تاريخ علم أحياء الحمض النووي الريبوزي

شهدت دراسات الحمض النووي الريبوزي (RNA) (الرنا اختصارًا) اكتشافاتٍ محوريةً عديدةً في علم الأحياء، شملت أعمالًا رائدة في مجالات الكيمياء الحيوية، والوراثة، وعلم الأحياء الدقيقة، والبيولوجيا الجزيئية، والتطور الجزيئي، وعلم الأحياء البنيوي. حصل 30 عالِمًا على جوائز نوبل عن أبحاثٍ تجريبية تضمنت دراسات حول الحمض النووي الريبوزي حتى عام 2010. يناقش هذا المقال اكتشافات محددة ذات أهمية بيولوجية عالية.

لمعلومات ذات صلة، راجع مقالات تاريخ البيولوجيا الجزيئية وتاريخ علم الوراثة. للخلفية العلمية، راجع مقالات الحمض النووي الريبوزي والأحماض النووية.

 1930–1950 

 اختلاف الخصائص الكيميائية بين الرنا والدنا 
عندما دُرس الحمضان لأول مرة في أوائل القرن العشرين، لم تكن الاختلافات الكيميائية والبيولوجية بين الرنا (RNA) والدنا (DNA) واضحة، وسُمّيا بناءً على المصادر التي عُزلا منها؛ فعُرِف الرنا أولًا باسم «الحمض النووي للخميرة» بينما عُرِف الدنا باسم «الحمض النووي للغدة الزعترية».Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology. "Thymus Nucleic Acid", Oxford Reference. Retrieved on 21 October 2015.  باستخدام اختبارات كيميائية تشخيصية، أوضح كيميائيو الكربوهيدرات أن الحمضين النوويين يحتويان على سكريات مختلفة، ومن ثم أصبح الاسم الشائع للرنا هو «الحمض النووي الريبوزي». أظهرت دراسات كيميائية حيوية مبكرة أخرى أن الرنا يتحلل بسهولة عند ارتفاع درجة الحموضة (pH العالي)، بينما يظل الدنا مستقرًا (وإن كان منزوع الطبيعة) في الوسط القلوي. كشف تحليل تركيب النوكليوسيدات أولًا أن الرنا يحتوي على قواعد نووية مشابهة للدنا، مع وجود اليوراسيل بدلًا من الثايمين، كما كشف أن الرنا يتضمن عددًا من المكونات الثانوية للقواعد النووية، مثل كميات صغيرة من السوديوريدين والديميثيل غوانين.

 التوضع الخلوي والدور التكويني 
في عام 1933، أثناء دراسة بيوض قنافذ البحر العذراء، اقترح جان براشيه أن الدنا يوجد في نواة الخلية وأن الرنا حصريًا موجود في السيتوبلازم. في ذلك الوقت، كان يُعتقد أن «الحمض النووي للخميرة» (الرنا) يوجد فقط في النباتات، بينما «الحمض النووي للغدة الزعترية» (الدنا) يوجد فقط في الحيوانات. وكان يُعتقد أن الأخير رباعي الوحدات، ووظيفته تنظيم درجة حموضة الخلية. خلال ثلاثينيات القرن العشرين، أجرى يواكيم هامرلينغ تجارب على الأستابولاريا ميز فيها بين مساهمات النواة ومواد السيتوبلازم (التي اكتُشف لاحقًا أنها الدنا والرنا المرسال على التوالي) في تكوين الشكل الخلوي والتطور.

 1951–1965 

 الرنا المرسال (mRNA) يحمل المعلومات الوراثية التي تُوجه تصنيع البروتين 
ظهر مفهوم الرنا المرسال في أواخر خمسينيات القرن العشرين، ويرتبط بتوصيف كريك «العقيدة المركزية لعلم الأحياء الجزيئي» التي أكدت أن الدنا يقود إلى تكوّن الرنا، مما يؤدي بدوره إلى تخليق البروتينات. خلال أوائل ستينيات القرن ذاته، ساهمت التحليلات الجينية المتطورة للطفرات في «أوبيرون اللاكتوز» للإشريكية القولونية وفي موضع «آر 2» للعاثية «تي 4» بشكل حاسم في تحديد طبيعة الرنا المرسال والشفرة الوراثية.

كانت الطبيعة قصيرة العمر للرنا البكتيري، جنبًا إلى جنب مع التعقيد الشديد لمجموعة الرنا المرسال الخلوي، تجعل العزل الكيميائي الحيوي للرنا المرسال تحديًا كبيرًا. تم التغلب على هذه المشكلة في ستينيات القرن العشرين باستخدام خلايا الشبكية في الفقاريات، والتي تنتج كميات كبيرة من الرنا المرسال المُخصّب بشدة بالرنا المُشَفِّر لسلسلتي «الغلوبين ألفا وبيتا» (السلستين البروتينيتين الرئيسيتين للهيموغلوبين). وقدم أول دليل تجريبي مباشر على وجود الرنا المرسال بواسطة نظام تكوين الهيموغلوبين هذا.

 الريبوسومات تصنع البروتينات 
أظهرت نتائج تجارب التتبع في كبد الجرذان في خمسينيات القرن العشرين أن الأحماض الأمينية المشعة ارتبطت سريعًا جدًا بما يدعى «الجسيمات الدقيقة» (أُعيد تعريفها لاحقًا كريبوسومات) بعد إدخالها، وقبل دمجها على نطاق واسع في البروتينات الخلوية. تم تصوير الريبوسومات أول مرة باستخدام المجهر الإلكتروني، وتحديد مكوناتها الريبونوكلئوبروتينية بأساليب فيزيائية حيوية، خاصة تحليل الترسيب في أجهزة الطرد المركزي الفائق القادرة على توليد تسارع عالٍ جدًا (يعادل مئات الآلاف من مرات الجاذبية). تم تحديد «متعددات الريبوسومات» (عدة ريبوسومات تتحرك على طول جزيء رنا مرسال واحد) في أوائل ستينيات القرن ذاته، وقادت دراستها إلى فهم كيفية قراءة الريبوسومات للرنا المرسال في اتجاه 5′ إلى 3′، بينما تقوم بتصنيع البروتينات أثناء ذلك.

 الرنا الناقل (tRNA) هو الرابط المادي بين الرنا والبروتين 
أظهرت تجارب التجزيء الكيميائي الحيوي أن الأحماض الأمينية المشعة دُمجت سريعًا في جزيئات رنا صغيرة بقيت ذوَّابة في ظروف تترسب فيها الجسيمات الأكبر الحاوية على الرنا. سُميت هذه الجزيئات «الرنا الذوَّاب» (sRNA) وأُعيد تسميتها لاحقًا بالرنا الناقل (tRNA). بينت الدراسات اللاحقة أن: (أولًا) كل خلية تحوي أنواعًا متعددة من الرنا الناقل، يرتبط كلٌّ منها بحمض أميني واحد محدد، (ثانيًا) توجد مجموعة إنزيمات مطابقة مسؤولة عن ربط الرنا الناقل بالأحماض الأمينية الصحيحة، (ثالثًا) وأن تسلسلات «مضاد الكودون» في الرنا الناقل تشكل تفاعل فك تشفير خاص مع «كودونات» الرنا المرسال.

 حُلّت الشفرة الوراثية 
تتكون الشفرة الوراثية من ترجمة تسلسلات نوكليوتيدية معينة في الرنا المرسال إلى تسلسلات أحماض أمينية محددة في البروتينات (البولي ببتيدات). نشأت القدرة على فك الشفرة الوراثية من تقاطع ثلاثة مجالات دراسة مختلفة: (أولًا) أساليب جديدة لتوليد جزيئات رنا صناعية ذات تركيب محدد لتعمل كرنا مرسال اصطناعي، (ثانيًا) تطوير أنظمة الترجمة خارج الخلوية التي يمكن استخدامها لتحويل الرنا المرسال الاصطناعي إلى بروتين، (ثالثًا) وأعمال جينية تجريبية ونظرية أثبتت أن الشفرة مكتوبة باستخدام «كلمات» ثلاثية الأحرف (الكودونات).يسمح فهمنا اليوم للشفرة الوراثية بالتنبؤ بالتسلسل الأميني للبروتينات المنتَجة من عشرات الآلاف من الجينات التي يجري تحديد تسلسلها في دراسات الجينوم.

 تمت تنقية بوليميراز الرنا 
سمحت التنقية الكيميائية الحيوية وتوصيف بوليميراز الرنا من بكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli) بفهم الآليات التي يبدأ وينهي بها البوليميراز عملية النسخ، وكيفية تنظيم هذه العمليات للتحكم في التعبير الجيني (أي: تشغيل الجينات وإيقافها). تم تحديد بوليميرازات الرنا الثلاث في نواة حقيقيات النوى عقب عزل بوليميراز الرنا من الإشريكية القولونية، بالإضافة إلى تلك المرتبطة بالفيروسات والعضيات. أدت دراسات النسخ أيضًا إلى تحديد العديد من العوامل البروتينية المؤثرة في العملية، بما فيها الكوابح والمنشطات والمعززات. أتاح توافر مستحضرات البوليميراز المنقاة للباحثين تطوير طرق جديدة متنوعة لدراسة الرنا في المختبر، وقاد مباشرة إلى العديد من الاكتشافات اللاحقة الأساسية في بيولوجيا الرنا.

 1966–1975 

 أول تسلسل نوكليوتيدي كامل لجزيء حمض نووي بيولوجي 
رغم أن تحديد تسلسل البروتينات أصبح روتينيًا إلى حد ما، إلا أن طرق تسلسل الأحماض النووية لم تتوفر حتى منتصف ستينيات القرن العشرين. في هذا العمل الرائد، تم تنقية رنا ناقل محدد بكميات كبيرة، ثم تقطيعه إلى شظايا متداخلة باستخدام مجموعة من «الرايبونوكليازات». وفر تحليل التركيب النوكليوتيدي التفصيلي لكل شظية المعلومات اللازمة لاستنتاج تسلسل الرنا الناقل. أصبح اليوم تحليل تسلسل جزيئات الأحماض النووية الأكبر حجمًا تلقائي بشكل كبير وأسرع بكثير.

 التباين التطوري في متواليات الرنا المتماثلة يكشف أنماط الطي 
تم تنقية وتسلسل جزيئات رنا ناقل إضافية. أُجري أول تحليل مقارن للمتواليات وكشف أن المتواليات تباينت خلال التطور بطريقة تسمح لجميع جزيئات الرنا الناقل بالطي في هياكل ثانوية متشابهة جدًا (هياكل ثنائية الأبعاد)، مع احتوائها على متواليات متطابقة في مواقع عديدة (مثل: CCA عند الطرف 3′). تُعرف الهيئة الشعاعية رباعية الأذرع لجزيئات الرنا الناقل باسم «هيئة البرسيم»، وتنتج عن تطور متواليات ذات سلف مشترك ووظيفة بيولوجية مشتركة. منذ اكتشاف هيئة البرسيم في الرنا الناقل، أدى التحليل المقارن للعديد من جزيئات الرنا المتماثلة الأخرى إلى تحديد متواليات وأنماط طي مشتركة.

 المراجع 

تصنيف:تاريخ علم الجينات
تصنيف:حمض نووي ريبوزي غير مشفر