تکامل دیوانه‌وار ژن‌ها؛ دانشمندان اسرار ژنوم آشفته کرم‌ها را آشکار کردند

کرم‌های خاکی و پسرعموهای دریایی‌شان، کرم‌های خونی (Glycera)، می‌توانند بسیار شبیه به هم باشند؛ آن‌قدر یکسان که اگر ظرفی از کرم طعمه‌ی مخصوص ماهی‌گیری را از فروشگاه لوازم ماهی بخرید، احتمالا نمی‌توانید بفهمید که از خاک آمده یا از بستر دریا.

با وجود شباهت بسیار و خویشاوندی قدیمی، تحقیقات جدید نشان می‌دهد که چینش ژن‌های کرم خاکی و کرم خونی بسیار متفاوت است؛ زیرا گروهی از کرم‌ها که صدها میلیون سال پیش از اقیانوس بیرون آمدند و جزو رده‌ی کمربندتَنان (Clitellata) بودند، با بازآرایی کامل ژنوم خود، بسیاری از ژن‌‌ها را در نقاط جدید روی کروموزوم‌هایشان جابه‌جا کردند. کرم خونی از نظر ساختار ژنومی، بیش از آنکه به خویشاندان خاکی‌اش شبیه باشد، به صدف‌ها نزدیک است.

یی‌جیون لو، زیست‌شناس تکاملی در مرکز تحقیقات تنوع زیستی و آکادمی سینیکا می‌گوید: «کمربندتنان از بین حیوانات مطالعه‌شده تاکنون، دارای درهم‌ریخته‌ترین ژنوم هستند.» لو رهبری یکی از سه تیم تحقیقاتی را بر عهده داشت که اوایل امسال به طور مستقل در حین مطالعه کرم‌های حلقوی (annelids)، شاخه‌ای که شامل همه‌ی کرم‌های حلقوی می‌شود، به کشف جدید دست یافت.

جوانا مایر، زیست‌شناس تکاملی در موسسه‌ی ولکام سانگر، یافته‌های محققان را «شگفت‌انگیز» و «دیوانه‌وار» می‌داند. دانشمندان از قدیم بر این باور بودند که کروموزوم‌های پایدار برای تولید‌مثل موفق بسیار مهم هستند. معمولا وقتی اسپرم و تخمک با هم ترکیب می‌شوند، دی‌ان‌ای آن‌ها باید با هم مطابقت داشته باشد تا رویان زنده بماند. به همین دلیل است که دیدن ارگانیسم‌هایی با چنین ژنوم‌های بی‌نظمی شگفت‌انگیز است، زیرا از نظر تئوری، تکامل باید به شدت از این اتفاق جلوگیری می‌کرد. بااین‌حال، نحوه‌ی تکامل این موجودات، باورهای قبلی را به چالش می‌کشد.

مطالعات اولیه روی ژنوم حیوانات از این ایده حمایت می‌کند که گروه‌های خاصی از ژن‌ها روی کروموزوم‌ها تمایل دارند در طول دوره‌های تکاملی طولانی با هم بمانند. توماس لوین، محققی که کار تیم تحقیقاتی لو را رهبری می‌کرد، توضیح می‌دهد این پدیده، ماکروسینتنی (macrosynteny) نامیده می‌شود که به‌معنای «روبان‌های بلند کنار هم» است. به‌گفته‌ی لوین، اگر به ژنوم هر جاندار، از اسفنج گرفته تا مرجان و طنابداران نگاه کنید، بسیاریشان این ساختار را تقریبا به‌طور کامل حفظ کرده‌اند.

سه گروه تحقیقاتی با استفاده از روش‌های جدید تجزیه‌و‌تحلیل ژنوم، کرم‌های خاکی، زالو و دیگر کمربندتنان را مورد مطالعه قرار دادند. گروه‌ها کشف کردند که این کرم‌ها ژنوم‌هایشان را به‌قدری بازآرایی کرده‌اند که الگوهای معمولی ژن‌هایی که در سایر گونه‌های کرم و بسیاری از بی‌مهرگان اجدادی مشابه هستند، در آن‌ها تا حد زیادی تشخیص‌پذیر نیست.

فرناندز با تاکید بر شدت بالای بازآرایی، گفت به نظر می‌رسد همه‌چیز شکسته و سپس ‌به‌شکل کاملاً تصادفی مرتب شده است. او به قدری از نتایج شگفت‌زده شد که تیمش را مجبور کرد آنالیز را بارها تکرار کند تا از نتایج مطمئن شود.

گروه فرناندز در مطالعه‌ی خود از این هم فراتر رفت و پیشنهاد کرد که ژنوم کرم‌های حلقوی دریایی اولیه (اجداد کرم‌های حلقوی مدرن) ممکن است به‌ویژه مستعد این نوع بازآرایی بوده باشد. آن‌ها دریافتند که در برخی از کرم‌های مدرن، مانند کرم‌های خونی و راگ‌ورم (ragworm)، کروموزوم‌ها به‌طور غیرمعمول سست هستند. این انعطاف‌پذیری به ژن‌های کروموزوم‌های مختلف امکان می‌دهد تا در کنار هم قرار گیرند. این ویژگی ممکن است به ژن‌ها امکان دهد آزادانه‌تر حرکت و در‌عین‌حال به درستی کار کنند که به درهم‌آمیزی گسترده‌ی مشاهده‌شده در کرم‌ها منجر می‌شود.

عکاس: Carlos Vargas-Chavez

درهم‌آمیزی دی‌ان‌ای در گذشته نه تنها ژن‌ها را سازماندهی دوباره کرد، بلکه بسیاری از ژن‌ها از جمله آن‌هایی را که در پایداری ژنوم و تقسیم سلولی نقش داشتند، از هم جدا کرد. فرناندز درهم‌آمیزی را «فاجعه‌ی ژنومی» می‌نامد، که ممکن است با تضعیف توانایی سلول در تشخیص و رفع اشتباهات در حین تکثیر دی‌ان‌‌ای، بازآرایی ژنومی را تسهیل کند.

پس حیوانات چگونه با فاجعه‌ی ژنومی زنده مانده‌اند؟ فرناندز حدس می‌زند که کمربندتنان نه‌تنها از فاجعه‌ی ژنومی جان سالم به در بردند، بلکه حتی ممکن است توانایی تسخیر محیط‌ها را با بازآرایی ژنوم به دست آورده باشند. کمربندتنان ابتدا به آب شیرین وارد شدند و کرم‌هایی مانند زالو را به‌وجود آوردند و سپس روی زمین خزیدند و به کرم‌های خاکی تبدیل شدند.

تیم فرناندز دریافت که برخی از ژن‌های مخصوص کمربندتنان زمانی بیان می‌شوند که تحت فشار عواملی مانند تغییرات اکسیژن، شوری یا پرتو فرابنفش قرار می‌گیرند. این ژن‌‌ها در تبار اولیه‌ی خود، زمانی که تکه‌هایی از ژن‌های دوردست به‌هم چسبیده‌اند، شکل می‌گیرند که نشانه‌ای از کمک فاجعه‌ی ژنومی به کرم‌ها است تا بتوانند با چالش‌های محیط‌های جدید مقابله کنند.

بازآرایی‌های ژنتیکی درون کرم‌ها فروکش نکرده و به همین دلیل، کرم‌ها مدل‌هایی عالی برای مطالعه بی‌ثباتی ژنومی هستند. محققان می‌توانند از این بی‌مهرگان برای درک مکانیسم‌های پشت چرایی و چگونگی ناپایدار‌شدن ژنوم‌ها و اینکه چگونه موجودات زنده چنین بی‌ثباتی را تحمل می‌کنند، استفاده کنند.

اگرچه آشفتگی کروموزومی کمربندتنان چشمگیر است، ممکن است منحصر‌به‌فرد نباشد. ادامه‌ی کار محققان حاکی از آن است که حفظ ساختار ژنومی آن‌طور که قبلاً تصور می‌شد، ضروری نیست. لو می‌گوید در واقع، ثبات در حیوانات ممکن است «استثنا باشد نه قاعده.»