هل تحتوي خلايانا على حمض نووي خردة؟

– مقدمة.
يتمّ تقسيم الجينات بشكلٍ رئيسيّ إلى: جينات مشفّرة، وجينات غير مشفّرة. الجيناتُ المشفّرة هي الجينات الوظيفية، التي تشفّر لبناء البروتينات في أجسام الكائنات الحية، وهي بلا شكّ ضرورية لوجود الكائنات. في حين أنّ الجينات غير المشفرة لا تصنع البروتينات. أغلب جينوم الكائنات الحية الكبيرة متعددة الخلايا من حقيقيات النواة -مثل الإنسان- مكوّن من جينات غير مشفرة.

كان معروفاً في الماضي أن نسبةً صغيرةً من هذه الجينات غير المشفرة وظيفية؛ أي أنّها تلعب أدوارًا حيويّة مهمة في أجسام الكائنات الحيّة الكبيرة بجانب الجينات المُشفّرة الوظيفية، في حين تمّ اعتبار الغالبية العُظمى من هذه الجينات غير المشفرة مجرّد جينات خردة عديمة الفائدة (غير وظيفية)، ولا يخدم وجودها أيّ أغراض بيولوجية مهمة (Junk DNA).

– تحديد ”الوظيفية“.

لو بحثت على الإنترنت عن “نسبة الجينوم الوظيفية في الإنسان“، ستجد إجاباتٍ مختلفة. ستجد مواقع تدّعي أنّ ما لا يزيد عن 10% فقط من الجينوم البشري وظيفي، و90% مجرد خردة. ستجد مواقع أخرى تدّعي أنّ ما لا يزيد عن 15% من الجينوم البشري وظيفي، و85% مجرد خردة. وستجد مواقع أخرى تدّعي أنّ 80% من الجينوم البشري وظيفي و20% فقط هو الخردة. هذه الاختلافات في تحديد النسبة هي بسبب اختلاف النهج الذي يسلكه الناس لمعرفة ما يمكن اعتباره ”وظيفيًا“. هناك ثلاثة نُهُوج:

– النهج الجيني: هذا النهج يفضّله علماء الجينات، وهو قائم في تحديد الوظيفيّة على رصد ما سيحدث للكائن الحي عند حدوث طفرات في جيناته المشفرة وغير المشفرة. الجينات التي تتسبب طفراتٌ فيها في إحداث تغيُّرات في النمط الظاهري (تشريح وفيسيولوجيا الكائنات) يتم اعتبارها جينات وظيفية. والباقي يكون خردة. وبحسب هذا النهج، فإن ما لا يزيد عن 15% من الجينوم البشري وظيفي.

من أهم عيوب هذا النهج: 1) قد تحدث تغيُّرات في الأنماط الظاهرية للكائنات بعد حدوث الطفرات، لكن نحن لا نملك فقط التكنولوجيا اللازمة لرصد مثل هذه التغيرات، فنعتقد -بالخطأ- أنّه لم تحدث تغيرات، وبالتالي سنعتبر بالخطأ أيضًا أن بعض الجينات غير وظيفية، في حين أنّها في الواقع وظيفية. 2) ظاهرة الوفرة الجينية؛ فأجسام الكائنات الحيّة متنوعة الخلايا -مثل الإنسان- تحتوي على أكثر من جين يؤدي نفس الوظيفة البيولوجية، ولو حدثت طفرة في جين معين يؤدي وظيفة معينة، لن يحدث في الغالب تغيّر في النمط الظاهري للكائن؛ وذلك لأن هناك جين آخر يؤدي نفس هذه الوظيفة. ولأن ظاهرة الوفرة الجينية واسعة الانتشار في الكائنات متنوعة الخلايا مثل الإنسان؛ سيتمّ اعتبار كمية كبيرة من الجينات بالخطأ على أنّها جينات غير وظيفية.

لذلك فالنهج الجيني غالبًا ما يقلّل من نسبة الجينات الوظيفية الحقيقية.

– النهج التطوُّري: هذا النهج يفضّله علماء البيولوجيا التطورية. وبحسب هذا النهج. يتمّ تحديد الوظيفية على أساس مقارنة الجينوم البشري بجينوم الثدييات الأخرى كالفئران والكلاب والأرانب والخنازير. ومعرفة المناطق الجينية المحفوظة تطوريًا فيه (مناطق الجينوم التي ظلّت كما هي تقريبًا ولم تتغيّر أثناء عملية التطور، أي أنها متشابهة/متطابقة في الإنسان وبقية الثدييات الأخرى). هذه المناطق هي المناطق الوظيفيّة فقط (معنى أنّها ظلّت كما هي دون تغيُّر أثناء التطور، أنّها مهمة لبقاء الكائنات الحية المتطورة، وبالتالي فهي مناطق وظيفية). والباقي غير المحفوظ تطوريًا هو مجرد خردة عديمة الفائدة (لو أزلته من الكائن الحي لن يؤثّر هذا على لياقته التطوريّة). بحسب أغلب علماء البيولوجيا التطورية، فإن ما لا يزيد عن 10% فقط من الجينوم البشري هو المحفوظ تطوريًا. وبالتالي هو ما يمكن اعتباره وظيفيًا؛ لأنّ تغيير هذا الجزء المحفوظ سيؤثر على لياقة الكائن التطورية [1].

من أهم عيوب هذا النهج: 1) الطرق المستخدمة لمقارنة جينوم الإنسان بجينوم الكائنات الحية الأخرى مختلفة. وبالتالي فإنّ نسبة المناطق المحفوظة تطوريًا تختلف بحسب الطريقة التي تستخدمها، بالإضافة إلي أن هذه الطرق ليست علي درجة عالية من الدقة. 2) عدم الحفظ لا يعني بالضرورة عدم وجود وظيفة، فقد تكون هناك جينات غير محفوظة تطوريًا، ومع ذلك تؤدّي وظائف بيولوجيّة مهمة، كالجينات اليتيمة مثلًا [Orphan genes] (جينات موجودة في نوعٍ واحد فقط أو مجموعة من الأنواع وثيقة الصلة).

لذلك فالنهج التطوُّري غالبًا ما يقلل هو الآخر من نسبة الجينات الوظيفية الحقيقية.

– النهج البيوكيميائي: هذا النهج يفضّله علماء البيولوجيا الجزيئيّة، وبحسب هذا النهج. يتمّ تحديد الوظيفية على أساس رصد ”الأنشطة البيوكيميائية“ في الجينوم، مثلًا رصد عملية نسخ شريط (RNA) من قطعة (DNA) لا تشفّر لبناء بروتينات. بحسب هذا النهج. تظهر أنشطة بيوكيميائية قوية ومتوسطة وضعيفة في 80% من الجينوم البشري، وعليه فإنّ 80% من الجينوم وظيفي[2].

من أهم عيوب هذا النهج: النشاط البيوكيميائي لا يعني بالضرورة وجود وظيفة بيولوجيّة، بمعنى أنّ شريط الـ (RNA) المنسوخ من قطعة الـ (DNA) في المثال المذكور بالأعلى قد يكون مجرّد شريط خردة لا يخدم وجوده أيّ أغراض بيولوجية مهمة. يجب إجراء اختبارات إضافية لمعرفة هل هذا الشريط وظيفي فعلًا أم لا؟

لذلك فالنهج البيوكيميائي غالبًا ما يبالغ في تقدير نسبة الجينات الوظيفية الحقيقية.

فلا أحد في الواقع يعلم بالضبط حتى الآن ما هي النسبة الوظيفية الحقيقية للجينوم، فكل نهج له مزايا وله عيوب. ولا توجد طريقة حتى الآن ندمج بها الثلاثة نُهُوج المذكورة مع بعضهم البعض بحيث نحصل على نسبةٍ معيّنة [3]. لكننا متأكّدون الآن أن النسبة أعلى من النسب التي تم افتراضها في الماضي [4]. كل يوم نكتشف وظائف بيولوجية مهمة لِمَا كان يُطلق عليه في الماضي ”خردة“ [5]، من خلال التجارب على العديد من الكائنات الحيّة.

– توجد أنواع مختلفة من الحمض النووي غير المشفّر، وهذه أشهر الأنواع، مع الوظائف الهامة المُكتشفة حديثًا لهم:

– الإنترونات Introns.

شريط الحمض النووي منقوص الأوكسجين (DNA) يمكن اعتباره كشريط مكوّن من إكسونات (exons) تفصل بينها إنترونات (introns). الإكسونات هي مجرّد اسم آخر للجينات المشفرة (مناطق الحمض النووي التي تبني البروتينات). هذه الجينات المشفّرة مفصولة عن بعضها البعض داخل الجينوم بالإنترونات التي هي أحد أنواع الجينات غير المشفرة التي لا تصنع بروتينات.

بعض وظائف الإنترونات تتضمن:

1) تلعب دورًا أساسيًا في عملية الربط البديل (Alternative Splicing)، فعندما يتم نسخ شريط (mRNA: الحمض النووي الريبوزي الرسول الذي هو أحد أنواع الحمض النووي الريبوزي RNA) من الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA)، فهذا الشريط يكون في البداية مكوّن هو الآخر من إكسونات وإنترونات، ويطلق عليه (pre-mRNA). يتم إزالة الإنترونات بعد ذلك من الـ (pre-mRNA)، ويتم ربط الإكسونات فقط مع بعضها البعض وينتج شريط (mRNA)، هذه العملية يطلق عليها “ربط الحمض النووي الريبوزي الرسول” (mRNA Splicing)، بعد ذلك يصنع الـ (mRNA) مع نوع آخر من أنواع الحمض النووي الريبوزي وهو الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) البروتينات، بمساعدة عضيات أخرى في الخلية تسمى الريبوسومات (الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي rRNA).

الربط البديل هو عملية تسمح للإكسونات الموجودة في الـ (pre-mRNA) بأن يتم ربطهم بطرقٍ مختلفة. وبالتالي يتم إنتاج جزيئات (mRNA) مختلفة/بدائل مختلفة من الـ (mRNA). وبالتالي يتم إنتاج بروتينات متعدّدة من نفس الـ (pre-mRNA)، عملية الربط البديل تحدث بمساعدة الإنترونات. وهكذا فإن جسدك يستطيع صناعة حوالي 100 ألف بروتين من حوالي 20–25 ألف جين مشفّر فقط.

2) تلعب دورًا مهمًا في تنظيم بِنية الكروماتين (خليط من الـ DNA والبروتينات الذي يصنع الكروموسومات) داخل النواة.

3) بعض الإنترونات تشفر لبناء جزيئات من الحمض النووي الريبوزي الذي لا ينتج البروتينات (ncRNAs/Non-Coding RNAs) -بعكس الحمض النووي الريبوزي الذي ينتج البروتينات (Coding RNA/mRNA) – مثل:

– جزئيات الحمض النووي الريبوزي الميكروي (microRNAs)، وهي جزيئات تساعد في تنظيم (تثبيط أو تنشيط) عمل الجينات المشفّرة أثناء نمو أجنة الكائنات بالتحديد (تنظيم عمليات انقسام وتمايز الخلايا الجنينية) بطرق مختلفة، علي سبيل المثال يمكن أن يرتبط شريط الـ (microRNA) مع شريط الـ (mRNA) الناتج من الجينات المشفرة بشكل جزئي ويسبب عدم استقراره فيمنع عملية ترجمته إلي بروتينات، فلو هذه الجينات/البروتينات مسئولة عن عملية تكاثر الخلايا مثلاً. سيتم بذلك تثبيط عملية تكاثر الخلايا. كما تنظم هذه الجزيئات العديد من العمليات الحيوية المهمة الأخرى مثل الأيض، والاستجابات المناعية.

– الحمض النووي الريبوزي النويي الصغير (Small nucleolar RNAs/snoRNAs)، وهي جزيئات تتحكم في التعديلات الكيميائية (إضافة مجموعة ميثيل CH-3 مثلًا) على الأنواع المختلفة من الحمض النووي الريبوزي، وبالتحديد الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA)، وهذه التعديلات تلعب دورًا مهمًا في عملية طيّ الـ (rRNA) داخل خلايا حقيقيات النواة، وأيضًا مهمة لكي تؤدي الريبوسومات وظيفتها.

4) وحديثًا، وجد العلماءُ أن الإنترونات تحافظ على الخلايا من التدمير، عندما تتعرّض هذه الخلايا لضغطٍ بيئيّ (نفاذ المواد الغذائية) [6] و[7] و[8].

– الجينات الزائفة Pseudogenes.

أثناء علميّة التطوُّر تفقد بعض الجينات المشفّرة قدرتها على تصنيع البروتينات لأسبابٍ مختلفة، وتصبح جينات غير مشفرة. هذه الجينات يطلق عليها اسم “الجينات الزائفة”.

الجينات الزائفة تشفّر لبناء أنواع من الحمض النووي الريبوزي الذي لا ينتج البروتينات (ncRNAs). مثل: الحمض النووي الريبوزي المتداخل الصغير (small interfering RNAs/siRNAs). هذا الحمض النووي الريبوزيّ غير المشفر يلعب هو الآخر أدوارًا مهمّة في تنظيم عمل الجينات المشفّرة، أي أنّه يحفِّز أو يثبط (في الغالب) عمل الجينات المشفّرة.

فمثلًا، يتمّ تفكيك الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) إلي أجزاء غير-وظيفية بعد الارتباط مع جزيئات الـ (siRNAs)، وهكذا يتمّ تثبيط عمل الجينات المشفرة من خلال تثبيط عملية ترجمة الحمض النووي الريبوزي الرسول الناتج عن هذه الجينات إلى بروتينات. لكن شريط الـ (siRNA) يتّحد بشكلٍ كاملٍ وليس جزئي مع شريط الـ (mRNA) المشفّر.

يجب أن تكون كل قاعدة في شريط الـ (siRNA) مكملة للقاعدة المقابلة لها في شريط الـ (mRNA). فيتكون بذلك شريط مزدوج بينهما (siRNA-mRNA hybrid) وبالتالي يستطيع شريط الـ (siRNA) تفكيك نوع واحد فقط من أشرطة الـ (mRNA) – الشريط الذي يستطيع أن يتحد بشكل كامل معه فقط. أما شريط الـ (microRNA) فيمكنه أن يؤدي وظيفته بالاتحاد بشكل جزئي مع الـ (mRNA) وبالتالي يستطيع تثبيط أنواع مختلفة من أشرطة الـ (mRNA)، فلا يُشترط أن يكون هناك تكامل كامل بين قواعد كلا الشريطين [9] و[10].

أيضًا، وبعكس الاعتقاد التطوُّري الذي كان سائدًا عن الجينات الزائفة، ففي الواقع توجد بعض الجينات الزائفة القادرة أيضًا على تصنيع البروتينات، وهذه البروتينات تكون وظيفيّة. تم رصد العديد من الجينات الزائفة التي تشفر لبناء بروتينات وظيفية، على سبيل المثال، تم رصد عملية ترجمة جين زائف في ذبابة الفاكهة إلى بروتين شمّي وظيفي (بروتين قادر على الارتباط بجزيئات الروائح، وبالتالي يساعد ذبابة الفاكهة على شم روائح الفاكهة الناضجة التي تتغذّى عليها) [11].

★ العملية التي يتمّ فيها تثبيط الجينات سواء من خلال جزيئات الـ (siRNAs) أو جزيئات الـ (microRNAs) تسمى عملية إسكات الجينات (Gene Silencing).

هذه الجزيئات الحيوية مهمّة من الناحية العلاجية، إذ يمكننا أن نستخدم مثلًا جزيئات الـ (siRNAs) أو جزيئات الـ (microRNAs) في علاج العديد من الأمراض الوراثية –كالسرطانات– من خلال إسكات الجينات المسؤولة عن هذه الأمراض [10].

– الجينات القابلة للنقل أو الجينات القافزة 

هذه الجينات “Transposable elements/Jumping genes” هي عبارة عن أجزاء من الجينوم قادرة على التحرُّك بداخله من مكانٍ لمكانٍ آخر، وذلك من خلال طريقة القصّ واللصق، حيث يتم قصّ الجينات القافزة غير المشفرة من موقعٍ، ولصقهم في موقع آخر داخل الجينوم، أو من خلال طريقة النسخ واللصق، حيث يتم نسخ قطعة من الجينات القافزة غير المشفرة، ثم يتم إدخالها مرةً أخرى في الجينوم في موضعٍ جديد.

الجينات القافزة كالجينات الزائفة والإنترونات قادرة هي الأخرى علي تخليق أنواع مختلفة من جزيئات الحمض النووي الريبوزي غير المشفر للبروتينات (ncRNAs) مثل الأحماض النووية الريبوزية الطويلة غير المشفرة (long non-coding RNAs/lncRNAs)، وهذه الجزيئات تلعب أدوارًا حيويّة مهمة.

بعض وظائف الجينات القافزة تتضمن:

– تلعب دورًا مهمًا في تنظيم عمليات النمو المختلفة في الأجنة، فعلى سبيل المثال: 1) الجينات القافزة تحفِّز عملية تكاثر الخلايا الجنينية في المراحل الجنينية الأولى. في إحدى التجارب على الفئران، قام العلماءُ بتعطيل أحد الجينات القافزة عندما كان الجنين عبارة عن خليتين فقط، والنتيجة كانت بقاء الجنين في مرحلة الخليتين فقط، ولم تواصل الخلايا الجنينية انقسامها. في تجربةٍ أخرى على أجنّة الفئران، قامت مجموعةٌ من العلماء بتعطيل جين قافز آخر، ووجدوا أنّ تعطيله قد تسبَّبَ في موت نصف أجنّة الفئران قبل الولادة؛ لأن تعطيله أدّى إلى انخفاض معدَّل تكاثر الخلايا الجنينية، كما استغرقت الخلايا الجنينية وقتًا أطول أيضًا لغرسها في رحم الأم [12] و[13]. 2) تتحكَّم أيضًا الجينات القافزة في توجيه عمليات التخلُّق الصحيح لأجهزة الجنين في المراحل الجنينة المتقدّمة قليلًا، كالجهاز العصبي [14].

– يتمّ تفعيل الجينات القافزة أيضًا عندما تتعرّض الكائنات الحية لضغوط بيئية. في دراسةٍ على إحدى النباتات (طماطم)، تمّ تفعيل هذه الجينات إثر تعرُّض النبتة للجفاف، هذه الجينات عملت على إبقاء النبتة حيّة عبر تقليل وترشيد استهلاكها للماء والمعادن [15].

– خاتمة.

في المستقبل، قد يكون الباحثون أقلّ ميلًا إلى وصف التسلسلات غير المشفرة على أنها غير مهمة. الكثير من المختبرات حول العالم صارت تكرّس الآن الوقت والأموال لدراسة تسلسلات الحمض النووي غير المشفّرة للبروتينات [16]، بعدما كان يتم تجاهلها في الماضي على أساس افتراضات مسبقة بأنّها مجرد ”خردة“. مع التقدم العلمي والتكنولوجي، نكتشفُ كلّ يوم كنوزًا مدفونةً بداخل هذه التسلسلات.

مصادر:
[1] https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1004525
[2] https://www.nature.com/articles/nature11247
[3] https://www.pnas.org/content/111/17/6131
[4] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0047248472900115
[5] https://academic.oup.com/gbe/article/13/10/evab217/6380869
[6] https://academic.oup.com/nar/article/31/1/429/2401542
[7] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3325483/
[8] https://www.nature.com/articles/s41586-018-0859-7
[9] https://www.tandfonline.com/doi/full/10.4161/rna.9.1.18277
[10] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2162253116300373
[11] https://www.nature.com/articles/nature19824
[12] https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)01104-1
[13]  https://www.science.org/content/article/don-t-call-it-junk-jumping-gene-may-be-why-you-made-it-past-embryo
[14] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aba3200
[15] https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1008370
[16]  https://www.nature.com/immersive/d42859-020-00027-2/index.html