تاثیر منفی و شوکه‌‌کننده‌ی جهش‌های خاموش

سال‌ها در علم زیست‌شناسی جهش‌های خاموش ژنتیکی، بی‌تاثیر تصور می‌شدند. اما مطالعه‌ی اخیر روی مخمر جهش‌یافته به واسطه‌ی crispr/cas9، به طرز شگفت‌انگیزی عکس این موضوع را نشان داد، این یافته پیامد‌های گسترده‌ای را در‌ پی دارد.

اغلب اوقات‌ جهش ژنتیکی تک‌حرفی در DNA رخ‌ می‌دهد که در علم ژنتیک به عنوان جهش نقطه‌ای شناخته می‌شود، جهش‌های نقطه‌ای که در کد ژنتیکی تغییر ایجاد می‌کنند دو نوع دارند: جهش‌ نقطه‌ای که در توالی DNA رخ می‌دهد و توالی پروتئین حاصل را تغییر می‌دهد، جهش‌ غیر‌‌مترادف نامیده می‌‌شود و جهش‌ نقطه‌‌ای که در توالي DNA رخ می‌دهد و توالی پروتئین را تغییر نمی‌دهد، جهش‌ خاموش یا مترادف نامیده می‌شود.

میزان بسیار زیادی از جهش‌‌های نقطه‌‌ای در توالی‌های DNA کد‌کننده‌ی پروتئین، جهش مترادف هستند. این جهش‌ها عموماً خنثی یا تقریباً خنثی فرض شده‌اند. یافته‌های این مقاله خاتمه‌ای بر باور سابق علم زیست‌شناسی:《خنثی بودن جهش‌های مترادف است. جهش‌های مترادف تاثیراتی فراتر از تصور دارند که سال‌ها نادیده گرفته‌شده است. این مطالعه‌ی جدید شامل دستکاری ژنتیکی سلول‌های مخمر ساکارومایسز‌سرویزیه، نشان می‌دهد که بیشتر جهش‌های مترادف به شدت مضر هستند.

کشف مهره‌ی کلیدی علم زیست‌شناسی (کدون‌های ژنتیکی)

در اوایل دهه ۱۹۶۰، مارشال نیرنبرگ، فارغ‌التحصیل دانشگاه میشیگان و چند دانشمند دیگر در حوزه‌ی زیست‌شناسی از رمز‌ ژنتیکی حیات پرده برداشتند و قوانینی را کشف کردند که بر‌اساس آن اطلاعات موجود در مولکول‌های DNA به پروتئین‌‌ها، بخش‌های فعال سلول‌‌های زنده، ترجمه می‌شوند. آنها واحدهای سه‌حرفی نوکلئوتیدی را در توالی‌های DNA، معروف به کدون، شناسایی کردند که هر‌ یک مختص به یکی از ۲۰ اسید آمینه‌ی سازنده‌ی پروتئین‌ها هستند. کاری که نیرنبرگ بعدها به خاطر آن جایزه‌ی نوبل را همراه با دو دانشمند دیگر کسب کرد.

انواع جهش‌های ژنتیکی

شناسایی کدون‌های ژنتیکی موجب توجه دانشمندان زیست‌شناس به بررسی و مطالعه‌ی جهش‌های ژنتیکی گوناگون شد.
جهش‌هاي جايگزینی باز‌ها: ساده‌ترین نوع جهش‌های ژنتیکی هستند که یک نوکلئوتید در DNA تبدیل به نوکلئوتید دیگر می‌شود. این جهش به دو نوع تقسیم می‌شود:

1- جهش ترانزیشن: یک پورین به پورین دیگر تبدیل می‌شود.
2- جهش ترانسورژن: یک پورین به یک پیریمیدین تبدیل می‌شود یا برعکس .

جهش‌های حذف و اضافه: یک یا چند نوکلئوتید در توالی کدینگ اضافه یا حذف می‌شود.

جهش بد‌معنی: یک جایگزینی باز در توالی DNA است که کدون را در mRNA تغییر می‌دهد و در نتیجه اسیدهای آمینه متفاوتی در پروتئین ایجاد می‌کند.

جهش بی‌معنی: یک کدون معنی‌دار (مختص به یک اسید آمینه) به یک کدون بی‌معنی (کدون خاتمه) تغییر می‌کند. اگر یک جهش بی‌معنی در اوایل توالی mRNA رخ دهد، پروتئین تا حد زیادی کوتاه می‌شود و معمولا غیر‌عملکردی خواهد ‌بود.
جهش‌های خاموش: از جمله جهش‌های پرتکرار میتوان به جهش نقطه‌ای خاموش اشاره کرد که جهشی در یک اسیدنوکلئیک در کدون اتفاق می‌افتد، اما کدون همچنان همان اسیدآمینه را مشخص می‌کند.

نگاهی نو به جهش‌های خاموش

مطالعات گسترده در حوزه‌ی ژنتیک نشان می‌دهد بین یک چارم تا یک سوم جهش‌های نقطه‌ای در توالی‌های DNA کدکننده‌ی پروتئین، جهش‌های خاموش هستند. از زمانی که دانش زیست‌شناسی به مفهوم کد ژنتیکی دست‌یافت، این جهش‌ها عموماً خنثی یا تقریباً خنثی فرض می‌شوند. اما در مطالعه‌ی اخیر که شامل دستکاری ژنتیکی سلول‌های مخمر در آزمایشگاه بود، محققین دانشگاه میشیگان نشان دادند که اکثر جهش‌های مترادف به شدت مضر هستند. شدت غیرخنثی بودن، جهش‌های خاموش اگر برای ژن‌های دیگر و موجودات دیگر صادق باشد پیامدهای عمده‌ای برای مطالعه‌ی مکانیسم‌های بیماری‌های انسانی در ژنتیک‌ پزشکی و سایر علوم زیستی، زیست‌شناسی جمعیت و حفاظت و زیست‌شناسی تکاملی خواهد‌ داشت. به عنوان مثال، جهش‌های خاموش به طور کلی در مطالعه جهش‌های ژنتیکی بیماری‌زا نادیده گرفته می‌شوند، اما ممکن است یک مکانیسم مهم نادیده گرفته شده‌ باشد.

بررسی جهش‌هاي خاموش بر روي مخمر با استفاده ازcrispr/cas9

در دهه گذشته، شواهد نشان داد که برخی جهش‌های مترادف غیر‌خنثی هستند. در این مطالعه علوم‌زیستی، اینکه موارد یافت‌شده استثنا هستند یا نه مورد بررسی قرار‌گرفت. آنها برای پاسخ به این سوال به مطالعه روی ،مخمر جوانه‌زده ساکارومایسز‌سرویزیه، پرداختند. (Saccharomyces cerevisiae)، قارچ تک‌سلولی می‌باشد که نمونه‌ی خوبی برای تحقیقات زیست‌شناسی است. زیرا ژنوم آن کاملا توالی‌یابی شده، مجموعه‌ای هاپلوئید متشکل از ١۶ کروموزوم سازمان‌یافته و تقریبا ۵۸۰۰ ژن برای سنتز پروتئین دارد. همچنین زمان کوتاه تولید‌مثل ارگانیسم (حدود ۸۰ دقیقه) و اندازه‌ی کوچک به محققین علوم‌زیستی اجازه می‌دهد تا اثرات تعداد زیادی از جهش‌های مترادف را نسبتاً سریع، دقیق و راحت اندازه‌گیری کنند.

آن‌ها از ویرایش ژنوم به وسیله‌ی CRISPR/Cas9 برای ساخت بیش از ۸۰۰۰ سویه مخمر جهش‌یافته استفاده کردند که هر‌کدام دارای یک جهش نقطه‌ای‌ خاموش در یکی از ۲۱ ژن مورد نظر محققان هستند. سپس با اندازه‌گیری سرعت تکثیر هر‌سویه نسبت به سویه غیرجهش‌یافته، در یک محیط غنی، میزان «سازگاری داروینی» هر‌سویه‌ی جهش‌یافته را اندازه‌گیری کردند.

CRISPR/Cas9 فناوری روز دنیا در مهندسی‌ژنتیک

CRISPR مخفف Clustered Regularly Interspaced” Short Palindromic Repeats” می‌‌باشد؛ کریسپر بخشی از دی‌ان‌ای پروکاریوت است که حاوی تناوب‌های کوتاه مهمی می‌باشد. این سیستم باکتری‌ها را قادر به کشف دی‌ان‌ای ویروس می‌کند؛ که بعد از شناسایی دی‌ان‌ای ویروس می‌توانند آن را نابود کنند. CRISPR همراه با پروتئین Cas9 که یک اندونوکلئاز است ژن مورد‌نظر را شناسایی کرده و تغییرات را روی آن اعمال می‌کند.

سازگاری داروینی شاخص سنجش تاثیر جهش

سازگاری داروینی، ظرفیت یک نوع برای تهاجم و جابه جایی جمعیت ساکن در رقابت برای منابع در دسترس است، به زبان ساده به تعداد زاده‌های یک فرد دارد اشاره دارد. در این مورد، اندازه‌گیری نرخ تولید مثل سویه‌های مخمر نشان داد که جهش‌ها، مفید، مضر یا خنثی هستند. در کمال تعجب، محققان دریافتند که ۹/۷۵ درصد از جهش‌های مترادف به‌طور قابل توجهی مضر بودند، در حالی که ٣/١ درصد به طور قابل توجهی مفید بودند.
سه چهارم جهش‌های مترادف یا خاموش منجر به کاهش قابل توجهی در سازگاری و سلامت شدند و میزان تاثیرات روی سازگاری داوینی در کل بین جهش‌های مترادف و غیرمترادف مشابه بود ؛البته غیر‌یکسان.

جهش‌های خاموش چگونه تاثیر می‌گذارند

مطالعه‌ی مکانیسم‌های تاثیر جهش‌های مترادف بر سازگاری داروینی و سلامت مخمر، نشان داد که حداقل یک دلیل این است که هر دو جهش مترادف (جهش خاموش) و غیر‌مترادف اغلب سطح بیان mRNA ژن جهش‌یافته را مختل می‌کنند و میزان اختلال در بیان ژن، میزان تأثیر در کاهش سازگاری داروینی را پیش‌بینی می‌کند. بررسی‌های بیشتر در محیط‌های مختلف، نشان‌داد مخمر‌هایی که دارای جهش غیرمترادف (تولید‌کننده پروتئین تغییر‌یافته) بودند، تغییرات سازگاری بین محیطی بیشتری را نسبت به مخمرهای دارای جهش ژنتیکی خاموش (پروتیین بدون‌ تغییر) داشتند.

نتیجه

نتایج این مطالعه علوم زیستی نشان می‌دهد که جهش‌های ژنتیکی خاموش تقریباً به اندازه جهش‌های غیر‌مترادف در ایجاد بیماری‌های ژنتیکی مهم هستند و نیاز به توجه و بررسی بیشتری برای پیش‌بینی و شناسایی جهش‌های مترادف بیماری‌زا وجود دارد.
در‌حالی‌که این مطالعه بر روی مخمر انجام شد، خنثی نبودن شدید اکثر جهش‌های مترادف، اگر برای ژن‌های دیگر و موجودات دیگر صادق باشد، مستلزم بررسی مجدد نتایج بیولوژیکی متعدد در‌مورد جهش، انتخاب، اندازه مؤثر جمعیت، زمان واگرایی و مکانیسم‌های بیماری است که بر این فرض تکیه می‌کنند. که جهش‌های مترادف خنثی هستند‌. تحقیقات گسترده در موجودات مختلف برای تأیید کلیت یافته‌های مطالعه زیست‌شناسی اخیر مورد نیاز است.

نویسنده: مطهره نوعی
ویراستار: سارا تاجداري

منابع:
researchgate
biocan
pubmed

همچنین بخوانید: سلول‌های T راهی برای دیابت نوع ۱