به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، محققان مؤسسه کارولینسکا ژنوم سمندر دندانه‌دار ایبریایی را نقشه‌برداری کرده و نشان داده‌اند که چگونه ترکیب و سازمان DNA به توانایی آن در بازسازی بخش‌های کامل بدن مرتبط است. این مقاله در مجله Cell Genomics منتشر شده است. سمندرها به خاطر توانایی منحصر به فرد خود در بازسازی بخش‌های کامل بدن و مقاومت در برابر توسعه تومور شناخته شده‌اند. مکانیزم‌های مولکولی پشت این ویژگی‌ها مطالعه آن‌ها را به دلیل کمبود دانش درباره ترکیب ژنومشان دشوار کرده است. محققان مؤسسه کارولینسکا اکنون موفق به نقشه‌برداری از ژنوم سمندر دندانه‌دار ایبریایی شده‌اند و دیدگاه‌های جدیدی درباره این فرآیندهای شگفت‌انگیز به دست آورده‌اند.

تکنولوژی‌های توالی‌یابی نسل بعدی (NGS)

با ظهور تکنولوژی‌های توالی‌یابی نسل بعدی (NGS)، حوزه ژنومیکس به طور چشمگیری رشد کرده است و در دهه گذشته ژنوم تقریباً ۱۰,۰۰۰ گونه از پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها توالی‌یابی شده است (از پایگاه داده NCBI Assembly، O'Leary et al., 2015). تکنولوژی‌های سنتی NGS بر اساس تکثیر DNA و تولید میلیون‌ها خوانش کوتاه (که چند صد جفت باز طول دارند) استوار هستند که پس از آن باید به توالی‌های پیوسته (contigs) تبدیل شوند (Goodwin et al., 2016). اگرچه این تکنیک انقلابی بوده است، اما طول کوتاه خوانش‌ها به همراه مشکلات موجود در توالی‌یابی نواحی با ترکیب پایه‌ای خاص، محدودیت‌های جدی برای ساخت ژنوم ایجاد می‌کند (Chaisson et al., 2015; Peona et al., 2018). بنابراین، سوگیری‌های تکنولوژیکی مانع بازسازی کامل ژنوم‌ها می‌شود و بخش‌های قابل توجهی از ژنوم به طور سیستماتیک از اسمبلی‌ها غایب هستند. این نواحی "غیرقابل اسمبلی" که گاهی به "ماده تاریک" ژنوم معروف هستند (Sedlazeck et al., 2018; Weissensteiner & Suh, 2019)، به طور قابل توجهی از نظر علمی مورد توجه قرار گرفته‌اند. اکنون برای پیشرفت در حوزه ژنومیکس، ضروری است که این محدودیت‌ها برطرف شده و این ماده تاریک مورد بررسی قرار گیرد.

شیوه تحقیقاتی

سمندرها ژنوم‌های بزرگی دارند که حاوی بسیاری از عناصر تکراری هستند. نحوه شکل‌گیری این عناصر در ژنوم و ارتباط آن‌ها با توانایی منحصر به فرد سمندرها در بازسازی همچنان ناشناخته است. در اینجا، ما اولین بار به معرفی مجموعه‌ای در مقیاس کروموزومی از ژنوم 20.3 گیگابایتی سمندر دندانه‌دار ایبریایی، Pleurodeles waltl، پرداخته‌ایم که از نظر پیوستگی و تکمیل در میان ژنوم‌های غول‌پیکر بی‌سابقه است. با استفاده از این مجموعه، ما هم‌راستایی محافظت‌شده و همچنین جابجایی‌های ژنتیکی، مانند آنچه در لocus کمپلکس اصلی بافت سازگاری (MHC) مشاهده می‌شود، را نشان داده‌ایم. ما شواهدی ارائه می‌دهیم که نشان می‌دهد عناصر تکراری درون‌اگزونی موجب تولید RNA دایره‌ای خاص سمندر (circRNA) می‌شوند و بیان آن‌ها در فرآیند بازسازی خاص است. همچنین، ما یک حاشیه‌نویسی جامع و دقیق از میکروRNAها ارائه می‌دهیم و نمایه‌های گسترش ژنومی و همچنین الگوی تنظیمی متمایز در اندام بازسازی‌شده را برجسته می‌کنیم. این داده‌ها پیوندهایی بین عناصر تکراری، RNAهای غیرکدکننده و بازسازی بالغ ارائه می‌دهند و منابع کلیدی برای بررسی اصول توسعه‌ای، بازسازی و تکاملی فراهم می‌آورند.

استفاده از روش‌های پیشرفته توالی‌یابی برای نقشه‌برداری دقیق ژنوم

اندراش سایمون، استاد گروه زیست‌شناسی سلولی و مولکولی می‌گوید: "ما ژنوم سمندر دندانه‌دار ایبریایی را نقشه‌برداری کرده‌ایم، که مقدار DNA آن شش برابر بیشتر از انسان‌هاست و پر از توالی‌های کوتاه غیرکدکننده است که در سرتاسر ژنوم تکرار شده‌اند. این یک چالش فنی بود، اما ما با موفقیت یک نقشه‌برداری دقیق انجام داده‌ایم که از هر گونه مشابه با اندازه ژنوم مشابه جامع‌تر است." با استفاده از روش‌های پیشرفته توالی‌یابی، محققان توانسته‌اند موقعیت دقیق توالی‌های کدکننده پروتئین و غیرکدکننده را در هر کروموزوم مشخص کنند. این اطلاعات به آن‌ها این امکان را داده است که بفهمند چگونه برخی از توالی‌های غیرکدکننده DNA ترکیب ژنوم را شکل می‌دهند و چگونه این توالی‌ها هنگام بازسازی یک بازو تنظیم می‌شوند.

نتایج کسب شده

عناصر تکراری بخش عمده‌ای از ژنوم‌های یوکاریوتی را تشکیل می‌دهند، که در انسان حدود ۵۰٪ و در ماهی تنفس ریه‌ای حدود ۶۷٪ است. این عناصر اغلب در تکامل اندازه ژنوم، تأثیرگذاری بر بیان ژن، غنی‌سازی ترنسکریپتوم و کنترل ویژگی‌های سلولی مانند توانایی‌های سلولی بنیادی نقش دارند. نحوه شکل‌گیری ژنوم توسط عناصر تکراری و رابطه این عناصر با بازسازی (تجدید) هنوز به طور کامل درک نشده است. وزغ ریبید ایبریان (Pleurodeles waltl) یکی از گونه‌های برجسته در زمینه توانایی‌های بازسازی است که قادر به بازسازی اندام‌های از دست رفته و بازسازی بافت‌های آسیب‌دیده در ارگان‌های پیچیده مانند مغز، قلب و چشم می‌باشد. استفاده از این گونه مدل با داشتن یک اسمبلی و آنوتاسیون ژنومی با کیفیت بالا به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. اما این کار به دلیل اندازه بزرگ ژنوم (حدود ۲۰ گیگاباز) و غنی بودن از توالی‌های عناصر تکراری، چالش برانگیز بوده است. در اینجا، ما از تکنیک‌های توالی‌یابی بلندخوان و تقنیات تشکیل کروموزوم‌های مقیاس بالا استفاده کرده‌ایم تا یک اسمبلی ژنوم کامل و پیوسته از ژنوم P. waltl ایجاد کنیم. علاوه بر این، ما چشم‌انداز عناصر تکراری را شناسایی کرده و نشان داده‌ایم که ۷۴٪ از ژنوم را تشکیل می‌دهند. به دلیل بخش بزرگی از تکرارها، تمرکز ما بر روی RNAهای غیرکد شونده، circRNA ها و miRNA ها بوده است که منشأ آن‌ها با رویدادهای انتقالی در ارتباط است. ابتدا circRNA ها به عنوان محصول جانبی فرآیند اسپایسینگ در نظر گرفته می‌شدند، اما مطالعات اخیر چندین عملکرد را برای آن‌ها کشف کرده‌اند، مانند تنظیم رونویسی، تعاملات بین‌مولکولی و تنظیم ویژگی‌های سلولی بنیادی. تشکیل circRNA ها توسط اینترون‌های بلند و عناصر تکراری که هر دو ویژگی‌های ژنوم سمندر هستند تسهیل می‌شود. با این حال، میزان تأثیر این ویژگی‌های ژنومی بر روی circRNA ها در سمندرها هنوز ناشناخته بود. با استفاده از این اسمبلی جدید ژنومی، ما circRNA ها را آنوتاسیون کرده و ارتباط آن‌ها را با عناصر تکراری hobo-Ac-Tam3 (hAT) نشان دادیم. مشابه circRNA ها، miRNA هایی که از رویدادهای انتقالی عناصر تکراری در گیاهان و پستانداران منشأ گرفته‌اند نیز شناسایی شده‌اند. در اینجا، ما یک آنوتاسیون میکروRNA در سطح کروموزومی ایجاد کرده و نشان دادیم که بسیاری از آن‌ها در عناصر تکراری انتهایی طولی (LTR) قرار دارند. در مجموع، نتایج ما از نقش عناصر تکراری در شکل‌دهی به ژنوم P. waltl با قابلیت‌های بازسازی بسیار بالا حمایت می‌کند و به شکل‌گیری circRNA های خاص گونه‌ای و گسترش miRNA ها کمک می‌کند.

شناسایی ژن‌های کدکننده پروتئین در ژنوم سمندر

کتان میشرا، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه سایمون در همان دپارتمان توضیح می‌دهد: "ما شناسایی کرده‌ایم که کدام ژن‌های کدکننده پروتئین در ژنوم سمندر غایب هستند یا کپی‌های بیشتری نسبت به سایر گونه‌ها دارند. نتایج این مطالعه منبع مهمی برای محققان در چندین زمینه مانند تکامل ژنوم، زیست‌شناسی بازسازی و توسعه، و همچنین زیست‌شناسی سرطان است." گام بعدی در تحقیق تمرکز بر مطالعات کاربردی است که در آن محققان فرآیندهای مولکولی را دستکاری خواهند کرد تا تعیین کنند چگونه این تغییرات بر توانایی بازسازی تأثیر می‌گذارند. آن‌ها همچنین قصد دارند مطالعات مقایسه‌ای با سایر گونه‌ها انجام دهند تا این مکانیزم‌ها را بهتر درک کنند.

پایان مطلب/.