برای دهه‌ها، دانشمندان بخش بزرگی از DNA انسان را بی‌مصرف تلقی می‌کردند؛ بقایای بی‌فایده‌ای از ویروس‌های باستانی که زمانی ژنوم اجداد ما را آلوده کرده بودند. این بخش‌ها که به عناصر قابل‌انتقال یا TEs (Transposable Elements) معروف‌اند، سال‌ها به‌عنوان فسیل‌های تکاملی بدون کاربرد امروزی نادیده گرفته می‌شدند.
بازنگری در یک تصور قدیمی
اما پژوهشی بین‌المللی، دیدگاه سنتی را به چالش کشیده است. دانشمندانی از ژاپن، چین، کانادا و ایالات متحده بر خانواده‌ای از DNA به نام MER11 تمرکز کرده‌اند؛ توالی‌هایی که در زمان و مکان فعال شدن ژن‌ها به‌ویژه در مراحل ابتدایی رشد انسان، نقش دارند.
آشنایی با عناصر قابل‌انتقال
نقش ویروس‌های باستانی در ژنوم ما
تکه‌های DNA ویروسی، بخشی از گروه بزرگ‌تری به نام TEs هستند. این عناصر طی میلیون‌ها سال، خود را در نقاط مختلفی از ژنوم ما کپی کرده‌اند.
امروزه، تقریباً نیمی از DNA انسان را همین عناصر تشکیل می‌دهند. در حالی که زمانی تصور می‌شد این بخش‌ها خاموش‌اند، اکنون به‌نظر می‌رسد آن‌ها مانند کلیدهایی عمل می‌کنند که ژن‌های مجاور را تنظیم می‌کنند.
MER11: عنصری جوان و فعال
معرفی MER11
MER11 یکی از اعضای گروه LTR رترونورشته‌زاها (LTR retrotransposons) است و احتمالاً حدود ۴۰ میلیون سال پیش وارد ژنوم نخستی‌ها شده است.
چالش مطالعه بر روی عناصر جوان
در حالی که TEs قدیمی بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، عناصر جوان‌تری مانند MER11 به دلیل طبیعت تکراری‌شان، کمتر شناخته شده‌اند.
دسته‌بندی جدید برای درک بهتر MER11
چهار زیرگروه بر اساس تاریخچه تکاملی
پژوهشگران برای بررسی بهتر MER11، یک سیستم دسته‌بندی جدید ایجاد کردند. آن‌ها توالی‌ها را براساس تاریخچه تکاملی و محافظت ژنتیکی در نخستی‌ها، به چهار زیرگروه تقسیم کردند:
- MER11_G1 (قدیمی‌ترین)
- MER11_G2
- MER11_G3
- MER11_G4 (جدیدترین)
کشف عملکردهای پنهان در DNA زائد
نقش نشانگرهای اپی‌ژنتیکی
این دسته‌بندی جدید، کمک کرد تا سیگنال‌های تنظیمی پنهان‌شده در DNA زائد شناسایی شوند؛ سیگنال‌هایی که ابزارهای قدیمی از شناسایی آن‌ها ناتوان بودند. پژوهشگران این زیرگروه‌های MER11 را با نشانگرهای اپی‌ژنتیکی تطبیق دادند. این نشانگرها از طریق تغییرات شیمیایی بر روی DNA یا پروتئین‌های وابسته به آن، فعالیت ژن‌ها را تحت‌تأثیر قرار می‌دهند.
قدرت تنظیمی MER11_G4
در آزمایش‌های گسترده‌ای با استفاده از لنتی‌ویروسی MPRA، حدود ۷۰۰۰ توالی MER11 بررسی شد. نتایج نشان داد که MER11_G4 دارای توان قابل‌توجهی برای فعال‌سازی ژن‌ها در سلول‌های بنیادی انسانی و سلول‌های عصبی است.
تفاوت عملکرد MER11 در نخستی‌ها
سایت‌های ویژه اتصال فاکتورهای رونویسی
زیرگروه جوان MER11_G4 دارای مجموعه‌ای منحصربه‌فرد از سایت‌های اتصال فاکتورهای رونویسی بود. این موتیف‌های DNA، محل اتصال پروتئین‌هایی هستند که فعالیت ژن‌ها را کنترل می‌کنند و برای درک پیام‌های رشد یا محیطی توسط سلول‌ها، حیاتی‌اند.
تفاوت‌های بین گونه‌ها
مطالعه نشان داد که انسان‌ها، شامپانزه‌ها و ماکاک‌ها، در توالی MER11_G4 تفاوت‌هایی دارند که ممکن است منجر به تنظیم ژنی متفاوت در بین گونه‌ها شود.
دکتر شون چن از آکادمی علوم چین گفت: «MER11_G4 به مجموعه‌ای خاص از فاکتورهای رونویسی متصل می‌شود. این گروه از طریق تغییرات توالی، عملکردهای تنظیمی متفاوتی کسب کرده است و در فرآیند گونه‌زایی نقش دارد.»
نقش MER11 در رشد عصبی
فعالیت بالا در مراحل ابتدایی رشد
عنصر MER11، به‌ویژه در زیرگروه MER11_G4، در سلول‌هایی مشابه مراحل ابتدایی رشد فعالیت زیادی دارد. این شامل سلول‌های بنیادی پرتوان و برخی پیش‌سازهای عصبی می‌شود.
ارتباط با ژن‌های مرتبط با مغز
در بافت‌های عصبی، عناصر MER11 به ژن‌های مربوط به رشد مغز متصل شده‌اند. این عناصر، فعالیت تنظیمی قوی‌ای در سلول‌هایی که به نورون‌ها تبدیل می‌شوند نشان دادند؛ موضوعی که نشان می‌دهد MER11 احتمالاً در تنظیم شبکه‌های ژنی رشد نقش دارد.
DNA ویروسی باستانی در خدمت تکامل
بازبینی نقش عناصر ویروسی
این یافته‌ها نشان می‌دهد که توالی‌های ویروسی باستانی می‌توانند کاربردهای مهمی پیدا کنند. با دنبال کردن مسیر تکامل این توالی‌ها و بررسی رفتار آن‌ها، دانشمندان در حال کشف لایه‌های پنهان تنظیم ژنوم هستند که پیش‌تر نادیده گرفته شده بودند.
دکتر فومیتاکا اینوئه از دانشگاه کیوتو، یکی از نویسندگان مقاله، گفت: «ژنوم ما مدت‌هاست که رمزگشایی شده، اما هنوز عملکرد بسیاری از بخش‌های آن ناشناخته مانده است.»
نقش در تکامل ژنومی
عناصر قابل‌انتقال مانند MER11 به‌عنوان بخش‌هایی از ابزار تکاملی ژنوم تلقی می‌شوند که اثر کامل آن‌ها تنها با پژوهش‌های عمیق‌تر آشکار خواهد شد.
DNA زائد: ابزاری برای تکامل
این پژوهش نگاه ما را به چیزی که زمانی «DNA زائد» تلقی می‌شد، به‌طور اساسی تغییر می‌دهد. برای سال‌ها، دانشمندان تصور می‌کردند که این توالی‌ها، به‌ویژه آن‌هایی که از عفونت‌های ویروسی باستانی ناشی شده‌اند، بی‌کاربرد و منفعل هستند.
اما مطالعه MER11 داستان متفاوتی روایت می‌کند. این توالی‌ها نه‌تنها بی‌کار نیستند، بلکه نقش حیاتی در تنظیم ژن‌ها در دوره‌های حساس رشد دارند. آن‌ها همچنین بر رفتار سلول‌های بنیادی اثر گذاشته، روند تمایز سلولی را هدایت می‌کنند. جالب‌تر اینکه ممکن است همین توالی‌ها، عامل تفاوت ژنتیکی بین گونه‌های مختلف باشند.
در نتیجه، آنچه زمانی زباله‌ی بی‌ارزش ژنتیکی تصور می‌شد، اکنون به‌عنوان جعبه‌ابزار تکاملی شناخته می‌شود؛ ابزاری که طی میلیون‌ها سال تکامل یافته تا زیست‌شناسی انسان و سایر نخستی‌ها را به شیوه‌هایی ظریف اما حیاتی شکل دهد.
این پژوهش در نشریه Science Advances منتشر شده است.
