سلول‌های «پلانیمال» تقریبا کل ژنوم جلبک را پس از همجوشی سلولی آزمایشی حفظ می‌کنند

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

بیشتر DNA موجود در یک موجود زنده از والدین یا والدینش به ارث می رسد. این شکل از وراثت ژنتیکی به عنوان وراثت عمودی شناخته می شود زیرا ژن ها از نسلی به نسل دیگر منتقل می شوند.

در مقابل، موجودات زنده می توانند DNA را از موجودات همان گونه یا گونه های دیگر خارج از تولید مثل غیرجنسی یا جنسی از طریق فرآیندی به نام انتقال افقی ژن بدست آورند. برای مثال، باکتری‌ها می‌توانند DNA شناور آزاد را از باکتری‌های مرده در محیط جذب کنند. باکتری ها همچنین می توانند لوله ای بین سلول ها برای تبادل DNA تشکیل دهند. این مکانیسم ها می توانند ژن های مقاومت آنتی بیوتیکی را در بین باکتری ها پخش کنند.

ارگانیسم های یوکاریوتی (که سلول های آنها دارای هسته هستند) همچنین می توانند مواد ژنتیکی را از طریق انتقال افقی ژن با گرفتن DNA از محیط و از طریق عفونت ویروسی بدست آورند، اما انتقال در مقیاس ژنوم بین یوکاریوت های دوردست به ندرت مستند شده است.

بیش از 1.5 میلیارد سال پیش، یک سلول یوکاریوتی اجدادی، سیانوباکتری، نوعی باکتری فتوسنتزی را در خود فرو برد که در نهایت به کلروپلاست (ساختارهای سلولی که در آن فتوسنتز برای تولید انرژی از نور خورشید رخ می دهد) که در جلبک ها و گیاهان امروزی یافت می شود، تکامل یافت.

در طول این فرآیند تکاملی، ژن‌های زیادی از سیانوباکتریوم غرق شده به ژنوم هسته‌ای سلول میزبان منتقل شدند و به دو موجود زنده اجازه دادند تا به یک سیستم بیولوژیکی یکپارچه تبدیل شوند. این رویداد باستانی باعث پیدایش اجداد جلبک‌های قرمز مدرن، جلبک‌های سبز و گیاهان خشکی شد و نشان داد که چگونه انتقال مواد ژنتیکی در مرزهای گونه‌ها می‌تواند منجر به تکامل عملکردهای سلولی کاملا جدید شود.

علیرغم درک کنونی ما از چگونگی انتقال افقی ژن بین موجودات پروکاریوتی (که تک سلولی هستند و فاقد هسته هستند)، دانشمندان شواهد مستقیم کمی در مورد آنچه که وقتی DNA خارجی در مقیاس کروموزوم وارد سلول میزبان یوکاریوتی می شود، داشته اند. برای رفع این شکاف دانش، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی دانشمندان دانشگاه توکیو اخیرا مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را برای ایجاد سلول‌های "صفحه‌ای" - سلول‌های پستانداران حاوی DNA جلبکی - برای توصیف بهتر انتقال ژن افقی در سلول‌های پستانداران طراحی کردند.

نتایج در مجله Nature Communications منتشر شده است.

ساچیهیرو ماتسوناگا، استاد آزمایشگاه زیست‌شناسی مجتمع در دانشگاه توکیو و نویسنده ارشد این مطالعه گفت: «ما می‌خواستیم بفهمیم که آیا کل کروموزوم‌ها می‌توانند از شکاف تکاملی عظیم بین جلبک‌ها و حیوانات عبور کنند و آیا سلول‌های حیوانی می‌توانند به طور پایدار چنین مواد ژنتیکی خارجی را به سلول‌های دخترشان حفظ کنند و به آنها منتقل کنند.

ما همچنین می‌خواستیم کشف کنیم که سلول‌های حیوانی چگونه DNA موجود در چنین ارگانیسم متفاوتی را بدون از دست دادن توانایی خود برای بقا و تقسیم در خود جای می‌دهند. این سؤالات برای درک اینکه چگونه ماده ژنتیکی می‌تواند در مرزهای گونه‌ها حرکت کند و به تکامل کمک کند، اساسی است.

تیم تحقیقاتی با الهام از رویداد باستانی بیش از یک و نیم قرن پیش، انتقال ژنوم را با ادغام سلول‌های جلبک فتوسنتزی با سلول‌های پستانداران مشتق شده از همستر یا اجازه دادن به سلول‌های پستانداران برای جذب جلبک مورد بررسی قرار دادند. آنها دریافتند که همجوشی سلولی سلول های هیبریدی پایدار را بسیار موثرتر از غرق شدن تولید می کند. این تیم از تصویربرداری سلول زنده و توالی یابی ژنوم برای توصیف نحوه دستکاری DNA جلبک توسط میزبان در چندین نسل استفاده کرد.

در یک رده سلولی مشتق از همستر، تقریبا 16.3 میلیون جفت باز از DNA هسته جلبکی - از جمله کروموزوم‌های دست نخورده و توالی‌هایی از تمام 20 کروموزوم جلبکی - حفظ شد. DNA جلبکی در طول 155 نسل سلولی قابل تشخیص باقی ماند، با بخش‌های قابل توجهی برای 95 نسل بدون انتخاب آنتی‌بیوتیک (تکنیکی که برای جداسازی سلول‌های اصلاح‌شده ژنتیکی و تولید رده‌های سلولی پایدار استفاده می‌شود).

Matsunaga گفت: "گیاهان و حیوانات نمی توانند با یکدیگر تولید مثل کنند، بنابراین کروموزوم های آنها هرگز از طریق جفت گیری ترکیب نمی شوند. با این حال، ما موفق شده ایم کروموزوم های ترکیبی حاوی مواد ژنتیکی را هم از یک جلبک و هم از یک پستاندار ایجاد کنیم و نشان داده ایم که این ماده ژنتیکی می تواند به طور پایدار از طریق تقسیم های سلولی مکرر به سلول های دختر منتقل شود." شایان ذکر است که سلول‌های سطحی ما تقریبا یک ژنوم کامل جلبک را در طول چندین نسل حفظ کردند.

این نشان می‌دهد که حتی از شکاف تکاملی گسترده بین گیاهان و حیوانات می‌توان در سطح کروموزوم‌ها بدون تولید مثل عبور کرد.»

محققان همچنین دریافتند که بیشتر ژن‌های جلبکی منتقل‌شده غیرفعال هستند، در حالی که DNA خارجی متیلاسیون DNA و علائم هیستون سرکوب‌کننده را به دست می‌آورد، تغییراتی که با خاموش کردن ژن مرتبط است. هنگامی که تیم آزمایش را با استفاده از سلول‌های همستر فاقد DNMT3A، آنزیمی که در ایجاد متیلاسیون DNA دخیل است، تکرار کرد، کلنی‌های هیبریدی پایدار کمتری تشکیل شد و سلول‌های حاصل DNA جلبکی کمتری را حفظ کردند.

در مجموع، یافته‌ها نشان می‌دهند که «دروازه‌بانی» اپی ژنتیک (شامل تغییرات در عملکرد ژن بدون تغییر توالی DNA) به سلول‌های پستانداران کمک می‌کند تا مقادیر زیادی DNA خارجی را در خود جای دهند در حالی که بیشتر ژن‌های وارد شده را غیرفعال نگه می‌دارند.

با توجه به اینکه حدود 96 درصد از ژن‌های کدکننده پروتئین جلبکی منتقل‌شده هیچ بیان قابل تشخیصی را نشان نمی‌دهند، تیم امیدوار است که بیاموزد چگونه ژن‌های جلبکی انتخاب‌شده ممکن است دوباره روشن شوند.

ماتسوناگا می‌گوید: «چالش بعدی ما این است که ژن‌های مورد نیاز خود را به‌طور انتخابی روشن کنیم و آنها را در سلول‌های حیوانی کار کنیم.» جلبک قرمزی که ما استفاده می کنیم دارای ژنوم بسیار فشرده ای است که حاوی ژن هایی برای عملکردهای متابولیکی است که سلول های حیوانی فاقد آن هستند. هدف نهایی ما فعال کردن این مسیرهای بیولوژیکی و دادن برخی از توانایی های منحصر به فرد گیاهان و جلبک ها به سلول های حیوانی است. سلول های حیوانی را تصور کنید که می توانند فتوسنتز را برای دوره های طولانی حفظ کنند و در حین استفاده از ترکیبات ارگانیک مفید اکسیژن تولید کنند.

مطالعه حاضر سلول های حیوانی فتوسنتزی را تولید نکرد. دستیابی به این هدف یک هدف بلند مدت است که به کلروپلاست های کاربردی و مهندسی بیشتر نیاز دارد.

ریوتا آئوکی و همکاران، دروازه‌بانی اپی ژنتیک، انتقال ژن افقی در مقیاس ژنوم را در سلول‌های یوکاریوتی امکان‌پذیر می‌سازد، Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-78753-w

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →