کشف تازه‌: راز چین خوردن ژنوم لاک‌پشت‌ها!

ساختار سه‌بعدی کروموزوم‌ها و تأثیر آن بر عملکرد ژن‌ها

در زنجیره‌های طولانی نوکلئوتیدها، مولکول‌های DNA حاوی داده‌های ژنتیکی عظیمی هستند که دستورالعمل‌هایی برای نحوه عملکرد موجودات زنده ارائه می‌دهند – نقشه زندگی. با این حال، نحوه ذخیره‌سازی این نقشه بر چگونگی خواندن و استفاده از آن تأثیر می‌گذارد. هنگامی که سلول‌ها تقسیم و تکثیر می‌شوند، رشته‌های DNA که دور پروتئین‌ها پیچیده شده‌اند – کروماتین – در کروموزوم‌های به هم فشرده قرار دارند. پس از تقسیم، کروموزوم‌ها شل می‌شوند و کروماتین کمتر متراکم می‌شود. نحوه و جایی که الیاف کروماتین بر روی خود تا می‌خورند و حلقه می‌زنند، بر فعال‌سازی ژن‌ها تأثیر می‌گذارد.

یافته‌های یک تیم تحقیقاتی به رهبری دانشگاه ایالت آیووا، بینش جدیدی در این فرآیند ارائه می‌دهد که ممکن است کاربردهای بیومدیکال بالقوه‌ای داشته باشد. نیکول والنزولا، استاد بوم‌شناسی، تکامل و زیست‌شناسی ارگانیسم‌ها در دانشگاه ایالت آیووا، گفت: “ساختار سه‌بعدی کروماتین هنگام تا خوردن برای تنظیم ژن‌ها اهمیت دارد. جایی که کروماتین به‌طور فیزیکی در هسته قرار دارد، مهم است. تکامل الگوهای تا خوردن کروماتین بر عملکرد ژنوم و برنامه‌های توسعه‌ای که منجر به تکامل فنوتیپی و سازگاری با محیط‌های در حال تغییر می‌شود، تأثیر می‌گذارد.” او افزود: “تا خوردن کروموزوم‌ها همچنان در هاله‌ای از ابهام قرار دارد. ما اطلاعات زیادی درباره آن کسب کرده‌ایم، اما هنوز تنها نوک کوه یخ را مشاهده کرده‌ایم.”

تأثیر شکل و موقعیت کروموزوم‌ها بر عملکرد ژن‌ها

شکل و موقعیت کروموزوم‌ها در مرحله بین‌دوره‌ای پس از تقسیم سلولی بر عملکرد ژن‌ها تأثیر می‌گذارد، زیرا این وضعیت موجب می‌شود که نواحی غیرمجاور با یکدیگر در تماس قرار بگیرند، مانند توالی‌های تقویت‌کننده و پروموترهای ژن. DNA که به‌راحتی در نواحی فعال کروماتین در دسترس است، بیشتر احتمال دارد که بیان شود، در حالی که DNA در کروماتین سرکوب‌شده و کمتر قابل دسترسی، خاموش می‌شود.

با تحلیل اینکه بخش‌های مختلف مولکول‌های DNA چقدر به یکدیگر تماس پیدا می‌کنند، دانشمندان مدل‌های متفاوتی از پیکربندی‌های فیزیکی کروماتین در انسان‌ها و بسیاری از حیوانات معمولاً مورد تحقیق، از جمله موش‌ها و پرندگان، ایجاد کرده‌اند. به کمک تیم تحقیقاتی که والنزولا رهبری کرده است، لاک‌پشت‌ها نیز به این فهرست اضافه شده‌اند. در یک مقاله اخیر در Genome Research، محققان مطالعه خود را بر روی ژنوم‌های دو گونه لاک‌پشت توصیف کردند که نشان‌دهنده یک آرایش کروماتینی شگفت‌انگیز بود که در سایر موجودات مشاهده نشده است.

ترتیب نوین کروموزوم‌ها

کروموزوم‌ها دارای یک نقطه اتصال نازک به نام سنتروئم هستند و در انتهای خود توسط توالی‌های تکراری DNA به نام تلوئم محافظت می‌شوند. در انسان‌ها، کروموزوم‌ها در قلمروهای جداگانه‌ای درون هسته سلول قرار دارند. اما در سلول‌های برخی از حیوانات، مانند کیسه‌داران، کروموزوم‌ها به‌گونه‌ای خوشه‌ای می‌شوند که سنتروئم‌های آن‌ها بتوانند با یکدیگر تعامل داشته باشند. در سایر حیوانات، مانند پرندگان، آن‌ها به‌گونه‌ای خوشه‌ای می‌شوند که تلوئم‌ها در تماس باشند. لاک‌پشت‌ها تنها حیواناتی هستند که تا کنون مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و در آن‌ها، تلوئم‌ها و سنتروئم‌ها به‌گونه‌ای هم‌راستا قرار دارند که نزدیک به یکدیگر باشند.

تفاوت‌های ساختاری و تأثیرات آن بر تنظیم ژن‌ها

این تفاوت‌ها در نحوه‌ی تا شدن و موقعیت، به تنظیم ژن‌ها بسته به نسل خاص تبدیل می‌شود. والنسوئلا گفت: “این امکان وجود دارد که این وضعیت، وضعیت اجدادی آمینوت‌ها باشد که از آن پستانداران، پرندگان و خزندگان به الگوهای مختلفی تکامل یافته‌اند. لاک‌پشت‌ها ممکن است به ما نشان دهند که در آغاز چه چیزی وجود داشته و بر روی تکامل ژنوم‌های مهره‌داران نور می‌افکنند.”

یادگیری بیشتر درباره ساختار سه‌بعدی ژنوم لاک‌پشت‌ها و چگونگی واکنش آن به شرایط محیطی می‌تواند به توضیح پایه‌های ژنتیکی ویژگی‌هایی کمک کند که می‌توانند برای استفاده‌های پزشکی در انسان‌ها مورد بهره‌برداری قرار گیرند. به عنوان مثال، برخی از لاک‌پشت‌ها می‌توانند هفته‌ها بدون اکسیژن زنده بمانند که این می‌تواند به درمان سکته‌های مغزی منجر شود. فهمیدن چگونگی تحمل برخی از لاک‌پشت‌ها در برابر سرماهای شدید می‌تواند به حفظ بافت‌های انسانی در شرایط کرایوژنیک کمک کند.

والنسوئلا که تحقیقاتش بر روی لاک‌پشت‌ها متمرکز است، گفت: “ما می‌خواهیم بیشتر بفهمیم که چرا نسل‌های مختلف در برخی جنبه‌ها تفاوت دارند و چرا در جنبه‌های دیگر مشابه هستند؛ کدام قسمت‌ها را مشترک داریم و کدام قسمت‌ها متفاوت‌اند. اگر بتوانیم تاریخ تکاملی تغییراتی که رخ داده را بازسازی کنیم، قادر خواهیم بود اطلاعات بیشتری درباره اینکه چگونه تفاوت‌ها در بسته‌بندی DNA و تا شدن کروموزوم‌ها ممکن است بر ویژگی‌های مورد نظر ما تأثیر بگذارد، به دست آوریم. همچنین، فهمیدن اینکه ساختار کروماتین لاک‌پشت‌ها چگونه به شرایط خارجی پاسخ می‌دهد، به تلاش‌های حفاظتی کمک خواهد کرد و به پیش‌بینی تأثیرات احتمالی تغییرات محیطی بر زیست‌شناسی آن‌ها کمک می‌کند.”

این مطالعه به‌طور جزئی با دو کمک‌هزینه از بنیاد ملی علوم تأمین مالی شده است.

تحقیق عمیق‌تر

مطالعه سازمان فضایی ژنوم‌های لاک‌پشت‌ها همچنان یکی از اولویت‌های آزمایشگاه والنسوئلا خواهد بود. او گفت که برنامه‌های آینده شامل بررسی گونه‌های اضافی لاک‌پشت است. مطالعه فعلی مربوط به لاک‌پشت‌های نرم‌پوست خاردار و لاک‌پشت‌های بزرگ شمالی بود، اما گروه تحقیقاتی والنسوئلا قبلاً داده‌هایی برای بررسی ساختار ژنو‌می چهار گونه دیگر لاک‌پشت‌ها جمع‌آوری کرده است. او همچنین تمایل دارد لاک‌پشت‌ها را با تمساح‌ها، مارمولک‌ها و مارها مقایسه کند تا ببیند آیا کروماتین آن‌ها در الگوهای مشابهی سازماندهی شده است یا خیر.

برای بررسی عمیق‌تر عملکرد تا شدن کروماتین لاک‌پشت‌ها، والنسوئلا به مطالعه ارگانوئیدهای کبدی که آزمایشگاهش برای سه گونه لاک‌پشت توسعه داده است، خواهد پرداخت. این ارگانوئیدها، توپ‌های کوچکی از سلول‌ها هستند که در آزمایشگاه رشد کرده و نسخه‌ای ساده‌شده از بافت کبد را شبیه‌سازی می‌کنند. همچنین، روش‌های نقشه‌برداری پیشرفته‌تر نتایج غنی‌تری را به همراه خواهد داشت، از جمله داده‌های با وضوح بالا که نقشه‌های کروماتین دقیق‌تری تولید می‌کند و تکنیک‌هایی برای مطالعه چگونگی تغییر ساختار سه‌بعدی کروماتین در طول زمان و در محیط‌های مختلف.

او گفت: “برای انجام واقعی نقشه‌برداری از ژنوتیپ به فنوتیپ، باید به این سطح از پیچیدگی برسیم.”