استكشاف العناصر الجينية المخفية: هل توجد جينات خارج جينوماتنا كما في البكتيريا؟

منذ ستينيات القرن العشرين، تشكل علم الوراثة من خلال فكرة أن الجينات واضحة ومباشرة من خلال فك شفرة كروموسوماتنا كتسلسلات متصلة من النيوكليوتيدات مثل قراءة الجمل - تمكنا من تحديد الجينات وفك شفرة كيفية تأثير الطفرات على الصحة.

كان يعتقد ذات يوم أن هذا المنظور الخطي لعلم الوراثة عالمي، وينطبق على جميع أشكال الحياة، من البشر إلى البكتيريا.

ومع ذلك، قلبت الأبحاث الرائدة من جامعة كولومبيا هذه الفكرة رأسا على عقب حيث كشفت الدراسة أن البكتيريا قادرة على إنشاء جينات عابرة عائمة حرة موجودة خارج الإطار الجينومي التقليدي. يشير هذا الاكتشاف إلى أن مثل هذه العناصر الجينية الإضافية قد تكون موجودة أيضا في البشر، مما يتحدى الافتراضات القديمة حول تنظيم المادة الوراثية.

يقول صامويل ستيرنبرج، الأستاذ المساعد في الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية في كلية فاجيلوس للأطباء والجراحين، والذي قاد البحث مع ستيفن تانج، طالب الطب والدكتوراه، "يتحدى هذا الاكتشاف الاعتقاد السائد منذ فترة طويلة بأن الكروموسوم يحتوي على مجموعة كاملة من التعليمات المطلوبة لإنتاج البروتين داخل الخلايا".

ويضيف: "نحن نفهم الآن أنه في البكتيريا، توجد تعليمات حاسمة تتجاوز تلك المشفرة في الجينوم والتي تعد حيوية لبقاء الخلية".

لأعوام عديدة، كانت البكتيريا وفيروساتها منخرطة في صراع دائم حيث تحاول الفيروسات إدخال حمضها النووي في الجينومات البكتيرية، بينما تطور البكتيريا دفاعات متطورة، مثل كريسبر، لمواجهة هذه الهجمات. وعلى الرغم من أن العديد من آليات الدفاع البكتيرية لا تزال مجهولة، إلا أنها تبشر بتطوير تقنيات جديدة لتحرير الجينوم.

في بحثهما، حقق ستيرنبرج وتانج في نظام دفاع بكتيري غير عادي بشكل خاص. يتضمن هذا النظام قطعة من الحمض النووي الريبي ذات وظيفة غير معروفة وإنزيم النسخ العكسي، الذي يحول الحمض النووي الريبي إلى حمض نووي ووفقا لتانغ، "تتضمن معظم آليات الدفاع البكتيرية المعروفة قطع أو تحلل الحمض النووي الفيروسي الوارد، لذا فإن مفهوم الدفاع عن الجينوم من خلال تخليق الحمض النووي كان محيرا للغاية".

اكتشاف دفاع بكتيري غير متوقع: اكتشاف جين عائم حر

لفهم عمل آلية الدفاع غير العادية هذه، طور تانغ طريقة جديدة للكشف عن الحمض النووي الناتج عن النسخ العكسي. اكتشف أن الحمض النووي طويل ومتكرر بشكل غير عادي، ويحتوي على نسخ متعددة من تسلسل قصير مشتق من جزيء الحمض النووي الريبي لنظام الدفاع.

لاحظ تانغ أن هذا الجزء من الحمض النووي الريبي يشكل حلقة، ويقوم النسخ العكسي بتدوير هذه الحلقة بشكل متكرر، مما ينتج عنه حمض نووي متكرر كما شبه ستيرنبرغ هذه العملية بآلة نسخ ضوئية تعيد إنتاج نفس الصفحة بلا نهاية: "يبدو الأمر وكأنك تنوي نسخ كتاب ضوئيا، لكن آلة النسخ بدأت للتو في إنتاج نفس الصفحة مرارا وتكرارا".

في البداية، شك الباحثون في أن تجاربهم قد تكون معيبة أو أن الإنزيم ينتج حمض نووي غير ذي صلة ومع ذلك، كشف تحقيق تانغ الإضافي أن الحمض النووي الذي اكتشفوه كان جينا وظيفيا عائما عابرا.

يشفر هذا الجين بروتينا أطلق عليه الباحثون اسم Neo، والذي يلعب دورا حاسما في نظام الدفاع المضاد للفيروسات البكتيرية. عندما يصيب الفيروس البكتيريا، يتم إنتاج Neo لمنع تكاثر الفيروس ومنع انتشاره إلى خلايا أخرى.

استكشاف وجود الجينات خارج الكروموسوم البشري

إذا تم اكتشاف جينات عائمة مماثلة في خلايا الكائنات الحية العليا، فسيمثل ذلك اختراقا، وفقا لستيرنبرج. "قد تكون هناك جينات أو تسلسلات حمض نووي موجودة خارج الكروموسومات البشرية التقليدية البالغ عددها 23 كروموسوما. قد تكون هذه الجينات خاصة ببيئات معينة أو مراحل نمو أو سياقات وراثية، ومع ذلك فقد تشفر معلومات أساسية حيوية لعلم وظائف الأعضاء الطبيعي لدينا."

ويطبق فريق البحث الآن تقنيات تانغ للتحقيق في وجود جينات خارج الكروموسومات في البشر، والتي قد يتم إنتاجها بواسطة النسخ العكسي.

يحتوي الجينوم البشري على آلاف جينات النسخ العكسي، والعديد منها له وظائف غير معروفة. ويضيف ستيرنبرغ: "هناك فرصة كبيرة هنا لاكتشاف جوانب جديدة من علم الأحياء يمكن أن توفر رؤى قيمة".

ابتكار مصدر لتحرير الجينات

على الرغم من تقدم العلاجات الجينية القائمة على تقنية كريسبر، حيث تمت الموافقة مؤخرا على علاج واحد لعلاج مرض فقر الدم المنجلي، فإن هذه التكنولوجيا ليست خالية من القيود.

وتعمل التقنيات الناشئة التي تدمج تقنية كريسبر مع النسخ العكسي على تعزيز قدرات تحرير الجينوم. ويوضح تانغ: "تسمح تقنية النسخ العكسي بإدخال معلومات وراثية جديدة في مواقع قطع كريسبر، وهو أمر لا تستطيع تقنية كريسبر وحدها تحقيقه". ومع ذلك، فإن النسخ العكسي المستخدم بشكل شائع يعتمد على اكتشافات أقدم.

إن النسخ العكسي مسؤول عن إنشاء Neo ويظهِر خصائص فريدة قد تعمل على تحسين تحرير الجينوم وتسهيل تطوير علاجات جينية جديدة بالإضافة إلى ذلك، فإن العديد من النسخ العكسي غير المستكشفة في البكتيريا تحمل إمكانات لتحقيق اختراقات مستقبلية.

يقول ستيرنبرج: "نعتقد أن البكتيريا قد تمتلك ثروة من النسخ العكسي ذات الإمكانات غير المستغلة، والتي يمكن أن تكون بمثابة الأساس للتكنولوجيات المبتكرة بمجرد أن نفهم آلياتها بشكل كامل".

المصدر: https://www.cuimc.columbia.edu/news/should-people-kidney-disease-get-genetic-testing