چگونه انسان به ژن جدیدی دست یافت که مغز را بزرگتر می کند؟

به گفته Erez Technica، تحقیقات جدید بر روی بررسی اینکه آیا تغییر ژن‌های lncRNA به ژن‌های کدکننده پروتئین عامل تعیین‌کننده‌ای در تکامل انسان بوده است، متمرکز شده است. محققان با استفاده از یک پایگاه داده ژنومی، ژنوم انسان، شامپانزه و ماکاکوهای دوردست را مقایسه کردند. آنها 29 lncRNA را پیدا کردند که از زمانی که اجداد انسان ها و شامپانزه ها از ماکاک ها جدا شده بودند، به ژن های کدکننده پروتئین تبدیل شده بودند. از زمان جدا شدن انسان از اجداد شامپانزه ها و بونوبوها، 45 ژن دیگر نیز تحت این فرآیند قرار گرفته اند. با داشتن این ژن ها، محققان این سوال را مطرح کردند که ویژگی متمایز این ژن های تازه تشکیل شده چیست؟

چیزی که محققان دریافتند تعجب آور نبود: خارج کردن این نوع RNA ها از هسته به جایی که بتوان آنها را ترجمه کرد، یک گام کلیدی بود. اکثر lncRNA ها در خارج از هسته در سطوح پایین ظاهر شدند. این نشان می دهد که کنترل استقرار آنها در محل مورد نظر هنوز کامل نیست. اما آنهایی که عملکرد کدگذاری پروتئین را به دست آورده بودند در خارج از هسته در سطوح بسیار بالاتری یافت شدند. به نظر می رسد این به دلیل اتصال ضعیف تر به مجموعه ای باشد که قطعات RNA استفاده نشده را از RNA های پیام رسان جدا می کند.

چیز دیگری که با تبدیل شدن lncRNA به ژن های کدکننده پروتئین تغییر کرد، نقش آنها در شبکه های ژنتیکی بود. بسیاری از ژن های درگیر در فرآیندهای مشابه معمولاً دارای فعالیت هماهنگ هستند. آنها به طور همزمان فعال یا غیرفعال می شوند. این شبکه ها می توانند شامل ترکیبی از lncRNA ها و ژن های کد کننده پروتئین باشند. زمانی که lncRNA ها به ژن های جدید تبدیل شدند، از شبکه هایی که بخشی از آن بودند جدا شدند. این معقول به نظر می رسد، زیرا پروتئین هایی که آنها می سازند بعید است عملکردی مشابه lncRNA ها داشته باشند.

پس آن تابع چیست؟ محققان تصمیم گرفتند روی یک مثال تمرکز کنند: ژن ENSG00000205704 که در سلول های مغز فعال است و پروتئین کوچکی حاوی 107 اسید آمینه تولید می کند که در هسته و بدن سلولی یافت می شود.

محققان برای بررسی عملکرد ژن مذکور، آن را در سلول های بنیادی تغییر داده و رده های سلولی ایجاد کردند که یا فاقد آن ژن بودند و یا ژن مورد مطالعه را در سطوح بالایی فعال کردند. سپس سلول های بنیادی به نورون تبدیل شدند.

در سلول هایی که ژن ENSG00000205704 فعال شده بود، نورون های بیشتری تولید شد. به نظر می رسد پروتئینی که ژن کدگذاری می کند، سلول های بنیادی را در حالت نابالغ نگه می دارد و به آنها اجازه می دهد تا قبل از بلوغ و تبدیل شدن به نورون، تحت چندین تقسیم سلولی قرار گیرند. حذف این ژن باعث بلوغ زودتر و کاهش تعداد کل نورون های تولید شده شد.

اما موارد مورد بررسی فقط سلول های موجود در محیط کشت سلولی هستند. در مغز واقعی چه اتفاقی می افتد؟ محققان نسخه فعال شده ENSG00000205704 را در ژنوم موش ها وارد کردند و سپس مغز آنها را بررسی کردند. در نتیجه، یک نئوکورتکس طولانی‌تر تولید شد (اگرچه عجیب است که عرض آن تغییر چندانی نکرده است)، که با این ایده مطابقت داشت که ژن جدید تکامل‌یافته با کاهش سرعت تولید نورون‌ها به ایجاد مغزهای بزرگ‌تر کمک می‌کند.

ساخت ژن های جدید

کشف این واقعیت که ما انسان ها ژن جدیدی را تکامل داده ایم که به ما کمک می کند مغز بزرگتری داشته باشیم ممکن است هیجان انگیز به نظر برسد. اما برای زیست شناسان تکاملی، سوال بزرگتر این است که این موضوع در مورد تولید ژن های جدید کد کننده پروتئین به ما چه می گوید.

ساخت یک ژن کد کننده پروتئین جدید به مراحل زیادی نیاز دارد: ابتدا شروع به ساخت RNA می کنید، سپس RNA را یک قطعه کد کننده پروتئین می سازید، سپس آن را پردازش می کنید تا مطمئن شوید که پایدار است، سپس آن را خارج می کنید. از هسته به پروتئین برای ترجمه بفرستید و پروتئین حاصل را فعال کنید. تنها زمانی که کل این فرآیند انجام شود، تکامل می تواند شروع به انتخاب کند. اما با در نظر گرفتن این مراحل، به نظر می رسد انتظار زیادی از جهش های تصادفی داشته باشیم.

به همین دلیل است که تبدیل lncRNA به یک ژن کد کننده پروتئین مکانیسم جالبی است، زیرا به تکامل اجازه می دهد تا تولید و پردازش RNA را قبل از ورود به مراحل دیگر اصلاح کند. بنابراین، اگر جهش‌ها توالی‌های کدکننده پروتئین را در lncRNA ایجاد کنند، احتمالاً پروتئین‌های حاصل بلافاصله ساخته می‌شوند و می‌توانند بلافاصله در معرض انتخاب تکاملی بیشتری قرار گیرند.

ارزش مطالعه این را دارد که این مکانیسم تا چه حد فراتر از نسب انسان است.