دانشمندان دریافتند که ژن‌های حیاتی در میان ژنوم‌های دورانداخته شده در حال تکاملند

منتشر شده در: مجله کوانتوم به تاریخ ۱۶ نوامبر ۲۰۲لینک مطلب اصلی:Scientists Find Vital Genes Evolving in Genome’s Junkyardاغلب تصور می‌شود که ژن‌های ضروری در زمان تکاملی منجمد می‌شوند-تکامل خیلی آهسته است، زیرا تغییر یا مرگ منجر به مرگ ارگانیسم می‌شود. صدها میلیون سال تکامل حشرات و پستانداران را جدا می‌کند، اما آزمایش‌ها نشان می‌دهند که ژن‌های Hox که توسعه برنامه‌های بدن را در مگس سرکه هدایت می‌کنند، می‌توانند بدون خارش جابجا شوند، زیرا بسیار شبیه هم هستند. این حفاظت تکاملی قابل‌توجه یک مفهوم اساسی در تحقیقات ژنوم است.اما یک مطالعه جدید این منطق را برای حفاظت ژنتیکی در راس خود قرار می‌دهد. محققان مرکز تحقیقات سرطان در سیاتل هفته گذشته در eLife گزارش دادند که گروه بزرگی از ژن‌ها در مگس‌های میوه برای بقا و رشد سریع ضروری هستند. در واقع، تجزیه و تحلیل دانشمندان نشان می‌دهد که توانایی ژن‌ها برای حفظ تغییر، کلید ماهیت ضروری آن‌ها است. هارمیت مالک، یکی از بازرسان موسسه پزشکی هوارد هیوز که بر این مطالعه نظارت داشت، گفت: « این مساله نه تنها در مورد این اصل سوال می‌کند، بلکه این اصل را از آب خارج می‌کند.»مانیوآن لانگ، متخصص ژنتیک تکاملی در دانشگاه شیکاگو گفت: « این کار بسیار زیبا است.» محققان دریافتند که هتروکروماتین به سرعت در حال تغییر، تکامل ژن‌های ضروری جدید را هدایت می‌کند. چه جالب!اهمیت غیرمنتظره جدیددر دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰، این ایده که ژن‌ها برای عملکردهای ضروری، توالی‌هایی به شدت حفاظت‌شده داشتند و برعکس، حوزه‌های تکامل و زیست‌شناسی رشد را تحت سلطه خود داشتند. تصور می‌شد که ژن‌های جدید به ندرت ایجاد می‌شوند. اما تا اوایل دهه ۲۰۰۰، تعدادی از محققان نشان داده بودند که ژن‌های جوان و به سرعت در حال رشد در طبیعت نادر نیستند. اگر چه سوالات بزرگی در مورد تکامل عملکرد در این ژن‌های جوان وجود داشت، فرض بر این بود که آن‌ها اساسا مدرن هستند، تنها مزایا و بهبودهای کوچک و غیر ضروری را فراهم می‌کردند، و هیچ چیز حیاتی برای زنده ماندن نداشتند.به همین دلیل است که لانگ در سال ۲۰۱۰ زمانی که او و شاگردانش «۲۰۰ ژن جدید و جوان را در دروزوفیلا - مگس سرکه- با استفاده از تکنیکی به نام تداخل RNA» از کار انداختند، بسیار شگفت‌زده شد. تقریبا ۳۰٪ این ژن‌های جوان ضروری تشخیص داده شدند؛ مگس‌ها بدون آن‌ها مردند. حتی شگفت‌انگیزتر اینکه، تقریبا همان درصد ژن‌های قدیمی ضروری بودند-تنها حدود ۲۵ تا ۳۵ درصد از آن‌ها. ژن‌های جوان به همان اندازه ژن‌های قدیمی بودند که عملکردهای ضروری را کد می‌کردند.لانگ گفت: «من واقعا شوکه و هیجان‌زده بودم.» لانگ می‌گوید: ما احساس می‌کردیم که ایده‌های قدیمی این حوزه درست نبوده و درست نبوده اند، چون کشف آن‌ها بسیار شمایلی به نظر می‌رسید، او تصمیم گرفت تا داده‌ها را به دقت جمع‌آوری کند و از فن‌آوری‌های جدیدی مانند CRISPR برای آزمایش بیشتر آن استفاده کند. تیم او مطالعه سال ۲۰۱۰ خود را در یک مقدمه جدید به روز کرد، که برخی از چالش‌های روش‌شناختی مطالعه قبلی را مورد بررسی قرار داد و تحلیل خود را به ۷۰۲ ژن جدید دروزوفیلا گسترش داد. مقاله جدید به همان نتایج کلی رسید اما سوالات جدیدی مطرح کرد: این ژن‌های جوان دقیقا چه کاری انجام می‌دادند و چگونه این چنین حیاتی شدند؟مقایسه قدیم و جدیدبرای پی بردن به این موضوع، Malik و دانشجوی ارشد او Bhavatharini Kasinathan بر روی ژن‌های ZAD-ZNF، بزرگ‌ترین خانواده از عوامل رونویسی در حشرات تمرکز کردند. بعضی از آن‌ها به عنوان ژن‌های ضروری جدید در مطالعه قبلی لانگ معرفی شده‌بودند، اما عملکرد آن‌ها به خوبی درک نشده بود. حدود ۷۰تا از این ژن‌های ZAD-ZNF معلوم شد که در تمام گونه‌های دروزوفیلا وجود دارند، اما ۲۰ مورد آن‌ها وجود نداشت: آن‌ها چندین بار در طول ۴۰ میلیون سال تکامل گونه‌های مختلف دروزوفیلا به دست آمدند و از دست دادند.در کمال تعجب محققان، ۲۰ ژن ویژه ملانوگاستر به اندازه ۷۰ ژن که بیش از ۴۰ میلیون سال محافظت شده‌اند، احتمالا عملکردهای ضروری را کد می‌کنند. این نتایج به طور مستقل مشاهدات بلند مدت را در کل ژنوم دروزوفیلا در نتیجه فراخوانی‌های طولانی «زیبا» تایید کردند.با این حال، Malik و Kasinathan در یک چرخش عجیب مشاهده کردند که در میان آن ۲۰ ژن ویژه ملانوگاستر D، آن‌هایی که به سرعت در حال تکامل هستند، احتمالا وظایف ضروری را نسبت به آن‌هایی که به آهستگی در حال تکامل هستند، کد می‌کنند.در این مرحله از تحقیقات، مالک گفت: «شما واقعا به هر چیزی که در مورد زیست‌شناسی فکر می‌کنید را زیر سوال می‌برید، چون دوست دارید،» یک دقیقه صبر کنید. این چیست؟رقابت برای مرتبط ماندنبرای عمیق‌تر شدن در این نتیجه گیج‌کننده، Kasinathan به دنبال سرنخ‌هایی برای وظایف Nicknack و Oddjob، دو ژن ZAD-ZNF اصلی بود که به سرعت تکامل یافتند. وقتی او بررسی کرد که آن‌ها در داخل سلول‌های دروزوفیلا فعال هستند، با شگفتی دیگری مواجه شد: این عوامل رونویسی تا یوکروماتین، بخشی از ژنوم که بیشتر ژن‌ها در آن قرار دارند، محلی نشدند.در عوض، آن‌ها در هتروکروماتین‌ها متمرکز شدند-مناطقی از DNA متراکم که عمدتا در یک حالت ساکت نگه‌داشته می‌شوند زیرا حاوی بیشتر DNA غیرکدشونده و دیگر به اصطلاح ژنوم‌های دورانداخته شده هستند. زیست شناسان مولکولی، که دوست دارند روی یوکروماتین غنی از ژن، جایی که بیشتر عمل در آن صورت می‌گیرد، تمرکز کنند، به طور گسترده هیتروکروماتین را نادیده می‌گیرند. اما اگر چه هتروکروماتین‌ها به عنوان فضای ژنوم‌های دورانداخته شده در نظر گرفته می‌شوند، شامل چند توالی ضروری برای خانه‌داری سلول هستند، مانند سانترومر ها، RNA های ریبوزومی که به ساخت پروتئین‌ها کمک می‌کنند، و برخی RNA های تنظیمی که بیان ژن را در طول ژنوم کنترل می‌کنند. چون به سرعت تکامل می‌یابد، بخش‌های هتروکروماتین در گونه‌های مختلف همه کم و بیش همان وظایف ضروری را انجام می‌دهند، اما دنباله DNA زیرین آن‌ها کاملا متفاوت است.به گفته مالک، این توضیح می‌دهد که چرا Oddjob و Nicknack به سرعت تکامل می‌یابند: آن‌ها باید خود را با محیط در حال تغییر DNA هتروکروماتین ها وفق دهند تا کاربردی باقی بمانند. از بعضی جهات، آن‌ها مانند ژن‌های سیستم ایمنی هستند که به سرعت تغییر می‌کنند تا با پاتوژنهای در حال رشد سریع در نوعی مسابقه تسلیحاتی مقابله کنند. اما در این مورد، مالک گفت: « این تقریبا مانند مسابقه تسلیحاتی است که در ژنوم رخ می‌دهد تا فقط یک وظیفه ضروری را حفظ کند.»برای بررسی بیشتر عملکرد این دو ژن، محققان کپی‌هایی از Nicknack بین گونه‌های خواهر D.melanogaster و D.simulans را مبادله کردند تا ببینند که آیا دو نسخه ژن به طور عملکردی می‌توانند جایگزین یکدیگر شوند. جالب است که آن‌ها دریافتند که Nicknack از ملانوگاستر می‌تواند ماده‌ها را نجات دهد اما نرها را نجات نمی‌دهد. مالک توضیح می‌دهد که به این دلیل است که نرها یک کروموزوم Y بزرگ پر از هتروکروماتین دارند. Nicknack از ملانوگاستر می‌تواند عملکرد کافی را برای اطمینان از زنده ماندن در شبیه‌سازی ماده‌ها فراهم کند، اما توسط تمام هتروکروماتین‌های به سرعت در حال تکامل در شبیه‌سازی مردان مغلوب می‌شود.کاسیناتان گفت: « در توسعه، ما در مورد ژن‌هایی فکر می‌کنیم که واقعا مهم هستند … به شدت حفاظت‌شده هستند.» اما در اینجا موردی از خانواده ژنی وجود دارد که برای تکامل بسیار مهم است، و شما حتی عوامل رونویسی بسیار نزدیک را تعویض می‌کنید و این کار نمی‌کند. این شگفت‌انگیز و تا حدی جالب است.چگونه می توان ضروری بودهمچنین متناقض است: اگر ژن‌های جدید ضروری باشند، ارگانیسم‌های قبلی چگونه بدون آن‌ها زندگی می‌کنند؟ مالک دو احتمال را می‌بیند. یکی این که ژن اجدادی وظیفه خود را به یک ژن جدید واگذار کرد. دیگری این است که ژن جدید عملکردی را انجام می‌دهد که ارگانیسم‌های اجدادی به آن نیاز ندارند. گونه‌های امروزی با مشکلاتی مواجه می‌شوند که اجداد آن‌ها این کار را نکردند و آن مشکلات جدید به راه‌حل‌های جدید نیاز دارند. مالک می‌گوید: اما "اگر در واقع تکامل این توالی‌های هتروکروماتین باشد که ابتدا نیاز به این عملکرد اساسی را ایجاد می‌کند، چه؟"او ادامه داد: « وظیفه اصلی خود ممکن است حفظ نشود و این یک مفهوم بدعت‌آمیز است." ما فقط می‌گوییم که ژن‌های ضروری حفاظت نشده‌اند. ما در واقع می‌گوییم که این امکان وجود دارد که عملکردهای ضروری حفظ نشوند، زیرا همه آن‌ها از نظر بافت ویژه هستند.کاسیناتان و مالک در حال حاضر توجه خود را به دیگر عوامل رونویسی ZAD-ZNF معطوف کرده‌اند که بسیاری از آن‌ها نیز به هتروکروماتین ها محدود شده‌اند. مالک گفت: «این بخش از ژنوم که ما اساسا آن را نادیده گرفتیم، زیرا بسیار فقیر از ژن است … در واقع، حداقل برای ZAD-ZNFs، پاسخ به این پارادوکس ژن‌های جوان ضروری می‌شود.»این بینش می‌تواند در شناسایی ژن‌های مرتبط با انواع شرایط پزشکی و اسرار بیولوژیکی مهم باشد. مالک گفت: «اگر شما به عملکرد سانترومر هستید، اگر تنها به ژن‌هایی نگاه کنید که کاملا در میان انسان‌ها، مخمرها و مگس‌ها حفظ شده‌اند، می‌توانید ژن‌های واقعا مهمی که اهداف درمانی بالقوه هستند را از دست بدهید.» « ما اجازه داده‌ایم که بینش و نوع تعصب ما را تا حدی تحت‌تاثیر قرار دهد که ممکن است بسیاری از زیست‌شناسی مهم را از دست بدهیم.»ترجمه این مقاله با استفاده از ربات ترجمه آنلاین مقالات زیست شناسی انجام شده و بصورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است. در نتیجه ممکن است دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.