ژن‌های جدید از کجا می‌آیند؟

در جستجوی منابع جدید ژنتیکی، محققان دریافته‌اند که بر خلاف فرضیات قدیمی برخی از «ژن‌های یتیم» بدون هیچ اجداد مشخصی خارج از DNA بی‌ارزش، تکامل می‌یابند.ظهور ژن‌های جدید منبع مهمی از تازگی زیستی است. اخیرا محققان به این نکته پی برده‌اند که چگونه در توالی‌های DNA که قبلا چیزی را کدگذاری نکرده اند، مرتبا شکل جدیدی به خود می‌گیرند.منتشر‌شده در: مجله quanta به تاریخ ۹ آپریل ۲۰۲۰لینک منبع: Where Do New Genes Come Fromتکامل ژن‌های جدید اغلب با ظهور ویژگی‌های جدید در گونه‌ها همراه است. بنابراین یکی از بزرگ‌ترین معماهای زیست‌شناسی تکاملی همیشه این بوده‌است که چگونه نوآوری ژنتیکی بروز می‌کند.در طول نیم‌قرن یا بیشتر، بیشتر زیست شناسان با نتایج سوسومو اوهونو، ژنتیست، در کتاب پرنفوذ خود به نام تکامل ژن، موافق بودند. او در حالی که تصدیق می‌کرد اولین ژن‌ها باید از جایی آمده باشند، نوشت: «با این حال، به مفهوم دقیق، هیچ چیز در تکامل از نو ایجاد نمی‌شود. هر ژن جدید باید از یک ژن موجود نشات‌گرفته باشد …»به نظر می‌رسد این توضیح درست باشد زیرا ژن‌های واقعا جدید باید از طریق تکامل که بر روی DNA فراوان «غیرژنی» (اغلب به عنوان آشغال) بین ژن‌ها عمل می‌کند، پدیدار شوند. به سختی می‌شد تصور کرد که این اتفاق چگونه می‌تواند رخ دهد. تناسب سلول‌ها عموما به عملکرد روان شبکه‌های ژنی که برای کار با یکدیگر در طول میلیون‌ها سال تکامل یافته‌اند، بستگی دارد. ژن‌های مشتق‌شده از ژن‌های دیگر شانس بیشتری برای ترکیب شدن با این شبکه‌ها دارند. در مقایسه، رونوشت‌های نسبتا تصادفی از ژن‌های نو ظهور به نظر می‌رسد که باید، در بهترین حالت، بی‌اهمیت و احتمالا مضر برای آینده سلول‌ها باشند. یوفه مک لیساگت، متخصص ژنتیک در کالج ترینیتی دوبلین می‌گوید: « حکمت دریافت‌شده این است که دنباله‌های تصادفی بیشتر باعث آشفته شدن چیزها می‌شوند تا بهتر شدن آن‌ها.»اما در ۱۵ سال گذشته، شواهد برای ژن‌های نو به طور پیوسته جمع شده‌اند، به طوری که بحث از این که آیا ژن‌های نو ساخته وجود دارند به این که آن‌ها چقدر در تکامل و انطباق نقش دارند، تغییر کرده‌است.آیف مک لیساط، متخصص ژنتیک در کالج ترینیتی دوبلین، و همکارانش نشان دادند که توالی خاصی از DNA غیر ژنی می‌تواند به عنوان «ژن‌های اولیه» عمل کند که شایستگی سلول‌ها را بهبود می‌بخشد.آزمایش‌ها اخیر توسط مک لیساط و دیگر محققان شروع به تعیین کمیت این موضوع کرده‌اند که چگونه اغلب ژن‌های از نو در گستره وسیعی از موجودات زنده رخ می‌دهند. برآوردهای آن‌ها متفاوت است اما پاسخ‌ها نشان می‌دهند که برای بسیاری از ژن‌هایی که به عنوان جوان یا جدید شناخته می‌شوند، به نظر می‌رسد که مکانیسم از نو حداقل با جایگزین توصیف‌شده اونو (و گاهی اوقات حتی شایع‌تر) برابر باشد.کارولین وایزمن، دانشجوی دکترای رشته بیوفیزیک در دانشگاه هاروارد، که در حال انجام تحقیقات در مورد منشا ژن‌ها است، می‌گوید: «ژن‌های نو» نشان‌دهنده یک نوع تازگی ژنتیکی واقعا بی‌سابقه یا بی‌نظیر هستند. «این یک احتمال بسیار هیجان‌انگیز برای زیست شناسان تکاملی است که در مورد این فکر می‌کنند که چگونه چیزهایی مانند نوآوری تکامل می‌یابند.»راه‌های زیادی برای یتیم شدن وجود داردبیشتر ژن‌های موجود در هر گونه می‌توانند حداقل در یک گونه دیگر نیز یافت شوند. ژن‌ها ممکن است توالی کمی متفاوتی در هر نمونه داشته باشند، اما به اندازه کافی شبیه به هم به نظر می‌رسند تا به طور قابل شناختی مرتبط باشند؛ که معمولا از طریق تکامل هستند. جهش‌های تصادفی، توالی را در طول زمان واگرا می‌کنند، اما ژن‌های هومولوگ (یا همولوگ) می‌توانند با شباهتشان به خانواده طبقه‌بندی شوند. برای مثال ژن‌های تمام مولکول‌های هموگلوبین کمی متفاوت که در انسان و دیگر پستانداران یافت می‌شوند به یک خانواده تعلق دارند.او این نظریه را مطرح کرد که یک مکانیزم واگرایی می‌تواند توضیح دهد که چگونه ژن‌ها با عملکردهای جدید بوجود می‌آیند. در این کار، او نشان داد که ژن‌های جدید می‌توانند از طریق تکرار ژن‌های قدیمی‌تر به وجود آیند، و به دنبال آن جهش‌هایی که باعث تفاوت دو همولوگ در عملکرد و همچنین توالی می‌شوند.با این حال همچنان که کل ژنوم بیشتر در دسترس قرار می‌گرفت و محققان آن‌ها را برای کسب اطلاعات جستجو می‌کردند، به نظر می‌رسید که قطعات از پازل گم شده‌بودند. به نظر نمی‌رسید که برخی ژن‌ها متعلق به هیچ خانواده‌ای باشند. این «ژن‌های یتیم» به طور خاص در دودمان‌های خاصی ظاهر شدند و هیچ جد یا عموزاده مشخصی نداشتند. سپس سوالی که مطرح شد این بود که چگونه این ژن‌های یتیم به وجود آمدند.پیش‌فرض این بود که این مکانیزم «اونو» بود که به یک واگرایی افراطی فراتر از تشخیص گرفته شد. توالی‌های ژن یتیم می‌توانستند به این سرعت یا برای مدت طولانی تکامل یابند و شباهت خانواده شان را از دست بدهند.سایر توضیحات ممکن بود، اما به گفته مک لیساط، آن‌ها کم‌تر محتمل به نظر می‌رسیدند. برای مثال، ژن‌های یتیم از طریق انتقال افقی ژن‌های کامل یا جزیی از باکتری‌ها یا ویروس‌ها می‌توانند وارد یک اصل و نسب شوند، اما تعداد کمی از یتیمان شناسایی‌شده در ارگانیسم‌های پیچیده به نظر می‌رسید که می‌توانند از باکتری‌ها باشند. به طور نظری، اگر تمام هومولوگ‌های آن در دیگر نسل‌ها تصادفا در اثر تکامل از بین می‌رفتند، یک ژن نیز می‌توانست یتیم شود؛ اما این نیز به نظر غیر محتمل می‌رسید که یک توضیح معمولی باشد. و سپس این امکان از نو به وجود آمد، اما با موانع خود به وجود آمد.با این حال، محققان به پیدا کردن ژن‌های یتیمی ادامه دادند که به نظر متقاعد کننده می‌رسید که آن‌ها از نو ساخته شده‌اند. برای مثال در سال‌های ۲۰۰۶ و ۲۰۰۷، دیوید بگان متخصص ژنتیک در دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، ژن‌های را در بیضه مگس‌های میوه شناسایی کرد که از توالی‌های غیر ژنی تکامل‌یافته بودند. به تدریج، این سوال از این مساله تغییر کرد که آیا ژن‌های نو ساخته تا چه حد رایج بودند.در طول دهه گذشته، محققان به شدت در مورد اهمیت نسبی ایجاد ژن از نو و واگرایی فراتر از شناسایی بحث کرده‌اند. اما هنوز راه آسانی برای نگاه کردن به ژن‌های یتیم و تعیین چگونگی رشد آن‌ها وجود نداشت. مک لیساط گفت: «این کار به یک معنا، حوزه تحقیق را فلج کرده‌است؛ زیرا اگر واقعا نمی‌توانید بدانید که چند ژن واقعی هستند و اهمیت این پدیده چیست، پس کمی گیر افتاده‌اید.»مکان، مکان، مکانبرای وضوح بخشیدن به این بحث، مک لیساط و نیکولائوس واکرلیس (که اکنون در مرکز تحقیقات علوم پزشکی الکساندر فلمینگ در یونان است)، همراه با همکار آن‌ها آن روکساندرا کارونیس در دانشگاه پیتسبورگ، تعیین کردند که نسبت ژن‌های یتیم در مگس‌ها، مخمرها و انسان‌ها را می توان با اختلاف توالی توضیح دهند.آن‌ها یک رویکرد جدید برای این تحلیل اتخاذ کردند، همانطور که در یک مقاله در eLife در ماه فوریه شرح دادند. دانشمندان معمولا بررسی می‌کنند که آیا ژن‌ها با مقایسه توالی نوکلیوتیدی آن‌ها هومولوگ هستند (یا توالی اسید آمینه پروتئین‌هایی که کد می‌کنند). در عوض، تیم مک لیساط به موقعیت هر ژن نسبت به همسایگان خود نگاه کرد؛ویژگی که ژنتیک آن را سینتنی ژن می‌نامد.در بافت‌های بیضه مگس میوه سرکه، بسیاری از ژن‌های جوان فعال هستند. با توجه به کار دیوید بگان از دانشگاه کالیفرنیا، دیویس و همکارانش به نظر می‌رسد که برخی از آن‌ها از نو ساخته شده‌اند.مک لیساط این قیاس را برای توضیح رویکرد آن‌ها پیشنهاد کرد: فرض کنید با یک دسته منظم از کارت‌های بازی شروع می‌کنید و آن‌ها را به آرامی به حرکت در می‌آورید. دو کارت اول در روی بازی ۹ و ۱۰ هستند؛ شما کارت سوم را رو به پایین نگه دارید؛ کارت‌های چهارم و پنجم ملکه و پادشاه هستند. شما می‌توانید با اطمینان قابل قبولی حدس بزنید که کارت مخفی، سرباز است زیرا احتمال اینکه توالی کامل از کارت وسط باقی بماند بهتر است.به طور مشابه، ترتیب ژن‌های همسایه روی کروموزوم عمدتا از طریق تکامل حفظ شده‌است. بخش‌هایی از کروموزوم‌ها به طور قابل‌توجهی متوسل می‌شوند، اما در آن بلوک‌های به هم ریخته، آرایش ژن‌ها تمایل به دست‌نخورده ماندن دارد. محققان این فرضیه را به صورت محافظه کارانه مطرح کرده‌اند که اگر همسایگان یک ژن به یک ترتیب در گونه‌های دیگر ظاهر شوند، آنگاه این ژن احتمالا با هر چیزی که بین آن‌ها در گونه‌های دیگر قرار می‌گیرد، مطابقت می‌کند؛ حتی اگر این توالی‌ها با هم مطابقت نداشته باشند.با استفاده از روش همزمانی، محققان تخمین زدند که حداکثر یک سوم ژن‌های یتیمی در مگس‌ها، مخمرها و انسان‌ها را می توان با واگرایی فراتر از تشخیص توضیح داد. مک لیساط گفت: «بقیه باید به روش‌های دیگر توضیح داده شوند، و منشا جدید بهترین راه برای توضیح آن‌ها است.»نرخ واگراییویسمن و مشاوران هارواردی او اندرو مورای و شان ادی از یک روش کمی متفاوت برای رسیدگی به همان مشکل استفاده کردند که اخیرا در یک مقاله پیش‌انتشار روی biorxiv.org ارایه شده و برای بررسی به یک ژورنال ارائه کرده‌اند. «سوال کلی در اینجا این است که اگر نتوانیم یک همولوگ خارج از یک ارگانیسم یا یک گروه را شناسایی کنم، آیا به این دلیل است که همولوگ آنجا است و نمی‌توانیم آن را تشخیص دهم، یا به این دلیل که همولوگ آنجا نیست؟»برای پی بردن به این موضوع، او به گروهی از گونه‌های مرتبط مخمر و مگس میوه دروزوفیلا نگاه کرد و میزان تجمع جهش در خانواده‌های ژنی آن‌ها را برآورد کرد. سپس او می‌توانست به طور آماری تعیین کند که آیا همولوگ برای ژن در یک گونه حتی در گونه‌های با ارتباط دوردست قابل‌تشخیص است یا خیر. او توضیح داد که این امکان را به او می‌دهد تا مواردی را شناسایی کند که در آن‌ها « نتیجه شما که به نظر می‌رسد این ژن یک یتیم است تنها از طریق رشد طبیعی ژن و عدم آگاهی کامل نرم‌افزار جستجو، کاملا قابل‌تبیین است.»لی ژائو، متخصص ژنتیک در دانشگاه راکفلر، پیشنهاد کرد که یک روش خوب برای یادگیری بیشتر در مورد تکامل نوپدید با نگاه کردن به ژن‌های نسبتا جوان است، چرا که دنباله‌های غیر ژنی که از آن‌ها تکامل یافتند ممکن است بیشتر قابل‌شناسایی باشند.ویزمن تخمین زد که حدود ۵۵ تا ۷۳ درصد از ژن‌های یتیم در این مخمرها (که اکثریت آن‌ها را تشکیل می‌دهند) توسط واگرایی توضیح داده می‌شوند؛ این رقم بالاتر از روش همزمانی مک لیساط است. با این حال، برای ویزمن، مایه اطمینان است که روش او و مک لیساط به طور اساسی با هم در این نتیجه‌گیری هم‌گرایی دارند «که تعداد کاملا ناچیزی از این ژن‌ها وجود دارند که احتمالا فقط به خاطر واگرایی هستند» او افزود: « حتی اگر ۳۰٪ یا ۵۰٪ یا ۸۰٪ باشد، به طوری که شما آن را برش دهید، به وضوح برای افرادی که می‌خواهند ژن‌های [ de novo ] را با مطالعه ژن‌های یتیم مطالعه کنند، مشکل است.»لی ژائو، متخصص ژنتیک در دانشگاه راکفلر که هیچ یک از کارهای ویزمن یا مک لیساط را انجام نداده است، موافق است که هر دو مقاله به نتیجه تقریبا یکسانی در مورد منشا ژن‌های یتیم می‌رسند، اگر چه یکی بر فراوانی ژن‌های از نو و دیگری فراوانی ژن‌های از واگرایی تاکید می‌کند. او گفت: « یک مقاله در مورد نیمه‌پر بودن این لیوان صحبت می‌کند و مقاله دیگر نیمه خالی را توصیف می‌کند.»جائو ادامه داد: با توجه به ترکیب منشاءهای ژن‌های یتیم، یک راه خوب برای مطالعه ژن‌های از نو ممکن است تمرکز بر روی ژن‌های بسیار جوان باشد. او توضیح داد که اگر یک ژن از نو به تازگی به وجود آمده باشد، هنوز هم باید امکان شناسایی توالی غیر ژنی متناظر در گونه‌های دیگر که از آن‌ها تکامل‌یافته، وجود داشته باشد. این نشان می‌دهد که ژن یتیم واقعا از نو ساخته شده‌است.چگونه عملکرد ظاهر می‌شودیک نمونه خوب از این مورد، مطالعه سال ۲۰۱۹ ژن جدید در برنج وحشی آسیایی (oryza) به رهبری مانیوآن لانگ، متخصص ژنتیک در دانشگاه شیکاگو است که از اوایل دهه ۱۹۹۰ پیشگام تحقیقات در مورد ژن‌های جدید بوده‌است. لانگ و همکارانش حدود ۱۷۵ ژن را شناسایی کردند که در طول ۳.۴ میلیون سال از نو ایجاد شدند؛ آن‌ها می‌توانستند تشخیص دهند که این ژن‌ها از نو ساخته شده‌اند زیرا دنباله‌های غیر ژنی متناظر هنوز در گونه‌های کاملا مرتبط قابل‌تشخیص هستند. این ژن‌های نوپدید از نظر بیولوژیکی فعال به نظر می‌رسیدند - یعنی به RNA رونویسی شدند و به زنجیره‌های پپتیدی ترجمه شدند، و بیشتر آن‌ها نشانه‌هایی از شکل گرفتن توسط انتخاب طبیعی را نشان دادند.در برنج وحشی اریزا، محققان به رهبری مانیوآن لانگ از دانشگاه شیکاگو ۱۷۵ ژن نوپدید را شناسایی کردند که در طول ۳.۴ میلیون سال گذشته تکامل‌یافته اند.مطالعات طولانی تایید کرده است که ژن‌های نوساخته نسبتا فراوان و از نظر عملکرد مهم بودند. اما این سوال را مطرح کرد که دقیقا چگونه یک توالی غیر ژنی می‌تواند به یک ژن عملکردی تبدیل شود. یک پاسخ ممکن، فرضیه «ژن اولیه» است که توسط کارونیس و همکارانش در مقاله‌ای در مجله ۲۰۱۲ مطرح شد: ژن‌های خالص می‌توانند به عنوان امتداد DNA که به RNA و محصولات پروتئینی که در ابتدا هیچ کاری انجام نمی‌دهند، ساخته می‌شوند، شروع شوند. با این حال، تحت شرایط محیطی درست، این ژن‌های اولیه می‌توانند برخی مزایا را فراهم کنند و در نتیجه شروع به تکامل تحت انتخاب کنند.کارونیس، وکریلیس، مک لیساط و همکارانش این ایده را به طور تجربی در یک مقاله در مجله ارتباطات Nature که در ماه فوریه منتشر شد، آزمایش کردند. اول، آن‌ها از نظر محاسباتی دنباله‌های DNA در مخمر را شناسایی کردند که به نظر می‌رسید با تکامل تدریجی جوان بوده و به طور فعال رونویسی می‌شوند اما پروتئین‌های عملکردی تولید نمی‌کنند. سپس متوجه شدند که وقتی این توالی‌ها یا حذف و یا بیش از حد بیان شدند، چه اتفاقی برای شایستگی مخمر افتاد.آنچه استنباط‌شده این است که دنباله‌های تصادفی به احتمال زیاد کارها را خراب می‌کنند تا اینکه آن‌ها را بهتر کنند.حذف این توالی‌های پروتو ژن به نظر مضر نمی‌آمد؛ این امر منطقی به نظر می‌رسید، زیرا آن‌ها در سلامت مخمر نقش نداشتند. اما در کمال تعجب محققان، وقتی حدود ۱۰٪ از توالی‌های ژن-پرو بیان شد، آن‌ها رشد کلونی‌های مخمر را افزایش دادند. در واقع، بیان بیش از حد این توالی‌های پروتو ژن بیشتر از بیان بیش از حد ژن‌های عملکردی مفید بود (احتمالا تکامل قبلا سطح مطلوبی از بیان را برای آن‌ها تنظیم کرده‌است). مک لیساط گفت: «ما لزوما انتظار نداشتیم که این توالی‌های تا حدی تصادفی این پتانسیل را برای افزودن به تناسب اندام داشته باشند.»با توجه به واکیرلیس، این نتایج نشان می‌دهند که ژن‌های اولیه پتانسیل سازگاری بالایی دارند: اثرات آن‌ها ممکن است به خوبی تعریف نشود، اما می‌توانند به طور بالقوه به سلول از بسیاری جهات کمک کنند. این پتانسیل چیزی است که تکامل می‌تواند در طول زمان کشف کند اگر توالی را به ژن‌های عملکردی اصلاح کند.کارونیس گفت: « ما نشان می‌دهیم که دنباله‌های در حال ظهور می‌توانند سازگار باشند.»محققان همچنین مشاهده کردند که توالی‌های مفید پروتو ژن چیزی مشترک دارند: محصولات پروتئینی ترجمه‌شده از آن‌ها عموما حوزه‌هایی دارند که ممکن است آن‌ها را قادر به نشستن در غشا سلول یا اندامک کند. محققان در حال حاضر در حال بررسی این موضوع هستند که چگونه یک پروتئین ممکن است با قرار دادن خود در آنجا شانسش را برای انجام کاری مهم برای یک سلول، افزایش دهد.مک لیساط گفت، اگرچه مطالعه آن‌ها پتانسیل تطبیقی ژن‌های در حال ظهور را نشان داد، نقش واقعی ژن‌های از نو برای انطباق ممکن است همیشه «تا حدی پوشیده از رمز باقی بماند.» با جمع شدن جهش‌ها در ژن‌های نو، شناسایی توالی‌های غیر ژنی که از آن می‌آیند سخت‌تر می‌شود. با گذشت زمان نامشخص، ممکن است همیشه غیرممکن باشد که ثابت کنیم یک ژن قدیمی از نو بوجود آمده‌است. بنابراین کاهش تعداد واقعی ژن‌های نو ساز و نقش آن‌ها در سازگاری جدید در بیشتر موجودات زنده پیچیده می‌تواند یک مشکل لاینحل باشد.با این حال، لانگ تاکید کرد که ژن‌های یتیمی بیولوژی دارند که ارزش بررسی را بدون در نظر گرفتن منشا شان دارند. ویزمن فکر می‌کند که این امر ممکن است به طور خاص در مورد ژن‌هایی که به نظر می‌رسد واگرایی آن‌ها به طور ناگهانی در نقطه جدیدی در تکامل شان شتاب گرفته‌است، درست باشد: آن‌ها ممکن است بتوانند به ما بگویند که چگونه کارکردهای زیستی جدید تکامل می‌یابند.برای ایجاد ژن‌های یتیم، « ما می‌دانیم که مکانیزم‌های مختلفی وجود دارد.» اما « اصول راهنما برای اینکه چرا برخی فرایندهای بیولوژیکی ممکن است تکامل ژنی از نو بیشتری داشته باشند، در حالی که دیگران ممکن است دارای تکثیر و واگرایی بیشتری باشند؛ که ما هنوز واقعا در دست نداریم.»وکریلیس در مورد تعداد سوالاتی که هنوز برای پاسخ به آن‌ها نیاز است، موافق است. من فکر نمی‌کنم در این زمینه چیزی به خوبی تثبیت شده‌باشد به جز این واقعیت که ژن‌های نو ساخته واقعی هستند و به نظر گسترده می‌رسند-و بسته به این که شما از چه کسی می‌خواهید، چقدر گسترده خواهند بود. او گفت: « این یک وضعیت بسیار پویا است که ما هر سال بیشتر و بیشتر یاد می‌گیریم.»این متن با استفاده از ربات مترجم مقالات علمی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.