تقصت مجموعة من الباحثين منشأ الجينات الجديدة كليًّا التي لا تُستحدث من الجينات القديمة، المسماة الجينات اليتيمة، وعلى عكس التفسيرات السابقة، وجد الباحثون طفرات من سلاسل مجهولة الوظيفة موجودة في الحمض النووي.
يُعد ظهور الجينات الجديدة المصدر الأهم للتجدد الحيوي.
حديثًا، تتبع الباحثون أدلةً عن تكرار ظهور الجينات الجديدة في التسلسلات الحمض النووي التي لم ترمز لأي جينات سابقًا.
تظهر صفات جديدة عندما تتطور جينات كل نوع، لكن لا تزال كيفية نشوء الجينات الجديدة تشكل أحد أكبر الأسئلة في علم الأحياء التطوري.
منذ نشر سوسومو أوهنو كتابه التطور بتضاعف الجينات عام 1970، اتفق الباحثون أن الجينات الجديدة تأتي من الطفرات الحاصلة في جينات قديمة. يقودنا هذا إلى معضلة الجينات الأولى، ذكر أونهو: «للدقة، لا شيء في التطور يأتي تلقائيًا، يجب أن يُستحدث كل جين من جين آخر موجود».
يبدو هذا منطقيًّا، فالجينات التي تبدو مستحدثة تلقائيًا هي في الواقع جينات جديدة أتت من سلاسل مهملة من الحمض النووي لا ترمز لأي بروتينات.
من الصعب تخيل ذلك، إذ تعتمد مرونة الخلايا على سلاسة الشبكات الجينية التي تطورت معًا لتعمل على مدى ملايين السنين.
تحظى الجينات المشتقة من جينات قديمة بفرصة الاندماج مع هذه الشبكات، أما الجينات التي تنشأ عن سلاسل غير مرمزة، فلا تؤدي وظيفة منطقية بالتعاون مع الجينات الأخرى، بل تكون مؤذية للخلايا غالبًا.
تقول أويف ماكليساغت عالمة الوراثة بجامعة دبلن: «من المعروف أن التسلسلات العشوائية تفسد الأمور أكثر مما تصلحها».
تزايدت الأدلة في السنوات الأخيرة، وتبدد الشك حول وجود الجينات التي تظهر تلقائيًا، وأصبح السؤال: ما مدى إسهام هذه الجينات في التطور والتكيف؟
عملت تجارب ماكليساغت الأخيرة مع زملائها، في تحديد تواتر نشوء الجينات الجديدة كليًّا عند الكثير من الكائنات. وقد اختلفت تقديراتهم بين كائن وآخر، لكن الإجابات تدل على أن الكثير من الجينات المعروفة هي في الواقع حديثة المنشأ، وتبدو طريقة نشوئها متوافقة مع ما وصفه أونهو.
قالت كارولين وايزمان، طالبة الدكتوراه في الفيزياء الحيوية: «تمثل جينات دي نوفو نوعًا غير مسبوق من استحداث الجينات».
هذا احتمال مثير عند علماء الأحياء التطورية الذين يبحثون كيفية تطور أشياء مثل الاستحداث الجيني.
توجد طرق كثيرة لتشكل الجينات اليتيمة. توجد معظم أنواع الجينات عند أنواع مختلفة من الكائنات، ولا تكون متطابقة تمامًا، إلا أنها تؤدي الوظيفة ذاتها، وتجري عليها تعديلات طفيفة مع تطور الأحياء.
تأتي التعديلات من الطفرات المتكررة، منتجةً جينات تسمى الجينات المتماثلة، التي يمكننا تصنيفها ضمن عائلات جينية.
مثلًا، العائلة الجينية لبروتين الهيموغلوبين عند الثدييات، التى تختلف اختلافًا بسيطًا بين كائن وآخر.
أثبت أونهو أن الجينات الجديدة تولد عند تضاعف الجينات القديمة، ثم تتوالى الطفرات على الجينات الجديدة منتجة وظيفة جينية جديدة، وتسلسلًا غير مسبوق.
الآن، بعد أن أُتيح لدينا جينوم الكائن الكامل وبدأ البحث عن وظيفة كل تسلسل، ظهرت قطع مفقودة وثغرات في نظرية أونهو.
وجد العلماء جينات منفردة لا تشبه أي جينات أخرى، ولا يمكن تصنيفها ضمن أي عائلة، فسُميت «الجينات اليتيمة»، فمن أين أتت؟
وجدت فرضيات أخرى أن بعضًا من تسلسلات الجينات اليتيمة تشبه أجزاء من تسلسلات غير وظيفية عند الجراثيم والفيروسات، أي أنها أتت من أصول بعيدة في تاريخ التطور، تلك نظرية غير مرجحة لكن تظل محتملة.
نظريًا، يمكن افتراض وجود عائلة جينية ما، ثم غياب هذه الجينات خلال التطور وبقاء أحد أفراد تلك العائلة، فيصبح جينًا يتيمًا، وهي نظرية ضعيفة بدورها. الفرضية الأقرب للصحة حتى الآن هي الاستحداث الجيني، لكنها تأتي مع صعوبات معينة خاصة بها.
يجد الباحثون تلك الفرضية أكثر إقناعًا من غيرها، إذ خضعت لاختبارات عديدة.
عامي 2006 و2007 أجرى عالم الوراثة في جامعة كاليفورنيا دايفد بيغن عددًا من الاختبارات على جينات ذبابة الفاكهة، ووجد أنها تطورت من تسلسلات غير جينية، وأخذت الفرضية تنتشر تدريجيًا ليتحول السؤال من: «هل الجينات المستحدثة موجودة؟» إلى: «ما مدى شيوع الجينات المستحدثة؟».
الموقع
لتوضيح الجدل الدائر حول الفرضية، تعاونت ماكليساغت مع زميلها السابق نيكولاس فاكيرليس الذي يعمل الآن في مركز ألكسندر فليمنغ للبحوث الطبية الحيوية في اليونان، ومساعدتها أني روكساندرا كارفيونس من جامعة بيتسبرغ، على تحديد نسب الجينات اليتيمة عند ذبابات الفاكهة والخمائر الفطرية والبشر، في ضوء فهمنا لاختلافات التسلسلات، إذ اتخذوا طريقة جديدة لإجراء التحليل، تشرحها دراسة منشورة في مجلة إي لايف.
يختبر العلماء وجود جينات متماثلة بمقارنة التسلسلات النكليوتيدية لها، أو بتحديد تسلسل الحموض الأمينية للبروتينات الموافقة. تحرى فريق ماكليساغت موقع الجين بالنسبة إلى التسلسلات المجاورة له، يسمي علماء الوراثة تلك الطريقة «الترافق الجيني».
توجد الكثير من الجينات الجديدة الفعالة لدى ذبابة الفاكهة، ووفقًا لنتائج دراسة ديفيد بيغن، يبدو بعضها ناتجًا من الاستحداث الجيني.
توضح ماكليساغت الأمر كالتالي: افترض أنك بدأت بمجموعة من ورق اللعب وخلطتها قليلًا. وعندما سحبت أول ورقتين من أعلى المجموعة وجدت رقميهما 9 و10، ثم سحبت الثالثة ولم ترها، ثم الرابعة فوجدتها البنت، ثم الخامسة فوجدتها الملك.
إذ ماذا كانت الورقة الثالثة؟ ستجيب بأنها الشاب، لأنك ستفترض أن تلك الأوراق المتتابعة ربما لم تُخلَط جيدًا وبقيت مرتبة ومتتابعة.
ينطبق ذلك على ترتيب الجينات المتجاورة في الكروموسوم، فتبقى الجينات المتجاورة محفوظة بترتيب معين خلال حدوث الطفرات.
في أثناء التطور تبقى الكروموسومات محفوظة، لكن قد تتغير مواقع بعض التسلسلات تغيرًا طفيفًا، وتبقى غالبية الجينات في مواقعها.
معدل الاختلاف
استخدمت وايزمان مع مشرفيها طريقة مختلفة قليلًا. تقول وايزمان: «السؤال هو: إذا كنت لا أستطيع كشف الجين المماثل عند البحث في جينوم مجموعة من الكائنات، فهل السبب أنني لا أستطيع تحديده، أم أنه لا يوجد أصلًا؟».
للإجابة عن هذا السؤال، بحثت وايزمان في جينوم مجموعة من أنواع الخمائر الفطرية وذبابة الفاكهة، وقدرت الطفرات الحاصلة في عائلات الجينات عند تلك الأنواع، ثم حددت احتمالية القدرة على كشف جينين مماثلين عند أنواع متقاربة.
وأوضحت: «أن نتيجتك التي تقتضي بأن الجين يتيم، يمكن شرحها تمامًا بمعرفة أن الجين يتطور طبيعيًا».
بدا لوايزمان أن معظم –وليس كل- الجينات اليتيمة عند الفطور تأتي بأسلوب يوافق فرضية أونهو في اختلاف الجينات مع الزمن.
أما لي زاو، عالمة الوراثة في جامعة روكفلر، فلم تشارك في أي من دراستي ماكليساغت أو وايزمان اللتان استنتجتا النتيجة ذاتها عن أن فرضية الاختلاف تفسر نشوء بعض الجينات اليتيمة، وتعجز عن تفسير بعضها الآخر.
ترى زاو أن الطريقة المثلى لفهم طريقة ظهور الجينات المستحدثة تلقائيًا هي دراسة أقدم الجينات التي ظهرت بتلك الطريقة.
كي نثبت أن الجين اليتيم استُحدث من تسلسل غير مرمّز، فإننا نبحث عن جين ظهر حديثًا ونحدد التسلسل غير المرمّز الأصلي.
كيف تظهر وظيفة الجين؟
أفضل مثال لظهور وظيفة الجين دراسة أجريت عام 2019 على جينات مستحدثة موجودة في الأرز الآسيوي البري أجراها مانيوان لونغ، عالم الوراثة بجامعة شيكاغو، الخبير في أبحاث الجينات الجديدة.
أجرى لونغ مع زملائه بحوثهم على 175 جينًا مستحدث تلقائيًا خلال 3.4 مليون سنة الأخيرة، إذ تمتلك تلك الجينات تسلسلات غير وظيفية في أنواع تشبه ذلك النبات.
إضافةً إلى أنها فعالة حيويًا أي أنها تُنسخ إلى الحمض النووي الريبي، ثم يترجم هذا الأخير إلى سلاسل ببتيدية.
أظهرت العديد من تلك الجينات مواصفات شكلية تؤكد خضوعها للانتقاء الطبيعي، اقتصرت الدراسة على إثبات الفعالية الحيوية لتلك الجينات، ولم تفسر كيف تحولت التسلسلات غير الوظيفية إلى جينات وظيفية.
هنا جاء دور كارفيونس وزملائها للتفسير، فوضعوا فرضية الجين الأولي التي تقول: «إن الجينات تبدأ بالامتداد بسلاسل من الحمض النووي منقوص الأكسجين، ثم تُنسخ وتترجم منتجةً بروتينات غير وظيفية، لكنها تكون مفيدة فقط عندما تساعد على نجاة الكائن في بعض الظروف القاسية، وعند تطبيق الانتخاب الطبيعي نجد أن الكائن الحامل لها ينجو، وأن غيره ينقرض».
حاولت كارفيونس وفاكيرليس وماكليساغت اختبار الفرضية في المختبر مع زملائهم، ونشروا النتائج في فبراير في مجلة نيتشر.
أولًا اختبروا وظيفة الجينات التي تطابق تعريف الجين الأولي في فطر الخميرة، حذفوها تارةً وزادوا فعاليتها تارةً أخرى وتبينوا تأثير ذلك في الخلية.
لم يسبب حذف تلك الجينات ضررًا كبيرًا على الخلية، وهذا منطقي، لأنها لم تكن تسهم في حياة خلايا الخمائر. لكن ما أثار دهشة الباحثين هو نتيجة زيادة التعبير عن الجينات المقصودة، فقد سببت زيادة التعبير عن 10% منها تحفيز عملية النمو في المستعمرات الفطرية.
كانت نتيجة تحفيزها أفضل من نتيجة تحفيز الجينات الوظيفية المعتادة، أي أن للجينات الأولية دور محوري في رفع مستوى تكاثر خلايا الخمائر.
تقول ماكليساغت: «لم نكن نتخيل أن تلك التسلسلات العشوائية قد تمتلك القدرة على رفع مرونة الخلايا».
وفقًا لفاكيرليس، لم يحدد العلماء بعد وظيفة الجينات الأولية، لكن وجودها يعطي قدرةً أكبر على التكيف. تقول كارفيونس: «أثبتنا أن التسلسلات الجديدة يمكنها أن تفيد في التكيف».
لاحظ الباحثون بدراستهم للبروتينات المترجمة عن تلك الجينات أنها تحتوي مجالات تُمكن البروتين من اختراق الغشاء الخلوي، ويحاول الباحثون فهم الطريقة التي يحدث بها الدخول.
أهدانا إسهام هؤلاء الباحثين خطوةً إلى الأمام لمعرفة المزيد عن الجينات التي تظهر في كائن ما دون أن يكون هناك ما يشبهها، لكن هناك الملايين من الأنواع الحية التي لا نعرف بعد ما الذي تحتويه من جينات مستحدثة، فهل سنتمكن من تحديد عددها؟ وهل سنعرف المزيد عن علاقتها بالانتخاب الطبيعي؟ أم أنها ستبقى مشكلةً مستعصية؟
الأمر يستحق المحاولة، ترى وايزمان أن بعض الجينات اليتيمة أخذت تتطفر بسرعة في بعض النقاط التطورية، وعنها نشأت الوظائف المستجدة في الكائنات المختلفة. أما بيغن فيقول: «لا تزال هناك ثغرة لم نتجاوزها، وهي السبب وراء وجود الجينات المستحدثة في بعض الوظائف الجينية، مقابل اقتصار وظائف أخرى على الجينات المتضاعفة والخاضعة لفرضية الاختلاف».
ويقول فاكيرليس: «لا أظن أن هناك حقائق ثابتة في هذا المجال، سوى أن الجينات المستحدثة موجودة ومنتشرة كثيرًا. الوضع يتغير، فنحن نتعلم أكثر فأكثر عن هذه الأمور بمرور السنين».
اقرأ أيضًا: لماذا نملك أظافر على أصابعنا؟
