باکتری‌ها توانایی شگفت‌انگیزی دارند که تغییرات موقتی و کوتاه‌مدت در بدن و محیط اطراف خود را «به خاطر بسپارند» و این خاطرات را به ارث بگذارند. بر اساس یک مطالعه اخیر که توسط دانشگاه نورث‌وسترن انجام شده است، این خاطرات به نسل‌های بعدی منتقل می‌شوند.
نکته جالب این است که این تغییرات در ماده ژنتیکی سلول باکتری کدگذاری نمی‌شوند، اما سلول همچنان می‌تواند خاطرات این تغییرات را به نسل‌های بعدی خود منتقل کند.
دستکاری خاطرات باکتری‌ها
این یافته به چالش کشیدن فرضیات طولانی‌مدت درباره نحوه انتقال و به ارث بردن صفات فیزیکی حتی در ساده‌ترین موجودات است و می‌تواند تأثیرات قابل‌توجهی بر کاربردهای پزشکی داشته باشد.
به عنوان مثال، پژوهشگران ممکن است بتوانند با دستکاری ظریف یک باکتری بیماری‌زا به گونه‌ای که نسل‌های بعدی آن نسبت به درمان حساس‌تر شوند، با مقاومت به آنتی‌بیوتیک‌ها مقابله کنند.
“یک فرض اساسی در زیست‌شناسی باکتریایی این است که ویژگی‌های فیزیکی ارثی عمدتاً توسط DNA تعیین می‌شوند. اما از دیدگاه سیستم‌های پیچیده، ما می‌دانیم که اطلاعات می‌توانند در سطح شبکه روابط تنظیمی بین ژن‌ها نیز ذخیره شوند”، عادلصن موتر، نویسنده ارشد این مطالعه و دانشمند دانشگاه نورث‌وسترن توضیح داد.
خاطرات باکتری در شبکه تنظیمی باقی می‌مانند
به گفته موتر، تیم پژوهشی می‌خواست بررسی کند که آیا خاطرات باکتری می‌توانند از والدین به فرزندان منتقل شوند، نه از طریق DNA، بلکه از طریق شبکه تنظیمی خود.
موتر گفت: “ما دریافتیم که تغییرات موقتی در تنظیم ژن‌ها می‌تواند تغییرات ماندگاری در شبکه ایجاد کند که سپس به فرزندان منتقل می‌شود”.
“به عبارت دیگر، انعکاس تغییراتی که والدین آنها را تجربه کرده‌اند در شبکه تنظیمی باقی می‌ماند، در حالی که DNA بدون تغییر باقی می‌ماند.”
موتر که استاد فیزیک در کالج هنرها و علوم وینبرگ دانشگاه نورث‌وسترن و مدیر مرکز پویایی شبکه‌ها است، این مطالعه را به همراه توماس وایتاک، پژوهشگر فوق‌دکتری و یی ژائو، دانشجوی تحصیلات تکمیلی از آزمایشگاه خود انجام داده است.
این مطالعه در همکاری با کیمبرلی رینولدز، زیست‌شناس سیستم‌ها از مرکز پزشکی دانشگاه تگزاس-جنوب غربی انجام شد.
وراثت غیر ژنتیکی در انسان‌ها
از زمان شناسایی مبنای مولکولی کد ژنتیکی در دهه 1950، دانشمندان عموماً فرض می‌کردند که صفات عمدتاً، اگر نه به‌طور انحصاری، از طریق DNA منتقل می‌شوند.
با این حال، از زمان تکمیل پروژه ژنوم انسان در سال 2001، پژوهشگران شروع به بازنگری در این فرضیه کرده‌اند.
وایتاک به قحطی هلند در جنگ جهانی دوم به عنوان نمونه‌ای شناخته شده از وراثت غیر ژنتیکی احتمالی در انسان‌ها اشاره می‌کند.
یک مطالعه اخیر نشان داد که کودکانی که پدرانشان در دوران بارداری مادرشان به قحطی مبتلا بوده‌اند، به احتمال بیشتری در بزرگسالی اضافه وزن پیدا کرده‌اند. با این حال، جدا کردن دقیق علل این نوع وراثت غیر ژنتیکی در انسان‌ها دشوار بوده است.
موتر توضیح داد: “در موجودات پیچیده، جدا کردن عوامل مؤثر مانند تعصب زنده ماندگان چالش‌برانگیز است. اما در ساده‌ترین موجودات تک‌سلولی، جایی که می‌توانیم محیط را کنترل کنیم و ژنتیک آنها را بررسی کنیم، می‌توانیم علل را مؤثرتر شناسایی کنیم”.
“اگر در این مورد چیزی مشاهده کنیم، می‌توانیم منشأ وراثت غیر ژنتیکی را به تعداد محدودی از امکانات نسبت دهیم، به ویژه تغییرات در تنظیم ژن.”
شبکه تنظیمی ژن
شبکه تنظیمی ژن شبیه به یک شبکه ارتباطی است که ژن‌ها از آن برای تأثیرگذاری بر یکدیگر استفاده می‌کنند. تیم پژوهشی فرضیه داد که ممکن است این شبکه به تنهایی کلیدی برای انتقال صفات به نسل‌های آینده باشد.
برای آزمودن این فرضیه، موتر و تیمش روی Escherichia coli (E. coli)، یک باکتری رایج که به عنوان یک مدل موجود شناخته شده است، مطالعه کردند.
“در E. coli، کل موجود تنها یک سلول است”، وایتاک توضیح داد. “این موجود نسبت به یک سلول انسانی ژن‌های بسیار کمتری دارد، حدود ۴۰۰۰ در مقابل ۲۰۰۰۰. همچنین ساختارهای درون سلولی که به سازمان‌دهی DNA در مخمر کمک می‌کنند و انواع مختلف سلول‌ها در موجودات پیشرفته‌تر را ندارد. چون E. coli به خوبی مطالعه شده است، ما اطلاعات زیادی درباره سازمان‌دهی شبکه تنظیمی ژن آن داریم.”
تغییرات ارثی در نسل‌ها
با استفاده از یک مدل ریاضی از شبکه تنظیمی، تیم پژوهشی شبیه‌سازی غیرفعال‌سازی موقت و فعال‌سازی مجدد ژن‌های فردی در E. coli را انجام داد. آنها دریافتند که این اختلالات کوتاه مدت می‌تواند تغییرات پایداری ایجاد کند که احتمالاً برای چندین نسل به ارث می‌رسند.
تیم اکنون در حال کار روی اعتبارسنجی این شبیه‌سازی‌ها از طریق آزمایش‌های آزمایشگاهی با استفاده از یک نسخه متفاوت از CRISPR است که ژن‌ها را به‌طور موقت غیرفعال می‌کند، نه اینکه آنها را به‌طور دائم تغییر دهد.
تأثیرات زنجیره‌ای تغییرات سلول باکتری
پژوهشگران این سؤال را مطرح کردند که چگونه این تغییرات، که در شبکه تنظیمی و نه DNA کدگذاری شده‌اند، می‌توانند از نسلی به نسل دیگر منتقل شوند. آنها پیشنهاد می‌کنند که یک اختلال برگشت‌پذیر ممکن است یک واکنش زنجیره‌ای غیرقابل برگشت درون شبکه تنظیمی را تحریک کند.
وقتی یک ژن غیرفعال می‌شود، بر ژن‌های همسایه در شبکه تأثیر می‌گذارد. تا زمانی که ژن اول دوباره فعال می‌شود، یک زنجیره خودپایدار آغاز شده است که مدارهایی ایجاد می‌کند که پس از فعال شدن در برابر تأثیرات خارجی مقاومت می‌کنند.
“این یک پدیده شبکه‌ای است”، موتر، یک متخصص در رفتارهای پویای سیستم‌های پیچیده گفت. “ژن‌ها با یکدیگر تعامل دارند. اگر یک ژن را تحت تأثیر قرار دهید، ژن‌های دیگر نیز تحت تأثیر قرار می‌گیرند.”
تأثیرات گسترده‌تر مطالعه
اگرچه آزمایش‌های فعلی بر غیرفعال‌سازی ژن‌ها تمرکز دارند، موتر یادآور شد که انواع دیگری از اختلالات نیز می‌توانند تأثیرات مشابهی داشته باشند.
او گفت: “ما همچنین می‌توانیم محیط سلول را تغییر دهیم”. “برای مثال، ممکن است دما، دسترسی به مواد مغذی، یا سطح pH باشد.”
این مطالعه نشان می‌دهد که سایر موجودات نیز ممکن است وراثت غیر ژنتیکی را نشان دهند.
“در زیست‌شناسی، خطرناک است که چیزی را جهانی فرض کنیم”، موتر هشدار داد. “اما به‌طور شهودی، من انتظار دارم که این اثر شایع باشد، زیرا شبکه تنظیمی E. coli مشابه یا ساده‌تر از شبکه‌هایی است که در سایر موجودات یافت می‌شود.”
این مطالعه در مجله Science Advances منتشر شده است.
