رمزگشایی اسرار ژن

 

DNA شما مواردی فراتر از رنگ چشمان شما یا توانایی حلقه کردن زبان تان را در بر می گیرد. ژن های شما حاوی دستورالعمل هایی برای ساخت تمامی پروتئین هایتان هستند، که سلول هایتان به طور مداوم نیاز به زنده نگاه داشتن شما دارند.

برخی از جنبه های کلیدی در مورد نحوه فعالیت فرآیندها در سطح مولکولی تا به حال یک راز بوده است. دانشمند اوا نوگالس و تیمش با استفاده از میکروسکوپ کریو الکترون (cryo-EM) در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) به موفقیت قابل توجهی در درک ما در زمینه نحوه یافتن DNA درست برای کپی کردن توسط ماشین های مولکولی، دست یافتند و جزئیات بی سابقه نقش یک عامل نیروگاه رونویسی شناخته شده به عنوان TFIID را نشان دادند.

این یافته ها راه را برای دانشمندان به منظور درک و درمان یک میزبان سرطان هموار می کند. نوگالس گفت: “درک این فرآیند نظارتی در سلول تنها راه برای دستکاری و یا تعمیر آن زمانی که رو به وخامت می گذارد، است. بیان ژن منشاء بسیاری از فرایندهای بیولوژیکی ضروری، از رشد و نمو جنین گرفته تا سرطان است. یک روز ما قادر خواهیم بود این مکانیزم های اساسی را دستکاری کنیم، چه برای اصلاح ژن هایی که باید یا نباید وجود داشته باشند و یا مراقبت از حالت های بدخیم که در آن روند از کنترل خارج می شود. ”

نوگالس، متخصص بیوفیزیک که دارای سمت در موسسه پزشکی هوارد هیوز و UC برکلی نیز است، بیان ژن را به مدت ۱۸ سال مورد مطالعه قرار داده است. در حالی که او و تیمش چند یافته مهم در سال های اخیر داشته اند، او این مورد را بزرگ ترین موفقیت تا کنون عنوان می کند. او گفت: “این چیزی است که ما در کتاب های درسی بیوشیمی وارد خواهیم کرد. ما در حال حاضر ساختار سازمانی کل پروتئین که در آغاز هر ژن تشکیل شده را می دانیم. این چیزی است که هیچ کس به آن دست نیافته بود، زیرا مطالعه با روش سنتی واقعا بسیار دشوار است.”

نحوه جریان اطلاعات ژنتیکی در موجودات زنده به صورت “باور مرکزی در زیست شناسی مولکولی” اشاره می شود. سلول ها به طور مداوم ژن را در پاسخ به آنچه که در محیط اتفاق می افتد روشن و خاموش می کنند و برای انجام این کار، سلول از DNA استفاده می کند، کتابخانه بزرگی از نقشه ژنتیکی، بخش درست را می یابد و یک نسخه کپی به شکل RNA مسنجر ایجاد می کند؛ mRNA سپس برای تولید پروتئین مورد نیاز مورد استفاده قرار می گیرد.

مشکل این “کتابخانه” این است که شماره صفحه یا فهرست مطالب ندارد. با این حال، استفاده از نشانگر در قالب توالی DNA خاص (به نام نقوش پروموتر هسته) نشان دهنده جایی است که در آن یک ژن شروع می شود و خاتمه می یابد. پس چگونه پلیمراز- آنزیمی که از رونویسی حمل می شود؛ می داند که از کجا باید شروع کند؟ نوگالس گفت: “DNA بزرگ است، یک مولکول بزرگ. خارج از این سوپ، شما باید جایی که ژن شروع می شود را بیابید، بنابراین پلیمراز می داند کجا باید کپی کردن را آغاز کند”.

وی افزود: ” فاکتور رونویسی TFIID، کمپلکسی پروتئینی است که دقیقا مناطق DNA هسته پروموتر را می شناسد و به آنها متصل می شود.”

آنچه نوگالس و تیمش قادر به انجام بودند، تجسم کردن با جزئیات بی سابقه است، TFIID به DNA هنگامی که منطقه شروع و یا پروموتر را شناسایی کرد، متصل می شود. آنها همچنین دریافتند که TFIID چگونه به عنوان نوعی پد فرود برای تمامی ماشین های مولکولی که نیاز به مونتاژ در این موقعیت دارند، خدمت می کند؛ که کمپلکس پیش آغازین رونویسی (PIC) نامیده می شود. این PIC در نهایت موقعیت پلیمراز می باشد به طوری که می تواند رونویسی را شروع کند.

نوگالس گفت: “TFIID نه تنها اتصال DNA، به کارگیری DNA و پد فرود بوده، بلکه به نحوی تمام کارهای متفاوت را برای ژن های مختلف در هر نقطه داده شده در زندگی موجود زنده انجام می دهد”.

لودر افزود: “ما اولین مدل ساختاری PIC مبتنی بر TFIID کامل انسانی را تولید کرده ایم. بازده مدل ما درک نوینی در زمینه مونتاژ PIC انسانی ارائه می کند، از جمله نقش TFIID در بکارگیری سایر اجزای PIC برای DNA پروموتر و نحوه انعطاف پذیری ساختاری TFIID که در تنظیم شروع رونویسی ایفای نقش می کند، به مدت طولانی مشاهده شده است. ”

پروتئین ها به طور سنتی با استفاده از کریستالوگرافی اشعه ایکس مطالعه می شوند، اما این روش برای این نوع پژوهش ممکن نیست. نوگالس گفت: “TFIID در کریستالوگرافی پروتئین قابل دسترس نیست چرا که مواد به اندازه کافی برای تبلور آن وجود ندارد، عناصر بسیار انعطاف پذیر  و بزرگ هستند. ما می توانیم از طریق cryo-EM بر تمام این مسائل غلبه کنیم.”

cryo-EM ، که در آن نمونه ها در دمای بسیار پایین و بدون نیاز به رنگ و یا ثابت کننده ها تصویربرداری می شوند، از دهه ۱۹۸۰ در زیست شناسی ساختاری مورد استفاده قرار گرفته است. با تجزیه و تحلیل گسترده محاسباتی تصاویر، محققان قادر به دستیابی به ساختارهای سه بعدی هستند. با این حال، cryo-EM طی چند سال گذشته با ظهور آشکارسازهای جدید دستخوش تحول شده است. در واقع، در آزمایشگاه برکلی بهبود وضوح و کاهش مقدار داده مورد نیاز تا یک صد برابر افزایش یافته است.

وی افزود: “بسیاری از سیستم های بیولوژیکی که تصور می کردیم مطالعه شان در وضوح بالا غیر ممکن است، در دسترس قرار گرفته اند. در حال حاضر وضوح به ما اجازه می دهد تا اطلاعات اتمی را به دست آوریم. این حوزه ای است که در آن آزمایشگاه برکلی، یکی از پیشگامان بوده است.”

در حالی که این مطالعه بینش جدیدی در زمینه بیان ژن ارائه کرده است، نوگالس اشاره می کند که هنوز کارهای زیادی باید انجام شود. پس از این او قصد دارد تا نحوه تشخیص توالی های متفاوت برای انواع ژن های مختلف توسط TFIID و همچنین نحوه تنظیم آن توسط کوفاکتور ها و فعال سازها را مورد مطالعه قرار دهد.

او گفت: “ما تنها در آغاز راه هستیم. کمپلکس TFIID، بسیار بسیار حیاتی است. ما در حال حاضر موانع را از سر راه برداشته ایم به این معنا که می توانیم شروع به تولید مدل های اتمی کرده و به جزئیات نحوه اتصال DNA دست یابیم.”

 

DNA انسان، مخفیگاه ویروس های قدیمی

نوزده گونه جدید DNA غیرانسانی مخفی در بین ژن های ما- برجا مانده از ویروس هایی که صدها هزار سال پیش اجداد ما را آلوده کرده بودند- به تازگی کشف شدند.

به گزارش کلیک، یک گونه از این نوزده گونه تازه کشف شده در ۵۰ نفر از ۲۰۰ نفری که مورد مطالعه قرار گرفته بودند٬ دیده شد که حاوی یک دستورالعمل کامل ژنتیکی دست نخورده بود. اینکه این گونه قابل رونویسی یا کپی کردن باشد یا نباشد، هنوز مشخص نیست. اما مطالعات دیگر روی DNA نشان داده است که می تواند بر انسان های حامل آن تأثیر بگذارد.

دانشمندان علاوه بر یافتن این موارد جدید، ۱۷ گونه دیگر از DNA ویروسی را نیز کشف کردند که در سال های اخیر توسط دانشمندان دیگر در ژنوم های انسانی کشف شده بود. در این مطالعه ظرفیت کل DNA، یا ژنوم افراد سرتاسر مورد توجه قرار گرفت. در این بررسی به مردم آفریقا توجه ویژه شد چرا که خاستگاه اجداد انسان های مدرن قبل از مهاجرت به بقیه نقاط دنیا از این منطقه بوده است. تیم پژوهشی از تکنیک های پیچیده برای مقایسه نواحی کلیدی ژنوم هر فرد با ژنوم انسان “مرجع” بهره گرفتند.
محققان دانشگاه تافتس و مدرسه پزشکی دانشگاه میشیگان با بودجه و سرمایه موسسات ملی سلامت این پژوهش را انجام دادند.

یافته های خاص از این پژوهش به آنچه علم تقریبا از رتروویروس های درون زا یا HERV ها می داند افزوده می شود. این نام به ویروس های عفونی قدیمی اطلاق می شود که یک کپی DNA از ماده ژنتیکی RNA خود در ژنوم اجداد ما تعبیه کردند.
اینها در واقع قسمتی از همان نوع ویروسی هستند که شامل ویروس نقص ایمنی انسانی یا همان عامل بیماری ایدز است.

DNA ویروسی در طی نسل ها با تولید مثل بشر کپی می شود و به وراثت می رسد. در واقع، هشت درصد چیزی که ما آن را DNA “انسان” می نامیم منشأ ویروسی دارند. در برخی موارد، توالی های HERV بر اساس بدن انسان و با یک هدف مفید اقتباس شده اند. به عنوان مثال یکی از این توالی ها به بدن زنان باردار کمک می کند تا یک لایه سلول در اطراف جنین در حال نمو ایجاد شود و از جنین در برابر سموم موجود در خون مادر محافظت شود.
HERV های جدید بخشی از خانواده HERV-K به شمار می روند. کل ژنوم ویروسی دست نخورده یا پروویروس روی کروموزوم X قرار دارد و نام Xq21 را به خود گرفته است. این تنها پروویروس دست نخورده ثانویه ای است که در DNA انسان مخفی شده است.

طبق گفته محققان٬ این پروویروس به گونه ای است که می تواند ویروس عفونی ایجاد کند و همین امر باعث شد تا ما به مطالعه یک اپیدمی ویروسی که مدت های قبل رخ داده بود بپردازیم.

پژوهش حاضر اطلاعات مفید و ضروری برای درک نحوه تکامل رتروویروس ها و انسان ها با هم در چند وقت نسبتا اخیر در اختیار ما قرار می دهد. در مطالعات متعددی سعی شده که ارتباطی بین این المان های ویروسی درون زا و بیمارهای سرطانی و دیگر بیماری ها ایجاد شود. اما مشکل اصلی این بوده است که محققان هنوز تمام این المان ها را نمی شناسند. تعدا زیادی از این المان ها فقط در درصد بسیار کمی از افراد وجود دارد و این یعنی این که محققان مجبورند برای یافتن این المان ها افراد زیادی را غربالگری کنند. آنچه در این پژوهش به تأیید رسید این بود که پژوهشگران می توانند از داده های ژنومی افراد مختلف برای مقایسه با ژنوم انسان مرجع و کشف HERV های جدید بهره ببرند. علاوه بر این نشان داده شد که برخی از افراد حامل الحاقاتی هستند که نمی توان آن را با انسان مرجع مقایسه کرد.
دکتر جفری کید پژوهشگر ژنتیک و عضو این تیم پژوهشی بیان داشت: این ها در واقع بقایای رخدادهای اجدادی هستند که در کل در جمعیت تثبیت نشده اند اما در اجداد برخی از افرادی که هنوز زنده هاستند اتفاق افتاده است. کید در ادامه افزود: نمونه های متعددی از دیگرHERV ها وجود داشته است که خودشان را کنار ژن های انسان یا نزدیک آنها جا داده اند و بر بیان آن ها تأثیر دارند.

تیم ژنتیک:
تیم پژوهشی میشیگان از متدهای مختلف برای تعیین ویژگی های توالی های تکراری DNA که توسعه داده بودند استفاده کردند.
بسیاری از ژنوم هایی که مورد بررسی قرار گرفتند از پروژه ۱۰۰۰ Genomes Project گرفته شدند. مجموعه دیگری از ژنوم ها نیز از دانشگاه استنفورد و با تمرکز بر نمونه های DNA داوطلبان آفریقایی گرفته شد.
نمونه ژنوم های برگرفته از دانشگاه استنفورد علائم بیشتری از HERV ها را نشان دادند که با تنوع ژنتیکی زیاد در جمعیت آفریقایی هم خوانی داشت. این تنوع ناشی از ثبات بلند مدت و آمیختگی جمعیت این قاره است؛ بر خلاف اروپا، آسیا و آمریکا که حاصل مهاجرت افراد به این قاره ها در ادوار مختلف بوده است.

عامل شکل دهی بینی انسان ها کشف شد

 بینی انسان توسط چهار ژن شکل می گیرد. این ژن ها تعیین می کنند که آیا بینی فرد بزرگ، کوچک، دارای نوک تیز، گرد یا رو به بالا باشد. این مطالعه تاثیر زیادی بر ژنتیک و پزشکی قانونی خواهد داشت.

ظاهر بینی جمعیت ها و نژادهای مختلف با یکدیگر تفاوت دارد. باور محققان بر این است که شرایط محیطی نوع بینی افراد را مشخص می کند. برای مثال باریکی بینی اروپایی ها ممکن است به دلیل هوای سرد و خشک باشد.محققان دانشگاه کالج لندن ۶۰۰۰ نفر در آمریکای لاتین که به نظر دارای اجداد مختلفی هستند را مورد مطالعه قرار دادند. نژاد نیمی از افراد مورد مطالعه نژاد مخلوط با نژاد اروپایی بود در صورتی که ۴۵ درصد آن ها بومی آمریکا بودند و تعداد یک نفر از هر بیست نفر آفریقایی تبار بودند.
محققان ۱۴ ویژگی در صورت این افراد را مورد بررسی قرار دادند و اطلاعات به دست آمده را با ویژگی های فیزیکی سوابق ژنتیکی فردی مقایسه کردند.

در این بررسی مشخص شد که چهار ژن مسئول شکل دادن به بینی افراد هستند – GLI3, PAX1, RUNX2 و DCHS2. ژن RUNX2 میزان پهنای پل بینی را کنترل می کند، ژن DCHS2 مسئول تیزی نوک بینی است و دو ژن دیگر وسعت سوراخ های بینی را تعیین می کنند. ژن پنجم نیز با نام EDASR کشف شد که مسئول برآمدگی چانه است.
این تحقیق به توسعه فناوری هایی برای بازسازی صورت قربانیان جنایت کمک می کند. همچنین به فهمیدن اینکه چگونه بینی انسان در طول زمان تکامل یافته است کمک می کند. یک محقق زیست شناسی تکاملی از UCL گفت فهمیدن نقش هر ژن به ما کمک می کند مسیر تکامل انسان را دریابیم.


به نظر می رسد هر کدام از ژن های مورد مطالعه در این تحقیق تحت تکامل قرار گرفته و مدرن شده اند. ممکن است این تفاوت های عظیم در چهره انسان ها به عنوان وسیله ای برای برای تسهیل شناخت افراد مورد استفاده قرار گیرد.
مطالعات پیشین در مورد ساختار صورت انسان تنها روی جمعیت اروپایی انجام شد و پس زمینه ژنتیکی محدودتری نسبت به این مطالعه ارائه داد.
تحلیل ژن ها و این که چگونه به شکل گرفتن صورت انسان کمک می کنند در مجله Nature Communications شرح داده شد.

منبع : کلیک