چگونه ژن‌های جدید مغز انسان را بزرگ کردند

اکثر ژن‌هایی که از آن‌ها حرف می‌زنیم، پروتئین‌ها را کدگذاری می‌کنند. اطلاعات درون DNA به یک پیام‌رسان RNA منتقل و بعد در یک پروتئین ترجمه می‌شود. اگر این پروتئین ساخته نشود، ژن مربوطه عملکردی نخواهد داشت. البته دسته‌ای از ژن‌ها هم هستند که درون RNA قرار می‌گیرند و به پروتئین تبدیل نمی‌شوند، اما نقش بسیار مهمی دارند.

از زمان کشف اولین RNA کاربردی در بدن در دهه 1950، این فهرست به‌آرامی درحال توسعه است و حالا دسته‌های متعددی از آران‌ای‌های کاربردی وجود دارند که پروتئین‌ها را کدگذاری نمی‌کنند. این ژن‌ها کارهای مختلفی - از دستکاری فعالیت ژن‌های کدگذار بر پروتئین‌ها گرفته تا حفظ کروموزوم‌ها و متصل‌کردن تکه‌های بی‌استفاده از پیام‌رسان‌های RNA - را انجام می‌دهند.

یکی از این دسته‌ها آران‌ای‌های دراز غیرکدگذار یا IncRNA است. این‌ها شباهت زیادی به پیام‌رسان‌های RNA دارند و شکستنشان سخت‌تر است. اما به‌جای این که در فرایند ترجمه‌شدن به پروتئین‌ها استفاده شوند، به‌همراه DNA در هسته سلول می‌مانند؛ جایی که در گذشته کنترل فعالیت سایر ژن‌ها را بر عهده داشتند.

ولی مطالعه ژن‌هایی که در گونه انسان‌ها جدید تلقی می‌شوند، نشان داده است که تفاوت‌های میان IncRNA و پیام‌رسان‌های RNA گاهی اوقات در فرایند فرگشت از بین می‌روند. محققان دریافته‌اند که تعدادی از ژن‌های کدگذار بر پروتئین‌ها در یک گونه، در سایر گونه‌ها هیچ کارکردی از نظر کدگذاری نداشته‌اند و درعوض به‌عنوان IncRNA عمل می‌کنند. این مسئله نشان می‌دهد که جهش ژنتیکی باعث تبدیل برخی از آران‌ای‌های غیرکدگذار به ژن‌های کدگذار شده است.

دانشمندان در مطالعه جدید خود می‌خواستند متوجه شوند که این مسئله در تکامل انسان‌ها هم تأثیرگذار بوده است یا خیر. آن‌ها با استفاده از پایگاه‌های داده عمومی، ژنوم انسان‌ها، شامپانزه‌ها و مکاک‌ها را با هم مقایسه کردند. درنهایت 29 مورد پیدا شد که در آن‌ها IncRNA به ژن‌های کدگذار بر پروتئین‌ها تبدیل شده بود، چرا که اجداد انسان‌ها و شامپانزه‌ها از مکاک‌ها جدا شده بودند. همچنین 45 ژن دیگر این فرایند را طی کرده بودند، چون انسان‌ها از اجداد شامپانزه‌ها و بونوبوها جدا شده بودند.

محققان با دستیابی به این اطلاعات این سؤال را مطرح کردند که این ژن‌های جدید چه ویژگی‌های متمایزی داشته‌اند.

ژن‌های جدیدی در مغز انسان‌ها چه ویژگی‌هایی داشتند؟

یکی از یافته‌های آن‌ها چندان غافل‌گیرکننده نبود. استخراج آران‌ای‌ها از هسته سلول به جایی که بتوانند ترجمه شوند، یک گام کلیدی بود. اکثر آران‌ای‌های غیرکدگذار در بیرون از هسته در مقادیر پایینی پیدا می‌شوند، اما آن‌هایی که قابلیت کدگذاری بر پروتئین‌ها را پیدا کرده‌اند، تعداد بسیار بیشتری در بیرون از هسته دارند.

نکته دیگری که در زمان تغییر قابلیت آران‌ای‌ها از حالت غیرکدگذار به کدگذار دیده می‌شود، نقش آن‌ها در شبکه‌های ژنتیکی است. خیلی از ژن‌هایی که در فرایندهای مشابه دخیل هستند، فعالیت‌های مشترکی دارند و همه آن‌ها با هم فعال یا غیرفعال می‌شوند. این شبکه‌ها می‌توانند حاوی ترکیبی از lncRNA و ژن‌های کدگذار بر پروتئین‌ها باشند.

زمانی که آران‌ای‌های غیرکدگذار تکامل پیدا کردند و به ژن‌های جدید تبدیل شدند، از این شبکه‌ها جدا شدند. این اتفاق منطقی به‌نظر می‌رسد، چون بسیار بعید است پروتئین‌هایی که آن‌ها تولید می‌کنند عملکردی شبیه به IncRNAها داشته باشند. ولی این عملکرد چگونه است؟

محققان برای پیداکردن پاسخ این سؤال روی نمونه ژنی به نام ENSG00000205704 تمرکز کردند که در سلول‌های مغز فعال است و پروتئین کوچکی (از 107 آمینو اسید) را تولید می‌کند که در هسته و بدنه سلول یافت می‌شود. دانشمندان برای بررسی عملکرد این ژن، سلول‌های بنیادی آن را دستکاری کردند و خطوطی از سلول‌ها را ساختند که یا به‌طور کامل فاقد این ژن بودند یا آن را در سطوح بالاتری فعال می‌کردند. سپس این سلول‌های بنیادی به عصب تبدیل می‌شدند.

این فرایند در سلول‌هایی که ENSG00000205704 فعال بود، عصب‌های بسیار بیشتری تولید می‌کرد. دلیل این اتفاق احتمالاً این بود که پروتئینی که این ژن روی آن کدگذاری می‌کند، سلول‌های بنیادی عصبی را در یک وضعیت نابالغ نگه می‌دارد. با این کار، سلول‌ها پیش از رسیدن بلوغ می‌توانند به دفعات بیشتری تقسیم سلولی را پشت سر بگذارند. حذف این ژن موجب بلوغ زودهنگام سلول‌ها و کاهش تعداد تولید عصب‌ها می‌شود.

در داخل مغز چه اتفاقی می‌افتد؟

ولی این مطالعات در شرایط آزمایشگاهی انجام شده بود. در داخل مغز چه اتفاقی می‌افتد؟ دانشمندان برای یافتن پاسخ این سؤال نسخه فعالی از ENSG00000205704 را درون ژنوم موش‌ها قرار دادند و بعد مغز آن‌ها را بررسی کردند. این اتفاق یک نوقشر (نئوکورتکس) درازتر را تولید کرد که با ایده تأثیر ژن‌های تکامل‌یافته در افزایش اندازه مغز هم‌راستا بود. این کار از طریق کاهش سرعت تولید عصب‌ها انجام می‌شد.

با توجه به اینکه انسان‌ها به اندازه بزرگ مغز خود افتخار زیادی می‌کنند، کشف این نکته که ما در فرایند تکامل ژن‌های جدید تولید کرده‌ایم تا این کار را برایمان انجام دهند، بسیار جذاب به‌نظر می‌رسد. ولی این یافته می‌تواند برای زیست‌شناسان فرگشتی متضمن دستیابی به اطلاعات بیشتر در زمینه تولید ژن‌های جدید کدگذار بر پروتئین‌ها باشد.

تولید یک ژن جدید با این قابلیت‌ها به پشت سر گذاشتن مراحل زیادی نیاز دارد. ابتدا باید یک RNA بسازید و بخشی را برای کدگذاری بر پروتئین‌ها به آن اضافه کنید. سپس مطمئن شوید که این ژن پایدار است و بعد آن را به هسته سلولی بفرستید تا دستورات در پروتئین‌ها ترجمه شود. این دستورات درنهایت پروتئین‌ها را به انجام یک عمل وادار می‌سازد. وقتی همه این کارها انجام شد، تازه نوبت تکامل می‌رسد تا این فرایندها را بهینه کند. درنتیجه، وقوع تمام این اتفاقات توسط جهش‌های تصادفی بسیار عجیب است.

درنهایت، اگر جهش‌ها بتوانند دنباله‌های کدگذار بر پروتئین را در IncRNA ایجاد کنند، پروتئین‌های حاصله می‌توانند به‌وجود بیایند و در معرض انتخاب‌های فرگشتی بیشتر قرار بگیرند. نتایج این مطالعه در مجله Nature Ecology & Evolution منتشر شده است.