كشف بحث جديد أن “الحمض النووي العشوائي” يتم نسخه بشكل نشط في الخميرة ولكنه خامل إلى حد كبير في خلايا الثدييات، حيث يتشارك الكائنان في سلف مشترك وآليات جزيئية. في هذه الدراسة، يكشف إدخال الجين الاصطناعي بترتيب عكسي في الخلايا الجذعية للخميرة والفأر عن اختلافات كبيرة في نشاط النسخ. تشير النتائج إلى أنه بينما تقوم خلايا الخميرة بنسخ جميع الجينات تقريبًا، فإن خلايا الثدييات تقوم بشكل طبيعي بقمع النسخ. لا يتحدى هذا البحث فهمنا لنسخ الجينات عبر الأنواع فحسب، بل له أيضًا آثار على مستقبل الهندسة الوراثية واكتشاف جينات جديدة.
دراسة جديدة، على فطر الخميرة وحيدة الخلية “عشوائيا”. الحمض النووي“نشط بشكل طبيعي، بينما في خلايا الثدييات، يتم إيقاف هذا الحمض النووي في حالته الطبيعية، على الرغم من وجود سلف مشترك منذ مليار سنة ونفس الآلية الجزيئية الأساسية.
يدور الاكتشاف الجديد حول العملية التي يتم من خلالها تحويل التعليمات الوراثية للحمض النووي لأول مرة إلى مواد ذات صلة الحمض النووي الريبي ثم إلى البروتينات التي تشكل هياكل الجسم وإشاراته. في الخميرة والفئران والبشر، الخطوة الأولى في التعبير عن الجين، النسخ، هي العملية التي تتم من خلالها قراءة “حروف” جزيء الحمض النووي (القواعد النووية) في اتجاه واحد. على الرغم من أن 80% من الجينوم البشري ــ المجموعة الكاملة من الحمض النووي في خلايانا ــ يتم فك تشفيره بشكل فعال على أنه RNA، إلا أن أقل من 2% منه يرمز في الواقع إلى الجينات التي توجه عملية إنشاء البروتينات.
إن ما يحققه هذا النسخ المرتبط بالجينات هو لغز طويل الأمد في علم الوراثة. هل هي مجرد ضجيج، أم أنها أثر جانبي للتطور، أم أن لها وظائف؟
حاول فريق بحث في جامعة نيويورك لانغون هيلث الإجابة على هذا السؤال عن طريق إنشاء جينوم اصطناعي كبير وإجراء هندسة عكسية لرمز الحمض النووي الخاص به من جينوم والده الطبيعي. ثم قاموا بوضع الجينات الاصطناعية في الخلايا الجذعية للخميرة والفأر ونظروا في مستوى النسخ في كل منهما. نشرت في المجلة طبيعة، تظهر الدراسة الجديدة أنه في الخميرة تم إعداد الجينوم بحيث يتم نسخ جميع الجينات تقريبًا بشكل مستمر، بينما في خلايا الثدييات يتم إيقاف نفس “الحالة الافتراضية” للنسخ.
المنهجية والنتائج
ومن المثير للاهتمام، كما يقول مؤلفو الدراسة، أن التسلسل العكسي للشفرة كان يفتقر إلى جميع الآليات اللازمة لتشغيل أو إيقاف النسخ في خلايا الخميرة والثدييات، لأن الكود العكسي كان هراء. ومع ذلك، مثل صورة المرآة، يعكس الرمز العكسي بعض الأنماط الأساسية الموجودة في الكود الطبيعي، مثل عدد مرات وجود أحرف الحمض النووي، ومكان سقوطها بجانب بعضها البعض، وعدد المرات التي تكرر فيها نفسها. نظرًا لأن الكود العكسي يبلغ طوله 100000 حرف جزيئي، فقد وجد الفريق أنه يحتوي تقريبًا على عدة أجزاء صغيرة من الكود غير المعروف سابقًا والذي غالبًا ما يبدأ النسخ في الخميرة ويوقفه في خلايا الثدييات.
“فهم اختلافات النسخ الافتراضية صِنف وقال المؤلف المقابل جيف بويج، مدير معهد سول وجوديث بيرجستين لعلم الوراثة في جامعة نيويورك لانغون هيلث: “سيساعدنا ذلك على فهم أفضل لأي أجزاء من الشفرة الوراثية لها وظائف، وهي حوادث تطورية”. لتوجيه هندسة الخميرة للمساعدة في اكتشاف جينات جديدة مدفونة في الكود الضخم.”
يضفي هذا العمل وزنًا على النظرية القائلة بأن حالة النسخ النشطة للغاية يتم وضعها في الخميرة. فايروس وبما أنه ينسخ نفسه، فمن المحتمل أن يتم نسخه إلى RNA. إذا كان هذا الحمض النووي الريبوزي (RNA) يصنع بروتينًا له وظيفة مفيدة، فسيتم الحفاظ على الكود عن طريق التطور كجينة جديدة. على عكس الكائن الوحيد الخلية في الخميرة، والذي يمكن أن يكتسب جينات جديدة خطيرة تدفع التطور السريع، فإن خلايا الثدييات، وهي جزء من جسم يضم ملايين الخلايا المتعاونة، أقل احتمالا لدمج الحمض النووي الجديد في كل مرة تواجه فيها الخلية فيروسا. تحافظ العديد من الآليات التنظيمية على رمز التوازن الدقيق سليمًا.
الحمض النووي الكبير
وستقيس الدراسة الجديدة حجم سلاسل الحمض النووي، لتضيف ما يصل إلى 3 مليارات “حرف” في الجينوم البشري، وبعض الجينات يبلغ طولها 2 مليون حرف. تساعد التقنيات الشائعة في إجراء تغييرات حرفًا بحرف، ويمكن أن تصبح بعض المهام الهندسية أكثر كفاءة إذا تمكن الباحثون من صنع الحمض النووي من الصفر. نظرًا لأن الجينوم البشري معقد جدًا، فقد طور مختبر بوكي لأول مرة أسلوب “الكتابة الجينية” في الخميرة، لكنه نقله مؤخرًا إلى الشفرة الوراثية للثدييات. استخدم مؤلفو الدراسة خلايا الخميرة لتجميع تسلسلات الحمض النووي الطويلة في خطوة واحدة، ثم أدخلوها في الخلايا الجذعية الجنينية للفئران.
بالنسبة للدراسة الحالية، أجاب فريق البحث على سؤال حول مدى انتشار النسخ خلال التطور من خلال إدخال امتداد اصطناعي يبلغ 101 كيلو قاعدة من الحمض النووي المُهندس في تسلسل الترميز العكسي للجين البشري هيبوكسانثين فسفوريبوزيل ترانسفيراز 1 (HPRT1). لاحظوا تنشيطًا واسع النطاق لجين الخميرة حتى في غياب التعليمات البرمجية الهراء من المروجين، حيث تشكلت أجزاء الحمض النووي كإشارة لبدء النسخ.
أيضًا، حدد الفريق تسلسلات صغيرة في الكود العكسي، تكرر وحدات بناء الأدينوزين والثايمين، والتي يتم التعرف عليها بواسطة عوامل النسخ، وهي بروتينات ترتبط بالحمض النووي لبدء النسخ. وقال المؤلفون إن مثل هذه التسلسلات التي يتراوح طولها بين 5 و15 حرفًا، يمكن أن تحدث بسهولة بشكل عشوائي وقد تفسر جزئيًا الحالة الافتراضية للخميرة النشطة للغاية.
وعلى العكس من ذلك، نفس الرمز العكسي, لم يؤد إدخال الخلايا الجذعية الجنينية في جينوم الفئران إلى عملية نسخ واسعة النطاق. في هذه الحالة، يتم قمع ثنائي النوكليوتيدات CpG، التي تعمل على إيقاف الجينات (إسكاتها)، بشكل فعال، على الرغم من أنها ليست نشطة في الترميز العكسي. ويتكهن الفريق بأن العناصر الأساسية الأخرى في جينوم الثدييات قد تنظم عملية النسخ أكثر من الخميرة، ربما عن طريق تجنيد مجموعة من البروتينات (مركب بوليكومب) المعروفة بإسكات الجينات بشكل مباشر.
وقال المؤلف الأول بريندان كاميلاتو، وهو طالب دراسات عليا في مختبر بوكي: “كلما اقتربنا من إدخال “قيمة الجينوم” من الحمض النووي الهراء في الخلايا الحية، كلما زاد احتمال قدرتهم على مقارنته بالجينوم الحقيقي والمتطور”. “سيقودنا هذا إلى حدود جديدة في العلاج بالخلايا المهندسة، حيث تتيح القدرة على إدخال الحمض النووي الاصطناعي الأطول من أي وقت مضى فهمًا أفضل لما تتحمله جينات الإدراج، وإضافة واحد أو أكثر من الجينات الكبيرة والكاملة والمصممة هندسيًا.”
ملاحظة: بريندان ر. كاميلتو، رن بروش، هانا ج. آش، ماثيو د. مورانو وجيف د. بوج، 6 مارس 2024، “سيناريوهات الانعكاس الاصطناعية تكشف حالات الجينات الافتراضية” طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07128-2
