لاک‌پشت‌ها خزندگان شگفت‌انگیزی هستند که به خاطر لاک‌های متمایز خود شناخته می‌شوند؛ لاک‌هایی که هم به عنوان زره و هم به عنوان محافظ عمل می‌کنند. این حیوانات بیش از ۲۰۰ میلیون سال قدمت دارند و از قدیمی‌ترین موجودات زنده روی زمین به شمار می‌روند.
لاک‌پشت‌ها را می‌توان در محیط‌های گوناگونی پیدا کرد، از عمق اقیانوس‌ها گرفته تا برکه‌های آب شیرین و حتی خشکی. توانایی آنها در سازگاری با زیستگاه‌های مختلف به بقای آنها در سراسر جهان کمک کرده و صدها گونه با اندازه‌ها، رنگ‌ها و رفتارهای متنوع را نشان می‌دهد.
این توانایی شگفت‌انگیز در سازگاری از کجا می‌آید؟ ظاهراً این توانایی ناشی از ژنوم آنهاست که نشان می‌دهد بسیار متفاوت از سایر حیوانات مطالعه‌شده تا کنون است.
درک نقشه‌های ژنتیکی
مولکول‌های DNA با رشته‌های بلند نوکلئوتیدها، داده‌های ژنتیکی گسترده‌ای را که برای زندگی ضروری هستند، حمل می‌کنند. اینکه این نقشه ژنتیکی چگونه در سلول‌ها ذخیره می‌شود، بر چگونگی خوانده شدن و استفاده از آن تأثیر می‌گذارد.
در طول تقسیم سلولی، DNA به طور فشرده‌ای دور پروتئین‌ها پیچیده شده و ساختارهای کروماتین را درون کروموزوم‌ها شکل می‌دهد.
پس از تقسیم، کروموزوم‌ها آرام شده و کروماتین باز می‌شود و الگوهای تاخوردگی و حلقه‌زنی منحصربه‌فردی ایجاد می‌کند که تعیین می‌کند کدام ژن‌ها فعال یا سرکوب شوند.
پژوهش‌های جدیدی که به سرپرستی دانشگاه ایالتی آیووا انجام شده، بینش‌هایی درباره این فرآیندها ارائه می‌دهد و ممکن است به درک تکامل و همچنین کمک به تحقیقات بیومدیکال منجر شود.
نویسنده ارشد این مطالعه، نیکول والنسوئلا، استاد بوم‌شناسی، تکامل و زیست‌شناسی ارگانیسمی در دانشگاه ایالتی آیووا است.
والنسوئلا می‌گوید: «ساختار سه‌بعدی کروماتین در هنگام تاخوردگی برای تنظیم ژن‌ها اهمیت دارد. اینکه کروماتین به طور فیزیکی در کجای هسته قرار می‌گیرد، مهم است.»
وی افزود: «تاخوردگی کروموزوم‌ها همچنان کمی ناشناخته باقی مانده است. ما چیزهای زیادی درباره آن یاد گرفته‌ایم، اما هنوز تنها نوک کوه یخ را دیده‌ایم.»
نقش کروماتین در تنظیم ژن
در مرحله اینترفاز پس از تقسیم سلولی، شکل و موقعیت کروماتین بر بیان ژن تأثیر می‌گذارد و مناطق دور از DNA را به تماس نزدیک می‌رساند.
برای مثال، تقویت‌کننده‌ها (بخش‌هایی از DNA که بیان ژن را تقویت می‌کنند) و پروموترهای ژن (ناحیه‌هایی که رونویسی را آغاز می‌کنند) می‌توانند در مناطق باز و قابل دسترس کروماتین بیشتر با هم تعامل داشته باشند.
از سوی دیگر، DNA در مناطق کروماتین فشرده کمتر فعال است.
با تحلیل این نقاط تماس، پژوهشگران مدل‌هایی برای نقشه‌برداری از پیکربندی کروماتین در گونه‌های مختلف، از جمله انسان، موش، پرندگان و اخیراً لاک‌پشت‌ها، توسعه داده‌اند.
کشف منحصربه‌فرد در ژنوم لاک‌پشت‌ها
در مقاله‌ای که اخیراً در مجله Genome Research منتشر شده، تیم والنسوئلا ترتیب کروماتین را در ژنوم‌های دو گونه لاک‌پشت – لاک‌پشت نرم‌پشت خاردار و لاک‌پشت مشک عظیم‌الجثه شمالی – توصیف کرده و ساختاری را کشف کرده‌اند که قبلاً در دیگر موجودات دیده نشده بود.
کروموزوم‌ها دارای دو عنصر اساسی هستند: سانترومر، نقطه تنگ شدن، و تلومرها، که هر انتهای کروموزوم را می‌پوشانند. در انسان، کروموزوم‌ها مناطق جداگانه‌ای را در هسته اشغال می‌کنند.
با این حال، در برخی حیوانات مانند کیسه‌داران، سانترومرها تجمع می‌کنند، در حالی که در پرندگان، تلومرها به هم نزدیک می‌شوند.
جالب اینکه، لاک‌پشت‌ها اولین گونه‌ای هستند که در آنها تلومرها و سانترومرها در نزدیکی یکدیگر قرار می‌گیرند، که به یک ترتیب کروماتینی منحصربه‌فرد اشاره دارد.
والنسوئلا اشاره کرد: «ممکن است این حالت، وضعیت اجدادی آمنیوت‌ها باشد که از آن، پستانداران، پرندگان و خزندگان با الگوهای متفاوتی تکامل یافته‌اند.»
او اضافه کرد: «لاک‌پشت‌ها ممکن است آنچه در ابتدا وجود داشته را به ما نشان دهند و نوری بر تکامل ژنوم‌های مهره‌داران بیفکنند.»
ژنوم لاک‌پشت‌ها و علوم بیومدیکال
کشف ساختار کروماتین در لاک‌پشت‌ها و چگونگی تطابق آن با تغییرات محیطی می‌تواند برای علوم بیومدیکال ارزشمند باشد.
برای مثال، برخی از گونه‌های لاک‌پشت می‌توانند هفته‌ها بدون اکسیژن زنده بمانند، که می‌تواند برای درمان سکته‌ها کاربرد داشته باشد.
همچنین، درک چگونگی مقاومت برخی لاک‌پشت‌ها در برابر سرمای شدید می‌تواند به توسعه روش‌هایی برای حفظ بافت‌های انسانی در دمای پایین کمک کند.
والنسوئلا توضیح داد: «ما می‌خواهیم بیشتر در مورد اینکه چرا شاخه‌های مختلف در برخی جنبه‌ها متفاوت و در برخی دیگر مشابه هستند بدانیم، کدام قسمت‌ها را با هم به اشتراک می‌گذاریم و کدام قسمت‌ها متفاوت هستند.»
او افزود: «اگر بتوانیم تاریخچه تکاملی تغییراتی که رخ داده را بازسازی کنیم، می‌توانیم بیشتر در مورد چگونگی تأثیر تفاوت‌های بسته‌بندی DNA و تاخوردگی کروموزوم‌ها بر ویژگی‌هایی که برای ما جالب هستند، نحوه تنظیم ژن‌ها و تکامل ژنوم‌های مهره‌داران بگوییم.»
همچنین، درک ساختار کروماتین لاک‌پشت‌ها می‌تواند به تلاش‌های حفاظتی کمک کند و بینشی درباره تأثیر تغییرات محیطی بر زیست‌شناسی و سازگاری احتمالی آنها ارائه دهد.
جهت‌های پژوهشی آینده
آزمایشگاه والنسوئلا قصد دارد تحقیقات خود را به مطالعه گونه‌های بیشتر لاک‌پشت‌ها گسترش دهد و به کارهای فعلی بر روی لاک‌پشت نرم‌پشت خاردار و لاک‌پشت مشک عظیم‌الجثه شمالی اضافه کند.
تیم او داده‌هایی از چهار گونه دیگر جمع‌آوری کرده و به دنبال این است که ببیند آیا ساختارهای مشابه کروماتین در ژنوم‌های گونه‌های مختلف لاک‌پشت‌ها ظاهر می‌شود یا نه.
پژوهشگران همچنین علاقه‌مند هستند تا سازماندهی کروماتین لاک‌پشت‌ها را با سایر خزندگان مانند کروکودیل‌ها، مارمولک‌ها و مارها مقایسه کنند تا بررسی کنند آیا الگوهای ساختاری مشترکی دارند.
برای درک عمیق‌تر، تیم قصد دارد از ارگانوئیدهای کبدی – بافت‌های شبیه‌سازی‌شده آزمایشگاهی که برای سه گونه لاک‌پشت تولید کرده‌اند – استفاده کند.
این ارگانوئیدها نمای ساده‌ای از بافت کبدی ارائه می‌دهند و به پژوهشگران امکان می‌دهند تا مشاهده کنند چگونه تاخوردگی کروماتین می‌تواند بر عملکرد سلولی تأثیر بگذارد.
کارهای آینده شامل استفاده از تکنیک‌های نقشه‌برداری پیشرفته‌ای خواهد بود که داده‌های کروماتین با وضوح بالا را ارائه می‌دهند و کمک می‌کنند تا مشخص شود ساختارهای سه‌بعدی کروماتین چگونه با گذشت زمان و تحت شرایط محیطی مختلف تغییر می‌کنند.
والنسوئلا نتیجه‌گیری کرد: «برای اینکه واقعاً بتوانیم نقشه‌برداری از ژنوتیپ به فنوتیپ انجام دهیم، باید به این سطح از پیچیدگی برسیم.»
