6 دقیقه
مقدمه
یک مطالعه جدید نشان میدهد که DNA تنظیم‌کننده‌ای که در شکلگیری انگشتان و پنجه‌های انسان نقش دارد، ریشه‌هایی عمیق در یک ساختارِ موجود در ماهی‌ها دارد: کلواکا. تیمی از پژوهشگران آمریکایی و سوئیسی گزارش داده‌اند که چشم‌انداز تنظیمی نزدیک به ژنهای Hoxd — سوئیچ‌های DNA که در الگوی‌بندی اندام‌ها کمک می‌کنند — در اصل حدود 380 میلیون سال پیش در ناحیه کلواکالِ ماهی فعال بوده و بعدها در پیدایش انگشتان چهاراندامان به کار گرفته شده است.
پس‌زمینه علمی: ژنهای Hoxd و چشم‌اندازهای تنظیمی
ژنهای Hoxd بخشی از خانواده ژنی Hox هستند؛ مجموعه‌ای از تنظیم‌کننده‌های رشد که طرح بدن و هویت اندام‌ها را در بین حیوانات تعیین می‌کنند. در چهاراندامان، ژنهای Hoxd در کنترل تعداد و شکل انگشتان نقش دارند. اما اینکه چگونه ساختارهای باله‌ایِ پیشینی در ماهی‌ها به انگشتان متمایز تبدیل شدند، موضوعی مورد بحث بوده است.
این مطالعه پیشنهاد میدهد که به‌جای پدید آمدن ژنهای کاملاً جدید، تکامل از عناصر تنظیمی پیشین استفاده کرده است. این عناصر تنظیمی شامل اِنشِیسرها و بخشهای غیرکدکننده DNA هستند که ابتدا در کلواکا فعال بودهاند؛ همان سوراخِ چندمنظورهٔ انتهایی که در دفع و تولیدمثل در بسیاری از مهره‌داران نقش دارد.
تجارب کلیدی و نتایج
تحلیل تطبیقی ژنوم موش و زبرافیش نشان داد که اگرچه زبرافیش برخی از ژنهای Hoxdِ موجود در چهاراندامان را ندارد، اما چشم‌انداز تنظیمی گسترده‌تری که اطراف لوکوس‌های باقی‌مانده Hox قرار دارد را حفظ کرده است. برای تعیین فعالیت و عملکرد این عناصر، پژوهشگران از برچسب‌گذاری گزارشگرِ فلورسنت در رویان‌ها استفاده کردند.
وقتی توالیهای تنظیمی نامزد به نشانگرهای فلورسنت متصل شدند، رویان‌های موش در نواحی درحال شکلگیری انگشتان فعال شدند. در مقابل، رویان‌های زبرافیش همان توالیها را در ناحیه کلواکا فعال نشان دادند.
رویان زبرافیشی که ناحیهٔ کلواکا با فعالیت Hox روشن شده است.
آزمونهای عملکردی با حذفِ هدفمندِ این ناحیهٔ محافظتشده از طریق CRISPR–Cas9 انجام شد. در موش‌هایی که آن ناحیه حذف شده بود، انگشتان به‌درستی شکل نگرفت و نقص‌های آشکار در رشد اندام مشاهده شد. در زبرافیش، حذف همان ناحیه، توسعه کلواکا را مختل کرد اما شکل باله را تغییر نداد.
این الگو — فعالیت تنظیمی در ساختارهای انتهایی و پیامدهای هم‌راستا هنگام حذف — از این فرضیه حمایت میکند که نقش نیای این چشم‌انداز تنظیمی مرتبط با کلواکا بوده و بعدها برای الگوی‌بندی ساختارهای دورتر اندام در چهاراندامان به‌کار گرفته شده است.
پیامدها برای زیست‌شناسی تکاملی-توسعهای
این نتایج مکانیزمی رایج در تکامل را نشان میدهد: اِگزاپتاسیون، یعنی بازبهره‌برداری از ماژولهای ژنتیکی موجود برای عملکردهای جدید. همان‌طور که دنیس دوبولِه از دانشگاه ژنو گفت: «اینکه این ژن‌ها دخیل‌اند، مثال برجسته‌ای است از اینکه تکامل چگونه نوآوری می‌آفریند؛ با بازیافتِ کهنه برای ساختن نو.»
ژنتیست اورِلی هینترمن افزود که کلواکا و انگشتان شباهت مفهومی دارند؛ هر دو ساختارهای انتهایی‌اند — پایانِ لوله‌ها یا اندام‌ها — که ممکن است استفاده مجددِ تنظیمی را تسهیل کرده باشد.
علاوه بر پاسخ به پرسش طولانی‌مدت دربارهٔ منشأ انگشتان، این کار اهمیت DNA غیرکدکنندهٔ تنظیمی را در برانگیختن تغییرات مورفولوژیک بزرگ نشان میدهد. همچنین راه‌های جدیدی برای بررسی بدشکلی‌های مادرزادی اندام باز میکند: ممکن است جهشها در انشایسرها، نه در ژنهای کُدکننده، عامل برخی اختلالات توسعهای باشند.
روش‌ها و فناوری‌های مرتبط
این مطالعه ترکیبی از ژنومیک تطبیقی، آزمونهای گزارشگرِ انشایسر، تصویربرداری زندهٔ فلورسنت و حذف‌های هدفمند با CRISPR–Cas9 را به کار برد. این فنون از هستهٔ پژوهش‌های مدرن evo-devo هستند:
- مقایسهٔ ژنوم‌ها برای شناسایی عناصر غیرکدکنندهٔ محافظتشده.
- ساختارهای گزارشگر برای آشکارسازی فعالیت‌های مکانی-زمانی.
- ویرایش ژنومی برای آزمون مستقیم عملکرد در رویان‌های در حال توسعه.
پیشرفت‌های مداوم در ترنسکریپتومیک تک‌سلولی و نقشه‌برداری ساختار کروماتین امکان نگاشت دقیق‌تر تعاملات تنظیمی را در هر دو رویان ماهی و چهاراندام فراهم خواهد کرد.
بینش کارشناسان
دکتر لنا مورالس، زیست‌شناس تکاملی-توسعهای در مؤسسه سالک (شخصیت ساختگی)، اظهار کرد: «این کار به زیبایی نشان میدهد که نوآوری در تکامل اغلب از بازسازماندهی تنظیمات ژنتیکی سرچشمه می‌گیرد، نه از اختراع پروتئین‌های جدید. آزمایشهای حذف عملکردی به‌ویژه قانع‌کننده‌اند چون پیامدهای توسعه‌ایِ موازی را در دو مدل مهره‌دار بسیار متفاوت نشان می‌دهند.»
او افزود که کارهای مقایسه‌ای آینده بر روی گونه‌های بیشتر ماهی و شاخه‌های ابتدایی‌تر چهاراندامان ارزشمند خواهد بود تا زمان‌بندی و توالی این تغییرات تنظیمی را بهتر ردیابی کند.
جهت‌گیری‌های آینده
گام بعدی پژوهشگران، آزمون فعالیت‌های تنظیمی در مجموعهٔ وسیع‌تری از گونه‌ها و مراحل توسعهای است تا مسیر تکاملی را با دقت بیشتری بازسازی کنند. ترکیب داده‌های دیرین‌شناسی، مدل‌های شبکه‌های تنظیمی ژنی و آزمایشهای عملکردی کمک میکند تا مشخص شود کی و چگونه انتقال از تنظیمِ کلواکا به تنظیمِ اندام‌های دوردست رخ داده است.
رویکردهای چندرشته‌ای این‌چنینی فهم ما را از چگونگی ظهور ساختارهای پیچیده مانند انگشتان از جعبه‌ابزار ژنتیکی باستانی پالایش خواهند کرد. همچنین می‌توانند منجر به شناساییِ عناصر تنظیمیِ مرتبط با ناهنجاریهای مادرزادی شوند که پیش‌تر ناشناخته بودند.
نتیجه‌گیری
این مطالعه شواهد قانع‌کننده‌ای ارائه میدهد که چشم‌انداز تنظیمیِ اکنون راهنمای شکلگیری انگشتان بوده، در اصل در کلواکأ ماهیان فعال بوده است. با نشاندادن فعالیتِ انشایسرها و ضرورتِ آن‌ها در گونه‌های مختلف، پژوهش برجسته‌ای بر بازبکارگیری تنظیمی به‌عنوان محرک نوآوری مورفولوژیک است.
این یافتهها درک ما از تکامل اندام را عمیق‌تر می‌کنند و اهمیت عملکردی DNA غیرکدکننده در شکل‌دهی گذارهای تکاملی بزرگ را برجسته می‌سازند. در نهایت، مطالعهٔ بیشتر این عناصر تنظیمی ممکن است توضیحی برای برخی اختلالات رشدی ارائه دهد و چشم‌اندازهای درمانی جدیدی باز کند.
منبع: sciencealert
نظرات