آغاز عصر جدیدی در پژوهش های ژنتیکی تولیدمثل پستانداران: کشف رمز و راز چاپ ژنومی

رقابت ژنتیکی بین والدین ماده و نر همواره اساس تولیدمثل جنسی در پستانداران را تشکیل داده است. در حقیقت، یک نوع کشمکش ژنتیکی وجود دارد: نرها تمایل دارند تعداد بیشتری از فرزندان را تولید و منابع بیشتری را برای رشد آن‌ها جذب کنند، در حالی که ماده‌ها منابع خود را به طور دقیق برای تضمین سلامت و آینده تمام فرزندان تقسیم می‌کنند. این تعادل با پدیده اپی‌ژنتیکی به نام چاپ ژنومی (Genomic Imprinting) حفظ می‌شود؛ فرآیندی که طی آن اصلاحات شیمیایی روی DNA تعیین می‌کند کدام ژن‌های والدین در رشد جنینی فعال باشند.

چاپ ژنومی، مکانیزمی منحصر به‌فرد است و به کمک برچسب‌گذاری شیمیایی—عمدتاً متیلاسیون DNA—بر برخی ژن‌ها، منشأ والدینی آن‌ها را مشخص می‌کند. معمولاً نرها با متیلاسیون برخی نواحی ژنومی باعث افزایش رشد جنین می‌شوند و در مقابل، ماده‌ها با نشانه‌گذاری، برخی ژن‌های محرک رشد را سرکوب می‌کنند. اگر نشانه‌گذاری ژنتیکی فقط مربوط به یکی از والدین باشد، رشد جنین مختل شده و معمولاً به مرگ زودرس منجر می‌شود. این امر دلیل اصلی ناتوانی پستانداران در تولیدمثل به صورت تک‌والدی (صرفاً از اسپرم یا تخمک) است. سال‌ها این سد زیستی غیرقابل عبور به‌نظر می‌رسید.

تاریخچه‌ی پژوهش‌ها در چاپ ژنومی، نشان داد حذف بخش‌هایی خاص از کروموزوم فقط در صورت انتقال از یک والد، کشنده است. دانشمندان با تحقیقات گسترده، هفت ناحیه کلیدی چاپ‌شده در ژنوم موش را شناسایی کردند که برای حیات ضروری‌اند. نزدیک به دو دهه قبل، محققان برای اولین‌بار توانستند با حذف نواحی کنترل چاپ ژنی، یک موش ماده را با دو مجموعه کروموزوم از تخمک‌های جداگانه به تولیدمثل وادارند؛ مشابه روش پارتنوژنز که در برخی حیوانات دیگر قابل مشاهده است—but در موش به دخالت پیشرفته روی تخمک نیاز داشت. در آزمایش‌های دقیق‌تر، با حذف ژن‌های چاپ‌شده و استفاده از سلول‌های بنیادی هاپلوئیدی، و سپس ترکیب دو ژنوم اسپرمی در اوول بدون هسته موفقیت‌هایی بدست آمد؛ با این وجود، تا همین اواخر این جنین‌ها تا پس از تولد زنده نمی‌ماندند.

به تازگی، با انجام تا ۲۰ ویرایش ژنی خاص، تولید موش‌هایی با دو ژنوم پدری و بقای آن‌ها تا مرحله بزرگسالی محقق شد. این دستاورد، اهمیت چاپ ژنومی و متیلاسیون DNA را در تنظیم بیان ژن‌ها و توسعه طبیعی نشان داد و پرسش‌های جدیدی درباره سلامت و وراثت حیوانات مطرح ساخت.

در پاسخ به این سؤال اساسی که جنین چگونه منشأ والدین ژن‌ها را تشخیص می‌دهد، باید گفت که نقش اصلی را اصلاحات شیمیایی به‌ویژه متیلاسیون DNA ایفا می‌کند. در روند گامت‌زایی، بر نواحی خاص، گروه‌های متیل به بازهای سیتوزین اضافه می‌شوند—بدون آنکه کد ژنتیکی تغییر کند. این نشانه‌ها به عنوان کلیدهای فعال یا غیرفعال‌کننده ژن‌ها عمل کرده و در تقسیم سلولی حفظ می‌شوند.

برای ویرایش هدفمند ژنوم والدین لازم است ژنتیک متنوعی داشته باشیم. در این پژوهش، پژوهشگران از یک نژاد آزمایشگاهی موش اروپایی و یک نژاد وحشی با منشأ تایلند استفاده کردند تا تفاوت‌های DNA را به عنوان نشانه ژنتیکی متمایز کننده دو مجموعه کروموزومی در دسترس داشته باشند. فناوری پیشرفته CRISPR/Cas به همراه راهنماهای RNA برای ویرایش نواحی چاپ‌شده ژنی مورد استفاده قرار گرفت تا متیلاسیون به صورت هدفمند روی کروموزوم‌های منتخب انجام شود.

در روش آزمایشگاهی پیشرفته، ابتدا ژنوم اصلی تخمک موش حذف شد و سپس هسته دو اسپرم—هرکدام از یک نژاد متفاوت—تزریق گردید. به این ترتیب جنینی با دو مجموعه DNA پدری حاصل شد. یک چهارم این جنین‌ها به دلیل داشتن دو کروموزوم Y قادر به رشد نبودند؛ چراکه وجود کروموزوم X برای حیات ضروری است. برای موفقیت، پژوهشگران به شکلی دلخواه یکی از مجموعه‌ها را «زنانه» فرض و با استفاده از آنزیم‌های متیله و دِمتیله، الگوی متیلاسیون را مثل الگوی مادری بازطراحی کردند و سپس جنین برای رشد به رحم موش مادری انتقال داده شد.

بررسی‌های دقیق نشان داد ویرایش‌های مورد نظر با موفقیت اعمال شده و متیلاسیون در حدود ۵۰۰ جفت باز دو طرف ناحیه هدف یافته است. باوجود این، برنامه‌ریزی کامل و همزمان هر هفت ناحیه چاپ کلیدی چالش‌برانگیز شد و ناکافی بودن بازبرنامه‌ریزی به اشتباه در تنظیم بیان ژن‌ها و کاهش موفقیت منجر گردید. از بیش از ۲۵۰ جنین اصلاح‌شده، تنها ۱۶ حاملگی و نهایتاً ۷ تولد موفق ثبت گردید. چهار نوزاد بلافاصله پس از تولد از دست رفتند و یکی از موارد به دلیل رشد بیش از حد (۴۰٪ بزرگتر از حالت طبیعی) نشانه‌ای از اختلال در کنترل رشد داشت. تنها سه موش نر از دوره بحرانی نوزادی جان سالم به در بردند. دانشمندان دلایل زیادی از جمله دشواری فنی، اثرات احتمالی خارج از هدف و ناشناخته بودن برخی عناصر چاپ ژنومی را توضیح این نتایج می‌دانند.

توانایی تولید فرزند پستاندار فقط با استفاده از DNA دو اسپرم، افق‌های تازه‌ای را در زیست‌شناسی تولیدمثل و مهندسی ژنتیک می‌گشاید. این فناوری راه را برای شناسایی ژن‌ها و پدیده‌های اپی‌ژنتیک مرتبط با رشد، ناباروری و بیماری‌های ارثی هموار می‌کند. علاوه بر آن، به تولید نژادهایی با جهش‌های کشنده که معمولاً به مرگ ماده‌ها منجر می‌شوند و بررسی امکان تولیدمثل همجنس یا حتی تک‌والدی سرعت می‌بخشد. این تحقیق ارزش اپی‌ژنتیک و ویرایش دقیق متیلاسیون DNA را در علم ژنتیک و پزشکی اثبات می‌کند.

انتقال موفق این روش به کاربردهای گسترده‌تر، نیازمند بهبود کارایی و تضمین سلامت حیوانات است. رفع موانع فنی و جست‌وجوی مناطق ناشناخته چاپ ژنومی گام بعدی برای بهره‌گیری این دستاورد در تحقیقات بنیادی، حفظ گونه‌های در خطر یا درمان‌های آینده‌نگر پزشکی خواهد بود.

جامعه علمی اهمیت فراوان این دستاوردها را تصدیق می‌کند. به گفته دکتر جین اسمیت، زیست‌شناس رشد: «این پژوهش ژرفای کنترل اپی‌ژنتیکی در ژنوم پستانداران را روشن می‌سازد و کاربردهای چشمگیری برای ژنتیک، زیست‌شناسی تولیدمثل و پزشکی دارد.» فناوری‌هایی مانند نسل جدید سیستم‌های CRISPR و ابزارهای پیشرفته اپی‌ژنتیکی می‌توانند موانع ایمنی و انعطاف‌پذیری چاپ ژنومی را به طور متداوم کاهش دهند و موجب تحولاتی در زیست‌شناسی رشد، کشاورزی، حفاظت از گونه‌ها و پزشکی شخصی شوند.

در نهایت، تولید موفق موش‌های زنده تنها با ماده ژنتیکی دو اسپرم، نمایانگر پیشرفت چشمگیری در حوزه اپی‌ژنتیک و فناوری ویرایش ژنی است. بازنویسی دقیق متیلاسیون DNA و شبیه‌سازی چاپ ژنومی والدین، یکی از بزرگ‌ترین موانع تولیدمثل در پستانداران را کنار زده است. با وجود چالش‌های فنی و میزان بقای پایین فعلی، این پژوهش نقش حیاتی چاپ ژنومی و متیلاسیون در بیان ژن و تولیدمثل پستانداران را به اثبات می‌رساند؛ و نویدبخش آینده‌ای است که در آن رمز و رازهای وراثت نه‌تنها درک، بلکه به سود علم و جامعه مهندسی خواهند شد.