ساختار عجیب کروموزوم لاک‌پشت‌ها: کشف کلیدی برای درمان سکته و سرمایه‌گذاری در علم!

ساختار سه‌بعدی کروموزوم‌ها و نقشش در عملکرد ژن‌ها

مولکول‌های DNA که در اون رشته‌های بلند نوکلئوتیدها قرار دارن، حاوی اطلاعات ژنتیکی فوق‌العاده‌ای هستن که دستورالعمل‌های لازم برای عملکرد موجودات زنده رو فراهم می‌کنن. این اطلاعات به‌عنوان نقشهٔ حیات شناخته می‌شه. با این حال، نحوهٔ ذخیرهٔ این نقشه، روی این که چطور خونده و استفاده بشه، تأثیر می‌گذاره. وقتی سلول‌ها تقسیم و زیاد می‌شن، رشته‌های DNA که دور پروتئین‌ها پیچیده شدن – یعنی کروماتین – جمع می‌شن و کروموزوم‌های متراکمی رو به‌وجود میارن. بعد از تقسیم، کروموزوم‌ها باز می‌شن و کروماتین کمتر متراکم می‌شه. این که الیاف کروماتین چطور روی خودشون تا می‌خورن و حلقه می‌زنن، تأثیر زیادی روی فعال‌سازی ژن‌ها داره.

یافته‌های یه تیم تحقیقاتی به سرپرستی دانشگاه ایالت آیووا، بینش‌های جدیدی در این فرآیند ارائه می‌ده که احتمالاً کاربردهای زیست‌پزشکی زیادی داره. خانم نیکول والنزوئلا، استاد بوم‌شناسی، تکامل و زیست‌شناسی ارگانیسم‌ها در دانشگاه ایالت آیووا، گفت: «ساختار سه‌بعدی کروماتین وقتی که برای تنظیم ژن‌ها تا می‌خوره، خیلی مهمه. این‌که کروماتین از نظر فیزیکی کجا در هسته قرار داره، اهمیت داره. تکامل الگوهای تا خوردن کروماتین روی عملکرد ژَنِوم و برنامه‌های رشدی که منجر به تکامل فنوتیپی و سازگاری با محیط‌های در حال تغییر می‌شن، تأثیر می‌ذاره.» اون اضافه کرد: «هنوزم تا خوردن کروموزوم‌ها یه معماست. ما اطلاعات زیادی راجع بهش به‌دست آوردیم، اما انگار فقط نوک کوه یخ رو دیدیم.»

تأثیر شکل و جایگاه کروموزوم‌ها بر عملکرد ژن‌ها

شکل و جایگاه کروموزوم‌ها در مرحلهٔ اینترفاز بعد از تقسیم سلولی، روی عملکرد ژن‌ها اثر می‌ذاره. چون این وضعیت باعث می‌شه که نواحی غیرمجاور با هم در تماس باشن، مثل توالی‌های افزاینده و پروموتورهای ژن. DNA که در نواحی فعال کروماتین به‌راحتی در دسترس هست، احتمال بیشتری داره که بیان بشه، در حالی که DNA در کروماتین خاموش شده و دسترسی بهش سخت‌تره.

دانشمندان با بررسی این موضوع که بخش‌های مختلف مولکول‌های DNA چقدر با هم در تماس هستن، مدل‌های متفاوتی از آرایش فیزیکی کروماتین رو در انسان‌ها و خیلی از جانورهای معمولی که روشون تحقیق می‌کنن، مثل موش‌ها و پرنده‌ها، ایجاد کردن. حالا با کار تیم تحقیقاتی که والنزوئلا رهبریش می‌کنه، لاک‌پشت‌ها هم به این لیست اضافه شدن. در یه مقالهٔ اخیر توی مجلهٔ Genome Research، محقق‌ها مطالعهٔ خودشون در مورد ژنوم دو گونه لاک‌پشت رو توضیح دادن که نشون‌دهندهٔ یه آرایش کروماتینی غافلگیرکننده بود که در جانوران دیگه دیده نشده.

نظم نوین کروموزوم‌ها

کروموزوم‌ها یه نقطهٔ اتصال باریک به اسم سانترومر دارن و در انتهای خودشون توسط توالی‌های تکراری DNA که بهش تلومر می‌گن، محافظت می‌شن. در انسان‌ها، کروموزوم‌ها در قلمروهای جداگانه‌ای توی هستهٔ سلول قرار دارن. ولی در سلول‌های بعضی از جانوران، مثل کیسه‌داران، کروموزوم‌ها طوری خوشه‌ای می‌شن که سانترومرهاشون می‌تونن با هم تعامل داشته باشن. توی جانوران دیگه، مثل پرنده‌ها، اونا طوری خوشه‌ای می‌شن که تلومرها در تماس هستن. لاک‌پشت‌ها تنها جانورهایی هستن که تا حالا بررسی شدن و تلومرها و سانترومرهاشون طوری در یه ردیف قرار گرفتن که به هم نزدیک باشن.

تفاوت‌های ساختاری و تأثیراتش بر تنظیم ژن‌ها

این تفاوت‌ها در چگونگی تا خوردن و جایگاه، به تنظیم ژن‌ها بستگی داره که در هر نسل خاص فرق می‌کنه. والنزوئلا گفت: «احتمال داره که این وضعیت، وضعیت اجدادی آمنیوت‌ها باشه که ازش پستانداران، پرندگان و خزندگان به الگوهای مختلفی تکامل پیدا کردن. لاک‌پشت‌ها شاید به ما نشون بدن که در ابتدا چی بوده و روی تکامل ژنوم‌های مهره‌داران نور بتابونن.»

یاد گرفتن بیشتر دربارهٔ ساختار سه‌بعدی ژنوم لاک‌پشت‌ها و این که چطور به شرایط محیطی واکنش نشون می‌دن، می‌تونه به توضیح پایه‌های ژنتیکی ویژگی‌هایی کمک کنه که میشه برای استفاده‌های پزشکی در انسان‌ها ازشون بهره برد. مثلاً، بعضی از لاک‌پشت‌ها می‌تونن هفته‌ها بدون اکسیژن زنده بمونن که این می‌تونه به درمان سکته‌های مغزی کمک کنه. فهمیدن چگونگی تحمل سرمای شدید در بعضی از لاک‌پشت‌ها می‌تونه به حفظ بافت‌های انسانی توی شرایط کرایوژنیک کمک کنه.

والنزوئلا که تحقیقاتش روی لاک‌پشت‌ها متمرکزه، گفت: «ما می‌خوایم بیشتر بفهمیم که چرا نسل‌های مختلف در بعضی جنبه‌ها فرق دارن و چرا توی جنبه‌های دیگه شبیه هم هستن؛ کدوم قسمت‌ها رو مشترک داریم و کدوم قسمت‌ها فرق دارن. اگه بتونیم تاریخ تکاملی تغییراتی که اتفاق افتاده رو بازسازی کنیم، می‌تونیم اطلاعات بیشتری دربارهٔ این‌که چطور تفاوت‌ها در بسته‌بندی DNA و تا خوردن کروموزوم‌ها ممکنه روی ویژگی‌های مورد نظر ما تأثیر بذاره، به‌دست بیاریم. همچنین، فهمیدن این‌که ساختار کروماتین لاک‌پشت‌ها چطور به شرایط خارجی جواب می‌ده، به تلاش‌های حفاظتی کمک می‌کنه و باعث می‌شه تأثیرات احتمالی تغییرات محیطی روی زیست‌شناسی اونا رو پیش‌بینی کنیم.»

این مطالعه تا حدودی با دو کمک‌هزینه از بنیاد ملی علوم تأمین مالی شده.

تحقیق عمیق‌تر

مطالعه سازمان فضایی ژنوم‌های لاک‌پشت‌ها هنوزم یکی از اولویت‌های آزمایشگاه والنزوئلا خواهد بود. اون گفت که برنامه‌های آینده شامل بررسی گونه‌های بیشتری از لاک‌پشت هست. مطالعهٔ فعلی مربوط به لاک‌پشت‌های نرم‌پوست خاردار و لاک‌پشت‌های بزرگ شمالی بود، اما تیم تحقیقاتی والنزوئلا قبلاً داده‌هایی برای بررسی ساختار ژنومی چهار گونه دیگه لاک‌پشت‌ها جمع‌آوری کرده. اون همچنین تمایل داره لاک‌پشت‌ها رو با تمساح‌ها، مارمولک‌ها و مارها مقایسه کنه تا ببینه آیا کروماتین اونا در الگوهای مشابهی سازماندهی شده یا نه.

برای بررسی عمیق‌تر عملکرد تا خوردن کروماتین لاک‌پشت‌ها، والنزوئلا به مطالعهٔ ارگانوئیدهای کبدی که آزمایشگاهش برای سه گونه لاک‌پشت توسعه داده، خواهد پرداخت. این ارگانوئیدها، توپ‌های کوچکی از سلول هستن که توی آزمایشگاه رشد کردن و نسخه‌ای ساده‌شده از بافت کبد رو شبیه‌سازی می‌کنن. همچنین، روش‌های نقشه‌برداری پیشرفته‌تر نتایج غنی‌تری رو به همراه خواهد داشت، از جمله داده‌های با کیفیت بالا که نقشه‌های کروماتین دقیق‌تری تولید می‌کنه و تکنیک‌هایی برای مطالعهٔ این‌که چطور ساختار سه‌بعدی کروماتین در طول زمان و توی محیط‌های مختلف تغییر می‌کنه.

اون گفت: «برای این‌که واقعاً نقشه‌برداری از ژنوتیپ به فنوتیپ انجام بدیم، باید به این سطح از پیچیدگی برسیم.»