السيطرة والشكل والغرض

ما هي المواقع الموجودة على الحمض النووي الريبي المرسال التي سترتبط بها جزيئات معينة من الرنا الميكروي؟ يقدم علماء المعهد إجابة مفاجئة

يحتوي الحمل الجيني البشري على حوالي 20,000 إلى 30,000 جين، والتي، حسب المعلومات المشفرة فيها، تنتج بروتينات مختلفة. يتم التحكم في هذه العملية، التي تسمى "التعبير الجيني"، من خلال آليات معقدة ومتفرعة، والتي تحدد أي من الجينات سيتم التعبير عنها، وفي أي خلية، ومتى، وإلى أي مدى. وتحدد البروتينات التي تتشكل في نهاية هذه العملية كيفية عمل الخلية الحية، مما يؤثر على الكائن الحي بأكمله. وهكذا، على سبيل المثال، يعد التعبير الجيني عنصرًا أساسيًا في التطور الجنيني. في الكائن الحي البالغ، فإنه يؤثر على عمليات مثل تكوين الأوعية الدموية، والتمثيل الغذائي، وكذلك تطور الأمراض المختلفة، بما في ذلك السرطان. تعد جزيئات MicroRNA (microRNA) أحد عوامل التحكم التي تؤثر على عملية إنتاج البروتين في الجسم في مرحلة متأخرة نسبيًا: وهي المرحلة التي يتم فيها إنشاء جزيء RNA الرسول (يتم إنشاؤه وفقًا للمعلومات الموجودة في الجين والتي تمتلكها عوامل التحكم الأخرى بالفعل " ") تشق طريقها نحو الريبوسومات، وهي مصانع البروتين في الخلية. يرتبط جزيء microRNA بموقع مستهدف محدد على جزيء messenger RNA، وبالتالي يمنع إنتاج البروتين الذي يرمز له. حتى الآن، تم التعرف على مئات الأنواع المختلفة من جزيئات microRNA، حيث يحتوي كل microRNA على مجموعة مختلفة من الجينات المستهدفة. لفهم هذه العملية، يجب على المرء العثور على المواقع المستهدفة، على الحمض النووي الريبي المرسال، الذي ترتبط به جزيئات microRNA. قد يساعد تحديد هذه المواقع المستهدفة أيضًا في فهم الاضطرابات التي تسبب التعبير غير المنضبط للجينات، وهي العملية التي تسبب أمراضًا معينة.

للعثور على المواقع المستهدفة، يركز العديد من العلماء على تحديد التطابقات الكيميائية بين تسلسل الأجزاء المختلفة في الجزيئين (على غرار التطابق الموجود بين حلزوني جزيء الحمض النووي). ولكن في الواقع، في كثير من الحالات، لا يوجد تطابق تام بين تسلسل قاعدة microRNA والتسلسل الأساسي في الموقع المستهدف. العلماء الذين أرادوا فهم هذه الظاهرة طوروا طرقًا للتنبؤ بالمواقع المستهدفة، والتي تبحث عن تطابق جزئي بين تسلسل قواعد microRNA وتسلسل القواعد في الموقع المستهدف. ومع ذلك، فإن شرط المطابقة الجزئية يؤدي إلى العديد من تنبؤات الموقع المستهدف والتي ثبت تجريبيًا عدم صحتها. في محاولة لتحسين القدرة التنبؤية، أصبحت الطرق أكثر تعقيدًا، لكنها في النهاية فشلت في التنبؤ بشكل كامل ودقيق بالمواقع الموجودة على الحمض النووي الريبي المرسال التي سترتبط بها جزيئات معينة من الرنا الميكروي.

اختار الدكتور إيران سيغال وطالب البحث مايكل كيرتس، من قسم علوم الكمبيوتر والرياضيات التطبيقية في معهد وايزمان للعلوم، دراسة العملية من اتجاه مختلف: فبدلاً من فحص التسلسل الكيميائي للجزيئات، ركزوا على البنية المكانية ثلاثية الأبعاد لجزيء الحمض النووي الريبي (RNA) - شخص التوصيل. وقاموا بالتعاون مع مجموعة من الباحثين من جامعة روكفلر في نيويورك باختبار ما إذا كانت الطيات في الحمض النووي الريبي المرسال تؤثر على ربط جزيئات microRNA بالمواقع المستهدفة. وقد ابتكر العلماء طفرات تسببت في طي الحمض النووي الريبوزي المرسال وإغلاق المواقع المستهدفة، أو على العكس من ذلك، فتحها وكشفها. ثم قارن مستوى تعبير الجين الأصلي بمستوى تعبير الجين صاحب الطفرات. ويقول الدكتور سيغال: «بحسب النظريات الموجودة، لا ينبغي أن تؤثر هذه التغييرات على تعبير الجين، إذ لم تتم الطفرات في القواعد المعنية بالاتصال المباشر بين الجزيئات، بل في القواعد المجاورة لها». . أظهرت نتائج التجارب بشكل لا لبس فيه أن البنية المكانية للموقع المستهدف في جزيء الحمض النووي الريبي المرسال تؤثر على مستوى التعبير الجيني. عندما يكون الموقع المستهدف في منطقة مفتوحة ويسهل على جزيئات microRNA الوصول إليه، فإن المزيد من جزيئات microRNA تلتصق بالرسول RNA، مما يسبب تثبيطًا قويًا لإنتاج البروتين الذي يحمل الرسول - AN معلومات بنائه. وعلى العكس من ذلك، عندما يتم إغلاق الموقع المستهدف، يكون هناك عدد أقل من الالتصاقات بين الجزيئات - ويزداد التعبير الجيني بشكل كبير.

طور العلماء صيغة تشرح التفاعلات بين جزيئات microRNA ومواقعها المستهدفة، والتي تسمح بتحديد المواقع المستهدفة الجديدة. تتكون الصيغة من الفرق بين الطاقة التي يجب استثمارها لفتح الموقع المستهدف (في حالة الهيكل المغلق، ستكون هناك حاجة إلى استثمار مرتفع، وفي حالة الهيكل المفتوح سيكون الاستثمار ضئيلًا)، والطاقة تنبعث عندما يرتبط microRNA بالموقع المستهدف (في حالة التطابق العالي في تسلسل القواعد، سيتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة، وفي حالة التطابق الجزئي، سيتم إطلاق كمية أقل). كلما ارتفعت القيمة التي تم الحصول عليها، زاد احتمال أن يكون موقعًا مستهدفًا محتملاً لـ microRNA.

الاكتشاف الآخر الذي ظهر من البحث هو أن ربط جزيء microRNA بالـ messenger RNA لا يعتمد فقط على البنية المفتوحة للتسلسل المستهدف نفسه، ولكن أيضًا على التسلسلات المجاورة للموقع المستهدف. والسبب في ذلك هو أن جزيء microRNA موجود داخل بنية بروتينية كبيرة، ويجب السماح للبنية بأكملها بالوصول بسهولة إلى الموقع المستهدف. وبعد هذا الاكتشاف، أجرى الباحثون تعديلاً على الصيغة، بحيث يشمل مكون "استثمار الطاقة" الطاقة التي يجب استثمارها لفتح الموقع المستهدف بطريقة تناسب مدخل البنية البروتينية بأكملها. أدى هذا التعديل إلى تحسين دقة النموذج وقدرته التنبؤية. بعد ذلك، أنشأ الباحثون أربعة كتالوجات تحدد المواقع المستهدفة المحتملة لـ microRNA عبر جينومات الإنسان والفئران والذبابة والديدان. أظهر فحص جميع الكائنات الحية أن المواقع المستهدفة موجودة في مواقع مكشوفة ومكشوفة، مما يشير إلى أن البنية المكانية للحمض النووي الريبوزي الرسول، الذي يحدد مواقع الارتباط للـ microRNA، قد لعبت دورًا مهمًا طوال التطور. توفر نتائج الدراسة، التي نُشرت مؤخرًا في مجلة Nature Genetics، للعلماء أداة مفيدة تسمح لهم بمسح التسلسلات الجينية وتحديد المواقع المستهدفة المحتملة للـ microRNA بناءً على كل من التسلسل والبنية المكانية.

ورغم أنه نموذج بسيط وموثوق، ويشكل تحسنا كبيرا في الوسائل التي كانت لدى الباحثين حتى الآن، إلا أن العلماء يشيرون إلى أن الحسابات ليست دقيقة بنسبة 100 في المائة، أيضا لأنه من الصعب حساب التكلفة الطاقة لفتح الهدف بدقة. الموقع، ولكن بشكل رئيسي لأن الخلية ليست بيئة معقمة، وتوجد بداخلها. هناك مجموعة من العوامل تؤثر أيضًا على ربط microRNA بالموقع المستهدف. طالب البحث مايكل كيرتس: "إن جمال هذه الدراسة هو أنه على الرغم من جميع المكونات والعوامل الموجودة في الخلية، والتي لم نأخذها بعين الاعتبار، فإن نموذجنا البسيط لا يزال يعتمد فقط على التفاعل بين microRNA والموقع المستهدف وعلى البنية الثانوية للموقع المستهدف تشرح النتائج التجريبية بشكل جيد."