تولد سلول‌ها و راز انتخاب مسیرشان
یک تخمک بارور شده به طرز شگفت‌انگیزی در عرض چند روز می‌تواند سلول‌های پوست، مغز و خون را تولید کند. اما سؤال اساسی اینجاست:
- چگونه این سلول‌های اولیه می‌دانند که باید کدام قسمت از بدن را بسازند؟
- چطور برخی سلول‌ها کلیه می‌سازند و برخی دیگر پوست؟
حل این معما بیش از یک قرن است که ذهن زیست‌شناسان رشد و نمو را به خود مشغول کرده است. در حالی که نقشه‌های شجره‌نامه‌ای سلولی هنوز هم شبیه طرح‌های ناتمام باقی مانده‌اند.
معرفی ابزار نوین LoxCode
ردیابی کامل سلول‌ها از روز نخست
یک تیم استرالیایی اخیراً از ابزاری به نام LoxCode رونمایی کرده است که به هر سلول در یک جنین موش، یک شناسه‌ی DNA منحصربه‌فرد اختصاص می‌دهد و مسیر سلول و نسل‌های بعدی آن را در طول رشد با دقت بی‌سابقه‌ای دنبال می‌کند.
دکتر تام وبر از مؤسسه Walter and Eliza Hall می‌گوید:
«این فناوری مانند بارکدی قابل ردیابی است که به ما اجازه می‌دهد در دل این فرآیند بنیادی با جزئیاتی بی‌سابقه نفوذ کنیم.»
نحوه عملکرد LoxCode
این روش از آنزیم Cre recombinase برای جابه‌جایی قطعات کوتاه DNA استفاده می‌کند و در یک مرحله می‌تواند بیش از ۳۰ میلیارد ترکیب بارکدی تولید کند.
هر شناسه‌ی DNA در طول رشد جنین بدون خطا کپی می‌شود، به‌طوری که دانشمندان می‌توانند بعدها از طریق تعیین توالی DNA، شجره‌نامه‌ی سلولی را بازسازی کنند.
نتایج آزمایش‌های اولیه
در تست‌های مقدماتی:
- در روز ۵.۵ بارداری (زمانی که لایه‌های زایای اولیه تازه در حال شکل‌گیری‌اند) بارکد تزریق شد.
- یک هفته بعد، جنین‌ها بازیابی و بارکدها در بافت‌ها و در سطح تک‌سلولی بررسی شدند.
پروفسور شالین نایک از مؤسسه WEHI توضیح می‌دهد:
«این داده‌ها نشان می‌دهند که تمایز سرنوشت سلول‌ها، بسیار زودتر از آنچه در کتاب‌های درسی آمده، رخ می‌دهد.»
برخی کلون‌ها در سراسر جنین پخش شدند، اما برخی دیگر فقط در اکتودرم، خون یا جوانه‌های اندامی باقی ماندند.
کشف عدم تقارن پنهان در جنین
پیش‌بینی و اثبات الگوهای نامتقارن
با وارد کردن داده‌های بارکد به یک مدل عامل‌محور (Agent-Based Model)، پژوهشگران موفق شدند عدم تقارن‌های پنهانی مانند تفاوت در پیش‌سازهای کلیه‌ی چپ و راست را پیش‌بینی و سپس به‌طور تجربی اثبات کنند.
این نوع اعتبارسنجی محاسباتی، اطمینان می‌دهد که داده‌ها واقعاً بازتاب بیولوژی طبیعی‌اند، نه نویز در تعیین توالی.
مقایسه LoxCode با روش‌های قدیمی
روش‌های قدیمی ردیابی شجره سلولی که متکی بر ویروس‌ها یا برش‌های CRISPR بودند:
- می‌توانستند به سلول آسیب بزنند
- شاخه‌های فرعی ظریف را از دست می‌دادند
برای مثال:
یک سیستم CRISPR تنها توانست چند صد ویرایش در کل بدن یک گورخرماهی ثبت کند.
مزیت LoxCode
LoxCode از ۱۳ قطعه کوتاه DNA استفاده می‌کند که آنزیم Cre recombinase می‌تواند آن‌ها را به روش‌های بسیار متنوعی جابه‌جا کند. وقتی قطعات به ترکیبی پایدار برسند، فرآیند متوقف می‌شود و بارکد نهایی در DNA سلول قفل می‌شود.
از آنجا که هر قطعه DNA بسیار کوتاه است، می‌توان آن را با ابزارهای استاندارد تعیین توالی DNA به آسانی خواند. همین امر، این روش را مقرون‌به‌صرفه و قابل‌استفاده برای آزمایشگاه‌های کوچک کرده است.
توسعه نسل ویژه موش آزمایشگاهی
این تیم، گونه‌ی خاصی از موش با نام strain 037677 تولید کرده است که در The Jackson Laboratory در دسترس است. پژوهشگران می‌توانند آن را با موش‌های دارای ژن فعال‌کننده‌ی Cre در بافت‌های مشخص جفت‌گیری کنند تا بارکددهی هدفمند داشته باشند.
یافته‌های جدید در مورد تمایز سلولی
سلول‌های پرتوان (Pluripotent) همیشه تصور می‌شد که منتظر سیگنال‌های بیرونی می‌مانند تا سرنوشت‌شان را انتخاب کنند.
اما داده‌های جدید نشان می‌دهند بسیاری از کلون‌ها در همان مراحل ابتدایی و در حالی که جنین هنوز به اندازه یک دانه خشخاش است، به سوی یکی از لایه‌های زایا گرایش دارند.
برای نمونه:
- سلول‌های اپی‌بلاست نزدیک رگه‌ی اولیه، بیشتر به خون و مزانشیم تبدیل شدند.
- کلون‌های ناحیه قدامی بیشتر به بافت‌های عصبی گرایش داشتند.
حتی عدم تقارن‌های پیش‌بینی‌نشده هم مشاهده شد. مثلاً:
جوانه اندام چپ اغلب از بنیان‌گذاران متفاوتی نسبت به اندام راست منشأ می‌گرفت.
این یافته‌ها می‌توانند روشن کنند چرا برخی ناهنجاری‌های مادرزادی، فقط در یک سمت بدن ظاهر می‌شوند.
کاربردهای LoxCode در پزشکی و درمان
از رشد مغز تا ترمیم سکته
چون بارکددهی در موش‌های زنده انجام می‌شود، پژوهشگران هم‌اکنون مشغول بررسی زمینه‌های مختلف هستند:
- رشد سیستم ایمنی
- بازسازی روده
- عود تومورها
یک عصب‌شناس در دانشگاه کوئینزلند در حال بررسی چگونگی یکپارچه شدن نورون‌های تازه پس از سکته مغزی است. او از LoxCode برای علامت‌گذاری سلول‌های پیش‌ساز در لبه ناحیه آسیب‌دیده استفاده می‌کند.
پیشگیری از عود سرطان
زیست‌شناسان سرطان قصد دارند مسیر کلون‌های مقاوم به درمان را در طول ماه‌ها دنبال کنند. با رهگیری بارکد هر سلول زنده‌مانده تا نخستین منشأ آن، می‌توان آسیب‌پذیری‌های احتمالی را قبل از عود شناسایی کرد.
داروهای هدایت‌گر مسیر سلولی
آینده پژوهش‌ها می‌تواند منجر به داروهایی شود که مسیر سلول‌های ناسالم را به سمت سرنوشت‌های سالم بازگرداند.
این روش به‌خوبی با نمایه‌سازی RNA تک‌سلولی هماهنگ است و مسیر هر کلون و برنامه‌های ژنی‌اش را در طول سفر روشن می‌کند.
پیامدهای این فناوری برای علم پزشکی
بسیاری از اختلالات رشدی از تصمیم‌گیری‌های نادرست سلولی در هفته‌ها قبل از ظهور علائم بالینی ناشی می‌شوند.
مزایای داشتن شجره‌نامه سلولی:
- شناسایی نخستین خطای سلولی
- طراحی مداخلات دقیق درمانی
- ژن‌درمانی‌های هدفمند در سلول‌های بنیادی
- اطمینان از ترکیب درست سلول‌ها در پیوندهای آزمایشگاهی
ملاحظات اخلاقی
در آینده، با گسترش این فناوری در جنین انسانی پرسش‌های اخلاقی جدیدی مطرح خواهد شد. هرچند در حال حاضر تمرکز پژوهشگران بر موش است، جایی که LoxCode می‌تواند کتاب‌های درسی زیست‌شناسی جنینی را بازنویسی کند.
این پژوهش در نشریه Cell منتشر شده است.
