ردپای اپی ژنوم در نمونه های باستانی

اواخر سال گذشته، دانشمندان از ژنوم کامل یک زن نئاندرتال ۱۳۰ هزار ساله که استخوان انگشت پایش در غاری در سیبری کشف شد پرده برداری کردند. توالی یابی ژنهای این فرد باستانی نشان داد که ژنوم متشکل از ۳ میلیارد نوکلئوتید او آنچنان تفاوتی با ژنوم انسانهای کنونی ندارد. پژوهشگران با بررسیهای بیشتر مشخص کردند که تنها ۳۵۰۰۰ نقطه از ژنوم ما (انسانهای مدرن) از پسرعموهای باستانیمان متفاوت است. و ازین تعداد، تنها  3000 عدد از این تغییرات است که می تواند برروی بیان ژنهای ما تاثیر گذارد.

اما اگر محتوای DNA ما بسیار مشابه به نئاندرتال ها می باشد، چرا آنها تا این اندازه متفاوت به نظر می‌رسیدند؟ آنها از لحاظ ظاهری بسیار تنومندتر از اجداد ما به نظر می رسیدند، پاهای کوتاه و عضله ای و بینی و ابروهای بزرگ، از دیگر مشخصات بارز آنان بود. نکته قابل توجه اینجاست که آنها تنوع ژنتیکی (genetic variants) خاصی که انسانهای مدرن را به بیماری سیلیاک (celiac) و بیماریهای خودایمنی (autoimmune disease)  مستعد کرده و در معرض خطر ابتلا قرار می دهد، در ژنوم خود نداشته اند.

اگر چه نئاندرتال ها  بعد از اجداد ما به اروپا مهاجرت کردند و در کنار آنان زندگی کردند اما به دلایلی نئاندرتال ها زنده نماندند و از میان رفتند. بخشی از پاسخ این سوال بدون شک در ژنوم نئاندرتال نهفته است. اینکه به دلیل وجود فرایند پیچیده ای، فعالیت ژنوم آنها نه تنها به کدهای موجود در  DNAشان بستگی داشت،  بلکه به مکانیسم و نحوه خاموش و روشن شدن ژنهای آنان نیز مرتبط بود.

بطور کلی مولکول DNA به صورت مداوم با عوامل شیمیایی که در کنترل و تنظیم (خاموش یا روشن کردن) ژنها  دخالت دارند برخورد دارد. به عنوان مثال، یک گروه متیل (یک کربن و سه اتم هیدروژن) می‌تواند به جایگاههای مختلف در ژنوم متصل شده و باعث کاهش و یا افزایش بیان ژن های مجاور خود گردد. این لایه پویای تنظیم ژنوم، که با عنوان "epigenome" شناخته می شود توجه بسیاری از دانشمندان را در سالهای اخیر به خود جلب نموده است. محققان ادعا کرده اند که "epigenetics" می تواند بسیاری از مسائل مبهم و پیچیده کنونی در حوزه زیست شناسی را توضیح دهد. اینکه مثلا فعالیت  placenta به چه صورت است؟ و یا اینکه چرا برخی از افراد به اوتیسم "autism" مبتلا می شوند و دیگر اینکه چرا تحمل قحطی در دوران کودکی ممکن است به سلامت نوادگان فرد در آینده تاثیر گذارد؟

مقاله ای که چندی پیش در مجله Science  منتشر شد بیان می کند که epigenetics ممکن است کلیدی برای تفسیر ژنوم نمونه های باستانی شامل نئاندرتال، نمونه اسکیموی ۴۰۰۰ ساله و یا یک گیاه ۸۰۰ ساله باشد. بسیار خارق العاده به نظر می رسد که دانشمندان چگونه می توانند جزء به جزء این DNA های بسیار قدیمی را کنار هم گذارند و به بررسی و مطالعه آن بپردازند. به منظور  جمع آوری یک ژنوم نئاندرتال، دانشمندان باید قطعات DNA را که هر کدام از تکه های بسیار ریز استخوانهای نئاندرتال ها بدست آمده است با زحمت فراوان کنار هم قرار دهند. اما این توالی DNA باستانی نیز خود حاوی epigenome موجود در ژنوم گذشتگان می باشد و الگوی اپی ژنوم متفاوت خود نسبت ژنوم انسانهای کنونی را دارد.

 متیلاسیون DNA معمولا در محل بازهای  cytosines (سایتوزین ها) اتفاق می افتد. بر طبق یافته های دانشمندان فروپاشی cytosines به متیله بودن و یا نبودن آنها بستگی دارد. در واقع  هنگامی که به یک سایتوزین گروه متیل اضافه می گردد به یک ماده شیمیایی دیگری به نام تیمین تبدیل می گردد و در عدم حضور گروه متیل cytosine به یک ماده شیمیایی دیگری با نام یوراسیل تبدیل می گردد.

با اندازه گیری میزان تیمین محققان می توانند میزان متیلاسیون DNA در نمونه های باستانی را تخمین بزنند. در ماه می یک تیم از محققان به بررسی میزان تیمین موجود در نمونه ژنوم یک نئاندرتال پرداختند و میزان آن را با ژنوم انسانهای کنونی مقایسه نمودند. با بررسیهای بعدی دانشمندان دریافتند که میزان متیلاسیون بین این دو گونه بسیار مشابه بوده است. با این وجود آنها به تفاوت قابل توجه ای نیز برخوردند. بر خلاف انسان مدرن، ژنهای HOXD9 و HOXD10 در نئاندرتال ها به میزان بسیار زیادی متیله شده بود. این دو ژن هردو در رشد و توسعه اندام ها دخیل می باشند. لذا این پدیده ممکن است برخی از تفاوت های آناتومیک بین دو گونه را توضیح دهد. علاوه بر این  ژن هایی که با الگوی متفاوتی در نئاندرتال و انسان مدرن متیله شده اند دو برابر احتمال ارتباط با بیماری ها، خصوصا اختلالات مغزی را دارند.

در مطالعه دیگری، محققان از همین روند در بررسی اپی ژنتیک نمونه  Paleo-Eskimo (سرخپوشان-اسکیمو) که درگرینلند یافت شد استفاده کردند. مکان های خاصی در ژنوم وجود دارد که آنرا lock CpG sites"" می نامند  که در آن سطوح، متیلاسیون به طور قابل پیش بینی با سن ارتباط دارد. با بررسی مشخصات تیمین نمونه اسکیمو در این محلها (که از تکه موی ۴۰۰۰ ساله او استخراج گردیده)، محققان دریافتندکه این مرد اسکیمو به احتمال زیاد در هنگام مرگ در دهه پنجم از زندگی خود بوده است. بسیاری از بحث های حال حاظر در رابطه با epigenomes انسانهای مدرن مربوط به این است که چطور  ژن های ما به سرعت به تغییرات محیطی پیرامون خود پاسخ می دهند. شگفت آنکه پاسخ این سوال را شاید بتوان با بررسی epigenomes  باستانی دریافت.

در مطالعه ای که در ماه گذشته منتشر شد، محققان میزان متیلاسیون نمونه "جوهائی" که در یک سایت باستان شناسی در جنوب مصر یافت شده است و درحدود ۵۰۰ تا ۲۵۰۰ سال قدمت دارند را تخمین زدند. نمونه ها، کاهش پیوسته میزان متیلاسیون و ارتباط آن با سن جوها را نشان دادند (که نشانه روشنی از روند فروپاشی سیتوزین و نه تغییر الگوی متیلاسیون می باشد). اما در این مطالعه آنها به یک استثنا برخوردند: یک نمونه ۸۰۰ ساله، که به عفونت کشنده ای به نام Barley Stripe Mosaic Virus  مبتلا بود، به مراتب سطح متیلاسیون بالاتری را نسبت به نمونه سالم هم سن و سال خود داشت.

این یک مثال واضح از epigenomes در نمونه های باستانی می باشد که بر استعداد ابتلاء به عوامل عفونی و بیماریزا اشاره دارد. با این وجود، دانشمندان هنوز هیچ توضیحی برای بسیاری از تغییرات اپی‌ژنتیک در زندگی انسان ها ندارند. بررسی اینکه این تفاوتهای اپی ژنتیک در نمونه های باستانی به چه صورت بوده است معمای بزرگ دیگریست. با این همه، فکر کردن به این موضوع که چطور دانشمندان چنین داستانهای طولانی زیست شناسی را از تکه های ریز یخ و یا سنگ درمی یابند بسیار باور نکردنی است.

منبع: Science

  • نویسنده : بهزاد دماوند
  • تاریخ انتشار : ۲۷-۰۸-۹۳