ریسامان: خانه ریسندگی

Cover of "Junk DNA: A Journey Through the Dark Matter of the Genome" book
نویسنده: نِسا کَری

فهرست

۱. چرا ماده تاریک اهمیت داره؟

گاهی زندگی با بی‌رحمی مجموعه‌ای از مصایب را به گردن یک خانواده می‌اندازد. این نمونه را در نظر بگیرید. یک پسر بچه به دنیا آمد که فرض کنید اسمش دانیال است. لحظه تولد او به شکل عجیبی شل و سست بود و بدون دستگاه نمی‌توانست به راحتی نفس بکشد. دانیال با مراقبت شدید پزشکی زنده ماند و مقاومت عضلانی او بهبود یافت که اجازه می‌داد بدون کمک دستگاه نفس بکشد و امکان حرکت پیدا کند. اما همین که بزرگتر می‌شد معلوم شد که دانیال ناتوانی یادگیری قابل توجهی دارد که جلوی پیشرفتش در زندگی را می‌گیرد.

مادرش سارا عاشق دانیال بود و هر روز از او مراقبت می‌کرد. همان طور که به میانه دهه سوم زندگیش می‌رسید، این کار سخت‌تر شد؛ چرا که سارا دچار عوارض عجیبی شد. عضلاتش بسیار سفت شده بود؛ به حدی که وقتی چیزی را در دست می‌گرفت، نمی‌توانست آن را رها کند. چاره‌ای نداشت غیر از این که شغل بسیار ماهرانه پاره‌وقت خود را به عنوان ترمیم‌کننده سرامیک ترک کند. همین طور عضلاتش به طور قابل توجهی شروع به هرز دادن کردند. با این حال راههایی را برای کنار آمدن با این وضعیت پیدا کرده بود. اما وقتی که فقط ۴۲ سال داشت به ناگهان از کژآهنگی قلبی 1 مرد. کژآهنگی قلبی اختلال فاجعه‌آمیز در سیگنال‌های الکترونیکی است که مسئول ضربان قلب به شکل منظم و هماهنگ است.

1 cardiac arrhythmia

مسئولیت نگهداری از دانیال به ژانت مادر سارا افتاد. این کار برایش چالش‌برانگیز بود و نه فقط به خاطر مشکلات نوه‌اش و غم از دست دادن زودهنگام دخترش. ژانت در اوایل دهه پنجم زندگیش دچار آب مروارد شده بود و در نتیجه بیناییش تعریف چندانی نداشت.

به نظر می‌رسید که این خانواده از ترکیب تاسف‌آمیزی از مشکلات پزشکی نامرتبط رنج برده است. اما مسئله نسبتا غیر معمولی توجه متخصصین را به خود بر انگیخت. این الگو که شخصی آب مروراید داشته باشد، دخترش دچار سفتی عضلانی و نقص قلبی، و نوه‌اش گرفتار عضلات شُل و ناتوانی یادگیری باشد در چندین خانواده مشاهده شد. این خانواده‌ها در سرتاسر زمین زندگی می‌کردند و هیچ کدام‌شان با دیگری خویشاوند نبودند.

دانشمندان متوجه شدند که با یک بیماری ژنتیکی طرف هستند. اسمش را دیستروفی ماهیچه‌ای 1 (دیستروفی یعنی هدر رفتن) گذاشتند. این وضعیت در تمام نسل‌های خانواده‌ای که به آن مبتلا هستند رخ می‌دهد. اگر که پدر یا مادر فرزندی دچار این بیماری باشند، به طور متوسط ۵۰ درصد احتمال ابتلا فرزندشان به این بیماری هست. ریسک ابتلای مردان و زنان یکسان است و هر کدام می‌توانند آن را به فرزندشان منتقل کنند.

1 myotonic dystrophy

این ویژگی‌های موروثی روال عادی بیماری‌هایی است که عامل‌شان جهش فقط در یک ژن تنها است. جهش، خیلی ساده تغییری در توالی دی‌ان‌ای است. ما به طور معمول از هر ژن دو رونوشت را در سلول‌های خود به ارث می‌بریم که یکی از مادرمان و دیگری از پدرمان می‌آید. به مورادی مانند بیماری دیستروفی ماهیچه‌ای که بیماری در همه نسل‌ها دیده می‌شود، الگوی موروثی غالب می‌گویند. در اختلالات غالب، فقط یکی از رونوشت‌های ژن، با خود جهش را حمل می‌کند که همان نسخه‌ای است که از والد مبتلا به ارث رسیده است. این ژنِ جهش‌یافته توانایی دارد که سبب بیماری شود؛ با این که سلول‌ها همین طور شامل رونوشت معمولی هستند. ژنِ جهش‌یافته به نحوی بر عملکرد معمولی ژن "غالب" می‌شود.

اما دیستروفی ماهیچه این ویژگی اضافی را دارد که آن را از یک اختلال غالب رایج متمایز می‌کند. برای شروع، اختلالات غالب در ضمن انتقال از والد به فرزند معمولا وخیم‌تر نمی‌شوند. هیچ دلیلی وجود ندارد که وخیم‌تر شوند، چرا که فرزند مبتلا همان جهشی را دریافت می‌کند که والد به آن مبتلا بوده است. همچنین همان طور که این بیماری از یک نسل به نسل دیگری منتقل می‌شود، بیماران عوارض را در سنین پایین‌تر نشان می‌دهند که باز هم غیر معمول است.

در یک چیز دیگر هم دیستروفی ماهیچه‌ای با الگوی عادی ژنتیکی تفاوت دارد. حالت مادرزادی وخیم این بیماری، همانی که دانیال را مبتلا کرده بود فقط در کودکان مادران مبتلا به این بیماری دیده شده است. پدران هیچ گاه این حالت بسیار وخیم را منتقل نمی‌کنند.

در اوایل دهه ۱۹۹۰، گروه‌های پژوهشی گوناگونی تغییر ژنتیکی که عامل بیماری دیستروفی ماهیچه‌ای می‌شود را تشخیص دادند. کاملا متناسب با یک بیماری غیر معمول، یک جهش خیلی غیر معمول هم سببش می‌شد. ژن دیستروفی ماهیچه‌ای حاوی توالی کوچکی از دی‌ان‌ای می‌شود که چندین بار تکرار شده است. 2. این توالی کوچک از ۳ "حرف" از ۴ حرفd تشکیل شده که حروف الفبای به کار گرفته شده در دی‌ان‌ای است. در ژنِ دیستروفی ماهیچه‌ای، این توالی تکرار شده از حروف T، C و تشکیل شده (حرف دیگری الفبای ژنتیک A می‌باشد)

در انسان‌های بدون دیستروفی میوتونیک، چیزی بین پنج تا حدود ۳۰ رونوشت از این الگوی مشابه CTG دارند که یکی بعد از دیگری تکرار شده است. کودکان تعداد برابری از این تکرارها را از والدین خود به ارث می‌برند. اما وقتی که تعداد تکرارها بیشتر می‌شود، مثلا بیشتر از کم و بیش ۳۵ تکرار می‌رسد، توالی کمی متزلزل شده و ممکن است هنگام انتقال از والد به فرزند تعداد آن تغییر یابد. وقتی که تعداد این تکرارها به بالای ۵۰ مورد می‌رسد، توالی به شدت متزلزل می‌شود. وقتی این رخ داد، والدین می‌توانند تکرارهای بیشتر از آن چه خود دارند را به فرزندان‌شان منتقل می‌کنند. همین طور که طول تکرارها افزایش می‌یابد، عوارض وخیم‌تر می‌شوند و در سن پایین‌تر مشهود هستند. به این دلیل است که همانند خانواده‌ای که در آغاز این فصل درباره‌شان سخن گفتیم، در نسل‌هایی پایین‌تر بیماری حالت وخیم‌تری پیدا می‌کند. همچنین آشکار شد که معمولا فقط مادران تکرارهای بسیار بزرگ را منتقل می‌کنند. همان تکرارهایی که منجر به فنوتیپ1 مادرزادی وخیم می‌شود.

1

این افزایش فزاینده از تکرار توالی دی‌ان‌ای، شیوه جهشی بسیار غیرمعمولی است. اما شناساییِ عاملِ روندِ افزایش‌دهندهِ دیستروفی ماهیچه‌ای سبب می‌شود که مسئله بسیار غیر معمول‌تری از تاریکی در آمده و روشن شود.

بافندگی با دی‌ان‌ای

تا همین اواخر، تصور می‌رفت که جهش‌های صورت گرفته در توالی ژن‌ها نه به خاطر تغییر صورت‌گرفته در خود دی‌ان‌ای بلکه به خاطر عواقب پایین‌دستی‌شان اهمیت دارند. تقریبا شبیه به اشتباهی در الگوی بافندگی است. وقتی که فقط نمادی روی تکه کاغذی است اهمیتی ندارد. اما وقتی که چیزی را بر اساس این الگو بافتنی می‌کنید، اشتباه به مشکل منجر شده و به خاطر خطا در الگوی بافتنی، ژاکت‌تان یک سوراخ یا سه آستین خواهد داش

یک ژن (الگوی بافندگی) در نهایت کار رمزگذاری برای یک پروتئین (ژاکت) را انجام می‌دهد. این پروتئن‌ها هستند که ما آنها به عنوان مولکول در سلول‌هایمان می‌شناسیم که همه کارها را انجام می‌دهند. آنها تعداد بیشماری از علمکردها را اجرا می‌کنند. این شامل هموگلوبین داخل سلول‌های قرمز خون که اکسیژن را در سرتاسر بدن منتقل می‌کنند می‌شود. پروتئین دیگری انسولین است که از لوزالعمده آزاد می‌شود تا سلول‌های ماهیچه‌ها را ترغیب کند که گلو کز را دریافت کنند. هزاران و هزاران پروتئین دیگر مجموعه‌ای سرسام‌آور از عملکردها را انجام می‌دهد که زیربنای زندگی است.

پروتئین‌ها از قطعه‌های سازنده‌ای به نام اسیدهای آمینه تشکیل شده‌اند. معمولا جهش‌ها توالی این اسیدهای آمینه را تغییر می‌دهند. بسته به جهش و این که کجا در ژن رخ داده باشد، این می‌تواند منجر به عواقب گوناگوی شود. پروتئین غیر عادی ممکن است عملکرد اشتباهی را در یک سلول انجام دهد، یا ممکن است اصلا نتواند عمکردی داشت

اما جهش دیستروفی ماهیچه‌ای توالی اسید آمینه را تغییر نمی‌دهد. ژن جهش‌یافته دقیقا کدگذاری همان پروتئین اصلی را انجام می‌دهد. فهمیدن این که چگونه این جهش به بیماری می‌انجامد بسیار دشوار بود، زیرا که هیچ مشکلی در پروتئین وجود نداشت.

بسیار وسوسه‌انگیز است که جهش دیستروفی ماهیچه را به عنوان یک مورد پرتِ عجیب و غریب که هیچ تاثیری روی بیشتر رخدادهای زیستی ندارند به شمار بیاوریم. به این ترتیب می‌توانستیم آن را به کنار گذاشته و فراموشش کنیم. اما این مورد تنها مورد نیست.

سندرم ایکس شکننده 1 رایج‌ترین شکل ناتوانایی یادگیری به ارث رسیده شده است. مادران معمولا هیچ عارضه‌ای ندارند ولی این وضعیت را به پسران خود منتقل می‌کنند. مادران این جهش را با خود حمل می‌کنند ولی خود از آن تاثیر نمی‌پذیرند. همانند دیستروفی ماهیچه‌ای، عامل این اختلال نیز افزایشِ طولِ یک توالی سه حرفی است. در این مورد، توالی CCG است. و دقیقا مانند دیستروفی ماهیچه‌ای، این افزایش، توالی پروتئین رمزگزاری شده توسط ژن ایکسِ شکنندهِ را تغییر نمی‌دهد.

1 Fragile X syndrome

آتاکسی فردریش1 نوعی بیماری پیش‌رونده تضعیف‌کنندهِ عضلاتِ است که عوارض آن معمولا در اواخر دوران کودکی یا اوایل نوجودانی رخ می‌دهد. بر عکس دیستروفی ماهیچه، والدین معمولا از این اختلال تاثیری نمی‌گیرند. هم پدر و هم مادر ناقل هستند. هر یک از والدین یک رونوشت عادی و یک رونوشت غیرعادی را از ژن مربوطه حمی می‌کنند. اما اگر یک فرزند رونوشت جهش‌یافته را از هر یک از والدین به ارث ببرد، فرزند به این بیماری مبتلا خواهد شد. عامل آتاکسی فردریش نیز افزایش در یک توالی سه‌حرفی، در این مورد GAA است. و این بار هم، این تغییر توالی، توالی پروتئینی که ژن معیوب آن را کدگذاری می‌کند را تغییر نمی‌دهد.

این سه بیماری ژنتیکی در تاریخ خانوادگی، عوارض و الگوهای ارثی با هم بسیار متفاوت هستند. ولی با این حال در هر سه مورد یک چیز ثابت به دانشمندان می‌گویند: جهش‌هایی هستند که می‌توانند سبب بیماری شوند بدون این که توالی اسیدهای آمینه پروتئین‌ها را تغییر دهند.

یک بیماری غیر ممکن

یک کشف حتا متحیرکننده‌تر چند سال بعد انجام شد. بیماری ارثی تضعیف‌کننده دیگری هست که در آن عضلاتِ صورت، کتف، و بازوها به آرامی ضعیف و تحلیل می‌روند. بیماری به نام این الگو دیستروفی ماهیچه‌ای چهره‌ای‌کتفی‌بازویی 1 نامیده می‌شود. از قضا این بیماری معمولا با نام اختصاریش FSHD شناخته می‌شود. عوارض معمولا زمانی که بیمار در اوایل ۲۰ سالگی است قابل مشاهده است. مانند دیستروفی ما، بیماری غالب است و از والد مبتلا به فرزند منتقل شود.

1 facioscapulohumeral muscular dystrophy

دانشمندان سالهای زیادی به دنبالی جهشی می‌گشتند که عامل FSHD است. در نهایت، علت را تا تکرار در توالی دی‌ان‌ای ردیابی کردند. اما در این خصوص جهش بسیار متفاوت از تکرار حروف سه‌حرفی است که در دیستروفی ماهیچه‌ای، سندرم ایکس شکننده و آتاکسی فردریش یافت می‌شود. در این مورد انبساطی بیش از ۳۰۰۰ حرف است. ما می‌توانیم آن را یک بلاک بمانیم. در انسان‌هایی که از FSHD رنج نمی‌برند، چیزی بین یازده تا حدود ۱۰۰ بلوک وجود دارد که یکی بعد از دیگری آمده‌اند. اما بیماران FSHD شمار کمتری بلاک، - حداکثر ده بلاک - دارند. این غیر منتظره بود. اما دانشمندان بیشتر از این یکه خوردند که آنها در پیدا کردن ژنی در نزدیک جهش با مشکل مواجه بودند.

بیماری‌های ژنتیکی در صد و خرده‌ای سال گذشته، به ما بینش مهمِ تازه‌ای به درون زیست داده‌اند. بسیار آسان است که دست کم بگیریم که چقدر دستیابی به این دانش سخت و دشوار بوده است. تشخیص جهش‌های توضیح‌داده شده در اینجا معمولا بیش از یک دهه تلاشِ شمار قابل توجهی از آدم‌ها را نمایندگی می‌کند. کاملا مبتنی بر دسترسی به خانواده‌هایی بود که آماده بودند که نمونه خون اهدا کنند و تاریخچه خانوادگی خویش را ردیابی کنند تا به دانشمندان کمک کنند تا به هدف خود در پیدا کردن افراد اصلی برای تجزیه و تحلیل برسند.

چرایی این که این چنین تجزیه و تحلیل‌هایی بسیار دشوار بود این است که پژوهشگران به طور معمول به دنبال تغییر بسیار جزئی در چشم‌انداز بسیار بزرگی بودند؛ مانند جستجو برای یافتن بلوطی مشخص در یک جنگل. همه این‌ها از سال ۲۰۰۱ به بعد پس از انتشار توالی ژنوم انسان آسان‌تر شد. ژنوم توالی کامل دی‌ان‌ای در سلول‌هایمان است.

به خاطر پروژه ژنوم انسانی است که ما اکنون می‌دانیم که همه ژن‌ها به نسبت یکدیگر کجا قرار گرفته‌اند. این پروژه به همراه بهبود شگفت‌انگیز در فن‌آوری‌هایی که برای توالی دی‌ان‌ای به کار می‌رود سبب شده که یافتن جهش‌هایی که زیربنای حتا نادرترین بیماری‌های ژنتیکی است بسیار سریع‌تر و ارزان‌تر شود.

اما تکمیل توالی ژنوم انسانی تاثیری بسیار فراتر از تشخیص جهش‌هایی داشته است که عامل بیماری هستند. این پروژه در حال تغییر بسیاری از نظرات ما درباره برخی از مبنایی‌ترین ایده‌هایی است که از زمانی که فهمیدیم دی‌ان‌ای ماده ژنتیکی ما است در زیست غالب بوده‌اند.

اگر شیوه کارکرد سلول‌هایمان را در نظر بگیریم، تقریبا همه دانشمندان در شش دهه گذشته تمرکز خود را روی تاثیرات پروتئین‌ها گذاشته‌اند. اما از لحظه‌ای که ژنوم انسانی توالی‌یابی شده است، دانشمندان مجبور بوده‌اند با یک دو راهی معماگونه مواجه شوند. اگر پروتئین‌ها آن چنان اهمیت بنیادین دارند، چرا تنها ۲ درصد از دی‌ان‌ای ما به کدگذاری برای اسیدهای آمینه که قطعه‌های سازنده پروتئین‌ها هستند اختصاص داده شده است؟