پروژه رمزگشایی دی‌ان‌ای

در هنگام تولد، علت و زمان مرگ وینسنت مشخص بود، داشتن ژن‌های معیوب باعث شد تا آینده شغلی او را حد یک خدمتکار ارزیابی کنند؛ اما جاه‌طلبی او باعث شد تا به دنبال رویایش یعنی فضانوردی برود. این داستان شروع فیلم گاتاکاست که بیان می‌کرد در آینده، پتانسیل‌های یک فرد با توجه به ژن‌های او مشخص می‌شود.گاتاکا در سال ۱۹۹۷/۱۳۷۶ بر روی پرده سینما رفت، درست در میانه انجام پروژه ژنوم انسانی. این فیلم انعکاس ایده‌ای رایج در آن زمان بود که بیان می‌کرد در آینده و بر مبنای ژن‌های هر فرد همه چیز در باره او قابل پیش‌بینی خواهد بود.

پروژه رمزگشایی ژنوم انسانی ENCODEتیم اسپکتور، متخصص ژنتیک در کالج سلطنتی لندن که در پروژه ژنوم انسانی کار می‌کند، می‌گوید: «آن زمان عقیده بر این بود که ما می‌توانیم پاسخ بسیاری از چیزها را بر اساس ژن‌ها بدهیم.». بعد از اینکه توالی ژن‌های انسانی مشخص شد، پروژه بزرگ دیگری آغاز شد تا مشخص کند هر ژن چه کاری انجام می‌دهد. با ارایئه نتایج این تحقیق طی هفته گذشته مشخص شد ژنوم بسیار بسیار پیچیده‌تر و مرموزتر از آن چیزی است که زیست‌شناسان یک دهه قبل تصور می‌کردند.

ماجرای آن ۱ درصد و ۹۹درصد معروف!

البته این اتفاق اولین بار نیست که می‌افتد، در دهه ۱۹۶۰/۱۳۴۰ دانشمندان فکر می‌کردند که این مارپیچ ساده حامل دستورالعمل‌های ساختن پروتئین است. اما بعد مشخص شد که فقط ۱ درصد این کدها (معادل ۲۰هزار ژن) به این موضوع اختصاص دارد و بنابراین بقیه که تعدادشان به بیش از ۳میلیارد کد بالغ می‌شود، یا کارهای دیگری انجام می‌دهد و یا بی‌استفاده‌اند. سوسومو اوهنو، ژن‌شناس مشهور در سال ۱۹۷۲/۱۳۵۱ نوشت: «حداقل ۹۰ درصد ژنوم ما آشغال و زائد است.»

البته بعدتر مشخص شد که آن‌ها هم نقشی بر عهده دارند. برای مثال فرایند ساختن نسخه آر.ان.ای از روی دی.ان.ای یا همان رونویسی. آنزیم‌های رونویسی، فعالیت‌های ژنی را با شدت بخشیدن یا مسدود کردن این آنزیم‌ها کنترل می‌کنند و به عنوان دی.ان.ای‌های تنظیمکننده ژن یا سوئیچ شناخته می‌شوند. اما این هم فقط بخشی از فعالیت‌های دی.ان.ای انسانی است. برای ارائه تصویری کلی از اینکه چه بخشی از دی.ان.ای چه کار می‌کند، پروژه دانشنامه اجزای دی.ان.ای (ENCODE) در سال ۲۰۰۳/۱۳۸۲ راه‌اندازی شد.

ENCODE چیست؟

بخشی از این تحقیق به همان آنزیم‌های رونویسی اختصاص داشت. در این تحقیق آن‌ها ۴ میلیون بخش یافتند که البته ۸٫۵ درصد کل ژنوم را شامل می‌شود.

«هنگامی که این عدد را با مقادیر بررسی نشده مقایسه می‌کنیم به این نتیجه می‌رسیم که میزان آن تا ۱۸ یا ۱۹ درصد هم بالا خواهد رفت.» این را ایوان بیرنی از موسسه بیوانفورماتیک اروپا در کمبریج انگلستان می‌گوید که هماهنگ‌کننده آنالیز اطلاعات برای پروژه ENCODE است. اما تا پیش از این ما می‌دانستیم که این سوئیچ‌ها در حقیقت هیچ کاری انجام نمی‌دهند. بسیاری از آن‌ها در گذشته کاری انجام داده‌اند اما در حال حاضر مثل سوئیچ‌هایی قطع شده هستند. اما در مقابل سورپرایز این مطالعه این بود که نشان داد سوئیچ‌ها به طور گسترده‌ای در سراسر ژنوم پراکنده‌اند و حدود ۹۵ درصد ژنوم در کنار ۱۰هزار جفت سوئیچ قرار گرفته است. بیرنی توضیح می‌دهد: «این به این معنا است که تقریبا همه ژنوم در حال انجام کاری است و اگر شما آن را تغییر دهید چیزی در جایی تغییر می‌کند.»

همچنین مشخص شد یک ژن در آن واحد تحت تاثیر تعداد زیادی سوئیچ قرار دارد که مرتبط با یکی از بزرگ‌ترین رازهای ژنتیک یا وراثت‌پذیری ناپیدا است. مثلا ما می‌دانیم که که یک جزء بزرگ ژنی حامل وراثت بیمارهایی مثل ناراحتی قلب، دیابت و… است اما تنوع‌های ژنتیکی پیدا شده تحت تاثیر چندگانگی سوئیچ‌ها خیلی بیشتر از مقدار معمولی محاسبه شده برای این میزان کم موثر در وراثت است.

وراثت‌پذیری ناپیدا

پیش از این فرض بر این بود که تنوع ژنتیکی در انزوا پدید می‌آید بنابراین اثر آن‌ها قابل جمع است. برای مثال اگر شما تنوع ژنتیکی از دو نوع داشته باشید که اولی ریسک حمله قلبی را ۵ درصد و دیگری ۱۰ درصد بالا می‌برد آن وقت ریسک کلی برای شما ۱۵ درصد خواهد بود؛ اما دکر کشف کرد که اثر این تنوع بیشتر از جمع آن‌هاست، یعنی اگر کسی فقط یک ژن حامل بیماری قلبی داشته باشد، ممکن است تاثیر کمی بر شما بگذارد اما اگر یک ژن دیگر از تنوع ژنتیکی دیگر هم داشته باشد، تاثیرآن ممکن است بسیار بزرگ‌تر از تاثیر جمع آن‌ها باشد. از این تاثیر بزرگ و نحوه عملکردش چیزی زیادی شناخته نشده و به همین دلیل به وراثت پنهان یا گم‌شده مشهور است.

حالا فرض کنید حدود ۲۰ درصد ژنوم حاوی سوئیچ‌ها نظارتی باشد که به ماجرای وراثت ناپیدا مربوط می‌شود، اما بقیه چی؟ پروژه ENCODE تلاش می‌کند آدرس آن‌ها را از طریق شناسایی میزان تاثیر ژنوم در رویددهای بیوشیمایی روزانه بدن شناسایی کند. نتایج نشان می‌دهد ۸۰ درصد باقی مانده ژنوم فعال است، هرچند بیشتر ان آر.ان.ای رونویسی شده هستند که رمز نشده و ممکن است وظایف عجیبی را بر عهده بگیرند. با این همه انجام دادن یک کار به این معنا نیست که آن کار مفید است. برای مثال بیشتر ما بین ۱ تا ۵ جهش داریم که بیشتر تحت تاثیر عملکرد ژنی است؛ اما اگر همان طور که ENCODE می‌گوید بیشتر محتوای ژنی ما حیاتی بود آن وقت ما باید شاهد جهش‌های ژنتیکی مضرتر و بیشتری می‌شدیم. بنا بر این اگر بخش زیادی از ژنوم ما فعال است ما چطور آن را تحمل می‌کنیم که دچار مرگ و میر زیادی نمی‌شویم؟

یک توضیح منطقی برای فهمیدن اهمیت این مقدار دی.ان.ای این است که قبول کنیم انتخاب طبیعی هر نوع تکامل غیر ضروری را از بین می‌برد. کریس پانوتینگ از دانشگاه آکسفورد می‌گوید: «حدود هفت تا از ده تغییر نوکلوئوتیدها در توالی‌های رمز شده بیرون انداخته می‌شوند، چون زیان‌آورند اما ۹ تا از ده تغییر در توالی‌های کد نشده باقی می‌مانند. این موضوع اهمیت تغییرات دی.ان.ای‌های رمز شده را در مقابل تغییرات رمز نشده نشان می‌دهد.»

راه دیگر برای فهمیدن اهمیت میزان کم دی.ان.ای این است که آن را حذف کنید تا ببینید چه اتفاقی می‌افتد. در انسان‌ها این کار غیر ممکن است، به همین دلیل مقدار زیادی از این دی.ان.ای‌های رمز نشده موش‌ها که به نظر می‌رسید کاربردی باشد، حذف شدند و هیچ اتفاقی نیفتاد! اما خب مقداری از محتوای ژنتیک رمزگذاری شده هم بدون هیچ اثر واضحی حذف شد. یک توضیح این است که در محیط آزمایشگاه این موجودات به آن ژن‌ها که برای بقا در محیط پرچالش طبیعت ضروری است، نیاز پیدا نمی‌کنند. توضیح دیگر این است که تنوع در ژنوم بسیار زیاد است بنا بر این این حذف‌ها اثر کمی دارند. دلیل سوم هم می‌تواند این باشد که بر خلاف یافته‌های ENCODE بخش بیشتر دی.ان.ای ما اهمیت ندارد و به همین دلیل تفاوت زیادی بین سایز ژنوم گونه‌های مختلف وجود دارد و این دلیل ارتباط ظریف بین پیچیدگی موجودات و تنوع ژنتیکی آن‌هاست. وجود حیواناتی که سلول‌های آن‌ها به سرعت تقسیم می‌شود و ژن‌های کمتری نسبت به بقیه دارند، نشان می‌دهد موجودات تا آنجا به انباشتن تعداد ژن‌ها ادامه می‌دهند که برایشان مضر نباشد؛ درست مثل پر کردن انبار خانه‌های بزرگ از آشغال در مقابل دور انداختن سریع همان چیزها در خانه‌های کوچک.

مسئله باقی است

بنا بر این هنوز مسئله باقی است؛ در حالی که شواهد زیادی نشان می‌دهد بیشتر محتوای ژنتیکی ما بدون استفاده است، پروژه ENCODE می‌گوید بیشتر آن‌ها کاری انجام می‌دهند. کسانی مثل بیرنی فکر می‌کنند یک جواب این است که بیشتر آن‌ها کاری نمی‌کنند که پیامد مشخصی داشته باشد؛ مثلا ممکن است آن‌ها تغییر کوچکی در آناتومی صورت افراد به وجود بیاورند، هرچند ما نمی‌دانیم چه قدر اما آن‌ها مهم هستند. این در حالی است که وقتی پروژه ENCODE آغاز شد خود بیرنی به تاثیرگذاری آر.ان.ای‌های رمزنشده درعملکردهای ژنی مشکوک بود.

به این ترتیب به نظر می‌رسد با وجود مشخص شدن نقش آر.ان.ای‌های رمز نشده مشخص کردن تاثیرگذاری بخش‌های مختلف آن‌ها زمان زیادی لازم دارد. تنها راه نشان دادن اهمیت یک بخش این است که نشان بدهیم تنوع ژنتیکی در این بخش بر روی مردم تاثیر زیادی دارد که کار آسانی نیست. در برخی موارد البته شواهدی وجود دارد و مناطق زیادی مشخص شده‌اند که با بیماری‌ها ارتباط دارند که با مطالعات انجام شده در ENCODE مطابقت دارند. این موضع سرنخ‌هایی در باره علل بیماری‌ها به ما می‌دهند. برای مثال این پروژه کشف کرد که یکی از بیماری‌های التهابی روده بر اثر اختلال در نوعی سلول‌های ایمنی به نام T helper رخ می‌دهد. بیرنی می‌گوید: «در نهایت هر چه ما بیشتر بدانیم، می‌فهمیم که چیزهای زیادی باقی مانده است. ژنوم ما می‌داند که چطور ما را می‌سازد، اما ما نمی‌توانیم مثل یک کتاب راهنما به آن نگاه کنیم و یاد بگیریم.»