دانشمندان موفق شدهاند حدود ۱۵۰ «سوئیچ» پنهان DNA را در آستروسیتها شناسایی کنند؛ سلولهای پشتیبان مغز که فعالیت ژنهای مرتبط با بیماری آلزایمر را کنترل میکنند. این کشف نشان میدهد که بخش بزرگی از ریسک ژنتیکی آلزایمر نه در خود ژنها بلکه در سازوکارهای تنظیمکننده آنها پنهان شده است.
سوئیچهای پنهان DNA چیستند؟
این پژوهش در آزمایشگاه پروفسور ایرینا وویناگو انجام شده است؛ دانشمندی که سالها روی ارتباط کنترل ژنها در سلولهای مغزی با اوتیسم و بیماری آلزایمر مطالعه میکند.
اهمیت این پیشزمینه در آن است که پژوهش حاضر فراتر از ژنها میرود و بر DNA تنظیمکننده آنها تمرکز دارد؛ بخشی که اغلب نادیده گرفته میشود.
ژنها فقط بخش کوچکی از DNA هستند
بیشتر DNA موجود در سلولهای ما خارج از ژنها قرار دارد اما نقش تعیینکنندهای در فعال یا غیرفعال شدن آنها ایفا میکند. دانشمندان به این بخش «ژنوم غیرکدکننده» میگویند؛ DNAای که مستقیماً پروتئین نمیسازد اما نحوه استفاده از ژنها را هدایت میکند.
در انسان تنها حدود ۲ درصد از DNA شامل ژنهاست و ۹۸ درصد باقیمانده جایی است که بخش بزرگی از ریسک ژنتیکی بیماریها در آن پنهان شده است.
آستروسیتها و سلامت مغز
تمرکز اصلی منبع AstroREG بر آستروسیتهاست؛ سلولهای پشتیبان مغز که وظیفه تغذیه نورونها و حفظ تعادل شیمیایی محیط مغز را بر عهده دارند.
این سلولها انتقالدهندههای عصبی اضافی را جمعآوری میکنند و التهاب را تنظیم میکنند. بنابراین تغییر در ژنهای آنها میتواند بهطور مستقیم بر عملکرد نورونهای مجاور اثر بگذارد.
از آنجا که بیماری آلزایمر اغلب با نشانههای اولیه التهاب همراه است، کنترل ژنها در آستروسیتها به نقطهای کلیدی برای بررسی تبدیل میشود.
تأثیر سوئیچهای DNA بر آلزایمر
بسیاری از این سوئیچهای ژنتیکی که «افزاینده» یا Enhancer نام دارند، بخشهایی از DNA هستند که میتوانند از فاصله دور فعالیت یک ژن را تقویت کنند.
یک Enhancer با کمک به اتصال پروتئینها به DNA، احتمال خوانده شدن ژن را افزایش میدهد. مشکل اینجاست که این سوئیچها گاهی صدها هزار واحد DNA با ژن هدف فاصله دارند و همین موضوع شناسایی ارتباط دقیق آنها را دشوار میکند.
خاموشسازی هدفمند سوئیچها
برای بررسی عملکرد این سوئیچها، تیم پژوهشی از فناوری CRISPRi استفاده کرد؛ روشی مبتنی بر کریسپر که DNA را بدون برش دادن، خاموش میکند.
در این سیستم یک پروتئین غیرفعالشده کریسپر روی ناحیه Enhancer مینشیند و رونویسی ژنهای مجاور را تضعیف میکند. این روش به سلول اجازه میدهد بدون ایجاد آسیب ساختاری، تغییرات بیان ژن را نشان دهد.
اندازهگیری فعالیت ژنها در سطح تکسلولی
با استفاده از توالییابی RNA تکسلولی، پژوهشگران بررسی کردند که خاموش شدن هر سوئیچ چه تأثیری بر فعالیت ژنها در هر آستروسیت میگذارد.
بهجای میانگینگیری از کل سلولها، تغییرات هر سلول بهصورت جداگانه رصد شد؛ نکتهای مهم زیرا حتی سلولهایی که از یک منبع یکسان میآیند، میتوانند رفتار متفاوتی داشته باشند.
کدام سوئیچها واقعاً به آلزایمر مرتبطاند؟
غربالگری اولیه با نزدیک به ۱۰۰۰ Enhancer احتمالی آغاز شد؛ نواحیای که در آستروسیتهای انسانی باز و فعال به نظر میرسیدند.
پس از خاموشسازی با CRISPRi، تنها بخشی از آنها تغییر قابلتوجهی در بیان ژنهای مجاور ایجاد کردند و بهعنوان Enhancerهای عملکردی تأیید شدند.
این فیلتر دقیق کمک میکند بسیاری از نواحی غیرمؤثر که ممکن است گمراهکننده باشند، کنار گذاشته شوند.
ارتباط مستقیم سوئیچها و ژنها
هر Enhancer عملکردی با تغییر سطح RNA یک یا چند ژن در همان ناحیه DNA شناسایی شد.
در برخی موارد این سوئیچها از ژنهای نزدیک عبور میکردند و ژنهای دورتری را هدف میگرفتند؛ هشداری جدی برای این فرض رایج که نزدیکترین ژن همیشه ژن درست است.
نشانههای آلزایمر در آستروسیتها
بسیاری از ژنهای هدف شناساییشده، در بافت مغز مبتلا به آلزایمر دچار اختلال در تنظیم هستند؛ یا بیشازحد فعال شدهاند یا بیشازحد سرکوب شدهاند.
این یافته نشان میدهد بخشی از ریسک بیماری نه از تخریب ژنها بلکه از تغییرات ظریف در تنظیم آنها ناشی میشود؛ تغییراتی که میتوانند کل شبکههای ژنی را تحت تأثیر قرار دهند.
چرا مطالعات ژنتیکی بزرگ به نتیجه دقیق نمیرسند؟
مطالعات وسیع انسانی اغلب واریانتهایی را در نواحی غیرکدکننده DNA شناسایی میکنند اما مشخص نمیکنند کدام ژن واقعاً تحت تأثیر قرار گرفته است.
ابزارهایی مانند eQTL میتوانند ارتباط میان واریانتها و فعالیت ژنها را نشان دهند اما نمونههای محدود مغزی، حساسیت این روشها را کاهش میدهد.
«اغلب با تغییراتی روبهرو میشویم که نه در خود ژنها بلکه در فواصل بین آنها قرار دارند.» – پروفسور ایرینا وویناگو
آموزش مدلهای پیشبینی با دادههای واقعی
منبع AstroREG علاوه بر ارزش زیستی، بهعنوان داده آموزشی برای یک مدل یادگیری ماشین از نوع Random Forest استفاده شد.
این مجموعه داده به زیستمحاسباتدانان کمک میکند دقت مدلهای پیشبینی عملکرد Enhancerها را ارزیابی کنند؛ هرچند همچنان تأیید آزمایشگاهی ضروری است.
محدودیتهای مطالعه
آستروسیتهای استفادهشده در این پژوهش در محیط آزمایشگاهی رشد داده شدهاند و ویژگیهای جنینی دارند؛ موضوعی که ممکن است با سلولهای مغز در سنین بالا متفاوت باشد.
همچنین CRISPRi DNA را حذف نمیکند بلکه آن را تضعیف میکند؛ بنابراین ممکن است برخی اثرات ضعیفتر از دید پنهان مانده باشند.
پژوهشهای آینده روی انواع دیگر سلولهای مغزی و آستروسیتهای تحت استرس میتواند تصویر کاملتری ارائه دهد.
جمعبندی
این نتایج نشان میدهد مطالعه DNA غیرکدکننده در یک نوع سلول خاص میتواند روشن کند که ریسک آلزایمر دقیقاً در کجا و چگونه عمل میکند. منبع AstroREG مسیر را برای آزمایشهای دقیقتر و ابزارهای پیشبینی بهتر هموار میکند؛ هرچند تأیید نهایی در بافت واقعی مغز انسان همچنان ضروری است.
این مطالعه در مجله علمی Nature Neuroscience منتشر شده است.
اگر به ژنتیک مغز و سازوکارهای پنهان بیماریهای عصبی علاقهمند هستید، مقالههای مرتبط ما را مطالعه کنید و دیدگاه خود را در بخش نظرات با ما به اشتراک بگذارید.
