کشف اتفاقی یک کد ژنتیکی توسط دانشمندان که قوانین زندگی را می‌شکند

یک آزمایش معمولی با یک ارگانیسم میکروسکوپی از یک حوض آب شیرین، دانشمندان را به کشف ژنتیکی فوق‌العاده‌ای رساند. مشخص شد که این موجود کوچک، دستورالعمل‌های DNA را به شیوه‌ای تفسیر می‌کند که پژوهشگران پیش از این هرگز مستند نکرده بودند و این فرضیه دیرینه درباره نحوه عملکرد کد ژنتیکی را به چالش می‌کشد.

شگفتی زمانی رخ داد که دانشمندان پروتیستی ناشناخته به نام Oligohymenophorea sp. PL0344 را بررسی کردند. دو سیگنال ژنتیکی که معمولاً به سلول‌ها می‌گویند ساخت پروتئین را متوقف کنند، کارکردهای کاملاً متفاوتی به خود گرفته بودند. شگفت‌انگیزتر اینکه، این سیگنال‌ها به دو اسید آمینه متفاوت بازتخصیص داده شده بودند و الگویی را می‌شکستند که دانشمندان معتقد بودند از نظر تکاملی به هم پیوسته است.

این کشف که در اکتبر ۲۰۲۳ در مجله PLOS Genetics منتشر شد، سطح غیرمنتظره‌ای از انعطاف‌پذیری را در یکی از بنیادی‌ترین سیستم‌های زیستی زندگی آشکار کرد. پژوهش‌های بعدی تنوعات بیشتری از کد ژنتیکی را در میکروارگانیسم‌های مرتبط کشف کرده‌اند که نشان می‌دهد شگفتی‌های بسیار بیشتری ممکن است در دنیای میکروسکوپی در انتظار باشد.

دکتر جیمی مک‌گوان (Jamie McGowan)، پژوهشگر دوره دکترای پسادکتری در مؤسسه ارلم، این کشف را در حین مطالعه پروتیستی جمع‌آوری‌شده از حوضی در پارک‌های دانشگاه آکسفورد انگلستان انجام داد.

این پروژه در ابتدا برای آزمایش روشی از توالی‌یابی DNA طراحی شده بود که قادر به تحلیل مقادیر بسیار کم مواد ژنتیکی، و احتمالاً تنها از یک سلول، باشد. مک‌گوان در کنار دانشمندان مؤسسه ارلم و یک گروه پژوهشی به رهبری پروفسور توماس ریچاردز (Thomas Richards) در دانشگاه آکسفورد کار می‌کرد.

پژوهشگران به جای بررسی تکامل کد ژنتیکی، در تلاش بودند ابزارهای موجود برای مطالعه ارگانیسم‌هایی را که پرورش و تحلیل آن‌ها در آزمایشگاه دشوار است، بهبود بخشند.

اما زمانی که ژنوم این ارگانیسم را مونتاژ و بررسی کردند، متوجه چیز غیرمنتظره‌ای شدند. این پروتیست به گونه‌ای پیش‌تر شناسایی‌نشده تعلق داشت و دستورالعمل‌های ژنتیکی آن ظاهراً مطابق مجموعه قواعد غیرمعمولی عمل می‌کرد.

دکتر مک‌گوان گفت: «انتخاب این پروتیست برای آزمایش خط توالی‌یابی ما صرفاً شانس بود و این موضوع نشان می‌دهد چه چیزهایی در آنجا وجود دارد و تا چه حد درباره ژنتیک پروتیست‌ها نمی‌دانیم.»

پروتیست‌ها در میان متنوع‌ترین و کمتر شناخته‌شده‌ترین گروه‌های ارگانیسم‌های روی زمین قرار دارند. بسیاری از آن‌ها تنها از یک سلول تشکیل شده‌اند و بدون میکروسکوپ قابل مشاهده نیستند. نمونه‌های شناخته‌شده شامل آمیب‌ها، انواع جلبک‌ها و دیاتوم‌ها هستند که ارگانیسم‌های میکروسکوپی‌اند و اغلب در محیط‌های آبی یافت می‌شوند.

با این حال، همه پروتیست‌ها کوچک نیستند. این دسته گسترده همچنین ارگانیسم‌هایی مانند جلبک‌های قهوه‌ای دریایی (kelp)، کپک‌های تاژک‌دار (slime molds) و جلبک‌های سرخ را شامل می‌شود که برخی از آن‌ها به ساختارهای بزرگ و پیچیده‌ای رشد می‌کنند.

این گروه آن‌قدر متنوع است که دانشمندان معمولاً اعضای آن را با حذف شاخه‌های اصلی دیگر زندگی تعریف می‌کنند.

دکتر مک‌گوان گفت: «تعریف پروتیست سست است — در اصل هر ارگانیسم یوکاریوتی که حیوان، گیاه یا قارچ نباشد. این تعریف آشکارا بسیار کلی است و دلیلش این است که پروتیست‌ها گروهی بسیار متغیر هستند.

«برخی از نظر تکاملی به حیوانات نزدیک‌ترند، برخی به گیاهان. شکارچی و طعمه، انگل و میزبان، شناگران و ساکنان وجود دارند و برخی با رژیم‌های غذایی متنوع‌اند در حالی که برخی دیگر فتوسنتز می‌کنند. در کل، ما می‌توانیم بسیار اندکی تعمیم بدهیم.»

یوکاریوت‌ها ارگانیسم‌هایی هستند که سلول‌هایشان دارای هسته است؛ بخشی تخصصی که بیشتر مواد ژنتیکی آن‌ها را در خود جای داده است. انسان، سایر حیوانات، گیاهان، قارچ‌ها و پروتیست‌ها همگی به این دسته گسترده تعلق دارند.

ارگانیسمی که در مرکز این کشف قرار دارد، به گروهی از پروتیست‌ها به نام مژک‌داران (ciliates) تعلق دارد. این موجودات معمولاً با استفاده از ساختارهای ریز مو مانندی به نام مژه (cilia) شنا می‌کنند که به صورت هماهنگ حرکت کرده و آن‌ها را در آب به پیش می‌رانند.

مژک‌داران در محیط‌های آب شیرین و دریایی گسترده‌اند. آن‌ها همچنین به ویژه برای ژنتیک‌دانان جالب‌اند زیرا برخی از آن‌ها راه‌های غیرمعمولی برای تفسیر دستورالعمل‌های DNA تکامل داده‌اند.

برای درک اینکه چرا این کشف تا این حد غیرمنتظره بود، دانستن اینکه سلول‌ها چگونه اطلاعات ژنتیکی را به پروتئین تبدیل می‌کنند، کمک‌کننده است.

DNA مانند دفترچه راهنما عمل می‌کند و اطلاعاتی را ذخیره می‌کند که سلول‌ها برای ساخت و حفظ ساختارهای خود به آن نیاز دارند. با این حال، این دستورالعمل‌ها باید پیش از آنکه بتوانند کارکردهای زیستی داشته باشند، به مولکول‌های فیزیکی ترجمه شوند.

این فرآیند زمانی آغاز می‌شود که بخشی از DNA در RNA پیام‌رسان (messenger RNA) کپی شود؛ مولکولی که دستورالعمل‌های ژنتیکی را به دستگاه تولید پروتئین سلول منتقل می‌کند.

ساختاری به نام ریبوزوم (ribosome) سپس توالی RNA را سه حرف‌به‌سه حرف می‌خواند. هر گروه از سه حرف یک کدون (codon) نامیده می‌شود و بیشتر کدون‌ها یکی از اسیدهای آمینه‌ای را مشخص می‌کنند که بلوک‌های سازنده پروتئین‌ها هستند.

با اتصال اسیدهای آمینه به یکدیگر، زنجیره‌ای تشکیل می‌شود که می‌تواند به ساختاری سه‌بعدی تا شود. پروتئین حاصل ممکن است به عنوان آنزیم عمل کند، پشتیبانی ساختاری فراهم کند، مولکول‌ها را حمل کند یا بی‌شمار وظیفه سلولی دیگری انجام دهد.

در نمادگذاری DNA، یک توالی کدنویسی پروتئین معمولاً با یک کدون شروع (ATG) آغاز و با یک کدون توقف (معمولاً TAA، TAG یا TGA) پایان می‌یابد.

این کدون‌های توقف مانند علائم نگارشی عمل می‌کنند. آن‌ها به ریبوزوم می‌گویند که به انتهای دستورالعمل‌های یک پروتئین خاص رسیده و باید زنجیره تکمیل‌شده را رها کند.

هنگامی که دستورالعمل‌ها در RNA کپی می‌شوند، حرف T با U جایگزین می‌شود. در نتیجه، کدون‌های توقف متناظر در RNA به صورت UAA، UAG و UGA نوشته می‌شوند.

در اکثر اشکال زندگی، این سیگنال‌ها همان کارکردهای اصلی خود را برای دوره‌ای فوق‌العاده طولانی در تاریخ تکاملی حفظ کرده‌اند.

اما طبیعت گاهی راه‌هایی برای دور زدن قواعد معمول یافته است.

پژوهشگران دهه‌هاست می‌دانند که برخی ارگانیسم‌ها از نسخه‌های اصلاح‌شده کد ژنتیکی استفاده می‌کنند. این تنوعات در سطح کل زندگی غیرمتداول‌اند، اما مژک‌داران به ویژه غنی از این نمونه‌ها هستند.

در برخی مژک‌داران، کدون‌های توقف تکامل یافته‌اند تا به جای خاتمه دادن به تولید پروتئین، اسیدهای آمینه را مشخص کنند.

تا همین اواخر، یک الگو به‌ویژه ثابت به نظر می‌رسید. دو کدون توقف متعارف، TAA و TAG، تقریباً همیشه همان معنای خود را حفظ می‌کردند. هنگامی که کارکردهایشان تغییر می‌کرد، هر دو معمولاً یک اسید آمینه واحد را مشخص می‌کردند.

این نشان می‌داد که این دو سیگنال ملزم به تکامل همزمان هستند.

دکتر مک‌گوان توضیح داد: «در تقریباً هر مورد دیگری که می‌شناسیم، TAA و TAG به طور همزمان تغییر می‌کنند. وقتی کدون توقف نیستند، هر دو یک اسید آمینه واحد را مشخص می‌کنند.»

ژنوم Oligohymenophorea sp. PL0344 روایت دیگری داشت.

به جای عملکرد به عنوان سیگنال‌های توقف، TAA و TAG ظاهراً اسیدهای آمینه کاملاً متفاوتی را رمزگذاری می‌کردند. TAA لیزین و TAG اسید گلوتامیک را مشخص می‌کرد.

هر دو اسید آمینه اجزای رایج پروتئین‌ها هستند، اما خواص شیمیایی و نقش‌های زیستی متفاوتی دارند.

در همین حال، TGA تنها کدون توقف متعارف این ارگانیسم باقی مانده بود.

این یافته‌ها نخستین مورد گزارش‌شده از کد ژنتیکی را نشان می‌داد که در آن هر دو TAA و TAG برای رمزگذاری دو اسید آمینه متفاوت بازتخصیص داده شده بودند.

این تمایز اهمیت دارد زیرا نشان می‌دهد رابطه تکاملی بین این دو کدون به آن اندازه که دانشمندان فرض کرده بودند، محدودکننده نیست.

دکتر مک‌گوان گفت: «این بسیار غیرمعمول است. ما از هیچ مورد دیگری آگاه نیستیم که در آن این کدون‌های توقف به دو اسید آمینه متفاوت مرتبط باشند. این موضوع برخی از قواعدی را که فکر می‌کردیم درباره ترجمه ژن می‌دانیم می‌شکند — تصور می‌شد این دو کدون به هم جفت هستند.»

بررسی‌های بیشتر سرنخ‌هایی درباره نحوه عملکرد پروتیست با دستورالعمل‌های ژنتیکی غیرمتعارف خود آشکار کرد.

پژوهشگران ژن‌های RNA انتقالی (transfer RNA) تخصصی مرتبط با کدون‌های بازتخصیص‌شده را شناسایی کردند. مولکول‌های RNA انتقالی در حین تولید پروتئین به عنوان مترجم عمل می‌کنند و به تطبیق دستورالعمل‌های RNA پیام‌رسان با اسیدهای آمینه صحیح کمک می‌کنند.

وجود آن‌ها این نتیجه‌گیری را تأیید می‌کرد که کد ژنتیکی غیرمعمول ویژگی واقعی این ارگانیسم است و نه خطای توالی‌یابی.

این تیم همچنین تعداد غیرمنتظره‌ای کدون توقف TGA را در نواحی DNA بلافاصله پس از توالی‌های کدنویسی پروتئین یافت.

این سیگنال‌های توقف اضافی می‌توانند به عنوان یک سیستم پشتیبان عمل کنند. اگر ریبوزوم به طور تصادفی فراتر از انتهای مورد نظر یک پروتئین به خواندن ادامه دهد، یک کدون توقف دوم ممکن است مانع از ادامه بیش از حد پروتئین شود.

این محافظت می‌تواند در ارگانیسمی که تنها بر یکی از سه کدون توقف متعارف تکیه دارد، به‌ویژه ارزشمند باشد.

اگرچه پژوهشگران نتوانستند دقیقاً نحوه تکامل این کد غیرمعمول را مشخص کنند، اما یافته‌ها نشان داد که دستگاه مسئول ترجمه اطلاعات ژنتیکی می‌تواند بسیار سازگارتر از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد، باشد.

کشف اصلی همچنین در را به روی پرسشی گسترده‌تر گشود: چه تعداد میکروارگانیسم دیگر از کدهای ژنتیکی استفاده می‌کنند که دانشمندان هنوز آن‌ها را تشخیص نداده‌اند؟

در دسامبر ۲۰۲۴، مک‌گوان و همکارانش یافته‌های بیشتری را در PLOS Genetics منتشر کردند که نشان می‌داد تغییرات غیرمعمول کد ژنتیکی به طور مستقل در چندین خط تکاملی دیگر مژک‌داران رخ داده است.

این تیم اطلاعات ژنتیکی گروهی از مژک‌داران به نام فیلوفارنژیا (Phyllopharyngea) را بررسی کرد، از جمله داده‌های ژنومی جمع‌آوری‌شده از طریق پروژه اقیانوس‌های تارا (TARA Oceans)، تلاشی بین‌المللی برای مطالعه حیات دریایی و تنوع ژنتیکی آن.

تحلیل آن‌ها سه گونه مژک‌دار پیش‌تر کشت‌نشده را شناسایی کرد که در آن‌ها UAG، که معمولاً یک کدون توقف است، ظاهراً لوسین را مشخص می‌کرد.

این ارگانیسم‌ها از نمونه‌هایی مرتبط با اقیانوس‌های قطب شمال و جنوب به دست آمدند.

پژوهشگران همچنین مجموعه‌داده‌های ژنومی موجود را بررسی کرده و دو مژک‌دار دیگر، Hartmannula sinica و Trochilia petrani، را شناسایی کردند که در آن‌ها UAG ظاهراً گلوتامین را رمزگذاری می‌کرد.

مقایسه‌های تکاملی نشان داد که این تغییرات دست‌کم در سه مورد به طور مستقل رخ داده‌اند.

نکته مهم اینکه این کدهای ژنتیکی با سیستم غیرمعمول یافت‌شده در Oligohymenophorea sp. PL0344 یکسان نبودند. در پنج مژک‌دار بررسی‌شده در پژوهش ۲۰۲۴، UAA همچنان یک سیگنال توقف باقی مانده بود در حالی که UAG معنای متفاوتی به خود گرفته بود.

با این حال، این یافته‌ها شواهد بیشتری ارائه دادند مبنی بر اینکه این دو سیگنال ژنتیکی همیشه ملزم به تکامل همزمان نیستند.

کشف اصلی به جای اینکه یک کنجکاوی منفرد باشد، به روشن‌سازی الگوی بسیار گسترده‌تری از انعطاف‌پذیری کد ژنتیکی در میان مژک‌داران کمک کرده بود.

جستجو برای زیست‌شناسی غیرمنتظره در ارگانیسم‌های میکروسکوپی فراتر از خود کد ژنتیکی ادامه داشته است.

در مارس ۲۰۲۶، پژوهشگران مؤسسه ارلم و دانشگاه آکسفورد کشف دیگری را گزارش کردند که به لطف تکنیک‌هایی برای توالی‌یابی سلول‌های منفرد ممکن شده بود.

مطالعه آن‌ها که در Microbial Genomics منتشر شد، Bodo، گروهی از پروتیست‌های رایج یافت‌شده در آب شیرین، آب لبشور و خاک را بررسی کرد.

دانشمندان با تحلیل تنها هفت سلول کشت‌نشده، سه خط تکاملی پیش‌تر شناخته‌نشده را شناسایی کردند که هر یک با شریک باکتریایی متمایز خود که درون ارگانیسم زندگی می‌کرد، مرتبط بود.

این کار تغییرات کد ژنتیکی مشابه یافت‌شده در PL0344 را نشان نداد. در عوض، نشان داد که چه مقدار تنوع زیستی می‌تواند هنگامی که پژوهشگران عمدتاً به ارگانیسم‌هایی که پرورش آن‌ها در آزمایشگاه آسان است، تکیه می‌کنند، پنهان بماند.

این یافته‌ها در کنار کشف‌های کد ژنتیکی، ارزش بررسی میکروارگانیسم‌هایی را که توجه علمی نسبتاً اندکی دریافت کرده‌اند، نشان می‌دهند.

فناوری‌های توالی‌یابی بهتر می‌توانند کدهای ژنتیکی غیرمتعارف بیشتری، روابط غیرمنتظره بین ارگانیسم‌ها و راه‌های پیش‌تر ناشناخته عملکرد سلول‌ها را آشکار کنند.

برای دانشمندان، کدهای ژنتیکی غیرمعمول فراتر از کنجکاوی‌های زیستی ارزش دارند. آن‌ها فرصت‌هایی برای بررسی اینکه چرا کد ژنتیکی در اکثر اشکال زندگی تا این حد سازگار است و چگونه تغییرات تکاملی گاهی می‌توانند دستورالعمل‌های بنیادین آن را تغییر دهند، فراهم می‌کنند.

درک این تنوعات طبیعی همچنین می‌تواند به تلاش‌های زیست‌شناسی مصنوعی (synthetic biology) کمک کند؛ جایی که پژوهشگران تلاش می‌کنند کدهای ژنتیکی را اصلاح کنند تا به سلول‌ها قابلیت‌های جدید ببخشند یا آن‌ها را قادر سازند پروتئین‌هایی با خواص غیرمعمول تولید کنند.

با این حال، نیروهای تکاملی مسئول تنوع فوق‌العاده کدهای ژنتیکی در میان مژک‌داران همچنان به طور کامل درک نشده‌اند.

آنچه به عنوان یک آزمایش معمولی توالی‌یابی آغاز شد، در نهایت آشکار کرد که حتی برخی از آشناترین قواعد زیست‌شناسی استثنائات شگفت‌انگیزی دارند.

مک‌گوان چنین مشاهده کرد:

«دانشمندان تلاش می‌کنند کدهای ژنتیکی جدیدی طراحی کنند — اما آن‌ها همچنین در طبیعت وجود دارند. چیزهای شگفت‌انگیزی هست که می‌توانیم بیابیم، اگر به دنبالشان بگردیم.

«یا، در این مورد، وقتی به دنبالشان نمی‌گردیم.»