چگونه شگفتی های ژنتیکی دکترین قدیمی DNA را پیچیده می کنند | مجله کوانتا

آیا یک نیروی نادیده در کمین ژنتیک است؟ زیست شناسان در طول 100 سال گذشته گام های بزرگی در درک نقش میلیون ها بسته ای برداشته اند که اطلاعات ژنتیکی ما - DNA، RNA و پروتئین ها را منتقل می کنند. اما آنها همچنین در مورد فعل و انفعالات غیرقابل کشف بین این عوامل بیوشیمیایی یاد گرفته اند، که مانند ارواح در ماشین در میان آنها پنهان شده اند، و تلاش ما برای یادگیری اسرار زندگی، یک ژن در یک زمان را پیچیده می کند. این فعل و انفعالات همگی در زیر چتر «اپیستازیس» قرار می‌گیرند – که دقیقاً یک ایده جدید در زیست‌شناسی نیست، اما تأثیر و اهمیت آن اکنون کاملاً درک می‌شود.

ژنتیک دانیل واینریچ و همکارانش پیشنهاد با توجه به آنچه که ما به طور جداگانه در مورد آنها می دانیم، اپیستازی شبیه به "تعجب" در اثر جهش ها هنگام ترکیب آنها است. هر زمان که ویژگی‌های قابل مشاهده یک شکل حیات با آنچه که DNA شما را انتظار می‌برد متفاوت باشد، ممکن است اپیستازیس مقصر باشد. تصور کنید که دو جهش فرضی مرتبط با یک ساقه گل را می شناسید که معمولاً 40 سانتی متر طول دارد: جهش A با یک ساقه بلند (مثلاً 50 سانتی متر) همراه است و جهش B یک ساقه کوتاه (30 سانتی متر) ایجاد می کند. ممکن است انتظار داشته باشید که جهش ها یکدیگر را خنثی کنند و گلی با ساقه ای با طول معمولی باقی بماند. یا شاید ترکیبی از جهش ها طول های مستقل آنها را به هم اضافه کند و در نتیجه یک ساقه بسیار بلند (80 سانتی متر) ایجاد شود. اما در عوض آنها یک ساقه بسیار کوتاه (10 سانتی متر) تولید می کنند. ژنتیک ها می گویند که یک رابطه غیرخطی بین اثرات جهش های A و B وجود دارد که نتیجه شگفت انگیزی را به شما می دهد. این نشانه اپیستازیس است.

مثال ساقه گل یکی از ساده ترین موارد اپیستازی را نشان می دهد، که در آن برهمکنش غیرخطی بین دو ژن یا جهش آشکار می شود. و مواردی در طبیعت وجود دارد که با این فرضی تفاوت چندانی ندارند (مانند رنگدانه شدن کبوترها، که در آن سه ژن مسئول هستند). اما بقیه طبیعت چطور؟ ژنوم انسان، در آخرین شمارش، تقریباً 20,000 ژن دارد. ژنوم سیب خانگی (Malus domestica) بیش از 57,000 دارد. همه این ژن های مختلف به معنای بسیاری از برهمکنش های اپیستاتیکی هستند.

اپیستاز حتی می تواند در ویروس ها رخ دهد که اغلب دارای ژنوم های نسبتاً ریز هستند که بسیاری از آنها کمتر از ده ژن دارند. به عنوان مثال، ویروس HIV می تواند جهش هایی ایجاد کند که آن را ایجاد می کند مقاوم به دارو. اما این جهش ها می توانند عمیقاً به پس زمینه ژنتیکی شکل خاص HIV بستگی داشته باشند. برای شناسایی جهش های کلیدی، باید بدانید که چه جهش های دیگری در ژنوم آن وجود دارد. با این تأکید بر زمینه، اپیستازیس دستور زبان و منطق زیست‌شناسی مولکولی را اصلاح می‌کند: اگر «جهش‌های مقاومت دارویی» واقعاً فقط جهش‌هایی برای مقاومت دارویی باشند، صرف نظر از اینکه چه اتفاقی می‌افتد.

این به نوعی یک ایده آشناست. به عنوان مثال، من در درس تئوری تکامل خود به دانش‌آموزان آموزش می‌دهم که سرآشپزهای چیره دست در درک و پیش‌بینی اثرات معرفتی متخصص هستند. چالش خاص پختن ظروف با دستور العمل های پیچیده، یا توانایی بداهه نوازی جدید در پرواز، درک این موضوع است که مواد تشکیل دهنده می توانند به روش های شگفت انگیزی با هم تعامل داشته باشند. و بنابراین، یک سنت طولانی در زمینه‌ها وجود دارد که به این موضوع می‌پردازد که چرا کل می‌تواند بیش از - یا حداقل متفاوت از - مجموع اجزای آن باشد.

در واقع، اولین ارجاعات به اپیستازیس اندکی پس از کشف مجدد آزمایش‌های گرگور مندل در آغاز قرن بیستم، که ایده‌های مدرن ما در مورد وراثت و ژن‌ها را تثبیت کرد، صورت گرفت. علیرغم این فرض مندل که ژن ها و جهش ها اغلب به طور مستقل در ایجاد صفات عمل می کنند، دانشمندان به زودی چندین نمونه متضاد را مشاهده کردند. در سال 20، ویلیام بیتسون کلمه اپیستازیس را - از یونانی به معنای "ایستادن" - در حالی که تلاش می کرد اثرات سرکوبگر برخی جهش ها را بر اثرات جهش های دیگر توضیح دهد، معرفی کرد.

اما در حالی که این مفهوم مدت ها پیش توسعه یافته بود، تقریباً یک قرن طول کشید تا ایده اپیستازیس مطرح شود. تا حدودی به این دلیل است که کار را برای زیست شناسان سخت تر می کند. تمرکز آن بر زمینه ژنتیکی به این معنی است که هیچ "ژنی برای قدرت های جهش یافته" وجود ندارد، همانطور که در کتاب های مصور مورد علاقه ما وجود دارد - تنها "ژنی وجود دارد که در ژنومی از نوع خاصی و/یا در حضور، قدرت های جهش یافته را اعطا می کند. از دیگر گونه های ژن 1، 2 یا 2,578 (شاید در یک ترکیب خاص). آن کتاب کمیک فرضی خواندن یا نوشتن آسان نیست.

برخی از زیست شناسان چنان با این ایده مخالف هستند که معتقدند ارزش تمرکز بر اپیستازیس را ندارد. آنها ممکن است به دلایل فنی مخالفت کنند و بگویند: "مطمئناً، واقعی است، اما تک ژن ها و جهش ها هنوز مهم هستند!" این مردم دروغ نمی گویند ما هزاران ژن یا جهش منفرد را می‌شناسیم که در بسیاری از آزمایش‌ها، مستقل از بافت ژنتیکی (فکر می‌کنیم) تأثیر قابل‌اعتماد زیادی دارند. یعنی داستان های ژنتیکی مهم زیادی وجود دارد که بدون اپیستاز باید گفت. گاهی اوقات هیچ ارواح وجود ندارد.

اما بخشی از اپوزیسیون را نیز می توان از نظر خیریه به عنوان فلسفی توصیف کرد. این مکتب می‌گوید که اگر ما فقط با درک اینکه چگونه به 56,999 ژن دیگر بستگی دارد، بتوانیم نحوه عملکرد جهش یک ژن را در ژنوم سیب بدانیم، آنگاه تعداد نجومی احتمالات را معرفی می‌کنیم - بسیار زیاد برای آزمایش دقیق. به بیان دیگر، در آغوش گرفتن کامل اپیستازیس می تواند تقریباً پوچ گرایانه باشد. پیش‌بینی چگونگی عملکرد ژن‌ها ممکن است مشکل باشد، اما نمی‌توانیم این نوار را آنقدر بالا بگذاریم که مستلزم دانستن همه چیز درباره هر ژن (و جهش) باشد. چنین واقعیتی بسیاری از تلاش‌های ما را به طرز ناامیدکننده‌ای کثیف می‌کند. افسوس، تنها پاسخ معقول به این ایراد، یک پاسخ رایج در علم است: وظیفه طبیعت این نیست که مطالعه خود را آسان کند، یا تسلیم فرضیات ما شود. زندگی پیچیده است. باید بگذاریم که باشد.

خوشبختانه، پیشرفت های مدرن در مطالعه اپیستازیس تا حدودی آن را ابهام زدایی کرده است. به عنوان مثال، در سال 2017 آمار لورین کرافورد و همکاران روشی را پیشگام کردند (معروف به MAPITبرای اندازه‌گیری برهم‌کنش‌های اپیستاتیکی بین جهش‌ها در مجموعه‌های بزرگی از داده‌ها که کل ژنوم یک گونه را در بر می‌گیرد - به طور موثر ترسیم و اندازه‌گیری اثرات احتمالی اپیستاتیک در بین ژن‌های موجود و جهش‌ها در ژنوم‌های بزرگ. رویکردهایی مانند این به ما امکان می‌دهد تا چگونگی تجلی این ارواح در ژنوم را شناسایی و اندازه‌گیری کنیم، و به ما کمک می‌کند تا بفهمیم ویژگی‌های انسانی از کجا می‌آیند، از جمله ویژگی‌های مرتبط با خطر بیماری.

پیشرفت‌های دیگر در سطح پروتئین‌ها زندگی می‌کنند: روش‌های جدید به ما امکان می‌دهد هزاران نوع از یک پروتئین را اندازه‌گیری کنیم، و به ما امکان می‌دهد ببینیم که چگونه اپیستاز در پروتئین‌های مهم، مانند در ویروسی که باعث کووید-19 می شود.

علاوه بر این، یک ایده جدید به نام اپیستازیس جهانی نشان می دهد که روح ممکن است چندان شبح وار نباشد. با جهش‌های فرضی ساقه گل A و B، یک رویکرد اپیستازی جهانی نشان می‌دهد که اثرات افزودن جهش B به هر ژنوم (خواه حاوی جهش A باشد یا نباشد) از یک الگوی مشخص پیروی می‌کند. شاید جهش B مانند تقویت‌کننده منفی سایر جهش‌ها عمل می‌کند و وقتی در حضور جهشی است که ساقه بلندی ایجاد می‌کند، اثر را معکوس می‌کند. این نوع الگوها قبلاً در چندین سیستم به طور مستقل مشاهده شده اند. اینکه این اپیستازیس جهانی چقدر گسترده است، و در مورد کدام سیستم‌ها اعمال می‌شود، هنوز موضوع مورد بحث است تحقیق جاری. اما دانستن اینکه ممکن است راهی برای پیش بینی غافلگیری وجود داشته باشد، هیجان انگیز است.

استعاره "شبح در ماشین" در ابتدا برای بحث در مورد استفاده شد مشکل دوگانگی ذهن و بدن، تمایز بین ذهن غیرفیزیکی و بدن مکانیکی که کنترل می کند. اغلب برای توصیف ترس از اینکه ممکن است آن چیزی را که فکر می کنیم نمی سازیم – خواه ماشین های باهوش فزاینده باشد یا درک ما از کدهای ژنتیکی در حال تعامل نامحسوس، مورد استفاده قرار می گیرد. و در واقع، مهندسی زیستی جایی است که اپیستازیس ممکن است بیشترین دردسر را برای ما ایجاد کند. هر کسی که می خواهد دام های جدید (یا نوزادان طراح) را با ویژگی های مطلوب مهندسی کند، یک جهش در یک زمان، باید با شبح دائمی عواقب پیش بینی نشده مبارزه کند - تا چیزی از مسائل اخلاقی عظیم نگفته باشد.

این ارواح کار ژنتیک دانان را بسیار چالش برانگیزتر و واقعی تر می کنند. اما آنها همچنین دنیای زیستی را بسیار خارق العاده تر می کنند.