انسان چگونه ژن جدیدی به دست آورد که مغز را بزرگ‌تر می‌کند؟

در سطح DNA، چیز زیادی برای تشخیص انسان از نزدیک‌ترین خویشاوندانش یعنی شامپانزه‌ها و بونوبوها وجود ندارد: توالی‌ DNA شامپانزه‌ها و انسان تا بیش از ۹۰ درصد یکسان است و در بیشتر موارد، DNA با ژن‌ها همخوانی دارد: ژن‌های بسیار کمی وجود دارد که یا مختص انسان یا مختص شامپانزه‌ها باشد. این بدان معنا است که عمده‌ی تمرکز ما بر درک تکامل انسان روی تغییرات کوچکی بوده است که می‌توانند زمان‌بندی یا سطح فعالیت ژن را تغییر دهند و بنابراین، تاثیر آ‌ن‌ها با تعداد بازهایی که تغییر کرده است، تناسبی ندارد.

اما این بدان معنا نیست که ژن‌هایی که به‌تازگی تکامل پیدا کرده‌اند، به تکامل انسان ربطی ندارند. مقاله‌ای که اخیرا در مجله‌ی Nature Ecology & Evolution منتشر شده است، به این موضوع می‌پردازد که چگونه دسته‌ی خاصی از ژن‌های جدید از زمان جدا شدنمان از خویشاوندان میمون‌سانیان ما تکامل پیدا کرد. پژوهشگران پس از کسب اطلاعاتی درباره‌ی نحوه تکامل این گروه از ژن‌ها، یکی از ژن‌های تازه تکامل‌یافته را بررسی کردند و دریافتند که در ایجاد مغزهای بزرگ‌تر نقشی کلیدی دارد.

بیشتر ژن‌هایی که در مورد آن‌ها صحبت می‌کنیم، پروتئین‌ها را رمزگذاری می‌کنند. اطلاعات موجود در DNA به شکل RNA پیام‌رسان رونویسی می‌شود و سپس به پروتئین ترجمه می‌شود. اگر این پروتئین ساخته نشود، ژن کاری انجام نمی‌دهد.

اما حدود ۷۰ سال است که می‌دانیم مورد وصف‌شده تنها گزینه نیست. برخی از ژن‌هایی که به شکل RNA رونویسی می‌شوند، به پروتئین ترجمه نمی‌شوند و عملکرد حیاتی دیگری دارند.

از زمان کشف اولین مورد از این نوع RNAهای عملکردی در دهه ۱۹۵۰، فهرست آن‌ها به‌طور پیوسته افزایش پیدا کرده است و اکنون کلاس‌های زیادی از RNAهای عملکردی و غیرکدکننده پروتئین وجود دارد. این‌ RNAها کارهای مختلفی انجام می‌دهند؛ از تغییر فعالیت ژن‌های کدکننده پروتئین گرفته تا حفظ انتهای کروموزوم‌ها و همچنین جداکردن قطعات بلااستفاده RNAهای پیام‌رسان.

یکی از انواع RNA عملکردی، آران‌ای‌های بلند غیرکدکننده (lncRNAs) هستند. این‌ آران‌ای‌ها معمولا شبیه RNA پیام‌رسان شروع می‌شوند، به این شکل که بخش‌هایی از RNA اولیه از توالی جدا می‌شود و در دو انتها کلاهک‌های خاصی قرار می‌گیرد تا تجزیه آن سخت‌تر شود. اما RNAهای بلند غیرکدکننده به‌جای اینکه برای ترجمه به پروتئین به خارج از هسته سلول فرستاده شوند، در هسته سلول می‌مانند و برای کنترل فعالیت ژن‌های دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اگرچه، مطالعه‌ی ژن‌های جدید گونه نشان داده است که گاهی در طول تکامل تمایز بین lncRNAها و RNA پیام‌رسان ناپدید می‌شود. تعدادی از ژن‌های کدکننده پروتئین در یک گونه‌ی خاص چیزی را در گونه‌های مرتبط رمزگذاری نمی‌کنند و درآن‌جا به‌عنوان lncRNA عمل می‌کنند. این مساله نشان می‌دهد که جهش‌ها برخی از ژن‌های کدکننده lncRNA را به ژن‌های کدکننده پروتئین تبدیل کرده‌اند.

به گزارش ارز تکنیکا، پژوهش جدید بر بررسی این موضوع تمرکز داشت که آیا تغییر ژن‌های lncRNA به ژن‌های کدکننده پروتئین عامل تعیین‌کننده‌ای در تکامل انسان بوده است. پژوهشگران با استفاده از پایگاه داده ژنومی، ژنوم انسان‌ها، شامپانزه‌ها و ماکاک‌ها را که ارتباط دورتری دارند، مقایسه کردند. آن‌ها ۲۹ مورد را پیدا کردند که از زمان جدا شدن اجداد انسان‌ها و شامپانزه‌ها از ماکاک‌ها، lncRNAها به ژن‌های کدکننده پروتئین تبدیل شده بود. از زمان جدا شدن انسان از اجداد شامپانزه‌ها و بونوبوها، ۴۵ ژن دیگر این فرایند را گذرانده بودند. پژوهشگران با داشتن این ژن‌ها این سوال را مطرح کردند که وجه تمایز این ژن‌های تازه تشکیل شده چیست.

یکی از مواردی که پژوهشگران دریافتند، غافلگیرکننده نبود: ارسال این نوع RNAها از هسته به جایی که بتوانند ترجمه شوند، مرحله کلیدی بود. بیشتر lncRNAها در خارج از هسته در سطوح پایین ظاهر می‌شدند. این امر نشان می‌دهد هنوز کنترل استقرار آن‌ها در محل موردنظر کامل نیست. اما آن‌هایی که عملکرد کدکننده پروتئین را به دست آورده بودند، در خارج از هسته در سطوح بسیار بالاتری دیده می‌شدند. به‌نظر می‌رسد این امر ناشی از پیوند ضعیف‌تر با کمپلکسی باشد که قطعات بلااستفاده RNA را از RNAهای پیام‌رسان جدا می‌کند.

مورد دیگری که وقتی lncRNAها به ژن‌های کدکننده پروتئین تبدیل شدند، تغییر کرد، نقش آن‌ها در شبکه‌های ژنتیکی بود. بسیاری از ژن‌هایی که در فرایندهای مشابه دخیل هستند، معمولا فعالیت هماهنگی دارند. آن‌ها به‌طور همزمان فعال یا غیرفعال می‌شوند. این شبکه‌ها می‌توانند شامل ترکیبی از lncRNAها و ژن‌های کدکننده پروتئین باشند. وقتی lncRNA به ژن‌های جدید تبدیل شدند، از شبکه‌هایی که عضوی از آن بودند، جدا شدند. این امر معقول به‌نظر می‌رسد، چراکه بعید است پروتئین‌هایی که آن‌ها می‌سازند، دارای همان عملکردی باشد که lncRNAها دارای آن بودند.

بنابراین آن عملکرد چیست؟ پژوهشگران تصمیم گرفتند روی یک نمونه تمرکز کنند: ژن ENSG00000205704 که در سلول‌های مغز فعال است و پروتئین کوچکی حاوی ۱۰۷ اسیدآمینه را تولید می‌کند که در هسته و جسم سلولی دیده می‌شود.

پژوهشگران به‌منظور مطالعه عملکرد ژن مذکور آن را در سلول‌های بنیادی تغییر دادند و رده‌های سلولی را ایجاد کردند که به‌کلی فاقد آن ژن بودند یا ژن مورد مطالعه را در سطوح بالایی فعال کردند. سپس سلول‌های بنیادی به نورون تبدیل شدند.

در سلول‌هایی که ژن ENSG00000205704 فعال شده بود، نورون‌های بسیار بیشتری تولید شد. به‌نظر می‌رسد پروتئینی که ژن مذکور آن را رمزگذاری می‌کند، سلول‌های بنیادی را در حالت نابالغ نگه می‌دارد و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا قبل از بلوغ و تبدیل‌شدن به نورون به دفعات بیشتری تقسیم سلولی را انجام دهند. حذف این ژن موجب بلوغ زودتر و کاهش تعداد کل نورون‌های تولیدشده شد.

اما موارد بررسی شده فقط سلول‌های درون محیط کشت سلولی هستند. در مغز واقعی چه اتفاقی می‌افتد؟ پژوهشگران نسخه فعال‌شده از ENSG00000205704 را وارد ژنوم موش‌ها کردند و سپس مغز آن‌ها را بررسی کردند. درنتیجه‌ی این امر، نئوکورتکس طویل‌تری تولید شد (اگرچه به‌طور عجیبی عرض آن چندان تغییر نکرد) که مطابق با این ایده بود که ژن تازه تکامل‌یافته ازطریق کاهش سرعت تولید نورون‌ها به ایجاد مغزهای بزرگ‌تر کمک می‌کند.

کشف این واقعیت که ما انسان‌ها ژن جدیدی را تکامل دادیم که به ایجاد مغز بزرگ‌تر کمک می‌کند، احتمالا هیجان‌انگیز به‌نظر می‌رسد. اما برای پژوهشگران حوزه زیست‌شناسی تکاملی، سوال بزرگ‌تری که وجود دارد، این است که این موضوع چه چیزی درمورد تولید ژن‌های جدید کدکننده پروتئین به ما می‌گوید.

ساخت ژن کدکننده پروتئین جدید به مراحل زیادی نیاز دارد: اول باید شروع به ساخت RNA کنید، سپس کاری کنید که RNA یک قطعه کدکننده پروتئین داشته باشد، بعدا آن را پردازش کنید تا از پایداری آن اطمینان حاصل کنید، در ادامه آن را به بیرون از هسته برای ترجمه به پروتئین بفرستید و کاری کنید پروتئین حاصل عملکرد داشته باشد. فقط زمانی که کل این فرایند انجام شود، تکامل می‌تواند شروع به انتخاب کند. اما با درنظر گرفتن این مراحل، به‌نظر می‌رسد انتظار زیادی از جهش‌های تصادفی داریم.

به همین دلیل است که تبدیل شدن lncRNA به ژن کدکننده پروتئین مکانیسم جالبی است، زیرا به تکامل اجازه می‌دهد تا تولید و پردازش RNA را پیش از ورود به مراحل دیگر اصلاح کند. بنابراین، اگر جهش‌ها توالی‌های کدکننده پروتئین را در lncRNA ایجاد کنند، احتمالا پروتئین‌های حاصل همان موقع ساخته می‌شوند و فورا می‌توانند درمعرض انتخاب تکاملی بیشتر قرار گیرند.

مطالعه این موضوع ارزشمند است که این مکانیسم در خارج از تبار انسان تا چه حد گسترش دارد.