هماهنگی در سمفونی ژن ها

وقتی زیست شناسان پیشگام توالی ژنوم انسان را در سال های پایانی دهه ۱۹۹۰ میلادی مشخص می کردند (یعنی تعداد ژن های گنجانده شده در سه میلیارد جفت باز سازنده DNA را برآورد کردند) چندین برآورد به هم خیلی نزدیک بودند. بیش از یک دهه پذیرفته شده بود که ما حدود ۱۰۰ هزار ژن نیاز داریم تا هزاران فرآیند سلولی که ما را زنده نگه می دارند، به انجام برسانند. با وجود این، مشخص شد که ما فقط حدود ۲۵ هزار ژن داریم، یعنی به همان اندازه که یک گیاه گلدار بسیار کوچک به نام Arabidopsis دارد و اندکی بیشتر از کرمی به نام Caenorhabditis elegans.
این شگفتی باعث بحث های نقادانه در حال رشدی در میان ژنتیک دانان شد. آنها به این نتیجه رسیدند که ژنوم ما و پستانداران دیگر انعطاف پذیرتر و پیچیده تر از آن چیزی است که تاکنون به نظر می رسید. تصور قدیمی یک ژن/ یک پروتئین کنار گذاشته شده است؛ اکنون مشخص شده است که ژن های زیادی می توانند چند پروتئین تولید کنند. پروتئین های تنظیمی،RNA و بخش های نارمزدهنده DNA و حتی تغییرهای شیمیایی و ساختاری خود ژنوم تعیین می کنند که ژن ها چگونه، کجا و چه زمانی بیان شوند. مشخص کردن اینکه همه این عوامل چگونه با هم کار می کنند تا چگونگی بیان ژن را پی ریزی کنند، یکی از چالش های اصلی پیش روی زیست شناسان است.
در چند سال گذشته، روشن شده است پدیده یی به نام «پیرایش جایگزین»(alternative splicing) یکی از علت هایی است که باعث می شود ژنوم انسان با تعداد اندکی ژن، چنین پیچیدگی را به وجود آورد. ژن های انسان هم DNA رمزدهنده (اگزون) و هم DNA نارمزدهنده (اینترون) دارد. در برخی ژن ها، ترکیب متفاوتی از اگزون ها می تواند در زمان های مختلف فعال شود و از هر ترکیب، پروتئین متفاوتی به دست آید.
«پیرایش جایگزین» از مدت ها پیش به عنوان یک نقص نادر طی فرآیند رونویسی از ژن در نظر گرفته می شد، اما پژوهشگران هم اکنون به این نتیجه رسیده اند که این پدیده دست کم در نیمی از ژن های ما رخ می دهد؛ البته برخی ژنتیک دانان از همه ژن ها ی ما یاد می کنند، این یافته گام بلندی به سوی توضیح این حقیقت بود که چگونه تعدادی ژن، صدها و هزاران پروتئین مختلف تولید می کنند. اما این پرسش که ماشین رونویسی چگونه تصمیم می گیرد کدام بخش های ژن در زمانی خاص خوانده شوند، هنوز یک راز است.
چنین چیزی را درباره سازوکارهایی که تعیین می کنند کدام ژن ها یا دسته یی از ژن ها در زمان و مکان خاص روشن یا خاموش می شوند، نیز باید گفت. پژوهشگران کشف کرده اند که هر ژن برای اینکه کارش را انجام دهد به بازیگران پشتیبانی نیاز دارد و گاهی تعداد آنها به صدها بازیگر می رسد. اینها شامل پروتئین هایی هستند که ژن ها را خاموش و فعال می کنند؛ برای مثال با افزودن گروه های استیل یا متیل به DNA پروتئین های دیگر که عوامل رونویسی نامیده می شوند، به طور مستقیم تری با ژن ها برهم کنش دارند؛ آنها به جایگاه های خاصی، نزدیک ژنی که زیر فرمان آنهاست متصل می شوند. مانند مورد «پیرایش جایگزین»، فعال شدن، ترکیب های مختلفی از جایگاه های اتصال، تنظیم ظریف بیان ژن را امکان پذیر می سازد، اما هنوز پژوهشگران باید به دقت مشخص کنند که چگونه همه این عوامل تنظیمی با هم کار می کنند و چگونه با پیرایش جایگزین هماهنگ می شوند.
در دهه گذشته یا اندکی پیش تر، پژوهشگران نقش کلیدی پروتئین های کروماتین و RNA را در تنظیم بیان ژن پذیرفتند. پروتئین های کروماتین در اصل به بسته بندی DNA و حفظ شکل مارپیچی آن کمک می کنند. با تغییر اندکی در شکل کروماتین، ممکن است ژن های مختلف در معرض ماشین رونویسی قرار گیرند.
ژن ها به میزان RNA نیز حساس هستند. مولکول های کوچکی از RNA، که بسیاری از آنها کمتر از ۳۰ باز دارند، اکنون به عنوان تنظیم کننده ژن در کانون توجه قرار گرفته اند. پژوهشگران زیادی که در ۵ سال گذشته روی RNA پیک و دیگر مولکول های به نسبت بزرگ RNA کار می کردند، اکنون به بررسی این خویشاوندان کوچک تر آنها از جمله RNA میکرو و RNA هسته یی کوچک روی آورده اند. شگفت آور است که این مولکول های کوچک، ژن ها را خاموش می کنند و بنابراین بیان ژن را تغییر می دهند. آنها در تمایز سلولی که طی رشد و نمو جانداران رخ می دهد نیز نقش مهمی دارند، اما چگونگی کارکرد آنها هنوز به درستی مشخص نیست.
پژوهشگران گام های زیادی برای روشن کردن این سازوکارهای گوناگون تنظیم فعالیت ژن ها برداشته اند. ژنوم شناسان با مقایسه ژنوم جانداران شاخه های مختلف درخت تکاملی تلاش می کنند جایگاه بخش های تنظیمی را مشخص کنند و سرنخ هایی برای چگونگی تکامل سازوکارهایی مانند «پیرایش جایگزین» پیدا کنند. در عوض این پژوهش ها راه را برای شناخت چگونگی کار این بخش های تنظیمی روشن خواهند کرد. آزمایش هایی روی موش ها مانند افزودن یا حذف بخش های تنظیمی و دستکاریRNA و مدل سازی رایانه یی می تواند در این راه به ما کمک کند. اما پرسش اساسی که به احتمال زیاد تا مدتی دراز بدون پاسخ خواهد ماند این است؛ چگونه همه این ویژگی ها با هم در یک قالب ریخته شده اند تا جانداری مانند ما را بسازند؟

الیزابت پنیسی
ترجمه؛ حسن سالاری

منبع : روزنامه اعتماد