ژن‌هایی که مغز انسان را بزرگ می‌کنند چگونه به وجود آمدند؟

در یک مطالعه جدید، گروهی از محققان به بررسی چگونگی تکامل دسته جدیدی از ژن ها پس از جدا شدن گونه انسان از سایر نخستی ها پرداختند. محققان می گویند پس از به دست آوردن اطلاعاتی در مورد چگونگی تکامل این ژن ها، متوجه شدند که نقش مهمی در افزایش اندازه مغز انسان دارند.

بیشتر ژن هایی که در مورد آنها صحبت می کنیم برای پروتئین ها کد می کنند. اطلاعات موجود در DNA به RNA پیام رسان منتقل می شود و سپس به پروتئین ترجمه می شود. اگر این پروتئین ساخته نشود، ژن مربوطه کار نخواهد کرد. البته گروهی از ژن ها نیز هستند که در RNA قرار دارند و به پروتئین تبدیل نمی شوند، اما نقش بسیار مهمی دارند.

از زمان کشف اولین RNA عملکردی در بدن در دهه 1950، این فهرست به آرامی گسترش یافته است و اکنون چندین کلاس از RNAهای غیر کدکننده پروتئینی کاربردی وجود دارد. این ژن ها وظایف مختلفی را انجام می دهند، از دستکاری فعالیت ژن های کدکننده پروتئین گرفته تا حفظ کروموزوم ها و اتصال قطعات بی فایده RNA پیام رسان.

یکی از این دسته ها RNA های طولانی غیر کد کننده یا IncRNA ها هستند. آنها بسیار شبیه به RNA پیام رسان هستند و تجزیه آنها دشوارتر است. اما به جای اینکه در فرآیند تبدیل به پروتئین استفاده شوند، همراه با DNA در هسته سلول باقی می مانند. جایی که در گذشته مسئولیت کنترل فعالیت سایر ژن ها را بر عهده داشتند.

اما مطالعه ژن‌هایی که برای گونه‌های انسانی جدید در نظر گرفته می‌شوند نشان داد که تفاوت‌های بین IncRNA و RNA‌های پیام‌رسان گاهی در فرآیند تکامل از بین می‌رود. محققان دریافتند که تعدادی از ژن‌های کدکننده پروتئین‌ها در یک گونه، عملکرد کدگذاری در گونه‌های دیگر ندارند و در عوض به عنوان IncRNA عمل می‌کنند. این مشکل نشان می دهد که یک جهش ژنتیکی باعث شده است که برخی از RNA های غیر کدکننده به ژن های کد کننده تبدیل شوند.

دانشمندان در مطالعه جدید خود می خواستند دریابند که آیا این مشکل بر تکامل انسان نیز تأثیر داشته است یا خیر. آنها با استفاده از پایگاه های داده عمومی، ژنوم انسان، شامپانزه و ماکاک را مقایسه کردند. در نهایت، 29 مورد یافت شد که در آن‌ها IncRNAها به ژن‌های کدکننده پروتئین تبدیل شدند، زیرا اجداد انسان‌ها و شامپانزه‌ها از ماکاک‌ها فاصله داشتند. علاوه بر این، از زمان جدا شدن انسان از اجداد شامپانزه و بونوبو، 45 ژن دیگر نیز این فرآیند را طی کرده اند.

با توجه به این اطلاعات، محققان این سوال را مطرح کردند که این ژن های جدید چه ویژگی های متمایز کننده ای دارند.

ژن های جدید در مغز انسان چه ویژگی هایی داشتند؟

یکی از یافته های آنها چندان تعجب آور نبود. بیرون آوردن RNA ها از هسته سلول به جایی که بتوان آنها را ترجمه کرد، یک گام کلیدی بود. اکثر RNA های غیر کد کننده در مقادیر کم در خارج از هسته یافت می شوند، اما آنهایی که پروتئین ها را کد می کنند در خارج از هسته بسیار زیادتر هستند.

نکته دیگری که در تغییر توانایی RNA ها از غیر کدگذاری به کدگذاری مشاهده می شود، نقش آنها در شبکه های ژنتیکی است. بسیاری از ژن های درگیر در فرآیندهای مشابه فعالیت های مشترکی دارند و همه آنها با هم فعال یا غیرفعال می شوند. این شبکه ها ممکن است حاوی ترکیبی از lncRNA ها و ژن های کد کننده پروتئین باشند.

همانطور که RNA های غیر کد کننده تکامل یافتند تا به ژن های جدید تبدیل شوند، از این شبکه ها جدا شدند. این منطقی به نظر می رسد، زیرا بسیار بعید است که پروتئین هایی که تولید می کنند عملکرد مشابهی با IncRNA داشته باشند. اما این عملکرد چگونه است؟

برای یافتن پاسخ این سوال، محققان بر روی ژنی به نام ENSG00000205704 تمرکز کردند که در سلول های مغز فعال است و پروتئین کوچکی (از 107 اسید آمینه) تولید می کند که در هسته و بدن سلولی یافت می شود. برای مطالعه عملکرد این ژن، دانشمندان سلول های بنیادی آن را دستکاری کردند و خطوط سلولی ایجاد کردند که در آن ژن یا به طور کامل وجود نداشت یا در سطوح بالاتر فعال شد. سپس این سلول های بنیادی به اعصاب تبدیل شدند.

این فرآیند نورون های بیشتری را در سلول هایی که ENSG00000205704 فعال است تولید می کند. این احتمالاً به این دلیل است که پروتئینی که این ژن رمزگذاری می کند، سلول های بنیادی عصبی را در حالت نابالغ نگه می دارد. با انجام این کار، سلول ها می توانند قبل از رسیدن به بلوغ، تقسیمات سلولی بیشتری را تجربه کنند. حذف این ژن باعث بلوغ زودرس سلول ها و کاهش تعداد اعصاب می شود.

در داخل مغز چه اتفاقی می افتد؟

اما این مطالعات در شرایط آزمایشگاهی انجام شد. در داخل مغز چه اتفاقی می افتد؟ برای یافتن پاسخ این سوال، دانشمندان نسخه فعال ENSG00000205704 را وارد ژنوم موش ها کردند و سپس مغز آنها را بررسی کردند. این منجر به یک نئوکورتکس طولانی‌تر شد که با ایده ژن‌های تکامل‌یافته که به افزایش اندازه مغز کمک می‌کنند، مطابقت دارد. این کار با کاهش سرعت تولید اعصاب انجام شد.

با توجه به اینکه انسان‌ها به اندازه مغز خود افتخار می‌کنند، کشف اینکه ما ژن‌های جدیدی را برای انجام این کار برای ما تکامل داده‌ایم، شگفت‌انگیز است. اما این کشف می تواند برای زیست شناسان تکاملی به معنای کسب اطلاعات بیشتر در زمینه ساخت ژن های جدید کد کننده پروتئین باشد.

تولید یک ژن جدید با این توانایی ها نیازمند طی مراحل زیادی است. ابتدا باید RNA بسازید و یک قسمت کد کننده پروتئین اضافه کنید. سپس مطمئن شوید که ژن پایدار است و سپس آن را به هسته سلول ارسال کنید تا دستورالعمل ها را به پروتئین ترجمه کند. این دستورالعمل ها در نهایت باعث می شود که پروتئین ها یک عمل را انجام دهند. وقتی همه این کارها انجام شد، زمان آن فرا رسیده است که تکامل این فرآیندها را بهینه کند. بنابراین، وقوع همه این رویدادها از طریق جهش های تصادفی بسیار عجیب است.

در نهایت، اگر جهش‌ها بتوانند توالی‌های کدکننده پروتئین را در IncRNA ها ایجاد کنند، پروتئین‌های حاصل می‌توانند تکامل یافته و تحت انتخاب تکاملی بیشتری قرار گیرند. نتایج این تحقیق در مجله Nature Ecology & Evolution منتشر شده است.