زومیت/ رویکرد نوینی در تحلیل توالی‌های DNA نشان داده است بخش‌های موسوم به دی‌ان‌ای زائد که نقشی برای آنها درنظر گرفته نمی‌شد، در تنظیم بیان ژن‌ها نقش دارند.

پژوهش‌ جدیدی نشان می‌دهد بخشی از ژنوم ما که پیش‌تر به عنوان «دی‌ان‌ای زائد» نادیده گرفته می‌شد، ممکن است نقش مهمی در تنظیم بیان ژن‌ها ایفا کند. براساس این پژوهش،‌ بخش‌های موسوم به دی‌ان‌ای زائد به گونه‌ای تکامل یافته‌اند که بر نحوه فعال یا غیرفعال شدن ژن‌ها، به‌ویژه در مراحل اولیه رشد انسان، تاثیرگذار باشند.

پیش از آن‌که توضیح داده شود چرا در گذشته تصور می‌کردند این بخش از DNA بی‌ارزش است، ابتدا باید به‌طور دقیق بفهمیم این بخش‌ها چه هستند و چه ویژگی‌هایی دارند. درک ماهیت این DNA به ما کمک می‌کند تا بهتر درک کنیم چرا چنین برداشت نادرستی درباره آن شکل گرفته بود.در دهه ۱۹۴۰، باربارا مک‌کلینتاک، دانشمند ژنتیک سلولی عناصر جا‌به‌جا شونده یا ژن‌های متحرک (پرش‌کننده) را در ذرت شناسایی کرد. عناصر متحرک در اصل توالی‌هایی از دی‌ان‌ای هستند که می‌توانند جایگاه خود را در ژنوم تغییر دهند.در ابتدا، دانشمندان نسبت به کشف عناصر متحرک تردید داشتند، اما چندین دهه بعد پذیرفتند این توالی‌ها نه‌تنها قابلیت «پرش» دارند، بلکه تقریبا در تمامی موجودات زنده نیز حضور دارند. در مطالعات بعدی مشخص شد عناصر متحرک حدود ۴۵ درصد از ژنوم انسانی را تشکیل می‌دهند.

به‌نظر می‌رسد عناصر متحرک با استفاده از روش ساده و تکرارشونده‌ای، در طول میلیون‌ها سال خود را در بخش‌های مختلف DNA کپی کرده و گسترش داده‌اند و این فرایند تکراری باعث شده است توالی‌های حاصل تقریبا یکسان به‌نظر برسند. از همین رو، دانشمندان آن‌ها را بقایای ژنتیکی ویروس‌های باستانی و منقرض‌شده تلقی کردند و بی‌اهمیت پنداشتند.

امروزه می‌دانیم برخی از عناصر متحرک مانند «کلیدهای ژنتیکی» عمل می‌کنند و فعالیت ژن‌های مجاور خود را در انواع خاصی از سلول‌ها تنظیم می‌کنند.

ازآن‌جا که بسیاری از این توالی‌های DNA بسیار شبیه به هم هستند و بارها در ژنوم تکرار شده‌اند، دانشمندان به‌سختی می‌توانند آن‌ها را از یکدیگر تشخیص دهند یا عملکرد دقیق هر کدام را بررسی کنند. این مشکل به‌ویژه در مورد خانواده‌های جوان‌تر عناصر قابل انتقال مانند MER11 که در دوره‌های تکاملی اخیر ظاهر شده‌اند، بیشتر نمود پیدا می‌کند.عناصر متحرک به‌درستی در پایگاه‌های داده ژنومی موجود دسته‌بندی نشده‌اند و همین موضوع موجب شده است شناخت دقیقی از عملکرد آن‌ها نداشته باشیم. پژوهشگران برای اینکه بتوانند این عناصر ژنتیکی را بهتر شناسایی و مطالعه کنند، روش جدیدی ابداع کردند که به جای استفاده از ابزارهای معمول و از پیش تعریف‌شده، توالی‌های MER11 را با توجه به مسیر تکامل آن‌ها و اینکه چقدر در ژنوم گونه‌های مختلف نخستی‌ها (مانند انسان، شامپانزه و میمون‌ها) حفظ شده‌اند، دسته‌بندی می‌کند.پژوهشگران با استفاده از روش جدید توانستند توالی‌های مختلف MER11 را به‌طور دقیق‌تر دسته‌بندی کنند و آن‌ها را به چهار گروه مجزا (MER11_G1 تا MER11_G4) تقسیم کنند. گروه‌بندی فقط براساس شباهت ظاهری نبود، بلکه این نکته را نیز درنظر می‌گرفت که هرکدام از این گروه‌ها در چه دوره‌ای از تکامل نخستی‌سانان ظاهر شده‌اند. به این ترتیب، گروه MER11_G1 قدیمی‌ترین و MER11_G4 جدیدترین گروهی است که در طول تاریخ تکاملی وارد ژنوم شده‌اند.

روش جدید دسته‌بندی باعث شد دانشمندان بتوانند الگوهایی را کشف کنند که پیش از این دیده نشده بود. این الگوها نشان می‌دهند برخی از این توالی‌های به ظاهر بی‌اهمیت، درواقع می‌توانند نقش مهمی در تنظیم فعالیت ژن‌ها داشته باشند.

سپس پژوهشگران زیرخانواده‌های جدید MER11 را با نشانگرهای مختلف اپی‌ژنتیکی مقایسه کردند. نشانگرهای مذکور برچسب‌های شیمیایی‌ هستند که روی DNA و پروتئین‌های وابسته به آن قرار می‌گیرند و بر فعالیت ژن‌ها تاثیر می‌گذارند. مقایسه ثابت کرد روش جدید دسته‌بندی توالی‌های MER11 بهتر می‌تواند نشان دهد کدام یک از آن‌ها واقعا در تنظیم فعالیت ژن‌ها نقش دارند. برخلاف روش‌های قبلی که بیشتر بر پایه ظاهر و شباهت توالی‌ها بود، روش جدید ارتباط دقیق‌تری با عملکرد واقعی آن‌ها در سلول دارد.در مرحله بعد، پژوهشگران توالی‌های MER11 را با استفاده از روشی به نام lentiMPRA مورد آزمایش قرار دادند. این روش قادر است هزاران توالی DNA را به‌صورت هم‌زمان مورد آزمایش قرار دهد تا مشخص شود هر یک از آن‌ها تا چه اندازه فعالیت ژن‌ها را افزایش می‌دهند.

پژوهشگران پس از تحلیل نزدیک به ۷ هزار توالی MER11 از گونه‌های مختلف نخستی‌سانان ازجمله انسان و بررسی تاثیر آن‌ها در سلول‌های بنیادی انسانی و سلول‌های عصبی در مراحل ابتدایی رشد، دریافتند که گروه MER11_G4 در فعال‌سازی بیان ژن عملکرد بسیار موثری دارد.

پژوهشگران متوجه شدند توالی MER11_G4 دارای بخش‌های خاص و کوتاهی از DNA است که به آن‌ها الگوهای تنظیمی گفته می‌شود. این بخش‌های کوتاه دی‌ان‌ای مانند جایگاه‌هایی عمل می‌کنند که فاکتورهای رونویسی به آن‌ها متصل می‌شوند. فاکتورهای رونویسی تعیین می‌کنند که ژن چه زمانی باید فعال شود. الگوهای تنظیمی تاثیر چشمگیری بر نحوه واکنش ژن‌ها به سیگنال‌های رشد یا محرک‌های محیطی دارند.

جالب آن‌که به نظر می‌رسد توالی‌های MER11_G4 در طول زمان در انسان‌‌ها، شامپانزه‌ها و ماکاک‌‌ها دستخوش تغییرات زیادی نشده باشند. در انسان و شامپانزه، برخی از این تغییرات به شکلی بوده‌اند که ممکن است باعث شده باشند این توالی‌ها عملکرد قوی‌تری در تنظیم فعالیت ژن‌ها، به‌ویژه در سلول‌های بنیادی انسان، داشته باشند.

نتایج پژوهش نشان می‌دهد گروه MER11_G4 نه‌تنها توانسته است به فاکتورهای رونویسی متفاوتی متصل شود (که کنترل‌کننده فعالیت ژن‌ها هستند)، بلکه این ویژگی احتمالا ازطریق تغییر توالی DNA آن‌ها به‌وجود آمده است و این تغییرات باعث شده‌اند MER11_G4 نقش‌های تنظیمی جدیدی پیدا کند. چنین تفاوت‌هایی در تنظیم ژن‌ها می‌توانند به مرور زمان موجب تفاوت‌های زیستی میان گونه‌ها شوند و درنهایت در روند شکل‌گیری گونه‌های جدید (گونه‌زایی) نقش داشته باشند.

مطالعه در مجله‌ی Science Advances منتشر شده است.