كشفت دراسة علمية حديثة نُشرت في دورية Nature Ecology and Evolution، وأعدّها باحثون من مركز التنظيم الجينومي، عن خريطة تنظيمية غير مسبوقة تشرح كيف تنشأ الأنواع المختلفة من الخلايا في شقائق النعمان البحرية، أحد أقدم الحيوانات المعروفة في تاريخ الحياة على كوكب الأرض.
وتُعد هذه الدراسة خطوة مفصلية في فهم تطور الخلايا الحيوانية، إذ قدّمت دليلاً قوياً على أن تنوع الخلايا لا يعتمد فقط على الجينات التي تمتلكها الكائنات، بل بشكل أساسي على الطريقة التي تُقرأ بها هذه الجينات ويُتحكم في تشغيلها وإيقافها عبر ما يُعرف بالحمض النووي التنظيمي.
لغز قديم في علم الأحياء: كيف تتنوع الخلايا رغم تطابق الجينوم؟
من أعمق الأسئلة في علم الأحياء: كيف يستطيع كائن حي واحد، يحمل جينومًا واحدًا، أن يُنتج عشرات أو حتى مئات الأنواع المختلفة من الخلايا؟
فالخلية العصبية، على سبيل المثال، تختلف جذريًا عن الخلية العضلية من حيث الشكل والوظيفة والسلوك، رغم أن الحمض النووي في كلتيهما متطابق تمامًا. والتفسير العلمي السائد هو أن الاختلاف لا يكمن في الجينات نفسها، بل في أي الجينات يُسمح لها بالعمل، ومتى، وأين، وبأي شدة.
هذه العملية تُدار بواسطة عناصر تنظيمية في الجينوم، تعمل كمفاتيح تشغيل وإيقاف للجينات. غير أن فهم هذه الآليات ظل، حتى وقت قريب، محصورًا في عدد محدود من الكائنات النموذجية مثل الفئران وذباب الفاكهة.
أطلس تنظيمي شامل لكائن بدائي
الدراسة الجديدة كسرت هذا القيد، وقدّمت أول أطلس شامل يربط بين:
- هوية الخلايا
- والعناصر التنظيمية النشطة في الجينوم
وذلك في كائن ينتمي إلى شعبة اللاسعات، التي تضم شقائق النعمان وقناديل البحر والشعاب المرجانية، وهي من أقدم الفروع في شجرة تطور الحيوانات، إذ ظهرت قبل نحو 500 مليون عام.
ولم يكن اختيار شقائق النعمان عشوائيًا، فهذا الكائن الصغير، الذي لا يتجاوز طوله بضعة مليمترات، يُعد نموذجًا مثاليًا لدراسة أصول الخلايا العصبية والعضلية، إضافة إلى امتلاكه نوعًا فريدًا من الخلايا يُعرف بـالخلايا اللاسعة، المسؤولة عن الدفاع وصيد الفرائس.
تحليل غير مسبوق على مستوى الخلية الواحدة
اعتمد الباحثون على تحليل دقيق لنحو 60 ألف خلية منفردة من جسم شقائق النعمان، جُمعت من مرحلتين مختلفتين من دورة حياتها:
- نحو 52 ألف خلية من حيوانات بالغة
- قرابة 7 آلاف خلية من أجنّة في مرحلة المعيدة، وهي مرحلة جنينية مبكرة تتشكل فيها الطبقات الأساسية التي تُنتج لاحقًا مختلف الأنسجة والأعضاء
ومن خلال هذه البيانات الضخمة، أنشأ الفريق فهرسًا تفصيليًا يضم 112,728 عنصرًا تنظيميًا في جينوم هذا الكائن.
أرقام تعيد كتابة تاريخ التنظيم الجيني
تكتسب هذه النتائج أهمية خاصة عند مقارنتها بحجم جينوم شقائق النعمان، الذي يبلغ نحو 269 مليون زوج قاعدي فقط. ورغم ذلك، فإن عدد العناصر التنظيمية المكتشفة يقترب من عددها في ذبابة الفاكهة، التي يبلغ حجم جينومها نحو 180 مليون زوج قاعدي، وتنتمي إلى سلالة تطورية أحدث بكثير.
ويشير هذا الاكتشاف إلى أن الأدوات الجزيئية اللازمة لتنظيم الجينوم في الحيوانات المعقدة كانت موجودة بالفعل في مراحل مبكرة جدًا من تطور الحياة الحيوانية، أي قبل ظهور الأجسام المعقدة كما نعرفها اليوم.
إعادة تعريف هوية الخلية
الميزة الجوهرية لهذا الأطلس لا تكمن فقط في عدد العناصر التنظيمية، بل في المنهجية الجديدة لتعريف هوية الخلايا.
فبدلًا من تصنيف الخلايا بناءً على الجينات النشطة فيها (التعبير الجيني)، كما هو شائع في الدراسات التقليدية، قام الباحثون بتجميع الخلايا وفق العناصر التنظيمية النشطة لديها.
وكانت النتيجة لافتة:
هذا التصنيف لم يكشف فقط وظيفة الخلايا، بل عكس أيضًا:
- أصولها التطورية
- ومسار تطورها الجنيني
- والطبقة الجنينية التي نشأت منها
وظيفة واحدة… برامج تنظيمية مختلفة
أظهرت الدراسة مثالًا واضحًا على ذلك عند تحليل نوعين من الخلايا العضلية في شقائق النعمان. فرغم أن هذين النوعين:
- يمتلكان قدرات انقباض متشابهة
- ويستخدمان تقريبًا المجموعة نفسها من الجينات الوظيفية
إلا أن الخريطة التنظيمية كشفت أن هذه الجينات تُدار عبر مجموعات مختلفة تمامًا من العناصر التنظيمية، ما يعكس أصولًا جنينية ومسارات تطور مستقلة.
وبعبارة أخرى، يمكن لخلايا مختلفة أن تؤدي الوظيفة نفسها باستخدام الجينات ذاتها، لكن من خلال برامج تنظيمية مختلفة جذريًا.
التنظيم الجيني يكشف أصل الخلايا لا وظيفتها فقط
توضح الباحثة مارتا إجليسياس، المؤلفة المشاركة في الدراسة، أن:
“التعبير الجيني يخبرنا بما تفعله الخلايا، لكن الحمض النووي التنظيمي يخبرنا من أين جاءت هذه الخلايا وكيف تطورت”.
ويُعد هذا التمييز بين الوظيفة والأصل حجر الأساس لفهم تطور تنوع الخلايا عبر الزمن.
التعلم العميق لفك الشيفرة التنظيمية
من جانبها، تشير الباحثة أناماريا إليك إلى أن الدراسة تبرز قوة الدمج بين:
- تقنيات قراءة الجينوم على مستوى الخلية الواحدة
- ونماذج التعلم العميق لتحليل تسلسل الحمض النووي
وقد استخدم الفريق نماذج حسابية متقدمة قادرة على التنبؤ بكيفية عمل العناصر التنظيمية اعتمادًا على تسلسلها، ما أتاح تحليلًا واسع النطاق لم يكن ممكنًا في السابق.
دلالات تطورية عميقة
تحمل النتائج دلالات مهمة من منظور تطوري، فاللاسعات تُعد من أوائل الحيوانات التي امتلكت:
- خلايا عصبية
- خلايا عضلية
- خلايا لاسعة متخصصة
وأظهرت الدراسة أن ظهور هذه الخلايا لم يتطلب ابتكار جينات جديدة بالكامل، بل تحقق إلى حد كبير عبر إعادة توظيف وتعديل شبكات التنظيم الجيني.
ويرى الباحثون أن هذه الشبكات التنظيمية تمثل أداة إبداعية بيد التطور، تسمح بخلق تنوع خلوي واسع عبر تغييرات في مفاتيح التشغيل والإيقاف، بدل انتظار ظهور جينات جديدة.
آفاق مستقبلية واسعة
لا تقتصر أهمية هذه النتائج على شقائق النعمان وحدها، فمع تزايد عدد الأطالس التنظيمية لكائنات مختلفة عبر شجرة الحياة، سيتمكن العلماء من:
- مقارنة الشبكات التنظيمية بين الأنواع
- تحديد العناصر القديمة المشتركة بين معظم الحيوانات
- فهم التغيرات التي رافقت ظهور أنواع خلوية جديدة عبر التاريخ التطوري
ويقول الباحث أرناو سيبي-بيدروس إن هذه الدراسة “تفتح عالمًا جديدًا من الإمكانيات”، إذ أصبح بالإمكان، لأول مرة، دراسة تطور الخلايا الحيوانية بطريقة منهجية وعلى نطاق واسع.
خلاصة: مفاتيح التنوع الخلوي ليست في الجينات وحدها
في المحصلة، تشير نتائج الدراسة إلى أن القواعد الأساسية التي تسمح اليوم للخلايا العصبية بإرسال الإشارات وللخلايا العضلية بالانقباض كانت موجودة منذ مئات الملايين من السنين، في كائنات بحرية بسيطة عاشت في بحار قديمة.
ولم تكن هذه القواعد مخزّنة في الجينات وحدها، بل في الطريقة التي نُظمت بها تلك الجينات ضمن شبكات معقدة من التحكم.
وبذلك، تعيد هذه الدراسة صياغة فهمنا لتطور الحياة الحيوانية، مؤكدة أن مفاتيح التنوع الخلوي تكمن في كيفية قراءة الجينوم، لا في محتواه فقط.
تعليق واحد
رائع