تنظیم ژن‌های انسان توسط "زباله‌های ژنتیکی" انجام می‌شود

به گزارش مجله خبری نگار/برنا - پژوهشگران معتقدند بخشی از DNA انسان که تصور می‌شد «زباله ژنتیکی» است، در واقع نقش حیاتی در تنظیم ژن‌ها ایفا می‌کند.

به گزارش science tech daily سال‌ها بسیاری از دانشمندان گمان می‌کردند که بخش‌هایی از DNA انسان بی‌فایده‌اند؛ قطعاتی به‌جامانده از ویروس‌های باستانی که صرفاً در طول میلیون‌ها سال در ژنوم ما باقی مانده‌اند. اما یافته‌های یک پژوهش بین‌المللی جدید، این دیدگاه را به چالش کشیده و نشان داده است که این توالی‌های به ظاهر «بی‌استفاده»، نقش کلیدی در تنظیم عملکرد ژن‌ها، به‌ویژه در مراحل ابتدایی رشد انسان ایفا می‌کنند.

این پژوهش نشان می‌دهد که این قطعات ویروسی، که میلیون‌ها سال پیش به ژنوم اجداد ما نفوذ کرده‌اند، همچون کلید‌های روشن و خاموش عمل کرده و تعیین می‌کنند که کدام ژن‌ها، در چه زمانی و در چه سلول‌هایی فعال شوند. به گفته دانشمندان، همین عناصر ممکن است از دلایل تفاوت‌های ژنتیکی انسان با سایر گونه‌ها نیز باشند.

تسلط ویروس‌های خاموش در ژنوم انسان

حدود نیمی از ژنوم انسان را توالی‌هایی به نام عناصر قابل‌انتقال (Transposable Elements - TEs) تشکیل می‌دهند که ریشه در ویروس‌های باستانی دارند. این توالی‌ها در گذر زمان با سازوکار «کپی و چسباندن» در سراسر ژنوم تکثیر شده‌اند. اگرچه تا پیش از این تصور می‌شد که این عناصر ژنتیکی نقشی در عملکرد زیستی ندارند، اما اکنون مشخص شده است که برخی از آنها همچون «کلید‌های ژنتیکی» عمل کرده و می‌توانند ژن‌های مجاور خود را فعال یا غیرفعال کنند.

با این حال، مطالعه این توالی‌ها همواره چالش‌برانگیز بوده است، زیرا بسیاری از آنها شباهت زیادی به یکدیگر دارند و به‌صورت تکراری در ژنوم ظاهر می‌شوند. یکی از خانواده‌های جوان‌تر این عناصر، به نام MER ۱۱ تاکنون به‌درستی در پایگاه‌های ژنتیکی شناسایی و برچسب‌گذاری نشده بود و به همین دلیل، عملکرد آن برای دانشمندان ناشناخته باقی مانده بود.

رویکردی جدید برای طبقه‌بندی عناصر ژنتیکی

برای حل این مشکل تیم پژوهشی روشی نوین برای طبقه‌بندی دقیق‌تر عناصر MER ۱۱ ارائه داد. به‌جای استفاده از ابزار‌های معمول برچسب‌گذاری ژنوم، آنها این توالی‌ها را بر اساس میزان شباهت تکاملی و فراوانی در میان گونه‌های مختلف پستانداران اولیه دسته‌بندی کردند. نتیجه این بود که انواع MER ۱۱ A، MER ۱۱ B و MER ۱۱ C به چهار زیرگروه جدید با نام‌های MER ۱۱_G ۱ تا MER ۱۱_G ۴ تقسیم شدند؛ از قدیمی‌ترین تا جدیدترین.

نقش‌های اپی‌ژنتیکی در تنظیم فعالیت ژن‌ها

با این دسته‌بندی جدید محققان توانستند ارتباط دقیق‌تری بین این توالی‌ها و نشانگر‌های اپی‌ژنتیکی شناسایی کنند. این نشانگرها، که شامل برچسب‌های شیمیایی روی DNA و پروتئین‌های همراه آن هستند، به تنظیم فعالیت ژن‌ها کمک می‌کنند. یافته‌ها نشان داد که دسته‌بندی تازه MER ۱۱، بهتر از مدل‌های قبلی می‌تواند نقش‌های بیولوژیکی این عناصر را توضیح دهد.

برای بررسی عملکرد واقعی این توالی‌ها پژوهشگران از روشی نوین به نام lentiMPRA استفاده کردند. این تکنیک پیشرفته اجازه می‌دهد هزاران توالی DNA به‌طور هم‌زمان وارد سلول‌ها شوند و میزان تأثیر آنها بر بیان ژن‌ها سنجیده شود. در این مطالعه، حدود ۷ هزار توالی MER ۱۱ از انسان و سایر نخستی‌ها (از جمله شامپانزه و ماکاک) مورد آزمایش قرار گرفتند. این آزمایش‌ها در سلول‌های بنیادی انسانی و سلول‌های عصبی اولیه انجام شد.

کشف توانمندی منحصر‌به‌فرد MER ۱۱_G ۴

نتایج حاکی از آن بود که زیرگروه MER ۱۱_G ۴، که جوان‌ترین گروه است، بیشترین توان را در فعال‌سازی بیان ژن‌ها دارد. این زیرگروه دارای موتیف‌های تنظیمی خاصی است؛ توالی‌های کوتاهی در DNA که محل اتصال فاکتور‌های رونویسی (transcription factors) هستند. این موتیف‌ها نقش حیاتی در پاسخ‌دهی ژن‌ها به سیگنال‌های رشد یا عوامل محیطی ایفا می‌کنند.

تحلیل‌های بیشتر نشان داد که توالی‌های MER ۱۱_G ۴ در انسان، شامپانزه و ماکاک طی فرگشت، تغییرات خاصی پیدا کرده‌اند. در انسان و شامپانزه، برخی از این توالی‌ها دارای جهش‌هایی بودند که می‌توانند قدرت تنظیمی آنها را در سلول‌های بنیادی افزایش دهند.

شون چن، پژوهشگر اصلی این مطالعه می‌گوید: زیرگروه MER ۱۱_G ۴ توانسته از طریق این تغییرات، عملکرد تنظیمی متفاوتی کسب کند که احتمالاً در فرایند گونه‌زایی (speciation) نقش داشته است.

بازنگری در مفهوم DNA زباله

این تحقیق مدلی برای درک بهتر چگونگی تحول توالی‌های به‌ظاهر بی‌فایده به عناصر تنظیم‌کننده زیستی ارائه می‌دهد. با ردیابی مسیر فرگشتی این توالی‌ها و آزمایش عملی عملکردشان، پژوهشگران نشان داده‌اند که DNA‌های ویروسی باستانی چگونه در مسیر تکامل به عناصر ضروری برای تنظیم بیان ژن‌ها تبدیل شده‌اند.

اینوئه نویسنده همکار این مطالعه، در پایان تأکید می‌کند: با وجود اینکه ژنوم انسان سال‌هاست توالی‌یابی شده، هنوز عملکرد بسیاری از بخش‌های آن ناشناخته باقی مانده است. عناصر قابل‌انتقال می‌توانند نقش بزرگی در تکامل ژنوم ایفا کنند و با پیشرفت تحقیقات، اهمیت آنها بیش از پیش روشن خواهد شد.