجة عمليا نظرية "الجرعة الجينية الزائدة" باعتبارها الآلية التي تسبب متلازمة داون.

ولكن كيف يؤدي زيادة SOD1 بالضبط إلى انخفاض السيروتونين في الدم؟ في وقت لاحق من الدراسة، تم اكتشاف أنه، على غرار النتائج التي توصلت إليها الخلايا المعدلة وراثيا، في الفئران أيضا، فإن زيادة SOD1 تسبب إنتاجا غير طبيعي لبيروكسيد الهيدروجين، مما يؤدي إلى إتلاف المضخة الخاصة التي تسحب السيروتونين من الدم إلى خلايا الصفائح الدموية، حيث من المفترض أن تتراكم.

يؤدي فشل آلية الضخ هذه إلى بقاء السيروتونين في مجرى الدم وتحلله. ونتيجة لذلك، يتم إنشاء مستوى منخفض من السيروتونين في الصفائح الدموية، ولاحقًا أيضًا في دماغ الفئران المعدلة وراثيًا، على غرار الوضع الموجود لدى الأشخاص المصابين بمتلازمة داون (تحدث ظاهرة مماثلة في مرض السكري، حيث نتيجة لذلك بسبب نقص الأنسولين، أو عدم فعاليته، فإن السكر المذاب في الدم لا ينفذ إلى الخلايا حيث الحاجة إليه، بل يبقى في مجرى الدم ويسبب تأثيرات سلبية).

وهكذا اكتملت دورة كلاسيكية من البحث العلمي، تبدأ بفرضية تحاول تفسير ظاهرة بيولوجية على مستوى الكائن الحي بأكمله، وصولاً إلى تحديد السبب الجزيئي للظاهرة، وعزلها، والتكاثر الاستباقي للكائن الحي. الظاهرة باستخدام العامل المحدد، وانتهاءً بفك رموز آلية العمل التي يعمل بها العامل - وإثبات الفرضية.

عملية استنساخ الجين المشفر SOD1

تعتمد العملية متعددة الخطوات، الموضحة في الرسم، والتي قام بها البروفيسور جرونر وأعضاء مجموعته لاستنساخ الجين الخاص بـ SOD1، على القدرة على ترجمة الحمض النووي الريبوزي المرسال (mRNA) الذي يرمز لـ SOD1، في المختبر، في نظام غير خلوي. والتعرف على المنتج من خلال استخدام الأجسام المضادة ضد SOD1.
في الخطوة الأولى، التقط العلماء جزيئات mRNA التي كانت في طريقها من نواة الخلية إلى الريبوسومات، حيث تنتج بروتينات مختلفة. ومن بين جميع الجزيئات، كانت هناك بالطبع أيضًا تلك التي تنتج SOD1. وبمساعدة إنزيم RT، قاموا بنسخ mRNA، أي "ترجمته" إلى DNA. (إن إنزيم RT، الذي اكتشفه ديفيد بالتيمور وهوارد ثيمين وحصل على جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء والطب عام 1975، تستخدمه الفيروسات التي تحمل حمولتها الجينية في جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA)، لنسخ الحمض النووي الريبي (RNA) إلى الحمض النووي (DNA) الذي تندمج فيه. كروموسومات الخلايا
أنهم يهاجمون. هذه هي الطريقة التي يعمل بها، على سبيل المثال، فيروس نقص المناعة البشرية المسبب لمرض الإيدز.

قام البروفيسور جرونر وأعضاء مجموعته بحقن الحمض النووي الذي صنعوه في أنبوب اختبار في ملايين البكتيريا، على افتراض أن بعضها "سيصاب بالعدوى" ويبدأون في إنتاج العديد من نسخ الحمض النووي التي ترمز لـ SOD1. في الواقع، تنتج كل بكتيريا الحمض النووي لجين معين يتم إدخاله فيها. لتحديد تلك البكتيريا الفردية التي تنتج الحمض النووي SOD1، استخرج جرونر وزملاؤه الحمض النووي البكتيري وتثبيته على أقراص ورقية صغيرة. أدى هذا إلى إنشاء نوع من "العصا" التي "اصطادوا" بها mRNA الذي يرمز لـ SOD1 وترجمته إلى بروتين في أنبوب اختبار. وقد حددوا البروتين من خلال التفاعل مع أجسام مضادة محددة ترتبط بـ SOD1. وفي هذه العملية، تمكنوا من تحديد البكتيريا التي تحتوي على الحمض النووي الذي يرمز لـ SOD1. وأكمل عزل إحدى هذه البكتيريا عملية الاستنساخ، حيث كان لدى مجموعة جرونر بكتيريا تنتج كميات كبيرة من الحمض النووي البشري الذي يشفر SOD1. هذه الحقيقة سمحت لهم بفك تشفير التسلسل الأساسي للجين. وهكذا، أصبح SOD1 أول جين من الكروموسوم 21 يتم استنساخه وتحديد تسلسله الأساسي.

وبعد مرور عشرين عامًا، أُغلقت الدائرة التي فُتحت باستنساخ SOD1. شاركت مجموعة البروفيسور جرونر في مشروع رسم وفك رموز الجينوم البشري في شركة عالمية قامت بتحديد التسلسل الأساسي الكامل للكروموسوم 21. وقد تم هذا النشاط في إطار مركز كراون جينوم برئاسة البروفيسور دورون لانتز من القسم علم الوراثة الجزيئية. يعد مشروع الجينوم البشري أكبر مشروع في مجال علم الأحياء على الإطلاق. ومع اكتمال مشروع الجينوم، أصبحت الحاجة إلى استنساخ الجينات غير ضرورية.

واليوم، فإن أي عالم مهتم بعزل هذا الجين أو ذاك ودراسته يصل إلى جهاز الكمبيوتر، وفي ثوانٍ يتلقى جميع المعلومات التي يحتاجها.

الاختبارات الجينية للكشف عن الأمراض دون إزالة السائل الأمنيوسي