إن أي تغيير في التعليمات الجينية لصنع البروتينات مهما كان بسيطاً، يمكن أن يمنع البروتين من أداء وظيفته بشكل صحيح، مع احتمال حدوث عواقب مميتة. يبدو من الحكمة الحفاظ على التعليمات الجينية كما هي مكتوبة، ما لم تكن أخطبوطاً.
تشبه الأخطبوطات الكائنات الفضائية التي تعيش بيننا - فهي تفعل الكثير من الأشياء بشكل مختلف عن الحيوانات البرية، أو حتى الكائنات البحرية الأخرى. تتذوق مخالبها المرنة ما تلمسه، ولها عقول خاصة بها. عيون الأخطبوط مصابة بعمى الألوان، لكن بشرتها يمكنها اكتشاف الضوء من تلقاء نفسها. وتعد الأخطبوطات أساتذة في التنكر، وتغيير لون البشرة والملمس لتندمج مع محيطها أو تخويف منافسيها. كما تقوم الأخطبوطات برش المكافئ الجزيئي للحبر الأحمر على تعليماتها الجينية بكثافة مذهلة.
تغير هذه التعديلات الحمض النووي الريبي، وهو الجزيء المستخدم لترجمة المعلومات من المخطط الجيني المخزن في الحمض النووي، مع ترك الحمض النووي دون تغيير.
لا يعرف العلماء بعد على وجه اليقين سبب كون الأخطبوطات محررين غزيري الإنتاج. يناقش الباحثون ما إذا كان هذا النوع من التحرير الجيني قد أعطى رأسيات الأرجل ساقاً تطورية (أو مجسات) أو ما إذا كان التعديل مجرد حادث مفيد في بعض الأحيان. يبحث العلماء أيضاً في العواقب التي قد تترتب على تعديلات الحمض النووي الريبي في ظل ظروف مختلفة. تشير بعض الأدلة إلى أن التعديل قد يعطي رأسيات الأرجل بعضاً من ذكائها، ولكن قد يأتي على حساب كبح التطور في حمضها النووي.
كيف تقوم رأسيات الأرجل بتعديل الحمض النووي الريبي الخاص بها؟
تنص العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية على أن التعليمات الخاصة ببناء كائن حي موجودة في الحمض النووي. تنسخ الخلايا هذه التعليمات إلى الرنا المرسال. ثم تقوم آلية خلوية تسمى الريبوسومات بقراءة الرنا المرسال لبناء البروتينات عن طريق توتير الأحماض الأمينية معاً. في معظم الأوقات، تتوافق تركيبة البروتين مع قالب الحمض النووي لتسلسل البروتين للأحماض الأمينية.
لكن تعديل الحمض النووي الريبي يمكن أن يسبب اختلافات عن تعليمات الحمض النووي، ما يؤدي إلى تكوين بعض البروتينات التي تحتوي على أحماض أمينية مختلفة عن تلك المحددة بواسطة الحمض النووي.
يعدل التحرير كيميائياً إحدى اللبنات الأساسية أو القواعد الأربعة للحمض النووي الريبي. غالباً ما يُشار إلى هذه القواعد بالحروف الأولى من أسمائها: A و C و G و U للأدينين والسيتوزين والجوانين واليوراسيل (نسخة الحمض النووي الريبي من الثايمين الأساسي للحمض النووي).
هناك العديد من الطرق لتعديل أحرف RNA. تتفوق رأسيات الأرجل في نوع من التعديل يُعرف باسم تعديل الأدينوزين إلى إينوزين، أو تعديل A-to-I. يحدث هذا عندما يزيل إنزيم يسمى ADAR2 النيتروجين وذرتين من الهيدروجين من الأدينوزين (A). هذا التقشير الكيميائي يحول الأدينوزين إلى إينوزين (I).
تقرأ الريبوسومات الإينوزين على أنه جوانين بدلاً من الأدينين. في بعض الأحيان، لا يكون لهذا التبديل أي تأثير على سلسلة البروتين الناتج من الأحماض الأمينية. ولكن في بعض الحالات، فإن الحصول على G حيث يجب أن يكون A يؤدي إلى إدخال حمض أميني مختلف في البروتين. يُطلق على تعديل الحمض النووي الريبي المغير للبروتين اسم إعادة ترميز الحمض النووي الريبي.
يقول ألبرتين إن رأسيات الأرجل الرخوة قد تبنت إعادة ترميز الحمض النووي الريبي بكل أذرعها، في حين أن الأنواع ذات الصلة الوثيقة بها أكثر تردداً في قبول إعادة الكتابة. "الرخويات الأخرى لا يبدو أنها تفعل ذلك" بنفس القدر.
لا يقتصر تعديل الحمض النووي الريبي على مخلوقات الأعماق. يحتوي كل كائن حي متعدد الخلايا تقريباً على واحد أو أكثر من إنزيمات تعديل الحمض النووي الريبي تسمى إنزيمات ADAR ، وهي اختصار لـ "أدينوزين ديميناز الذي يعمل على الحمض النووي الريبي".
رأسيات الأرجل لها إنزيمان من ADAR. البشر لديهم نسخ منها أيضاً. "في أدمغتنا، نقوم بتعديل طن من الحمض النووي الريبي. يقول روزنتال. على مدى العقد الماضي، اكتشف العلماء ملايين الأماكن في RNAs البشرية حيث يحدث التعديل". لكن هذه التعديلات نادراً ما تغير الأحماض الأمينية في البروتين.
كيف يعمل تعديل RNA؟
في شكل شائع من تعديل الحمض النووي الريبي، يصبح الأدينوزين إينوزين من خلال تفاعل يزيل مجموعة أمينية ويستبدلها بأكسجين. يقول الباحثون إن رأسيات الأرجل تأخذ إعادة ترميز الحمض النووي الريبي إلى مستوى جديد تماماً. يحتوي الحبار طويل الزعنفة على 57108 موقعاً لإعادة الترميز، وقد قام الباحثون بفحص أنواع متعددة من الأخطبوط والحبار، ووجدوا في كل مرة عشرات الآلاف من مواقع إعادة الترميز.
قد تتمتع رأسيات الأرجل الرخوة بفرص للتعديل أكثر من الحيوانات الأخرى بسبب مكان واحد على الأقل من إنزيمات ADAR ، ADAR2 في الخلية.
إن وجود إنزيمات معدلة في موقعين، لا يفسر تماماً سبب تفوق إعادة ترميز الحمض النووي الريبي في رأسيات الأرجل حتى الآن على تلك الموجودة عند البشر والحيوانات الأخرى. كما أنه لا يفسر أنماط التعديل التي اكتشفها العلماء.
نادراً ما يتم تعديل جميع نسخ الحمض النووي الريبي في الخلية. من الشائع أكثر أن يتم تعديل نسبة معينة من الحمض النووي الريبي بينما تحتفظ البقية بمعلوماتها الأصلية. يمكن أن تختلف النسبة المئوية أو تكرار التعديل بشكل كبير من RNA إلى RNA آخر أو بين الخلايا أو الأنسجة، وقد تعتمد على درجة حرارة الماء أو ظروف أخرى. في الحبار طويل الزعانف، تم تعديل معظم مواقع تحرير الحمض النووي الريبي بنسبة 2% أو أقل، لكن الباحثين وجدوا أيضاً أكثر من 205000 موقع تم تعديلها بنسبة 25% من الوقت أو أكثر.
في معظم أجزاء جسم رأسيات الأرجل، لا يؤثر تعديل الحمض النووي الريبي في كثير من الأحيان على تكوين البروتينات. لكن في الجهاز العصبي، فهذه قصة مختلفة تماماً. في الجهاز العصبي للحبار طويل الزعنفة 70% من التعديلات في الحمض النووي الريبي المنتجة للبروتينات تعيد ترميز البروتينات. ويتم إعادة تشفير الحمض النووي الريبي في الجهاز العصبي لأخطبوط كاليفورنيا ذي البقعتين من ثلاثة إلى ستة أضعاف عدد مرات ترميز الأعضاء أو الأنسجة الأخرى.
يقول ألبرتين إن امتلاك مجموعة واسعة من البروتينات قد يمنح رأسيات الأرجل مزيداً من المرونة في الاستجابة للبيئة، أو يمنحك مجموعة متنوعة من الحلول للمشكلة التي تواجهك. في الجهاز العصبي، قد يساهم تعديل الحمض النووي الريبي في المرونة في التفكير، ما قد يساعد في تفسير سبب قدرة الأخطبوطات على فتح الأقفاص أو استخدام الأدوات، كما يعتقد بعض الباحثين. إن التعديل يمكن أن يكون طريقة سهلة لإنشاء نسخة واحدة أو أكثر من البروتين في الجهاز العصبي وأخرى مختلفة في باقي الجسم.
عندما يكون لدى البشر والفقاريات الأخرى نسخ مختلفة من البروتين، غالباً ما يأتي من وجود نسخ متعددة من الجين. إن مضاعفة نسخ الجين أو تضاعفها أربع مرات "ينتج عنه ملعب جيني كامل للسماح للجينات بالانتشار والقيام بوظائف مختلفة". لكن رأسيات الأرجل تميل إلى عدم تكرار الجينات. بدلاً من ذلك، تأتي ابتكاراتها من التعديل.
وهناك مجال كبير للابتكار. في الحبار تحتوي رنا مرسال لبناء بروتين ألفا سبكترين على 242 موقعاً لإعادة الترميز. يمكن لجميع مجموعات المواقع المعدلة وغير المعدلة نظرياً إنشاء ما يصل إلى 7 × 1072 شكلاً من البروتين. كتب الباحثون: "لوضع هذا الرقم في المنظور، يكفي أن نقول إنه يقزم عدد جزيئات البروتين المركبة في جميع خلايا جميع الحبار التي لديها أكثر من أي وقت مضى على كوكبنا منذ فجر التاريخ".
لن يكون هذا المستوى المذهل من التعقيد ممكناً، إلا إذا كان كل موقع مستقلاً كما تقول كافيتا رانجان عالمة الأحياء الجزيئية في جامعة كاليفورنيا. تحفز درجة حرارة الماء الحبار على إعادة ترميز البروتينات الحركية التي تسمى كينيسين والتي تنقل البضائع داخل الخلايا.
في الحبار طويل الزعانف يحتوي الرنا المرسال الذي ينتج كينيسين -1 على 14 موقعاً لإعادة الترميز، كما وجدت رانجان. قامت بفحص الرنا المرسال من الفص البصري - جزء الدماغ الذي يعالج المعلومات المرئية - ومن العقدة النجمية، وهي مجموعة من الأعصاب المشاركة في توليد تقلصات العضلات التي تنتج دفقات من الماء لدفع الحبار.
قد تمنع مواقع التعديل المزعجة الحبار ورأسيات الأرجل الأخرى من الوصول إلى قمم التعقيد التي هم قادرون عليها نظرياً. ومع ذلك، فإن تعديل الحمض النووي الريبي يوفر طريقة لرأسيات الأرجل لتجربة العديد من نسخ البروتين دون الانغلاق في تغيير دائم في الحمض النووي.
هل هناك قيمة تطورية لتحرير الحمض النووي الريبي؟
إذا لم يكن كل هذا التعديل مفيداً، فلماذا استمرت رأسيات الأرجل في إعادة ترميز الحمض النووي الريبي لمئات الملايين من السنين. ربما تعديل الحمض النووي الريبي قد يستمر، ليس لأنه شكل من أشكال قابلية التكيف، ولكن لأنه يسبب الإدمان.
يجادل العلماء بأن هذا النوع من التعديل محايد وليس متكيفاً. لكن تشير أبحاث أخرى إلى أن تعديل الحمض النووي الريبي يمكن أن يكون تكيفياً.
قد يعمل تعديل الحمض النووي الريبي كمرحلة انتقالية، دون إجراء تغيير دائم في الحمض النووي الخاص بها. على مدار التطور، فإن المواقع التي يتم فيها إعادة ترميز الأدينينات في الحمض النووي الريبي في أحد أنواع رأسيات الأرجل من المرجح أن يتم استبدالها بالجوانين في الحمض النووي لنوع واحد أو أكثر من الأنواع ذات الصلة. وبالنسبة إلى المواقع التي تم تعديلها بشكل كبير، يبدو أن التطور عبر رأسيات الأرجل يفضل الانتقال من A إلى G في الحمض النووي. هذا يدعم فكرة أن التعديل يمكن أن يكون متكيفاً.
ما مدى شيوع إعادة ترميز الحمض النووي الريبي؟
تقوم أنواع رأسيات الأرجل الرخوة بما في ذلك الأخطبوط والحبار بإعادة ترميز الحمض النووي الريبي في أنظمتها العصبية في عشرات الآلاف من المواقع، مقارنة بحوالي ألف موقع أو أقل في البشر والفئران وذباب الفاكهة وأنواع حيوانية أخرى. على الرغم من قيام العلماء بتوثيق عدد مواقع التحرير، إلا أنهم سيحتاجون إلى أدوات جديدة للاختبار المباشر لكيفية تأثير إعادة الترميز على بيولوجيا رأسيات الأرجل.
جاءت الأدلة المؤيدة والمعارضة للقيمة التطورية لإعادة ترميز الحمض النووي الريبي بشكل أساسي من فحص التركيب الجيني الكلي، أو الجينوم، لأنواع مختلفة من رأسيات الأرجل. لكن العلماء يرغبون في اختبار ما إذا كانت RNA المعاد تشفيرها لها تأثير على بيولوجيا رأسيات الأرجل. سيتطلب القيام بذلك بعض الأدوات الجديدة والتفكير الإبداعي.
لا يزال هذا العلم في مراحله الأولى، وقد تؤدي القصة إلى مكان غير متوقع. ومع ذلك، مع التعديل الماهر لرأسيات الأرجل، لا بد أن نوفر قراءة جيدة.
----