نوشته

گونه‌ها در حین فرگشت مقادیر چشمگیری از دی‌اِن‌اِی را ساخته و یا از دست می‌دهند و حتی ژنوم ‌هایی که ظاهرا پایدار بنظر می‌آیند نیز بشدت در تلاطم‌اند. معنای آن چیست؟

یک پیاز را بردارید و آنرا بسیار نازک برش بزنید. نازکتر از کاغذ، به نازکی یک تک سلول. سپس آنرا در ردیفی از محلول‌های شیمیایی فرو ببرید که برای رنگ کردن دی‌ان‌ای درست شده‌اند. رشته‌هایی سرخ فام و درخشنده ظاهر خواهند شد. شما اکنون بسادگی و با اندازه‌گیری حجم و چگالی آن رشته‌ها می‌توانید محاسبه کنید که چه مقدار دی‌اِن‌اِی در هر سلول وجود دارد. یک کامپیوتر در چند ثانیه جواب را بیرون می‌دهد: ۱۷ پیکوگرم که معادل ۱۶ میلیارد جفت پایه است. 

شاید این عدد برای شما زیاد بامعنی نباشد. شاید هم وقتی بخاطر می‌آورید که دی‌ان‌ای خود شما فقط ۳ میلیارد جفت پایه دارد سرِ خود را از تعجب بخارانید. همانگونه که دانشمندان بیشماری که اندازه ژنوم گونه‌های مختلف را در طی هفتاد سال گذشته مقایسه کردند نیز مبهوت این ناهمخوانی شدند. چرا یک پیاز پنج برابر ما دی‌اِن‌اِی دارد؟ آیا آنها پنج برابر باهوشتر هستند؟

البته این فقط پیاز نیست که تصورات ما در مورد تناظر بین پیچیدگی جاندار و میزان کدهای ژنتیکی را واژگون می‌کند. یک سمندر بنام اَمفیوما با ظاهری شبیه به یک مار حدود هفتاد برابر یک مرغ خانگی دی‌اِن‌اِی دارد، یا پرنده‌هایی که ژنومشان کوچکتر از ژنوم ملخ است، شُش ماهی ابتدایی که ژنومی بزرگتر از پستانداران دارد، گیاهان گلدار با ژنومی پنجاه برابر کوچکتر از انسان و گیاهان گلدار دیگری که ژنومشان پنجاه برابرربزرگتر از انسان است و حتی پروتوزوان‌های تک سلولی که دارای یکی از بزرگترین ژنوم‌های شناخته شده هستند. حتی اگر ژنتیک مینیاتوری ویروسها را کنار بگذاریم، اندازه ژنوم انواع سلول که تا کنون اندازه‌گیری شده حدود یک میلیون برابر متغیر است. دلیل آن چه می‌تواند باشد؟

در دهه هشتاد میلادی، زیست‌شناسان یک جواب نصفه نیمه داشتند: بیشتر دی‌ان‌ای حاوی ژن نیست و ژنوم‌های بزرگ حاوی مقادیر عظیمی از دی‌اِن‌اِی هستند که وظیفه کُدگذاری را بر عهده ندارد. هرچند این توضیح قابل قبولی برای معمای پیاز بود؛ اما کاملا هم رضایت بخش نبود و پرسشهای بی‌پاسخ بیشتری در پی داشت. برای مثال، چرا برخی ژنوم‌ها حاوی مقدار اندکی دی‌اِن‌اِی غیرکدگذار بودند که غالبا دی‌اِن‌اِی آشغال خوانده میشود؛ در حالیکه سایر ژنوم‌ها مالامال از آن بودند؟ آیا وجود یا عدم وجود این آت و آشغال در خدمت هدفی است؟

همین فوریه گذشته (سال ۲۰۱۷)، سرنخی امیدوار کننده بدست آمد که حاصل تحقیقات تیمی از دانشمندان ژنتیک دانشگاه یوتا به سرپرستی اوریلی کاپوستا و آلکساندر ساه از دانشگاه آپسالا در سوئد بود. در این پژوهش که در نوع خود منحصر بفرد بود؛ توالی ژنوم در تبارهای متنوعی از پستانداران و پرندگان با یکدیگر مقایسه شدند. نتایج آن نشان داد که همزمان که گونه‌ها فرگشت میابند، هرچند اندازه میانگین ژنوم آنها نسبتا ثابت باقی می‌ماند ولی مقادیر شگفت انگیزی از دی‌ان‌ای را بدست آورده و از دست میدهد.

برای توضیح این بده بستان عظیم در دی‌اِن‌اِی، دانشمندان یک مدل آکاردئونی از فرگشت را ارائه دادند که بموجب آن، ژنوم بطور مداوم بزرگ و کوچک شده، جفت‌باز جدید کسب کرده و قدیمی‌ها را بدور میریزد. این نشانگر نیروهای مخفی است که هم ژنوم را شکل میدهند و هم ارگانیزمی که ژنوم مسبب بوجود آمدن آن است.

اولین نشانه‌ها که در وراثت چیزی فراتر از فقط ژنها انتقال میابد در حدود همان زمانی یافت شد که ژنوم عظیم سمندر کشف شد. در دهه چهل میلادی، یک ژنتیک‌ دان سوئدی دریافت که بعضی گیاهان دارای کروموزومی هستند که هیچ کاربرد مفیدی ندارد و آنرا کروموزوم ب خواند. او نتیجه گرفت این توالی فرعی باید نوعی ژنتیک انگلی باشد که ماشین تولیدمثل ژنومِ میزبان را به خدمت گرفته است. زیست‌شناس فرگشتی، ریچارد داوکینز، این ایده را در کتاب پرطرفدار "ژن خودخواه" استحکام بخشید و این تئوری به سرعت برای توضیح اندازه ژنوم مورد پذیرش قرار گرفت.

اما حتی در آنزمان نیز دانشمندان می‌دانستند که کروموزوم ب فقط کسر کوچکی از انگلهای مولکولی را تشکیل می‌دهد که ژنوم را چاق می‌سازند. قسمت عمده این «مفت‌خورها» را رشته‌های متحرکی تشکیل می‌دهند که ترانسپوزون خوانده می‌شوند. اما ترانسپوزون‌ها که با عنوان پرطرفدار "ژن‌های جهنده" نیز شناخته می‌شوند در واقع بندرت ژن واقعی هستند. همانند ویروسها، آنها از یک نسل به نسل بعدی رفته، بین گونه‌ها انتقال یافته و در طعم‌های متفاوتی وجود دارند. بعضی از آنها آنزیم‌هایی را کدگذاری می‌کنند که یک ترانسپوزون را از محل خود در ژنوم کِش رفته و جای دیگر می‌نهد. برخی دیگر با تولید قالب‌های آر‌ان‌ای خود را کپی برداری می‌کنند و یا آنزیمها را از ترانسپوزون‌های دیگر سرقت می‌کنند. (انگلی داخل انگل دیگر)

سخت نیست که ببینیم این نسخه‌های کپی‌ شده چگونه بسرعت تکثیر میابند و در نهایت قسمت بزرگی از ژنوم را اِشغال می‌کنند. (بیشتر از صد کپی برداری در فقط یک نسل از مگس‌ها می‌تواند رخ دهد؛ ۸۵٪ ژنوم ذرت و حدود نیمی از ژنوم ما از آنها تشکیل شده است). پیشنهاد دهندگان تئوری دی‌اِن‌اِی خودخواه این توده [از ژنوم بی‌مصرف] را در جایگاه نیروی محرک فرگشت ژنوم قرار دادند: درون اکوسیستم هسته سلول، انتخاب طبیعی، آن دسته از ترانسپوزونهایی که بسرعت تکثیر می‌شوند را مورد گزینش قرار می‌دهد. اما فقط تا یک حد مشخصی. همینکه ژنوم به اندازه خاصی برسد، بزرگی آن سلامت ارگانیزم را بخطر می اندازد. برای مثال تقسیم سلول‌ها و بدنبال آن نرخ  رشد ارگانیزم کند می‌شود. انتخاب [طبیعی] مجددا فعال می‌شود و از گسترش بیشتر ژنوم پیشگیری می‌کند. محدوده بزرگی ژنوم به بیولوژی ارگانیزم وابسته است. 

دیری نپایید که شواهد جدید تصویر فوق را مخدوش کرد. در اواخر دهه ۹۰ میلادی، دیمیتری پتروف که دانشجوی دکتری در هاروارد بود؛ اقدام به ردیابی جهش‌های کوچک در حشرات نمود. او با مگس‌ها شروع کرد و با آنالیز ترانسپوزون‌های از بین رفته نشان داد که سرعت حذف کدهای قدیمی سریعتر از نرخ ایجاد خط‌های جدید است (زیرا جهشهای تصادفی بیشتر احتمال دارد که جفت‌باز موجود را حذف کنند تا اینکه توالی جدید ایجاد کنند). او با خود اندیشید که آیا این تمایل به حذف ممکن است ژنوم نسبتا کوچک مگس را توجیه کند. او همین آزمایش را با جیرجیرک‌ها و ملخ‌ها تکرار کرد که ژنومشان به ترتیب ۱۰ و ۱۰۰ برابر بزرگتر از ژنوم مگس است. اینبار نرخ جهش‌های حذفی، هرچند کماکان غالب بود، اما بشکل قابل ملاحظه‌ای کندتر بود. آیا امکان دارد که برخی ژنوم‌ها حجیم‌تر هستند تنها بدین دلیل ساده که آنها در حذف و پاکسازی زوائد سریع عمل نمی‌کنند؟

پتروف بر مبنای مشاهدات خود مدل جدیدی برای اندازه ژنوم ارائه کرد. او استدلال نمود که ترانسپوزون‌ها همواره افزایش میابند و این گاهی بسیار سریع رخ می‌دهد. (برای مثال، ذرت در طی تنها سه میلیون سال ژنومش را دو برابر کرده است). اما در طی دورانهای طولانی،  توده ژنوم به آرامی برش خورده و کوچک می‌شود. در نهایت، سرعت پاک‌سازی و سرعت تولید با یکدیگر برابر می‌شوند و ژنوم به تعادل می‌رسد. نیروهای متعددی در هسته آشوبناک سلول وجود دارند که ممکن است که تعادل فوق را بر هم زنند.

اما ایده فوق برای همه دانشمندان اقناع کننده نبود. برای مثال، گریگوری بر موضع خود پافشاری کرد که نرخ تغییر خودبخود آنقدر آهسته اتفاق می‌افتد که نمی‌تواند تغییرات شدید زنجیره‌ای در ژنوم بسیاری از نسل‌ها را توجیه کند. البته هیچکس انکار نکرد که از دست رفتن [قسمتی از ژنوم] یکی از نیروهای قدرتمندی است که ژنوم را متحول می‌کند. آنگونه که گریگوری در کتاب «فرگشت ژنوم» می‌نویسد: برهمکنش‌ بین ترانسپوزون‌ها و میزبانانشان پیچیده‌تر از صرفا یک رابطه انگلی است.

دانشمندی بنام فِشاتی سرنخ راه‌گشای خود را با مطالعه یک خفاش بدست آورد. در اوائل سال ۲۰۰۰ و بدنبال پیشرفت در توالی یابی دی‌ان‌ای، آزمایشگاه‌ها شروع به رمزگشایی از دی‌اِن‌اِی کرده و داده‌ها را آنلاین به اشتراک گذاشتند. در آن زمان، تیم تحقیقاتی فشاتی به دینامیک فرگشتی و اندازه ژنوم علاقه‌ای نداشتند و فقط کنجکاو بودند که بدانند ترانسپوزون‌ها در مورد تاریخ حیات چه چیزی را می‌توانند آشکار کنند. فشاتی بسیار شگفتزده شد هنگامی که توالی ژنوم خفاش کوچک قهوه‌ای برای اولین بار در سال ۲۰۰۶ منتشر شد. ژنوم این خفاش برخلاف ژنوم سایر پستانداران، بقدری کوچک است که بیشتر هم اندازه ژنوم پرندگان است. 

با آنالیز ژنوم این جانور که حاوی ۲ میلیارد جفت باز است، فشاتی و تیمش به چیز عجیبی برخورد کردند. آنها تعدادی ترانسپوزون غیرمعمول یافتند که در هیچ پستاندار دیگری یافت نمی‌شود. گویی که این ترانسپوزونها، ژنوم خفاش را پس از جدایی از سایر دودمانها به تسخیر خود درآورده‌اند؛ شاید با تغذیه از یک حشره حدود ۳۰ تا ۴۰ میلیون سال قبل. علاوه بر آن، این ترانسپوزونها بسیار فعال بودند و احتمالا حدود ۲۰ درصد از ژنوم خفاش محصول این موج اخیر از ترانسپوزون است. این کشف تناقضی به همراه داشت چراکه یک انفجار از فعالیت ترانسپوزونها معمولا همراه با افزایش اندازه ژنوم است؛ اما ژنوم خفاش کوچک شده بود.!!!

فقط یک توضیح محتمل برای آن وجود دارد: خفاش‌ها باید مقادیر زیادی از دی‌ان‌ای را بدور ریخته باشند. هنگامی که خانم کاپوستا در سال ۲۰۱۱ به تیم فشاتی ملحق شد، اولین پروژه‌اش این بود که بفهمد چه مقدار از ژنوم حذف شده است. با مقایسه ژنوم خفاش و ۹ پستاندار دیگر او می‌توانست ببیند که کدام قسمتها مشترک هستند و از یک جد مشترک آمده‌اند. این کار شبیه نگاه کردن به فسیل‌ها است. محققان در آنزمان مدل تقریبی از ژنوم یک پستاندار باستانی که حدود ۱۰۰ میلیون سال قبل می‌توانسته وجود داشته باشد را بازسازی کردند که با داشتن حدود ۲.۸ میلیارد جفت باز، هم اندازه ژنوم انسان بود. 

در مرحله بعد، کاپوستا محاسبه کرد که چه مقدار دی‌اِن‌اِی موروثی را هر دودمان از دست داده و چقدر ماده جدید بدست آورده است. همانطور که او و فشاتی حدس می‌زدند، دودمان خفاش یک میلیارد جفت باز را بدور ریخته بود در حالیکه فقط چند صد میلیون بدست آورده بود. اما آنچه موجب شد دهانشان از تعجب باز بماند [میزان تغییرات] در ژنوم سایر پستانداران بود. 

هنگامیکه اندازه ژنوم پستانداران را با هم مقایسه می‌کنیم میبینیم که خیلی تنوع ندارند. در سایر گروه‌های جانوری، نظیر حشرات و دوزیستان، اندازه ژنوم می‌تواند تا صد برابر متفاوت باشد. بزرگترین ژنوم در پستانداران متعلق به موش قرمز ویسکاچا است که فقط حدود پنج برابرِ کوچکترین ژنوم است که متعلق به خفاش بال کمانی می‌باشد. خیلی از پژوهشگران اینگونه برداشت کرده بودند که ژنوم پستانداران زیاد فعال نیست و اتفاق قابل توجهی در آن رخ نمی‌دهد. 

اما داده‌های کاپوستا نشان داد که ژنوم پستانداران خسته کننده و یکنواخت نیست. موش را در نظر بگیرید. اندازه ژنومش در طی ۱۰۰ میلیون سال تقریبا ثابت مانده است و با اینحال فقط اندکی از ژنوم اولیه، حدود یک سوم آن، بدون تغییر مانده است. هیچکس انتظار این را نداشت. حتی آن ژنومهایی که اندازه‌شان در طی زمانی طولانی تغییر نکرده است نیز بیکار نبوده‌اند. آنها بگونه‌ای نامعلوم اندازه مشخصی برای خود برگزیدند و علی‌رغم وجود عناصر فعالی که تمایل به بزرگ کردن شان دارند، آنها بزرگ نشدند. پرسش واضح بعدی این است: چرا اینگونه نشد؟

بهترین حدس فشاتی به خود ترانسپوزونها اشاره می‌کند. آنها یک مکانیزم خیلی طبیعی هستند که با حصول [ماده ژنتیکی]، بستری فراهم می‌کند که حذف [ماده ژنتیکی] را تسریع می‌نماید. بدینگونه: همانطور که ترانسپوزون‌ها تکثیر می‌شوند، آنها رشته‌هایی طولانی از کدهای تقریبا یکسان تولید می‌کنند. قسمتی از ژنوم تبدیل به کتابی می‌شود که کلماتی در آن مدام تکرار شده‌اند.  اگر شما یک صفحه از کتاب را جدا کنید، ممکن است بعد آنرا در محل اشتباهی جایگذاری کنید چرا که همه صفحات در آن قسمت مشابه بنظر میرسند. شما حتی ممکن است آن صفحه را بدور اندازید چراکه کتاب بدون آن صفحه نیز بخوبی خوانده می‌شود. چنین چیزی در دی‌اِن‌اِی نیز اتفاق میافتد. هنگامیکه در طی فرایند ترمیم و یا تولید مثل جنسی، دی‌ان‌ای باز شده و دوباره بهم متصل می‌شود، وجود تعداد زیادی ترانسپوزون یکسان باعث می‌شود که دو رشته دی‌اِن‌اِی با یکدیگر بخوبی همراستا نشوند که این بنوبه خود به حذف [قسمتی از رشته] می‌انجامد. 

این فرضیه تا کنون در حیوانات مورد آزمایش قرار نگرفته است اما شواهد آن در سایر ارگانیزم‌ها موجود است. نظیر آنچه که در گیاهانی با ژنوم کوچک مشاهده می‌شود. دی‌اِن‌اِی این گونه‌ها غالبا در تسخیر یک یا دو نوع ترانسپوزون است که بدفعات تکثیر و حذف می‌شوند. میزان تغییر و تبادل بسیار بالاست. فقط در طی 3تا 5 میلیون سال، نیمی از توالی‌های جدید از دست می‌رود. در ژنوم‌های بزرگتر موضوع متفاوت است. در گیاهانی با ژنوم بزرگتر و نیز در سمندر و یا شُش‌ماهی، مجموعه‌ای از توالی‌های بسیار ناهمگن‌تر را مشاهده می‌کنیم که تعداد هیچکدام از آنها زیاد نیست. شاید ژنوم این جانداران روشی بدیع پیدا کرده است تا بجای حذف ترانسپوزون‌ها، آنها را خاموش کند. دانشمندی بنام لیچ فکر می‌کند که برچسبی به قسمتی از  ژنوم متصل می‌شود و به آن پیغام می‌دهد که تا خود را منقبض کند بگونه‌ای که براحتی  قابل خواندن نباشد. این دگرگونی مانع از آن می‌شود که آن توالی خاص خودش را تکثیر کند. پس در طی زمان، توالی‌های جدید در جایی گیر کرده و سپس به آرامی و از طریق جهش‌های معمولی مضمحل می‌شوند؛ تا در نهایت ژنومی حاصل شود که مالامال از توالی‌های باستانی و بی‌حاصل است. 

در این اثناء، نیروهای دیگری ممکن است که نقش آفرین باشند. برای مثال، ژنوم‌های بزرگ هزینه‌بر هستند. آنها انرژی زیادی مصرف می‌کنند و جای زیادی اشغال می‌کنند که مستلزم وجود هسته بزرگتری است، که بنوبه خود سلول بزرگتری را طلب می‌کند که فرایندهایی نظیر رشد و سوخت و ساز را کند می‌سازد. محتمل است که در برخی جمعیت‌ها و تحت شرایط خاصی، انتخاب طبیعی اندازه ژنوم را محدود سازد. برای مثال، ملخ‌های بال کمانی ماده، بدلایل مرموزی آواز ملخ‌های نر که ژنوم کوچکتر دارند را ترجیح می‌دهند. بوته‌های ذرت که در مدارهای شمالی‌تر رشد می‌کنند نیز بصورت خودکار ژنوم‌های کوچکتر را انتخاب می‌کنند که بوضوح اجازه می‌دهد بذر خود را قبل از رسیدن زمستان آماده کنند. 

برخی متخصصین گمان می‌کنند که فرایند مشابهی در پرندگان و خفاش‌ها رخ می‌دهد چرا که به ژنوم کوچکتری نیاز است تا متابولیسم بالای لازم برای پرواز کردن را حفظ کنند. اما این ایده اثبات نشده است. آیا ژنوم کوچک واقعا مزیتی برای پرندگان به ارمغان آورد که بتوانند در آسمان پرواز کنند؟ یا شاید ژنوم اجداد پرندگان که دایناسورها بودند بدلایل دیگری شروع به کوچک شدن کرده بود و سپس نیاز فیزیولوژیکی به پرواز موجب شد که ژنوم پرندگان امروزی حتی بیشتر کوچک شود؟ نمی‌توان گفت که در اینجا علت کدام است و معلول کدام. 

این احتمال نیز وجود دارد که اندازه ژنوم بطور عمده محصول بخت و شانس باشد. مایک لینچ از دانشگاه ایندیانا می‌گوید: احساس من این است که یک مکانیزم زیربنایی و نهفته وجود دارد که محرک این تنوع است، و آن مکانیزم رانش تصادفی ژنتیکی است. یک اصل در ژنتیک جمعیت‌ها این است که رانش در گروه‌های کوچک قدرتمندتر است چرا که تنوع کمتری وجود دارد. بنابراین هنگامیکه جمعیت کاهش میابد، نظیر زمانی که گونه‌های جدید انشعاب پیدا می‌کنند، احتمال اینکه آن دودمان به سمت ژنوم بزرگتر رانده شود افزایش میابد حتی اگر سازگاری ارگانیزم اندکی کاهش یابد. با افزایش جمعیت، انتخاب طبیعی به احتمال زیاد روند فوق را باطل میکند و ژنوم کوچک می‌شود.

اما هیچیک از این مدلها بطور کامل تنوع گسترده در فرم ژنوم‌ها را توضیح نمی‌دهند. گریگوری می‌گوید: من فکر می‌کنم که مجموعه‌ای از نیروهای مختلف و در سطوح مختلف وجود دارند که در جهت‌های مختلفی اثر می‌گذارند. باز کردن این کلاف به آزمایش‌های جدیدی نیاز دارد که ممکن است بزودی در دسترس قرار گیرد. کریس اورگن از دانشگاه مونتانا نیز معتقد است که ما قادر خواهیم بود تا اندازه ژنوم را در آزمایشگاه دستکاری کنیم تا ببینم چه نتایجی ببار خواهد آورد. نتایج بدست آمده به ما کمک می‌کنند تا دریابیم کدام جنبه‌های ژنوم محصول شانس هستند و کدامها اهمیت کاربردی دارند. 

متخصصین زیادی مایل هستند که آنالیزهای بیشتری نظیر آنچه کاپوستا انجام داده را ببینند. در طی چهار تا پنج سال آینده، ژنوم تمام پستانداران توالی یابی شده و بصورت آنلاین به اشتراک گذاشته خواهد شد تا محققین آنها را مقایسه کنند و ببینند که در مقیاس خُرد چه اتفاقی می‌افتد. آیا ژنوم‌ها، آنگونه که لینچ می‌گوید، سریع گسترش یافته و سپس در طی زمان طولانی و با افزایش جمعیت منقبض می‌شوند؟ و یا آنگونه که پتروف و فشاتی حدس میزنند تغییرات به آرامی اتفاق میافتند و ربطی به دینامیک جمعیت ندارند؟ آینده به این پرسش پاسخ می‌دهد. شاید هم معلوم شود که ژنوم نیز همانند خود حیات غیر قابل پیش‌بینی است.