چرا انسان‌ها ژن‌هاى اندکى دارند؟

[nedasoltani]

وقتى زيست‌شناسان پيشگام توالى ژنوم انسان را در سال‌هاى پايانى دهه‌ى 1990 ميلادى مشخص مى‌کردند، تعداد ژن‌هاى گنجانده شده در 3 ميليارد جفت باز سازنده‌ى DNA را برآورد کردند، چند برآورد به هم نزديک بودند. بيش از يک دهه پذيرفته شده بود که ما حدود 100 هزار ژن نياز داريم تا هزاران فرايند سلولى را به انجام برسانند که ما را زنده نگه مى‌دارند. با وجود اين، مشخص شد که ما فقط حدود 25 هزار ژن داريم، يعنى به همان اندازه که يک گياه گلدار بسيار کوچک به نام آرابيدوپسيس( Arabidopsis ) دارد و اندکى بيش‌تر از کرمى به نام کنورابديتيس الگانس( Caenorhabditis elegans ).



اين شگفت‌زدگى باعث بحث‌هاى نقادانه‌ى در حال رشدى در ميان ژنتيکدانان شد: ژنوم ما و پستانداران ديگر انعصاف‌پذيرتر و پيچيده‌تر از آن‌ چيزى است که تا کنون به نظر مى‌رسيد. تصور قديمى يک ژن/ يک پروتيين کنار گذاشته شده است: اکنون مشخص شده است که ژن‌هاى زيادى مى‌توانند بيش از يک پروتيين توليد کنند. پروتيين‌هاى تنظيمى، RNA ، و بخش‌هاى نارمز دهنده‌ى DNA و حتى تغييرهاى شيميايى و ساختارى خود ژنوم، تعيين مى‌کنند که ژن‌ها چگونه، کجا و چه زمانى بيان شوند. مشخص کردن اين که همه‌ى اين عامل‌ها چگونه با هم کار مى‌کنند تا چگونگى بيان ژن را پى‌ريزى کنند، يکى از چالش‌هاى اصلى پيش‌روى زيست‌شناسان است.

در چنن سال گذشته، روشن شد پديده‌اى به نام پيرايش جايگزين( alternative splicing ) يکى از علت‌هايى است که ژنوم انسان مى‌تواند با تعداد اندکى ژن، چنين پيچيدگى را به وجود آورد. ژن‌هاى انسان هم DNA رمزدهنده(به نام اگزون) و هم DNA نارمزدهنده(به نام اينترون) دارد. در برخى ژن‌ها، ترکيب متفاوتى از اگزون‌ها مى‌تواند در زمان‌هاى مختلف فعال شود و از هر ترکيب، پروتيين متفاوتى به دست آيد.

پيرايش جايگزين از مدت‌ها پيش به عنوان يک سکسکه‌ى نادر طى رونويسى از ژن در نظر گرفته مى‌شد، اما پژوهشگران به اين نتيجه رسيده‌اند که دست کم در نيمى از ژن‌هاى ما رخ مى‌دهد؛ البته، برخى ژنتيکدانان از همه‌ى ژن‌ها‌ى ما ياد مى‌کنند! اين يافته گام بلندى به سوى توضيح اين حقيقت بود که چگونه تعدادى ژن، صدها و هزاران پروتيين مختلف توليد مى‌کنند. اما ماشين رونويسى چگونه تصميم مى‌گيرد کدام بخش‌هاى ژن در زمانى خاص خوانده شوند، هنوز يک راز است.

چنين چيزى را درباره‌ى سازوکارهايى که تعيين مى‌کنند کدام ژن‌ها يا دسته‌اى از ژن‌ها در زمان و مکان خاص روشن يا خاموش مى‌شوند، نيز بايد گفت. پژوهشگران کشف کرده‌اند که هر ژن براى اين که کارش را انجام دهد به بازيگران پشتيبانى نياز دارد و گاهى تعداد اين بازيگران به صدها مى‌رسد. اين‌ها شاما پروتيين‌هايى هستند که ژن‌ها را خاموش و فعال مى‌کنند؛ براى مثال، با افزودن گروه‌هاى استيل يا متيل به DNA . پروتيين‌هاى ديگر، که عامل‌هاى رونويسى ناميده مى‌شوند، به طور مستقيم‌ترى با ژن‌ها برهم‌کنش دارند: آن‌ها به جايگاه‌هاى خاصى، نزديک ژنى که زير فرمان آن‌ها است، متصل مى‌شوند. مانند پيرايش جايگزين، فعال شدن ترکيب‌هاى مختلفى از جايگاه‌هاى اتصال، تنظيم ظريف بيان ژن را امکان‌پذير مى‌سازد، اما هنوز پژوهشگران بايد به دقت مشخص کنند که چگونه همه‌ى اين عامل‌هاى تنظيمى با هم کار مى‌کنند و چگونه با پيرايش جايگزين هماهنگ مى‌شوند.

در دهه‌ى گذشته يا اندکى بيش‌تر، پژوهشگران نقش کليدى پروتيين‌هاى کروماتين و RNA را در تنظيم بيان ژن پذيرفتند. پروتيين‌هاى کروماتيين در اصل به بسته‌بندى DNA و حفظ شکل مارپيچى‌ آن کمک مى‌کنند. با تغيير اندکى در شکل کروماتين، ممکن است ژن‌‌هاى مختلف در معرض ماشين رونويسى قرار گيرند.

ژن‌ها به ميزان RNA نيز حساس هستند. مولکول‌هاى کوچکى از RNA ، که بسيارى از آن‌ها کم‌تر از 30 باز دارند، اکنون به عنوان تنظيم‌کننده‌ ژن در کانون توجه قرار گرفته‌اند. پژوهشگران زيادى، که در 5 سال گذشته روى RNA پيک و ديگر مولکول‌هاى به نسبت بزرگ RNA کار مى‌کردند، اکنون به مطالعه‌ى اين خويشاوندان کوچک‌تر آن‌ها، از جمله ميکرو RNA و RNA هسته‌اى کوچک، روى آورده‌اند. شگفت‌آور است که اين مولکول‌هاى کوچک، ژن‌ها را خاموش مى‌کنند و بنابراين بيان ژن را تغيير مى‌دهند. آن‌ها در تمايز سلولى، که طى رشد و نو جانداران رخ مى‌دهد، نيز نقش کليدى دارند، اما چگونگى کارکرد آن‌ها هنوز به درستى مشخص نيست.

پژوهشگران گام‌هاى زيادى براى روشن کردن اين سازوکارهاى گوناگون تنظيم فعاليت ژن‌ها برداشته‌اند. ژنوم‌شناسان با مقايسه‌ى ژنوم جانداران شاخه‌هاى مختلف درخت تکاملى تلاش مى‌کنند جايگاه بخش‌هاى تنظيمى را مشخص کنند و سرنخ‌هايى براى چگونگى تکامل سازوکارهايى مانند پيرايش جايگزين پيدا کنند. در عوض، اين پژوهش‌ها راه را براى شناخت چگونگى کار اين بخش‌هاى تنظيمى روشن خواهند کرد. آزمايش‌هايى روى موش‌ها، مانند افزودن يا حذف بخش‌هاى تنظيمى و دست‌کارى RNA ، و مدل‌سازى رايانه‌اى مى‌تواند در اين راه به ما کمک کند. اما پرسش اساسى که به احتمال زياد تا مدتى دراز بدون پاسخ خواهند ماند اين است: چگونه همه‌ى اين ويژگى‌ها با هم در يک قالب ريخته شده‌اند تا جاندارى مانند ما را بسازند.