دانشمندان به‌طور تصادفی کد ژنتیکی جدیدی را کشف کردند که قوانین حیات را نقض می‌کند

آن‌ها با کمال تعجب دریافتند که این موجود از دو سیگنال ژنتیکی استفاده می‌کند که معمولاً نشان‌دهنده پایان یک ژن هستند، اما در اینجا دو اسید آمینه کاملاً متفاوت را رمزگذاری می‌کنند. پیش از این تصور می‌شد که این سیگنال‌ها در طول تکامل با هم تغییر می‌کنند، که این کشف را به‌ویژه برجسته می‌سازد.

داستانی که قوانین حیات را زیر پا می‌گذارد

یک آزمایش معمول با استفاده از یک موجود میکروسکوپی از یک برکه آب شیرین، دانشمندان را به یک کشف ژنتیکی فوق‌العاده رساند. این موجود کوچک، دستورالعمل‌های DNA را به شیوه‌ای تفسیر می‌کند که محققان هرگز پیش از این مستند نکرده بودند و این موضوع یک فرض دیرینه درباره نحوه عملکرد کد ژنتیکی را به چالش می‌کشد.

شگفتی زمانی رخ داد که دانشمندان یک آغازی ناشناخته به نام Oligohymenophorea sp. PL0344 را بررسی کردند. دو سیگنال ژنتیکی که به‌طور معمول به سلول‌ها دستور می‌دهند ساخت پروتئین را متوقف کنند، عملکردهای کاملاً متفاوتی به خود گرفته بودند. نکته قابل‌توجه‌تر این است که این سیگنال‌ها به دو اسید آمینه متفاوت اختصاص داده شده‌اند که الگویی را که دانشمندان تصور می‌کردند از نظر تکاملی به‌شدت به هم وابسته است، می‌شکند.

این کشف که در اکتبر ۲۰۲۳ در نشریه PLOS Genetics منتشر شد، سطح غیرمنتظره‌ای از انعطاف‌پذیری را در یکی از بنیادی‌ترین سیستم‌های زیستی حیات آشکار کرد. تحقیقات بعدی تغییرات کد ژنتیکی بیشتری را در میکروارگانیسم‌های مرتبط کشف کرده است، که نشان می‌دهد ممکن است شگفتی‌های بسیار بیشتری در دنیای میکروسکوپی در انتظار کشف باشند.

یک کشف ژنتیکی تصادفی در برکه آب شیرین

دکتر جیمی مک‌گوان (Dr. Jamie McGowan)، که در آن زمان محقق پسادکتری در مؤسسه ارلهام بود، این کشف را هنگام مطالعه بر روی یک آغازی که از برکه‌ای در پارک‌های دانشگاه آکسفورد در انگلستان جمع‌آوری شده بود، انجام داد.

این پروژه در ابتدا برای آزمایش یک روش توالی‌یابی DNA طراحی شده بود که قادر به تجزیه و تحلیل مقادیر بسیار کمی از مواد ژنتیکی، احتمالاً تنها از یک سلول بود. مک‌گوان در کنار دانشمندان مؤسسه ارلهام و یک گروه تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور توماس ریچاردز در دانشگاه آکسفورد کار می‌کرد.

هدف محققان به جای بررسی تکامل کد ژنتیکی، بهبود ابزارهای موجود برای مطالعه ارگانیسم‌هایی بود که رشد و تحلیل آن‌ها در آزمایشگاه دشوار است.

اما وقتی آن‌ها ژنوم موجود را سرهم‌بندی و بررسی کردند، متوجه چیزی غیرمنتظره شدند. این آغازی متعلق به گونه‌ای بود که قبلاً شناسایی نشده بود و دستورالعمل‌های ژنتیکی آن به نظر می‌رسید که طبق مجموعه‌ای از قوانین غیرمعمول عمل می‌کند.

دکتر مک‌گوان گفت:

«اینکه ما این آغازی را برای تست خط تولید توالی‌یابی خود انتخاب کردیم، صرفاً از روی شانس بود و این نشان می‌دهد چه چیزهایی آن بیرون وجود دارد و تأکید می‌کند که ما چقدر کم درباره ژنتیک آغازیان می‌دانیم.»

آغازیان چیستند و چرا تا این حد غیرمعمول هستند؟

آغازیان از متنوع‌ترین و کم‌شناخته‌شده‌ترین گروه‌های موجودات روی زمین هستند. بسیاری از آن‌ها تنها از یک سلول تشکیل شده‌اند و برای دیدن آن‌ها بدون میکروسکوپ بیش از حد کوچک هستند. نمونه‌های آشنا شامل آمیب‌ها، جلبک‌های مختلف و دیاتومه‌ها هستند که ارگانیسم‌های میکروسکوپی هستند که اغلب در محیط‌های آبی یافت می‌شوند.

با این حال، همه آغازیان ریز نیستند. این دسته گسترده شامل ارگانیسم‌هایی مانند کِلپ (جلبک دریایی)، کپک‌های مخاطی و جلبک‌های قرمز نیز می‌شود که برخی از آن‌ها به ساختارهای بزرگ و پیچیده تبدیل می‌شوند.

این گروه آن‌قدر متنوع است که دانشمندان معمولاً اعضای آن را با حذف سایر شاخه‌های اصلی حیات تعریف می‌کنند.

دکتر مک‌گوان می‌گوید:

«تعریف آغازیان مبهم است؛ در اصل هر ارگانیسم یوکاریوتی که حیوان، گیاه یا قارچ نباشد، آغازی محسوب می‌شود. بدیهی است که این تعریف بسیار کلی است، زیرا آغازیان گروهی بسیار متغیر هستند.»

«برخی به حیوانات نزدیک‌ترند، برخی به گیاهان نزدیک‌ترند. در میان آن‌ها شکارچی و طعمه، انگل و میزبان، شناگر و ساکن وجود دارد، و برخی رژیم‌های غذایی متنوعی دارند در حالی که برخی دیگر فتوسنتز می‌کنند. اصولاً ما می‌توانیم تعمیم‌های بسیار کمی درباره آن‌ها داشته باشیم.»

یوکاریوت‌ها ارگانیسم‌هایی هستند که سلول‌هایشان حاوی هسته است، محفظه‌ای تخصصی که بیشتر مواد ژنتیکی آن‌ها را در خود جای داده است. انسان‌ها، سایر حیوانات، گیاهان، قارچ‌ها و آغازیان همگی متعلق به این دسته گسترده هستند.

ارگانیسمِ محور این کشف، متعلق به گروهی از آغازیان به نام مژک‌داران (ciliates) است. این موجودات معمولاً با استفاده از ساختارهای کوچک مو‌مانندی به نام مژک (cilia) شنا می‌کنند که در الگوهای هماهنگ برای حرکت در آب حرکت می‌کنند.

مژک‌داران در محیط‌های آب شیرین و دریایی گسترده هستند. آن‌ها همچنین برای متخصصان ژنتیک بسیار جالب هستند زیرا برخی از آن‌ها راه‌های غیرمعمولی برای تفسیر دستورالعمل‌های DNA تکامل داده‌اند.

کد ژنتیکی چگونه به سلول‌ها می‌گوید که توقف کنند

برای درک اینکه چرا این کشف تا این حد غیرمنتظره بود، باید دانست که چگونه سلول‌ها اطلاعات ژنتیکی را به پروتئین تبدیل می‌کنند.

DNA مانند یک دفترچه دستورالعمل عمل می‌کند و اطلاعاتی را که سلول‌ها برای ساخت و نگهداری ساختارهای خود نیاز دارند، ذخیره می‌کند. با این حال، آن دستورالعمل‌ها باید قبل از اینکه بتوانند عملکردهای زیستی را انجام دهند، به مولکول‌های فیزیکی تبدیل شوند.

این فرآیند زمانی آغاز می‌شود که بخشی از DNA به RNA پیام‌رسان (mRNA) کپی می‌شود؛ مولکولی که دستورالعمل‌های ژنتیکی را به ماشین تولید پروتئین سلول می‌برد.

سپس ساختاری به نام ریبوزوم، توالی RNA را سه حرف به سه حرف می‌خواند. هر گروه سه حرفی به عنوان یک “کدون” شناخته می‌شود و اکثر کدون‌ها یکی از اسیدهای آمینه را مشخص می‌کنند که به عنوان بلوک‌های سازنده پروتئین عمل می‌کنند.

هنگامی که اسیدهای آمینه به هم متصل می‌شوند، زنجیره‌ای را تشکیل می‌دهند که می‌تواند به یک ساختار سه‌بعدی تبدیل شود. پروتئین حاصل ممکن است به عنوان یک آنزیم عمل کند، پشتیبانی ساختاری فراهم کند، مولکول‌ها را انتقال دهد یا وظایف سلولی بی‌شماری را انجام دهد.

در نمادگذاری DNA، یک توالی کدکننده پروتئین معمولاً با یک کدون آغاز (ATG) شروع می‌شود و با یک کدون پایان (به طور معمول TAA، TAG یا TGA) به پایان می‌رسد.

این کدون‌های پایان مانند علائم نگارشی عمل می‌کنند. آن‌ها به ریبوزوم می‌گویند که به پایان دستورالعمل‌های مربوط به یک پروتئین خاص رسیده است و باید زنجیره تکمیل‌شده را آزاد کند.

هنگامی که دستورالعمل‌ها در RNA کپی می‌شوند، حرف T با U جایگزین می‌شود. در نتیجه، کدون‌های پایان مربوطه در RNA به صورت UAA، UAG و UGA نوشته می‌شوند.

در اکثر اشکال حیات، این سیگنال‌ها عملکردهای اصلی یکسانی را برای دوره بسیار طولانی از تاریخ تکاملی حفظ کرده‌اند.

اما طبیعت گهگاه راه‌هایی برای دور زدن قوانین معمول پیدا کرده است.

دانشمندان دو سیگنال پایان ژنتیکی با معانی متفاوت پیدا کردند

محققان دهه‌هاست که می‌دانند برخی از ارگانیسم‌ها از نسخه‌های اصلاح‌شده کد ژنتیکی استفاده می‌کنند. این تغییرات در کل حیات غیرمعمول هستند، اما مژک‌داران به‌ویژه سرشار از چنین نمونه‌هایی هستند.

در برخی مژک‌داران، کدون‌های پایان تکامل یافته‌اند تا به‌جای پایان دادن به تولید پروتئین، اسیدهای آمینه را مشخص کنند.

تا همین اواخر، یک الگو به‌ویژه ثابت به نظر می‌رسید. دو مورد از کدون‌های پایان متعارف، یعنی TAA و TAG، تقریباً همیشه معنای مشابهی را حفظ می‌کردند. هنگامی که عملکردهای آن‌ها تغییر می‌کرد، هر دو عموماً یک اسید آمینه مشابه را مشخص می‌کردند.

این نشان می‌داد که این دو سیگنال محدود به این هستند که با هم تکامل یابند.

دکتر مک‌گوان توضیح داد: «در تقریباً هر مورد دیگری که می‌شناسیم، TAA و TAG با هم تغییر می‌کنند. وقتی آن‌ها کدون پایان نیستند، هر کدام همان اسید آمینه یکسان را مشخص می‌کنند.»

ژنوم Oligohymenophorea sp. PL0344 داستان متفاوتی را روایت می‌کرد.

به‌جای عملکرد به عنوان سیگنال‌های پایان، TAA و TAG به نظر می‌رسید که اسیدهای آمینه کاملاً متفاوتی را کد می‌کنند. TAA کدکننده لیزین بود، در حالی که TAG کدکننده اسید گلوتامیک بود.

هر دو اسید آمینه از اجزای رایج پروتئین‌ها هستند، اما خواص شیمیایی و نقش‌های زیستی متفاوتی دارند.

در همین حال، TGA تنها کدون پایان متعارف ارگانیسم باقی ماند.

این یافته‌ها نشان‌دهنده اولین نمونه گزارش‌شده از یک کد ژنتیکی بود که در آن هم TAA و هم TAG برای رمزگذاری دو اسید آمینه متفاوت بازتعریف شده بودند.

این تمایز اهمیت دارد زیرا نشان می‌دهد که رابطه تکاملی بین این دو کدون به آن اندازه‌ای که دانشمندان فرض می‌کردند، محدودکننده نیست.

دکتر مک‌گوان گفت:

«این بسیار غیرمعمول است. ما از هیچ مورد دیگری اطلاع نداریم که در آن این کدون‌های پایان به دو اسید آمینه متفاوت مرتبط باشند. این برخی از قوانینی را که فکر می‌کردیم درباره ترجمه ژن می‌دانیم، می‌شکند؛ تصور می‌شد این دو کدون با هم جفت شده‌اند.»

این موجود میکروسکوپی چگونه کد غیرمعمول را عملیاتی می‌کند

تحقیقات بیشتر سرنخ‌هایی درباره چگونگی مدیریت این آغازی با دستورالعمل‌های ژنتیکی غیرمتعارف آن را آشکار کرد.

محققان ژن‌های تخصصی RNA انتقال‌دهنده (tRNA) مرتبط با کدون‌های بازتعریف‌شده را شناسایی کردند. مولکول‌های tRNA به عنوان مترجم در طول تولید پروتئین عمل می‌کنند و به تطبیق دستورالعمل‌های موجود در RNA پیام‌رسان با اسیدهای آمینه صحیح کمک می‌کنند.

حضور آن‌ها این نتیجه را تأیید کرد که کد ژنتیکی غیرمعمول یک ویژگی واقعی ارگانیسم است، نه یک خطای توالی‌یابی.

این تیم همچنین تعداد غیرمنتظره‌ای از کدون‌های پایان TGA را در نواحی DNA بلافاصله پس از توالی‌های کدکننده پروتئین یافت.

این سیگنال‌های پایان اضافی می‌توانند به عنوان یک سیستم پشتیبان عمل کنند. اگر ریبوزوم به‌طور تصادفی به خواندن فراتر از پایان مورد نظر یک پروتئین ادامه دهد، یک کدون پایان دوم ممکن است از گسترش بیش از حد پروتئین جلوگیری کند.

آن حفاظت می‌تواند در ارگانیسمی که تنها به یکی از سه کدون پایان متعارف متکی است، بسیار ارزشمند باشد.

اگرچه محققان نتوانستند دقیقاً مشخص کنند که چگونه کد غیرمعمول تکامل یافته است، این یافته‌ها نشان داد که ماشین‌آلات مسئول ترجمه اطلاعات ژنتیکی می‌توانند بسیار انعطاف‌پذیرتر از آن چیزی باشند که قبلاً تصور می‌شد.

تحقیقات پیگیری شگفتی‌های بیشتری در کد ژنتیکی را آشکار می‌کند

کشف اصلی همچنین دری را به روی یک سؤال گسترده‌تر باز کرد: چند میکروارگانیسم دیگر از کدهای ژنتیکی استفاده می‌کنند که دانشمندان هنوز آن‌ها را شناسایی نکرده‌اند؟

در دسامبر ۲۰۲۴، مک‌گوان و همکارانش یافته‌های اضافی را در نشریه PLOS Genetics منتشر کردند که نشان می‌داد تغییرات کد ژنتیکی غیرمعمول به‌طور مستقل در چندین دودمان دیگر از مژک‌داران رخ داده است.

این تیم اطلاعات ژنتیکی گروهی از مژک‌داران به نام Phyllopharyngea را بررسی کردند، از جمله داده‌های ژنومی جمع‌آوری‌شده از طریق پروژه TARA Oceans، تلاشی بین‌المللی برای مطالعه حیات دریایی و تنوع ژنتیکی آن.

تجزیه و تحلیل آن‌ها سه گونه مژک‌دار کشت‌نشده را شناسایی کرد که در آن‌ها UAG، که به‌طور معمول یک کدون پایان است، به نظر می‌رسید لوسین را مشخص می‌کند.

این ارگانیسم‌ها از نمونه‌های مرتبط با اقیانوس‌های قطب شمال و جنوب می‌آمدند.

محققان همچنین مجموعه‌های داده ژنومی موجود را بررسی کردند و دو مژک‌دار اضافی، Hartmannula sinica و Trochilia petrani را شناسایی کردند که در آن‌ها UAG به نظر می‌رسید گلوتامین را کد می‌کند.

مقایسه‌های تکاملی نشان داد که این تغییرات به‌طور مستقل در حداقل سه نوبت ایجاد شده‌اند.

مهم‌تر از همه، کدهای ژنتیکی با سیستم غیرمعمول یافت‌شده در Oligohymenophorea sp. PL0344 یکسان نبودند. در پنج مژک‌دار بررسی‌شده در تحقیق سال ۲۰۲۴، UAA یک سیگنال پایان باقی ماند در حالی که UAG معنای متفاوتی به دست آورده بود.

با این وجود، این یافته‌ها شواهد بیشتری ارائه دادند که این دو سیگنال ژنتیکی همیشه مجبور نیستند با هم تکامل یابند.

کشف اصلی به جای اینکه یک کنجکاوی منزوی باشد، به روشن شدن الگوی بسیار گسترده‌تری از انعطاف‌پذیری کد ژنتیکی در میان مژک‌داران کمک کرده بود.

دانشمندان همچنان در حال کشف تنوع پنهان آغازیان هستند

جستجو برای زیست‌شناسی غیرمنتظره در موجودات میکروسکوپی فراتر از خود کد ژنتیکی ادامه یافته است.

در مارس ۲۰۲۶، محققان مؤسسه ارلهام و دانشگاه آکسفورد کشف دیگری را گزارش کردند که با تکنیک‌های طراحی‌شده برای توالی‌یابی سلول‌های منفرد امکان‌پذیر شده بود.

مطالعه آن‌ها که در Microbial Genomics منتشر شد، “بودو” (Bodo)، گروهی از آغازیان رایج موجود در آب شیرین، آب‌های لب‌شور و خاک را بررسی کرد.

دانشمندان با تجزیه و تحلیل تنها هفت سلول کشت‌نشده، سه دودمان تکاملی ناشناخته را شناسایی کردند که هر کدام با یک شریک باکتریایی متمایز که در داخل ارگانیسم زندگی می‌کرد، مرتبط بودند.

این کار همان تغییرات کد ژنتیکی یافت‌شده در PL0344 را نشان نداد. در عوض، نشان داد که وقتی محققان عمدتاً به ارگانیسم‌هایی تکیه می‌کنند که کشت آن‌ها در آزمایشگاه آسان است، چه مقدار تنوع زیستی می‌تواند پنهان بماند.

این یافته‌ها در کنار اکتشافات کد ژنتیکی، ارزش بررسی میکروارگانیسم‌هایی را نشان می‌دهد که توجه علمی نسبتاً کمی دریافت کرده‌اند.

تکنولوژی‌های توالی‌یابی بهتر می‌توانند کدهای ژنتیکی غیرمتعارف اضافی، روابط غیرمنتظره بین ارگانیسم‌ها و روش‌های ناشناخته عملکرد سلول‌ها را آشکار کنند.

طبیعت ممکن است قوانین ژنتیکی بیشتری برای شکستن داشته باشد

برای دانشمندان، کدهای ژنتیکی غیرمعمول چیزی بیش از کنجکاوی‌های زیستی ارائه می‌دهند. آن‌ها فرصت‌هایی را برای بررسی اینکه چرا کد ژنتیکی در اکثر اشکال حیات تا این حد ثابت است و چگونه تغییرات تکاملی گاهی اوقات می‌توانند دستورالعمل‌های بنیادی آن را تغییر دهند، فراهم می‌کنند.

درک این تغییرات طبیعی همچنین می‌تواند به تلاش‌ها در زیست‌شناسی سنتزی (مهندسی ژنتیک) کمک کند، جایی که محققان سعی می‌کنند کدهای ژنتیکی را برای دادن قابلیت‌های جدید به سلول‌ها یا فعال کردن آن‌ها برای تولید پروتئین‌ها با خواص غیرمعمول اصلاح کنند.

با این حال، نیروهای تکاملی مسئول تنوع خارق‌العاده کدهای ژنتیکی در میان مژک‌داران همچنان به‌طور کامل درک نشده‌اند.

آنچه به عنوان یک آزمایش توالی‌یابی روتین آغاز شد، در نهایت آشکار کرد که حتی برخی از آشناترین قوانین زیست‌شناسی نیز استثناهای قابل‌توجهی دارند.

همان‌طور که مک‌گوان مشاهده کرد:

«دانشمندان تلاش می‌کنند کدهای ژنتیکی جدید مهندسی کنند، اما آن‌ها در طبیعت نیز وجود دارند. اگر به دنبال آن‌ها باشیم، چیزهای شگفت‌انگیزی می‌توانیم پیدا کنیم.»

«یا در این مورد، زمانی که به دنبال آن‌ها نیستیم.»

موضوع: ساینس دیلی

Journal References:

1. Jamie McGowan, Estelle S. Kilias, Elisabet Alacid, James Lipscombe, Benjamin H. Jenkins, Karim Gharbi, Gemy G. Kaithakottil, Iain C. Macaulay, Seanna McTaggart, Sally D. Warring, Thomas A. Richards, Neil Hall, David Swarbreck. Identification of a non-canonical ciliate nuclear genetic code where UAA and UAG code for different amino acids. PLOS Genetics, 2023; 19 (10): e1010913 DOI: 10.1371/journal.pgen.1010913
2. Jamie McGowan, Thomas A. Richards, Neil Hall, David Swarbreck. Multiple independent genetic code reassignments of the UAG stop codon in phyllopharyngean ciliates. PLOS Genetics, 2024; 20 (12): e1011512 DOI: 10.1371/journal.pgen.1011512
3. Sally D. Warring, Jamie McGowan, Estelle S. Kilias, James Lipscombe, Elisabet Alacid, Tom Barker, Leah Catchpole, Karim Gharbi, Seanna McTaggart, Thomas A. Richards, David Swarbreck, Neil Hall. Single-cell sequencing reveals unexpected genetic diversity among Bodo spp. flagellates and their bacterial endosymbionts. Microbial Genomics, 2026; 12 (3) DOI: 10.1099/mgen.0.001642