تکامل دیوانه‌وار ژن‌ها؛ دانشمندان اسرار ژنوم آشفته کرم‌ها را آشکار کردند_مستطیل زرد

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

با وجود شباهت زیاد و خویشاوندی قدیمی، تحقیقات تازه مشخص می کند که چینش ژن‌های کرم خاکی و کرم خونی زیاد متفاوت است؛ چون گروهی از کرم‌ها که صدها میلیون سال پیش از اقیانوس بیرون آمدند و جزو رده‌ی کمربندتَنان (Clitellata) بودند، با بازآرایی کامل ژنوم خود، تعداد بسیاری از ژن‌‌ها را در نقاط تازه روی کروموزوم‌هایشان جابه‌جا کردند. کرم‌خونی از نظر ساختار ژنومی، بیشتر از آنکه به خویشاندان خاکی‌اش همانند باشد، به صدف‌ها نزدیک است.

یی‌جیون لو، زیست‌شناس تکاملی در مرکز تحقیقات تنوع زیستی و آکادمی سینیکا می‌گوید: «کمربندتنان از بین حیوانات مطالعه‌شده تا بحال، دارای درهم‌ریخته‌ترین ژنوم می باشند.» لو رهبری یکی از سه تیم تحقیقاتی را بر مسئولیت داشت که اغاز امسال به طور جدا گانه در میانه مطالعه کرم‌های حلقوی (annelids)، شاخه‌ای که شامل همه‌ی کرم‌های حلقوی می‌بشود، به کشف تازه 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 تشکیل‌همانند موفق زیاد مهم می باشند. طبق معمول هنگامی اسپرم و تخمک با هم ترکیب خواهد شد، دی‌ان‌ای آن‌ها باید با هم مطابقت داشته باشد تا رویان زنده بماند. به همین علت است که دیدن ارگانیسم‌هایی با این چنین ژنوم‌های بی‌نظمی شگفت‌انگیز است، چون 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 حمایتمی‌کند که گروه‌های خاصی از ژن‌ها روی کروموزوم‌ها تمایل دارند در طول دوره‌های تکاملی طویل با هم بمانند. توماس لوین، محققی که کار تیم تحقیقاتی لو را رهبری می‌کرد، توضیح می‌دهد این اتفاق، ماکروسینتنی (macrosynteny) نامیده می‌بشود که به‌معنی «روبان‌های بلند کنار هم» است. به‌حرف های‌ی لوین، اگر به ژنوم هر جاندار، از اسفنج گرفته تا مرجان و طنابداران نگاه کنید، بسیاریشان این ساختار را تقریبا به‌طور کامل نگه داری کرده‌اند.

سه گروه تحقیقاتی با منفعت گیری از راه حلهای تازه 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 دیگر گونه‌های کرم و تعداد بسیاری از بی‌مهرگان اجدادی شبیه می باشند، در آن‌ها تا حد بسیاری تشخیص‌پذیر نیست.

فرناندز با اصرار بر شدت بالای بازآرایی، او گفت به نظر می‌رسد همه‌چیز شکسته و سپس ‌به‌شکل کاملاً اتفاقی مرتب شده است. او به قدری از نتایج شگفت‌زده شد که تیمش را ناچار کرد آنالیز را چندین دفعه تکرار کند تا از نتایج یقین بشود.

گروه فرناندز در مطالعه‌ی خود از این هم فراتر رفت و نظر کرد که ژنوم کرم‌های حلقوی دریایی اولیه (اجداد کرم‌های حلقوی مدرن) امکان پذیر به‌اختصاصی مستعد این نوع بازآرایی بوده باشد. آن‌ها دریافتند که در برخی از کرم‌های مدرن، همانند کرم‌های خونی و راگ‌ورم (ragworm)، کروموزوم‌ها به‌طور غیرمعمول سست می باشند. این انعطاف‌پذیری به ژن‌های کروموزوم‌های گوناگون امکان می‌دهد تا در کنار هم قرار گیرند. این ویژگی امکان پذیر به ژن‌ها امکان دهد آزادانه‌تر حرکت و در‌عین‌حال به درستی کار کنند که به درهم‌آمیزی گسترده‌ی مشاهده‌شده در کرم‌ها منجر می‌بشود.

درهم‌آمیزی دی‌ان‌ای در قبل نه تنها ژن‌ها را سازماندهی مجدد کرد، بلکه تعداد 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 امکان پذیر با تضعیف توانایی سلول در تشخیص و از بین بردن اشتباهات در میانه تکثیر دی‌ان‌‌ای، بازآرایی ژنومی را تسهیل کند.

بعد حیوانات چطور با فاجعه‌ی ژنومی زنده مانده‌اند؟ فرناندز گمان می‌زند که کمربندتنان نه‌تنها از فاجعه‌ی ژنومی جان سالم به در بردند، بلکه حتی امکان پذیر توانایی تسخیر محیط‌ها را با بازآرایی ژنوم پیدا کرده باشند. کمربندتنان ابتدا به آب شیرین داخل شدند و کرم‌هایی همانند زالو را به‌وجود آوردند و سپس روی زمین خزیدند و به کرم‌های خاکی تبدیل شدند.

تیم فرناندز دریافت که برخی از ژن‌های مخصوص کمربندتنان وقتی گفتن خواهد شد که تحت سختی عواملی همانند تغییرات اکسیژن، شوری یا پرتو فرابنفش قرار می‌گیرند. این ژن‌‌ها در تبار اولیه‌ی خود، وقتی که تکه‌هایی از ژن‌های دوردست به‌هم چسبیده‌اند، شکل می‌گیرند که نشانه‌ای از پشتیبانی فاجعه‌ی ژنومی به کرم‌ها است تا بتوانند با چالش‌های محیط‌های تازه مقابله کنند.

بازآرایی‌های ژنتیکی درون کرم‌ها فروکش نکرده و به همین علت، کرم‌ها مدل‌هایی عالی برای مطالعه بی‌ثباتی ژنومی می باشند. محققان می‌توانند از این بی‌مهرگان برای فهمیدن مکانیسم‌های پشت چرایی و چگونگی ناپایدار‌شدن ژنوم‌ها و این که چطور موجودات زنده این چنین بی‌ثباتی را تحمل می‌کنند، منفعت گیری کنند.

اگرچه آشفتگی کروموزومی کمربندتنان دیدنی است، امکان پذیر منحصر‌به‌فرد نباشد. ادامه‌ی کار محققان حاکی از آن است که نگه داری ساختار ژنومی آن‌طور که قبلاً فکر می‌شد، الزامی نیست. لو می‌گوید در واقع، ارامش در حیوانات امکان پذیر «استثنا باشد نه قاعده.»