ترجمه‌ی ژن‌ها، پیچیده‌تر از حد انتظار است

تصویر DNA در سلول (تصویر آرشیوی)
اعتبار: © Juan Gärtner / Adobe Stock
 

محققانی از گروه ماروین تننبام  در مؤسسه هوبرکت نشان داده اند که ترجمه اطلاعات ژنتیکی ذخیره شده در DNA ما بسیار پیچیده تر از آن چیزی است که قبلا تصور می شد. این کشف با توسعه یک نوع میکروسکوپی پیشرفته به عمل آمد که به طور مستقیم ترجمه کد ژنتیکی را در سلول زنده مجسم می کند. این مطالعه در مجله علمی سلول منتشر شده است.
 

هر سلول در بدن ما دارای DNA یکسانی است، با این حال سلول های مختلف مانند سلول های مغز یا سلول های عضلانی دارای وظایف مختلفی هستند. تفاوتها در عملکرد سلول بستگی دارد به این که کدام بخش از اطلاعات ژنتیکی (به نام ژن ها) در هر سلول فعال هستند. اطلاعات ژنتیکی ذخیره شده در این ژن ها توسط کارخانه های ترجمه تخصص یافته ای به نام ریبوزوم ترجمه می شود. ریبوزوم ها کد ژنتیکی را می خوانند و پروتئین ها را بر اساس اطلاعات ذخیره شده در این کد ژنتیکی سوار می کنند، مشابه با کارخانه ای که یک ماشین را بر اساس یک برنامه کار می سازد. پروتئین ها نیروی کار بدن ما هستند و عملکردهای کدگذاری شده در ژن های ما را انجام می دهند. برای این که سلول ها و اندام های ما به درستی عمل کنند، مهم است که اطلاعات ژنتیکی ذخیره شده در ژن های ما با دقت به پروتئین ها ترجمه شود. اگر کد ژنتیکی نادرست ترجمه شود، پروتئین های مضر می توانند تولید شوند که این می تواند به بیماری های عصبی‌ای مانند بیماری هانتینگتون منجر شود.
 

کد ژنتیک در گروه های 3 حرفی ترجمه می شود، که هر کدام مشابه یک کلمه است که به یک قسمت منفرد از پروتئین ترجمه می شود. اگر یک ریبوزوم شروع به ترجمه کد در موقعیت اشتباه کند، شیفتی در کد 3 حرفی ممکن است رخ دهد. به عنوان مثال، جمله زیر باید خوانده شود:
 
"مرد کفش نوی آبی خود دید"
 
با این حال، اگر یک ریبوزوم شروع به ترجمه این جمله در حالی کند که حرف اول خیلی دیر ترجمه شود، جمله این طور خوانده می شود:
 
"ردک فشن ویا بیخ ودد ید"
 
در مورد کد ژنتیکی، این پدیده، ترجمه‌ی "خارج از چارچوب" نامیده می شود. سانه بورسما، محقق در مؤسسه Hubrecht توضیح می دهد: "همان طور که در جمله مثال نشان داده شد، ترجمه خارج از چارچوب اثر بزرگی بر روی پروتئین دارد و معمولا منجر به پروتئینی می شود که به گونه ای متفاوت رفتار می کند و می تواند به سلول آسیب برساند." تا کنون مشخص نشده است که چگونه ریبوزوم می داند کدام کد را برای ترجمه شروع کند و چقدر ریبوزوم اشتباه می کند.
 

محققان روش جدیدی را برای مجسم ساختن رمزگشایی اطلاعات ژنتیکی ما در سلولهای زنده ایجاد کردند. آنها توانستند محصولات پروتئینی مختلف را در رنگ های مختلف برچسب گذاری کنند و تولید هر نوع پروتئین را با استفاده از میکروسکوپی پیشرفته مجسم کنند. تفاوتها در عملکرد سلول بستگی دارد به این که کدام بخش از اطلاعات ژنتیکی (به نام ژن ها) در هر سلول فعال هستند. هر پروتئین با استفاده از یک برچسب خاص، برچسب خورشید و برچسب ماه نامگذاری شد که آنها می توانستند از طریق میکروسکوپ ببینند. با ترکیب برچسب ماه و برچسب خورشید، محققان اکنون می توانند برای اولین بار ببینید که ترجمه خارج از چارچوب چند وقت یک بار انجام می شود.
 

محققان کشف کردند که ترجمه خارج از چارچوب به طور شگفت انگیزی مکرراً اتفاق می افتد. در موارد منتهی الیه، تقریبا نیمی از تمام پروتئین هایی که ساخته شدند، از یک چارچوب یا کد خواندن متفاوت از کد مورد انتظار استفاده کردند. این یافته های شگفت آور نشان می دهد که اطلاعات ژنتیکی ذخیره شده در DNA ما بسیار پیچیده تر از آنچه قبلا تصور می شد، می باشد. بر اساس این مطالعه جدید، DNA ما احتمالا هزاران پروتئین ناشناخته قبلی با وظایف ناشناخته را کد گذاری می کند. سانه بورسما: "به دلیل مطالعه ما، اکنون می توانیم سؤال های مهمی را مطرح کنیم: همه‌ی این پروتئین های جدید چه کار می کنند؟ آیا آنها وظایف مهمی در بدن ما دارند یا آیا آنها محصولات جانبی زائد ترجمه هستند که می توانند به سلول های ما صدمه بزنند؟"
 

چگونه ژن‌ها برای اولین بار به پروتئین‌ها ترجمه شدند؟ همه چیزهای زنده از کد ژنتیکی برای انتقال اطلاعات ژنتیکی مبتنی بر DNA به پروتئین ها، که مولکول های اصلی کار در سلول ها هستند، استفاده می کنند. این که دقیقاً چگونه فرایند پیچیده ترجمه در مراحل اولیه زندگی بر روی زمین بیش از چهار میلیارد سال پیش رخ داده است، چگونه ژن‌ها برای اولین بار به پروتئین‌ها ترجمه شدند؟ مدتها مرموز بوده است، اما دو زیست شناس نظری در حال حاضر پیشرفت قابل توجهی در حل این رمز و راز حاصل کرده اند.
 
مرکز اکتشافات بر روی یک مولکول شبدر شکل به نام RNA انتقال (tRNA) است که بازیکنی کلیدی در ترجمه است. یک tRNA طراحی شده است که یک بلوک ساختمانی پروتئین ساده، به نام اسید آمینه، را به روی خط مونتاژ تولید پروتئین در داخل کارخانه های مولکولی ریزی به نام ریبوزوم ها حمل کند. هنگامی که یک کپی یا "رونوشتی" از یک ژن به نام RNA پیک (mRNA) از هسته سلول ظاهر می شود و وارد ریبوزوم می شود، به tRNA ها پیوند می خورد و محموله های آمینو اسید آنها را حمل می کند.
 
چارلز کارتر و پیتر ویلز، از روش های آماری پیشرفته برای تجزیه و تحلیل این موضوع استفاده کردند که چگونه مولکول های ترجمه ای مدرن با یکدیگر فیت می شوند تا کارشان را – با پیوند توالی های کوتاه اطلاعات ژنتیکی به بلوک های ساخت پروتئین که آنها رمز گذاری می کنند - انجام دهند.
 
تجزیه و تحلیل دانشمندان، منتشر شده در مجله تحقیقات اسید نوکلئیک، قوانین قبلا پنهانی را آشکار می سازد که به وسیله آنها مولکول های ترجمه ای کلیدی امروز تعامل دارند. این تحقیق نشان می دهد که چگونه اجداد بسیار ساده تر این مولکول ها در فجر زندگی شروع به کار با یکدیگر نمودند.
 
منبع: مؤسسه Hubrecht