رمزگشایی از قوانین پنهان DNA در میان گونه‌ها

یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که در مخمر قارچ تک سلولی، DNA تصادفی به‌طور طبیعی فعال است، در حالی که در سلول‌های پستانداران این DNA به عنوان حالت طبیعی خود خاموش می‌شود.

به گزارش تکناک، یافته جدید حول فرآیندی می‌چرخد که طی آن دستورالعمل‌های ژنتیکی DNA ابتدا به ماده‌ای مرتبط به نام RNA و سپس به پروتئین‌هایی تبدیل می‌شوند که ساختارها و سیگنال‌های بدن را می‌سازند. در مخمرها، موش‌ها و انسان‌ها، اولین گام در فعالیت ژن یعنی رونویسی، با خواندن حروف مولکولی DNA (نوکلئوبازها) در یک جهت انجام می‌شود. در حالی که 80 درصد از ژنوم انسان که مجموعه کاملی از DNA در سلول‌های ما می‌باشد، به‌طور فعال به RNA رمزگشایی می‌شود، کمتر از 2٪ ژنوم در واقع ژن هایی را فعال می‌کند که ساخت پروتئین‌ها را هدایت می‌کنند.

پس یکی از رازهای دیرینه ژنومیکس این است که همه این فرآیند رونویسی غیرمرتبط با ژن در حال انجام چه کاری است؟ آیا این فقط یک نویز است، یک عارضه جانبی تکامل است یا عملکردهایی هم دارد؟

یک تیم تحقیقاتی در NYU Langone Health با ایجاد یک ژن مصنوعی بزرگ با کد DNA معکوس از والد طبیعی خود، به دنبال پاسخ به سوال بالا بودند. سپس ژن‌های مصنوعی را در سلول‌های بنیادی مخمر و موش قرار دادند و سطوح رونویسی را در هر یک از این گونه‌ها مشاهده کردند.

این مطالعه جدید که در مجله Nature منتشر شده، نشان می‌دهد که در مخمر، سیستم ژنتیکی طوری تنظیم شده است که تقریباً همه ژن‌ها به‌طور مداوم رونویسی می‌شوند، در حالی که همان وضعیت پیش فرض رونویسی در سلول‌های پستانداران خاموش است.

روش‌شناسی و یافته‌ها

محققان می‌گویند که ترتیب معکوس کد به این معنی است که همه مکانیسم‌هایی که در سلول‌های مخمر و پستانداران برای روشن یا خاموش کردن رونویسی تکامل یافته‌اند، وجود نداشتند، زیرا کد معکوس شده بی‌معنی بود.

با این حال، مانند یک تصویر آینه‌ای، کد معکوس برخی از الگوهای اساسی را که در کدهای طبیعی دیده می‌شود، از نظر تعداد دفعات حضور حروف  DNA، نزدیکی آنها و تعداد دفعات تکرار آنها، منعکس می‌کند. با داشتن طول کد معکوس 100000 حرف مولکولی، محققان کشف کردند که به‌طور تصادفی بخش‌های کوچکی از کدهای ناشناخته قبلی را شامل می‌شود که احتمالاً رونویسی را اغلب در مخمر آغاز می‌کنند و آن را در سلول‌های پستانداران متوقف می‌کنند.

دکتر جف بوئک، یکی از محققان این مطالعه می‌گوید: درک تفاوت‌های رونویسی پیش‌فرض در بین گونه‌ها به ما کمک می‌کند تا بهتر بفهمیم چه بخش‌هایی از کد ژنتیکی دارای عملکرد هستند و کدام‌یک از نتایج تکامل هستند. این امر به نوبه خود می‌تواند به مهندسی مخمر برای ساخت داروهای جدید یا ایجاد درمان‌های ژنی جدید منجر ‌شود یا حتی به ما کمک ‌کند تا ژن های جدید مدفون در کد وسیع را پیدا کنیم.

این تحقیق به این نظریه اعتبار می‌دهد که حالت رونویسی بسیار فعال مخمر به گونه‌ای تنظیم شده است که DNA خارجی که به ندرت به مخمر تزریق می‌شود(به عنوان مثال توسط ویروس در حین کپی کردن خود) احتمالاً به RNA رونویسی می‌شود.

اگر آن RNA  پروتئینی با عملکرد مفید بسازد، کد با تکامل به عنوان یک ژن جدید حفظ خواهد شد. برخلاف موجودات تک سلولی مانند مخمر که می‌توانند ژن‌های خطرناک جدیدی را که باعث تکامل سریع‌تر می‌شوند، به دست بیاورند، سلول‌های پستانداران که میلیون‌ها سلول دارند، کمتر آزادند تا هر بار که سلولی با ویروس مواجه می‌شود، DNA  جدید را ترکیب کنند. بسیاری از مکانیسم‌های نظارتی از کد متعادل و ظریف، همانطور که هست محافظت می‌کنند.

DNA بزرگ

مطالعه جدید باید اندازه زنجیره‌های DNA را با 3 میلیارد حرف در ژنوم انسان و در ژن‌های مخمر با 2 میلیون حرف در نظر می‌گرفت. در حالی که تکنیک‌های معروف امکان ایجاد حروف به حرف تغییرات را فراهم می‌کنند، اگر محققان DNA را از ابتدا بسازند، با تغییرات گسترده‌ای که در بخش‌های بزرگی از کد از پیش مونتاژ شده ایجاد می‌شود و به جای همتای طبیعی آن به سلول مبادله می‌شود، برخی از وظایف مهندسی کارآمدتر هستند. از آنجایی که ژن‌های انسانی بسیار پیچیده هستند، آزمایشگاه بوکه ابتدا رویکرد نوشتن ژنوم خود را در مخمر توسعه داد، اما به تازگی آن را با کد ژنتیکی پستانداران تطبیق داد. نویسندگان این مطالعه از سلول‌های مخمر برای جمع‌آوری توالی‌های طولانی DNA در یک مرحله استفاده کردند و سپس آنها را به سلول‌های بنیادی جنینی موش تحویل دادند.

برای مطالعه کنونی، محققان با معرفی یک کشش مصنوعی 101 کیلوبازی از DNA مهندسی شده ژن انسانی هیپوگزانتین فسفریبوزیل ترانسفراز 1 (HPRT1) به ترتیب کدگذاری معکوس، به این سؤال پرداختند که رونویسی چگونه در سراسر تکامل فراگیر است. آنها فعالیت گسترده ژن را در مخمر مشاهده کردند و دیدند که علیرغم فقدان کد بی‌معنی پروموترها، قطعات DNA که برای سیگنال شروع رونویسی تکامل یافته بودند، حضور داشتند.

علاوه بر این، محققان توالی‌های کوچکی را در کد معکوس شناسایی کردند که این توالی امتداد مکرر بلوک‌های سازنده آدنوزین و تیمین بود که توسط فاکتورهای رونویسی شناسایی می‌شوند و پروتئین‌هایی هستند که برای شروع رونویسی به DNA متصل می‌شوند. محققان گفتند که این توالی‌ها فقط 5 تا 15 حرف طول دارند و می‌توانند به راحتی به‌صورت تصادفی رخ دهند و ممکن است تا حدی وضعیت پیش‌فرض مخمر بسیار فعال را توضیح دهند.

برعکس، همان کد معکوس وارد شده در ژنوم سلول‌های بنیادی جنینی موش، باعث رونویسی گسترده‌ای نشد. در این سناریو، رونویسی سرکوب شد حتی اگر دی نوکلئوتیدهای CpG تکامل یافته که به‌طور فعال ژن‌ها را خاموش می‌کنند، در کد معکوس کارایی نداشتند. محققان حدس می‌زنند که سایر عناصر اساسی در ژنوم پستانداران ممکن است رونویسی را بسیار بیشتر از مخمرها محدود کنند و شاید با به‌کارگیری مستقیم یک گروه پروتئینی (کمپلکس پلی‌کامب) شناخته شده برای خاموش کردن ژن‌ها این کار را انجام دهند.

برندان کاملاتو، نویسنده اول این تحقیق گفت: هرچه به معرفی ارزش ژنوم از DNA بی‌معنی در سلول‌های زنده نزدیک‌تر شویم، بهتر می‌توان آن را با ژنوم واقعی و تکامل‌یافته مقایسه کرد. این کار می‌تواند ما را به مرز جدیدی از درمان‌های سلولی مهندسی‌شده سوق دهد، زیرا ظرفیت قرار دادن DNAهای مصنوعی طولانی‌تر درک بهتری از درج‌هایی که ژنوم‌ها تحمل می‌کنند و شاید گنجاندن یک یا چند ژن بزرگ‌تر، کامل و مهندسی‌شده را ممکن می‌سازد.