حل یک معمای ژنومی دیرینه توسط دانشمندان

محققان UCSC پیشنهاد می‌کنند که اینترون ها منبع پیچیدگی مولکولی منحصر به فرد یوکاریوت ها (موجوداتی‌اند که مانند جانوران و گیاهان هسته سلول‌هایشان دارای پوشش مشخصی می‌باشد) عمدتاً از اینترونرها (introners) منشا می‌گیرند.

به گزارش تکناک، منشا اینترون ها(بخش‌ی از ژنوم که رونویسی از روی آن‌ها انجام می‌پذیرد) ، بخش هایی از DNA غیر کدکننده است که باید قبل از سنتز پروتئین از کد ژنتیکی حذف شود و یکی از ماندگارترین اسرار در زیست شناسی محسوب می شود.

اینترون‌ها یک ویژگی جهانی ژنوم‌های یوکاریوتی هستند که در همه حیوانات، گیاهان، قارچ‌ها و آغازیان یافت می‌شوند، اما در ژنوم‌های پروکاریوتی مانند باکتری‌ها وجود ندارد.

علیرغم فراگیر بودن آنها، تنوع قابل توجهی در تعداد اینترون های موجود در ژنوم گونه های مختلف، حتی در میان گونه های نزدیک به هم وجود دارد. این موضوع درک منشأ و تکامل اینترون ها را به یک معمای دیرپای و اساسی در زیست شناسی تبدیل کرده است.

اکنون، مطالعه جدیدی که توسط دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز انجام شده و در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده ، به اینترونرها اشاره می کند که یکی از چندین مکانیسم کشف شده پیشنهادی برای ایجاد اینترون در سال 2009 است و توضیحی برای منشاء بیشتر اینترون ها در گونه ها می باشد.

محققان بر این باورند که اینترونرها تنها توضیح محتمل برای رویدادهای انفجار اینترون هستند که در آن هزاران اینترون ظاهراً به یکباره در ژنوم ظاهر می‌شوند و شواهدی از این موضوع را در شجره نامه گونه‌های موجود پیدا شده است.

راسل کوربت-دتیگ، دانشیار مهندسی زیست مولکولی و نویسنده ارشد این مطالعه گفت: این مطالعه توضیح قابل قبولی برای اکثریت قریب به اتفاق منشا اینترون ها ارائه می دهد.

مکانیسم‌های دیگری نیز وجود دارد، اما این تنها مکانیزمی است که من می‌دانم که می‌تواند هزاران و هزاران اینترون را به یکباره در ژنوم تولید کند. اگر درست باشد، این نشان می‌دهد که ما یک فرآیند اصلی را کشف کرده‌ایم که واقعاً در مورد ژنوم‌های یوکاریوتی خاص است.

اینترون ها مهم هستند زیرا امکان اتصال جایگزین را فراهم می کنند، که به نوبه خود به یک ژن اجازه می دهد تا برای رونوشت های متعدد کدنویسی کند بنابراین چندین عملکرد سلولی پیچیده را انجام می دهد. اینترون‌ها همچنین می‌توانند بر بیان ژن تأثیر بگذارند، سرعتی که ژن‌ها برای ساخت پروتئین‌ها و سایر RNA‌های غیر کدکننده فعال می‌شوند.اینترون ها در نهایت یک اثر خنثی تا اندکی منفی روی گونه هایی دارند که در آنها وجود دارند، زیرا وقتی پیوند اینترون ها به درستی انجام نشود، ژنی که در آن زندگی می کنند ممکن است آسیب ببیند و حتی بمیرد. چنین مواردی از اتصال از دست رفته علت برخی از سرطان ها هستند.

کوربت-دتیگ و همکارانش ژنوم 3325 گونه یوکاریوتی را جست‌وجو کردند تا بفهمند اینترون‌های مشتق شده از اینترونر چقدر رایج هستند و در کدام گروه از گونه‌ها دیده می‌شوند. آنها در مجموع 27563 اینترون مشتق از اینترونر را در ژنوم 175 گونه یافتند، به این معنی که شواهدی از اینترونر ها را می توان در 5.2 درصد از گونه های بررسی شده مشاهده کرد.

این شواهد در همه گونه‌ها، از حیوانات گرفته تا آغازیان تک سلولی (موجوداتی که آخرین جد مشترکشان بیش از 1.7 میلیارد سال پیش می‌زیست) یافت شد. تنوع گونه هایی که آنها یافت می شوند نشان می دهد که اینترونر ها هم اساسی ترین و هم گسترده ترین منبع اینترون ها در درخت زندگی هستند.

کوربت-دتیگ گفت: تنوع وجود دارد و اینطور نیست که یک تکه کوچک از درخت زندگی وجود داشته باشد. شما این را در طیف بسیار وسیعی از گونه ها می بینید، که نشان می دهد این یک مکانیسم بسیار کلی است.

این تجزیه و تحلیل تنها می تواند شواهدی از بازگشت اینترونر به میلیون ها سال قبل را شناسایی کند، زمانی که نوبت به تاریخ تکاملی می رسد، یک بازه زمانی نسبتاً کوتاه است.

این احتمال وجود دارد که انفجار اینترون در برخی از گونه‌ها، مانند انسان، در زمانی فراتر از محدوده این تجزیه و تحلیل رخ داده باشد. به این معنی که این مطالعه احتمالاً دامنه واقعی اینترون‌های مشتق‌شده از اینترونر در همه یوکاریوت‌ها را دست کم می‌گیرد.

اینترونرها به عنوان انگل ژنومی

در اکوسیستم ژنوم، اینترونرها را می توان به عنوان یک انگل با هدف بقا و تکثیر خود در نظر گرفت. وقتی یک درونر وارد یک ارگانیسم جدید می شود، آن میزبان جدید هرگز آن عنصر را قبلاً ندیده است و هیچ راهی برای دفاع از خود ندارد و به آن اجازه می دهد در یک گونه جدید تکثیر شود.

لاندن گزشتی، نویسنده مسئول مقاله که روش های تجزیه و تحلیل این مطالعه را در مقطع کارشناسی در دانشگاه UCSC توسعه داد و اکنون دانشجوی تحصیلات تکمیلی در هاروارد است، گفت: همه چیز در تکامل یک تضاد است و این عناصر، از جمله (اینترورها)، قطعات خودخواهانه DNA هستند. آنها فقط می خواهند تکرار شوند و تنها دلیلی که نمی خواهند میزبان خود را بکشند این است که با این کار می میرند.

با جدا شدن از توالی DNA قبل از انجام ترجمه ژن به پروتئین، اینترورها راهی را پیدا کردند که تأثیر کمتری بر تناسب ژن میزبان داشته باشد و به آنها اجازه دهد تا در طول نسل های تکامل گونه میزبان تداوم داشته باشند. محققان دریافتند که به نظر می‌رسد اینترون‌های مشتق شده از اینترونرها بهتر از انواع دیگر اینترون‌ها به هم متصل می‌شوند تا اثرات منفی آن‌ها بر ژن را محدود کنند تا اینترونر و هم میزبان بهتر بتوانند زنده بمانند.

اینترونرهای بیشتر در دریا

در حالی که همه اینترونرها در همه انواع گونه ها یافت شدند، نتایج نشان داد که موجودات دریایی 6.5 برابر بیشتر از گونه های خشکی احتمال اینترونر دارند.

محققان فکر می کنند که این احتمالاً به دلیل پدیده ای به نام انتقال افقی ژن است که در آن ژن ها از یک گونه به گونه دیگر منتقل می شوند، برخلاف انتقال عمودی معمول از طریق جفت گیری و انتقال ژن ها از والدین به فرزند. قبلاً مشخص شده است که انتقال افقی ژن در محیط های دریایی، به ویژه بین گونه های تک سلولی با اکولوژی های پیچیده، بیشتر اتفاق می افتد.

اینترونرها می توانند از این طریق سفر کنند زیرا به دسته ای از عناصر ژنومی به نام عناصر قابل انتقال تعلق دارند که توانایی حرکت فراتر از محیط سلولی را دارند که در آن زندگی می کنند و از نظر مکانیکی برای سفر بین گونه ها از طریق انتقال افقی ژن مجهز هستند. همانطور که اینترونرها از یک گونه به گونه دیگر در محیط های دریایی منتقل می شوند، حضور خود را در سراسر درخت زندگی به شدت گسترش می دهند.

با توجه به اینکه می‌دانیم همه گونه‌ها از موجودات دریایی تکامل یافته‌اند، ممکن است گونه‌های خشکی از انفجار اینترون‌ها در تاریخ تکاملی خود اینترون به دست آورند.

کوربت-دتیگ گفت: اگر اجداد شما موجودات دریایی بودند، که اینطور است، احتمال زیادی وجود دارد که بسیاری از اینترون های شما به نوعی از یک رویداد مشابه [انفجار اینترونری] در آن زمان به ارث رسیده باشند. این ممکن است در گذشته تکاملی ما بسیار مهم بوده باشد.

اینترونرهای بیشتری نیز در میان گونه‌های قارچی یافت شد، که نرخ انتقال ژن افقی بالاتری دارند، و بیشتر از این ایده حمایت می‌کند که این پدیده باعث افزایش اینترونر می‌شود.

در تحقیقات آینده، کوربت-دتیگ قصد دارد به دنبال اثبات انتقال افقی ژن در قالب اینترونرهای تقریباً یکسان در دو گونه مختلف باشد.او خطوط داده کاوی را راه‌اندازی کرده است تا جامعه جهانی محققان ژنومیک، ژنوم گونه‌های جدید را به مخازن داده‌ها ارسال کنند و الگوریتم او اینترونرهای هر ژنوم جدید را جستجو کرده و آن را با همه اینترونر های شناخته‌شده مقایسه می‌کند تا شباهت‌ها را پیدا کند.

پیچیدگی چگونه تکامل می یابد؟

این مطالعه چالشی را برای یکی از نظریه‌های فراگیر تکامل ژنوم در مورد اینکه چه چیزی باعث پیچیدگی ژنومی در یوکاریوت‌ها می‌شود، ارائه می‌کند.

این تئوری همچنین بیان می‌کند که در نقطه‌ای از تکامل، بسیاری از گونه‌ها اندازه جمعیت مؤثر پایینی داشتند، به این معنی که تعداد بسیار کمی از موجودات در یک گونه برای ایجاد نسل بعدی خود فرزندانی تولید می‌کردند. این باعث شد تا عناصر شناخته شده که اثرات منفی اندکی بر روی جمعیت دارند در ژنوم جمع شوند.

به دنبال این نظریه، اینترونرها که خنثی تا اندکی مضر هستند، بیشتر در جمعیت هایی با جمعیت موثر کمتر دیده می شوند، اما محققان برعکس آن را دریافتند. به عنوان مثال، آنها دریافتند که سیمبیودینیوم، آغازیانی که به‌عنوان جمعیت مؤثرتر از انسان‌ها، گیاهان زمینی و سایر بی‌مهرگان شناخته می‌شود، گونه‌ای است که به نظر می‌رسد بیشترین اینترون‌ها را در بین افراد مورد بررسی به دست می‌آورد.

اما این تحقیق به پیچیدگی ناشی از سازگاری ایجاد شده توسط خود ژنوم اشاره نمی کند، بلکه به عنوان پاسخی به تعارض ناشی از عنصر قابل انتقال مهاجم، یعنی اینترونر، در تلاش برای تکثیر است. همانطورکه اینترونرها و سایر عناصر برای بقا و تداوم تلاش می کنند، این تضاد پیچیدگی ژنوم را به همراه دارد.

اینترونرها و بیان ژن

اثرات خنثی به منفی اینترون ها نیز با تأثیر آنها بر بیان ژن مشهود است. هنگام مقایسه ژن‌ها با اینترونرهای وارد شده در مقایسه با آنهایی که وارد نشده آنهایی که اینترونر دارند سطح بیان کلی پایین‌تری داشتند، به این معنی که برای انجام وظایف در بدن کمتر روشن می شوند.

تحقیقات مداوم کوربت-دتیگ در مورد این موضوع همچنین شامل بررسی شواهد مستقیم از چگونگی تأثیر ظاهر اینترون ها در ژنوم بر افراد درون یک گونه است. او چندین گونه را شناسایی کرده است که در حال تجربه انفجار اینترون هستند و به بررسی تأثیر اینترونرها بر روی DNA و RNA سلول می‌پردازد و این که چگونه بر آمادگی تکاملی گونه تأثیر می‌گذارد.