بالرغم من حدوث فقدان للجينات ، غالبًا ما تتطور الحياة بدرجة أكبر من التعقيد

بالرغم من حدوث فقدان للجينات ، غالبًا ما تتطور الحياة بدرجة أكبر من التعقيد

تُظهِر الدراسات الاستقصائية الحديثة أن التخفيضات في التعقيد الجينومي - بما في ذلك فقدان الجينات الرئيسية - قد شكلت بنجاح تطور الحياة عبر التاريخ.

عندما انطلق كريستيان كانيسترو في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين لدراسة كيفية تطور الحيوانات ذات الأدمغة والعمود الفقري ، اختار يرقانيات البحر Oikopleura كموضوع مفيد، لدى هذه العائلة دماغ صغير وحبل عصبي ، ولكن على عكس الآخرين ، لا يخضع Oikopleura في طريقه لعملية التحول إلى مرحلة النضج. اعتقد كانيسترو أن Oikopleura ربما احتفظت بسمات أبسط وأكثر توارثًا من النافورات البحرية الأخرى ويمكن أن تكون دليلًا لما تطورت منه.

قال كانيسترو ، أستاذ علم الوراثة وعلم الأحياء الدقيقة والإحصاء في جامعة برشلونة وقائد المجموعة في معهدها لأبحاث التنوع البيولوجي: "كانت تلك بداية إحباطي". لم يتمكن فريقه من العثور على جينات معينة داخل جينوم Oikopleura والتي كان من المفترض أن تكون موجودة لأنها محفوظة بشكل كبير عبر الحيوانات. على وجه الخصوص ، لم يكن أي من الجينات المشاركة في تخليق أو تعديل أو تحلل حمض الريتينويك موجودًا. ولم يكن موجود مستقبِل لحمض الريتينويك. ومع ذلك ، كان يُعتقد أن إشارات حمض الريتينويك ضرورية لصنع الدماغ والحبل العصبي وميزات حيوية أخرى. علاوة على ذلك ، يفتقر Oikopleura أيضًا إلى الجين الذي يبدو مهمًا لتحفيز نمو أنسجة القلب.

إذا تخيلت سيارة في ذهنك ، بالطبع لديها عجلات ، أليس كذلك؟ الآن ، ماذا لو أخبرتك أنني وجدت سيارة بدون عجلات؟ " سأل كانيسترو. "وجدنا وضعا لم تكن فيه الأشياء التي اعتقدنا أنها ضرورية موجودة، على الرغم من أن الهيكل [الذي يصنعونه] لا يزال موجودًا. وهذا يجعلك تعيد التفكير في جوهر بعض الجينات ".

ظهر تحليلين مدهشين ظهر في Nature Ecology & Evolution في وقت مبكر من هذا العام ، وقد أوضحا كيف يمكن أن تكون الجينات غير ضرورية ، وكيف يمكن للتطور أن يتعامل مع فقدانها. من خلال تحليل مئات الجينومات من جميع أنحاء المملكة الحيوانية ، أظهر باحثون في إسبانيا والمملكة المتحدة أن درجة مذهلة من فقدان الجينات تنتشر في شجرة الحياة ككل.

تشير نتائجهم إلى أنه حتى الحيوانات المبكرة كان لديها جينومات معقدة نسبيًا بسبب طفرة غير مسبوقة في التضاعف الجيني في وقت مبكر من تاريخ الحياة. في وقت لاحق ، مع تطور سلالات الحيوانات إلى شعب مختلفة مع خطط جسم مميزة ، بدأت العديد من جيناتها في الاختفاء ، واستمر فقدان الجينات ليكون عاملاً رئيسياً في التطور بعد ذلك. في الواقع ، يبدو أن فقدان الجينات ساعد العديد من مجموعات الكائنات الحية على الابتعاد عن أسلافها والانتصار على التحديات البيئية الجديدة.

حتى وقت قريب ، كان من الصعب دراسة فقدان الجينات في التطور لأنه "إذا كنت لا ترى شيئًا ، فقد يكون ذلك لأنه ليس موجودًا ، ولكن قد يكون أيضًا أنه لا يمكنك العثور عليه ،" قال جونتر ثيسين ، عالم الأحياء النباتية في جامعة فريدريش شيلر ينا في ألمانيا. يعتقد العلماء أن فقدان الجينات قد يكون أكثر شيوعًا بين الأنواع التكافلية أو الطفيلية ، والتي يمكن أن تبسط نفسها عن طريق الاستعانة بمصادر خارجية للعديد من احتياجاتها الوظيفية لشركائها أو مضيفيها.

ومع ذلك ، فإن توافر المزيد من الجينومات عالية الجودة مكّن الباحثين من فحص أنماط فقدان الجينات عبر المملكة الحيوانية بأكملها وأوضح أن الظاهرة لا تقتصر على السلالات المبسطة أو الطفيلية والمجموعات الحيوانية. قال جوردي بابس ، عالم الأحياء التطورية في جامعة بريستول الذي يدرس علم الجينوم المقارن ، والمؤلف المشارك لأحد تحليلي الجينوم الكبيرين: "تطور مملكة الحيوان حيث لم يكن فقدان الجينات متزامنًا مع فترات التبسيط المورفولوجي".

إن الاعتراف بأن فقدان الجينات كان مهمًا للتطور في جميع أنحاء المملكة الحيوانية يفتح أبواباً جديدة للبحث. عندما يحتاج علماء الوراثة إلى فهم ما تفعله الجينات ، يمكنهم إنتاج فئران معملية بتقنية تعطيل الجينات او المورثه ومعرفة ما إذا كانت الحيوانات تتكيف مع الخسارة وكيف تتعامل معها. إن اكتشاف أن الطبيعة كانت تجري تجاربها الخاصة في تقنية تعطيل الجينات مخبريا - ليس فقط مع كائناتOikopleura ولكن مع جميع أنواع الكائنات الحية المعقدة - يجب أن يوفر رؤى غنية حول كيفية تشكيل التطور وتمنيته، وهو محور تخصص يعرف باسم evo-devo.

قد تبدو الخسائر الجينية في التطور وكأنها أحداث مدمرة ، لأن الجينات تمنح السمات التي تجعل الحياة والصحة ممكنة. صحيح أنه إذا فقد الأفراد جينًا أساسيًا يؤدي الى فقدانها لحياتها او تطورها ، وسيتخلص الانتقاء الطبيعي منهم . لكن في الواقع ، من المرجح أن تكون غالبية الخسائر الجينية أثناء التطور محايدة ، مع عدم وجود عواقب على اللياقة البدنية fitness consequences للكائن الحي ، كما يقول مايكل هيلر ، عالم الجينوم التطوري في معهد ماكس بلانك لبيولوجيا الخلايا الجزيئية وعلم الوراثة في دريسدن ، ألمانيا.

والسبب هو أن خسائر الجينات التطورية تحدث غالبًا بعد بعض التغييرات في البيئة أو أن السلوكيات تجعل الجين أقل أهمية. على سبيل المثال إذا أصبحت أحدى العناصر الغذائية أو الفيتامينات الرئيسية فجأة متاحًة بشكل أكبر ، فقد يصبح من الممكن الاستغناء عن مسارات التخليق الحيوي لصنعه ، وقد تؤدي الطفرات أو الحوادث الجينية الأخرى إلى اختفاء هذه المسارات. يمكن أن تحدث الخسائر أيضًا بعد عملية تضاعف الجينات بالمصادفة وذلك عندما تتدهور النسخة الزائدة ، لأن الاختيار لم يعد يحافظ عليها.

وهذا يجعلك تعيد التفكير في جوهرية بعض الجينات.

كريستيان كانيسترو ، جامعة برشلونة

تشرح ليديا جرامزو ، عالمة الأحياء النباتية في جامعة فريدريش شيلر جينا ، أن النباتات تقدم أمثلة وفيرة على استراتيجية "الاستخدام والفقد" ، لأن العديد من أنواع النباتات خضعت لتضاعف جينوم كامل أعقبها موجات من فقدان الجينات. في بعض الأحيان ، تستمر النسخ المكررة لملايين السنين قبل ضياعها ، لأسباب لا يزال غرامزو وتيسين يتحققون فيها.

في دراسة حديثة بحثت في أشكال مختلفة من الجينات في نباتات نبات الأرابيدوبسيس من جميع أنحاء العالم ، وجد باحثون في الصين وكاليفورنيا أن حوالي 66٪ من جينات ترميز البروتين لها نسخ معطلة ، تُعرف باسم متغيرات فقدان الوظيفة loss-of-function variants. والمثير للدهشة أن 1٪ من هذه الجينات الأقل فاعلية كانت خاضعة لانتقاء تطوري إيجابي - أي أن النباتات ذات الجينات المفقودة ازدهرت بشكل أفضل من تلك التي لها نسخ عاملة. تثبت هذه النتائج صحة الفكرة المثيرة التي اقترحها الباحث في علم الوراثة ماينارد أولسون من جامعة واشنطن في عام 1999 ، وهي أن "الأقل هو الأكثر": في بعض الأحيان ، يمكن أن يؤدي فقدان الجين إلى التكيف.

يمكن رؤية أحد أفضل الأمثلة على فقدان الجينات التكيفية في الحيتانيات (ترتيب الثدييات المائية بما في ذلك الحيتان والدلافين) ، التي فقدت 85 جين بروتيني مشفر شوهدت في الثدييات الأخرى ، كما أفاد هيلر العام الماضي. ربما تكون العديد من هذه الخسائر محايدة ، ولكن يبدو أن بعضها مرتبط بالتكيفات المرتبطة بالغوص ، مثل تضييق الأوعية الدموية أثناء الغوص. أحد الجينات المفقودة ، KLK8 ، مثير للاهتمام لأنه يشارك في تطوير كل من الغدد العرقية في الجلد والحُصين في الدماغ hippocampus. فقدتها الحوتيات أثناء انتقالها من الأرض إلى الماء. يرتبط فقدان هذا الجين بتطور البشرة السميكة وفقدان الشعر (الشعر لا يتكيف في البيئات المائية ، حيث يتسبب في السحب ولا يحافظ على حرارة الجسم كما هو الحال في الحيوانات الأرضية).

للتحقيق في مدى إمكانية تكرار فقدان الجينات والتنبؤ به ، قامت مجموعة هيلر بدراسة فقدان الجينات المتقاربة في سلالات الثدييات آكلة اللحوم والثدييات العاشبة. تضمنت العديد من الخسائر الجينية سمات لم تعد الحيوانات بحاجة إليها ، لكن هيلر يقترح أن خسارة واحدة على الأقل كانت تكيفية. هناك بروتين معين ، يسمى PNLIPRP1 ، يثبط إنزيمًا لهضم الدهون في النظام الغذائي: فقد فقدت العديد من المجموعات العاشبة الجين الذي يرمز لهذا البروتين ، لكن الحيوانات آكلة اللحوم احتفظت به. في التجارب ، عندما يتم القضاء على هذا الجين في الفئران (وهي الكائنات الحية التي تتغذى على المواد الحيوانية والنباتية omnivorous)، تصبح الحيوانات بدينة لأنها تستمد الكثير من السعرات الحرارية من طعامها. من المحتمل أنه نظرًا لأن الحيوانات العاشبة تحتاج إلى الاستفادة القصوى من نظامها الغذائي قليل الدسم ، فإن الحيوانات ليس لديها سبب وجيه للتشبث بـبروتينPNLIPRP1 المثبط لانزيم هضم الدهون.

وبالمثل ، حدثت خسائر متقاربة في الخمائر التي تعيش في بيئات مماثلة. أصبح جريجوري جيد ، الباحث الرئيسي في مختبر تيماسيك لعلوم الحياة بجامعة سنغافورة الوطنية ، مهتمًا بـ Neolecta ، وهي مجموعة غامضة من الكائنات الحية تحتوي على جميع سمات الفطريات متعددة الخلايا ، على الرغم من أنها مجمعة مع الخمائر. بعد أن قام جريجوري وزميله جيسون ستاجيتش في جامعة كاليفورنيا، تمكنوا من تحديد مئات الجينات الموروثة التي احتفظت بها Neolecta والفطريات الأخرى متعددة الخلايا ، لكن تلك الخميرة أحادية الخلية ، الخميرة الناشئة (Saccharomyces cerevisiae) ، والمعروفة جيدًا لمصنِّعي البيرة والخبازين) وخميرة الانشطار (Schizosaccharomyces pombe ، المستخدمة في صنع بيرة الموز في وسط إفريقيا) ، فُقدت كل منها على حدة.

تشير هذه النتائج إلى أن الخمائر قد طورت بشكل مستقل طريقة حياتها أحادية الخلية من سلف متعدد الخلايا. نظرًا لأن العديد من الجينات المفقودة تشترك في تفاعلات التمثيل الغذائي الاكسجيني ، قد يكون لكل من الخميرة المتبرعمة والانشطار ضربة في الإزالة الوظيفية لنفس الجينات لتزدهر في البيئات الفقيرة بالأكسجين.. قد تعكس التغيرات الجينية المتقاربة الحلول المثلى لنمط حياة الخمائر أحادية الخلية و "اللاهوائية الاختيارية". قال جريجوري "هذا مثير للاهتمام لأنه يشير إلى أن التطور قد يكون أكثر قابلية للتنبؤ وحتمية مما كنا نظن".

لكن في الواقع ، من المرجح أن تكون غالبية الخسائر الجينية أثناء التطور محايدة ، مع عدم وجود عواقب على اللياقة البدنية للكائن الحي ...

لاحقًا أظهر تحليل أكثر شمولاً لجينومات الخميرة أن فقدان الجينات منتشر في جميع أنحاء شعبة الخميرة. كما كتب أنطونيس روكاس من جامعة فاندربيلت ، وكريس تود هيتينجر من معهد ويسكونسن للطاقة والمؤلفون المشاركون في ورقتهم ، "تجادل نتائجنا بأن التطور الاختزالي هو نمط رئيسي من التنويع التطوري".

بطبيعة الحال ، فإن خطر التطور من خلال التخلص من الجينات هو أنه حتى لو كان الجين يمكن الاستغناء عنه في ظروف بيئية معينة ، فقد تكون هناك حاجة إليه مرة أخرى بعد ملايين السنين ، كما يقول جريجوري. ماذا بعد؟ اتضح أن الخميرة ، على الأقل ، يمكنها أحيانًا استعادة الجينات.

تعمل كارلا غونسالفيس ، باحثة ما بعد الدكتوراه في جامعة لشبونة ، على سلالة من الخميرة التي فقدت إنزيمات التخمر الكحولي. واكتشفت أن هذه القدرة استعادت عندما اكتسبت الخمائر نسخًا بكتيرية من تلك الجينات عبر نقل الجينات الأفقي. في الواقع ، كما تقول ، فقدت الخمائر مجموعة متنوعة من الجينات المشاركة في مسارات التمثيل الغذائي المتنوعة وأعادت اكتسابها من بكتيريا متعددة

◀️حلول جديدة لمشاكل قديمة

ليست وحدها الخميرة تتمتع ببراعتها الأيضية ، فقد فقدت كل من الدلافين والحيتان وخفافيش الفاكهة في العالم القديم والفيلة - ثلاثة سلالات ذات أدمغة كبيرة نسبيًا - جينًا ، HMGCS2 ، ضروريا لعملية ketogenesis ، وهي عملية استقلابية اعتقد العلماء أنها ضرورية لدعم نشاط ونمو الطاقة بشكل كبير.

تستهلك خلايا الدماغ الجلوكوز ، ولكن عندما لا يتوفر ذلك ، فإنها تغذي نفسها بأجسام الكيتون من الأحماض الدهنية. يصبح HGMCS2 ، الإنزيم الذي يحول الأحماض الدهنية إلى أجسام كيتونية ، مهمًا بشكل خاص أثناء الصيام.

غالبًا ما تكون الحيوانات التي لا تحتوي على هذا الإنزيم حساسة للجوع: يمكن أن تموت خفافيش الفاكهة التي فقدت هذا الجين بعد أن تم تجويعها لمدة 24 ساعة فقط. ومع ذلك ، يمكن للحيتانيات والفيلة الصيام لفترة أطول ، "وهذا يخبرنا بطريقة ما أنه لا بد أنهم وجدوا طرقًا مختلفة لتغذية أدمغتهم أثناء فترات الجوع" ، كما قال هيلر.

في الواقع ، يشير السجل التطوري إلى أن فقدان HMGCS2 حدث قبل التوسع التطوري المستقل لحجم الدماغ في سلالات الفيل والحيتانيات. قال هيلر: "في تطور الثدييات ، تطورت الأدمغة الكبيرة مرتين على الأقل دون تكوين الكيتون كعملية أيضية". "إنه يظهر أن استقلاب الطاقة ربما يكون أكثر مرونة مما كان متوقعًا في السابق."

لا تزال الطريقة التي تغذي بها الأفيال والحيتانيات أدمغتها الجائعة دون تكوين الكيتون غير معروفة ، لكن يبدو أنها طورت طرقًا بديلة لمواجهة التحدي الفسيولوجي. قال هيلر: "لم تكن لتعرف أن هذا سلالة استثنائية دون أن تلاحظ أن هذا الجين الرئيسي قد ضاع".

يقول جريجوري إن هذه الأمثلة رائعة ، وتثير التساؤل حول كيفية حدوث تلك الحلول الجديدة ، والتي من المفترض أنها لم تكن مثالية عندما ظهرت لأول مرة ، لتحل محل الطريقة الموروثة لتغذية الدماغ.

في بعض الأحيان ، يمكن أن يؤدي فقدان الجين إلى التكيف.

يمكن للحلول المختلفة للألغاز الأيضية التي حققها التطور بطرح الجينات الرئيسية أن تفعل أكثر من مجرد الكشف عن رؤى بيولوجية جديدة ؛ يمكن أن تلهم لتدخلات طبية حيوية جديدة للأمراض البشرية.

درس هيلر ما يحدث للحيوانات التي تفتقر للجينات التي ترتبط بعدم قابليتها للعمل بالأمراض التي تصيب البشر. في بعض الحالات المثيرة للاهتمام ، لا يُعرف أن فقدان الجينات يسبب أعراض مرض في أي من الثدييات الأخرى. على سبيل المثال ، عندما يكون الجين الخاص بعامل النسخ TBX22 معطلاً عند البشر ، يمكن أن يسبب الشفة المشقوقة cleft palate ، ومع ذلك ، فإن خنازير غينيا والكلاب والشامات الذهبية لا تمتلك هذا الجين. يمكن أن تكون دراسة كيفية تطورها بدون عيوب في الحنك اتجاهًا واعدًا للبحث الطبي الحيوي.

عادةً ما يدرس الباحثون الطفرات المرضية عن طريق إدخالها في فأر أو كائن نموذجي آخر لإعادة إنتاج حالة مرضية. وأوضح هيلر أن استخدام تقنية تعطيل المورثة يمكن أن يكشف "عن كيفية عدم حدوث المرض على الرغم من فقدان الجينات نفسها". "إنه اتجاه مختلف من الناحية المفاهيمية."

بشكل أكثر عمومية ، يشير انتشار فقدان الجينات في شجرة الحياة إلى انعكاس موضوع كلاسيكي في علم الأحياء التطوري التطوري. قال كانيسترو: "في السبعينيات والثمانينيات ، كانت الصدمة الكبرى هي اكتشاف أن الذباب والبشر يستخدمون نفس الجينات". قم باستبدال جين الذبابة Pax6 بالنسخة البشرية ، وستظل الذبابة قادرة على تشكيل العين. قال: "نكتشف الآن أنه في بعض الأحيان تكون البنى [التي تنمو] هي نفسها ، لكن الجينات المسؤولة عن تكوين الهياكل لها اختلافات كثيرة". "كيف يمكن أن يكون هناك العديد من الجينات المختلفة ، ولا تزال الهياكل هي نفسها؟ هذه هي المفارقة العكسية لـ evo-devo ".

إعداد وترجمة : pharmacist Mahmoud Thawabeah

https://www.quantamagazine.org/by-losing-genes-life-often-evolved-more-complexity-20200901/