جانداری تک سلولی که می تواند ژنوم خود را تخریب کرده و مجددا از نو بسازد

در مطالعه ای که به وسیله دانشمندان دانشگاه Princeton انجام شده، یک ارگانیسم تک سلولی ساکن دریاچه به نام Oxytricha trifallax شناخته شد که می تواند DNA خود را به حدود ۲۲۵۰۰۰ قطعه شکسته و مجددا آنها را ترکیب کند.

 

زندگی می تواند بسیار پیچیده باشد و هر روز بخش های جدیدی از این پیچیدگی ها کشف شود. بر اساس تحقیقی که به وسیله دانشمندان دانشگاه Princeton انجام شده، یک سلول شگفتی های جدیدی را به ارمغان آورده است.

بر اساس مقاله ای که در مجله Cell به چاپ رسیده است، ارگانیسم تک سلولی به نام Oxytricha trifallax  که در دریاچه ها سکونت دارد توانایی شکستن DNA خود به حدود ۲۲۵ هزار قطعه و ترکیب مجدد این قطعات را در هنگام جفت گیری دارد. این ارگانیسم ژنوم خود را به صورت هزاران قطعه ژن رمز شده درون خود نگه داری می کند. در زمان جفت گیری با همنوع خود، این ارگانیسم در بین این ژن های مجزا و قطعات DNA به جستجو می پردازد تا بیش از ۲۲۵۰۰۰ رشته کوچک DNA را سر هم کند. تمام این اتفاقات در حدود ۶۰ ساعت به طول می انجامد.

نویسنده اول این مقاله دکتر Laura Landweber از دانشگاه Princeton می گوید:

"توانایی یک ارگانیسم برای تخریب و سرهم کردن مجدد ژن های خود برای هر نوع موجود زنده غیر قابل تصور است. این عملکرد پیچیده در یک ارگانیسم به ظاهر ساده اتفاق افتاده و نشان دهنده واگرایی زیستی در روی زمین می باشد."

او می افزاید:

"علی رقم تک سلولی بودن ارگانیسم، این روش یکی از روش های اولیه ای می باشد که طبیعت برای ایجاد پیچیدگی ژنتیکی ایجاد کرده است. مثال های دیگری از پازل های ژنومی وجود دارند اما این مورد از لحاظ پیچیدگی در صدر قرار می گیرد. انسان ها ممکن است فکر کنند ارگانیسم های موجود در دریاچه ها بسیار ساده هستند اما این مورد نشان داد که زندگی می تواند چقدر پیچیده باشد و یک تک سلولی تمام اجزای ساختاری کروموزومی را از نو بسازد."

از نقطه نظر کاربردی، Oxytricha trifallax  ارگانیسمی است که می تواند الگویی برای فهم چگونگی شکستن کروموزوم ها (همانگونه که در سرطان اتفاق می افتد) و ساختن مجدد آنها در جانوران پیچیده مانند انسان باشد. در حالی که دینامیک کروموزوم ها در سلول های سرطانی می تواند غیر قابل پیش بینی و نامنظم باشد، Oxytricha trifallax  یک مدل دوباره سازی کروموزومی مرحله به مرحله و منظم را از خود نشان می دهد.

دکتر Landweber می گوید:

" قطعه قطعه شدن کروموزوم های انسانی و اتصال مجدد آن ها به یکدیگر به صورت ترکیبی جدید بسیار مضر است. در حالی که Oxytricha trifallax پروسه ای به صورت کاملا نوآورانه و کاربردی به کار می برد که دارای مکانیسم های مشابه روش های محافظت از کروموزوم ها برای جلوگیری از ایجاد شکست است."

پروفسور Getraud Burger از دانشگاه Montreal می گوید:

" سازماندهی مجدد، گسترده و مداوم ژنوم که در این ارگانیسم اتفاق می افتد پیچیدگی هایی در مقابل دانشمندان قرار می دهد که لازم است در زمان مطالعه ژنتیک یک ارگانیسم به آن دقت کنند. این تحقیق به صورت شگفت انگیزی نشان داد که اطلاعات ژنتیکی یک ارگانیسم پیش از استفاده برای ساختن موجود جدید می تواند تغییرات عمده داشته باشد."

او می افزاید:

" توانایی یک ارگانیسم برای سازماندهی مجدد ژنوم می تواند یک عمل بسیار عجیب و شاید غیر قابل تصور باشد. در تحقیقات پیشین، ارگانیسم های اندکی با توانایی جزئی برای سازماندهی مجدد ژنوم گزارش شده است که در مقایسه با این سیستم بسیار پیش پا افتاده می باشند. این مطالعه از نظر تکنیک های آزمایشگاهی به کار رفته و آنالیز های انجام شده بسیار جامع و کامل است."

توالی یابی یکی از اولین ژنوم های پیچیده موجود، به وسیله تکنولوژی  Pacific Biosciences) PacBio) در این پروژه انجام شده است. تکنیک PacBio مولکول های مجزای طویل را توالی یابی می کند.

دکتر Landweber می گوید:

" Oxytricha trifallax  با دیگر میکروارگانیسم ها کاملا تفاوت دارد. این گونه یک سلول بزرگ در حدود ۱۰ برابر یک سلول نرمال انسانی است. همچنین این ارگانیسم دو هسته دارد، در حالی که بیشتر ارگانیسم های تک سلولی تنها یک هسته دارند."

 هسته سلول، فعالیت های داخل سلولی را تنظیم کرده و عموما حاوی DNA سلولی و ژن هایی که در هنگام تولید مثل منتقل می شوند می باشد. یک سلول DNA ،Oxytricha trifallax فعال خود را در یک هسته فعال نگه داشته و هسته دیگر را برای ذخیره بایگانی مواد ژنتیکی که قرار است به نسل بعد منتقل شود  به کار می برد. ژنوم هسته دوم ( که به عنوان هسته germ line شناخته می شود) باز شده و مجددا ساخته می شود تا هسته کارآمد جدیدی در نسل بعد ایجاد کند.

دکتر Landweber می گوید:

" Oxytricha trifallax از جفت گیری تنها برای ایجاد تغییرات در DNA استفاده می کند نه برای تولید مثل. مانند جوانه زدن گیاهان، Oxytricha trifallax جدید تنها از یک ارگانیسم ایجاد می شود. در حالی که طی جفت گیری، دو ارگانیسم به یکدیگر متصل می شوند تا نیمی از اطلاعات ژنتیکی خود را با یکدیگر به اشتراک بگذارند. هدف از این کار برای هر سلول، جایگزینی ژن های پیر با ژن های جدید و قطعات  DNA  با جفت خود می باشد. این کار باعث جوان شدن آنها شده و مواد ژنتیکی آنها را متنوع می کند. این عمل مانند داستان های علمی تخیلی بوده که در آن با جا به جایی قسمت های قدیمی خود از پیر شدن جلو گیری می کنند."

دانشمندان دریافته اند که در طی این پروسه ژن های رمز شده در هسته germ line به ۲۲۵ هزار  قطعه کوچک DNA تقسیم بندی می شوند تا هر کدام از جفت ها بتوانند برای جوان سازی کروموزوم های خود از آنها استفاده کنند. تحقیقات پیشین در آزمایشگاه Landweber ( شامل مقاله های ۲۰۱۲ در مجله Cell و ۲۰۰۸  در مجله Nature) نشان داد که میلیون ها مولکول غیر کد کننده RNA، این مسیر را با قطعه قطعه کردن DNA و دسته بندی آنها به صورت منظم، تنظیم می کنند.

نکته جالب توجه دیگر ژنوم حجیم Oxytricha trifallax می باشد. مقاله دیگری که در ۲۰۱۳ در مجله PLoS Biology توسط همین گروه به چاپ رسیده است گزارش کرده است که این ارگانیسم حاوی ۱۶ هزار کروموزوم در هسته فعال خود است، در حالی که انسان تنها ۴۶ کروموزوم دارد. یک ژن Oxytricha trifallax می تواند از هر بخش ژنوم و از یک تا ۲۴۵ قطعه DNA مجزا ساخته شود.

دکتر Landweber می گوید:

"ژنتیک استثنایی Oxytricha trifallax از DNA محافظت می کند، در نتیجه این مواد ژنتیکی سالم طی تولید مثل منتقل می شوند. جای تعجبی نیست که این ارگانیسم می تواند در سر تا سر دنیا بر روی جلبک ها مشغول تغذیه باشد. پراکندگی موفق آنها در جهان در ارتباط با توانایی آنها برای محافظت از DNA خود به روش نوینی از رمز شدن و سپس رمز گشایی سریع و انتقال به نسل های بعدی صورت میگیرد."

منبع: Cell

  • نویسنده : سامان میلانی زاده
  • تاریخ انتشار : ۲۳-۰۷-۹۳