تفاوت قلب انسان و سایر نخستی ها از نظر ژنتیکی

به گزارش واحد ژنتیک پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، گروهی از آزمایشگاه های Hübner و Diecke در مرکز Max Delbrück نشان داده اند که قلب انسان و غیرانسان از نظر ژنتیکی متفاوت است. این مطالعه که در Nature Cardiovascular Research منتشر شده است، سازگاری های تکاملی در قلب انسان ها را نشان می دهد و بینش جدیدی در مورد بیماری قلبی ارائه می دهد. انسان ها از نظر ژنتیکی 98 تا 99 درصد شبیه شامپانزه ها هستند. پس چه چیزی برای تفاوت های ما توضیح می دهد؟ در طول سال ها، محققان نشان داده اند که تنظیم بیان ژن، زمان، مکان و تعداد ژن ها تا حد زیادی مسئول مسیرهای تکاملی متفاوت ما است.

اکنون، محققان آزمایشگاه علوم قلب و عروق و متابولیک پروفسور نوربرت هوبنر و پلتفرم سلول های بنیادی پرتوان دکتر سباستین دیکه در مرکز ماکس دلبروک از تفاوت های شگفت انگیزی در بیان ژن در قلب انسان ها و نخستی های غیرانسان پرده برداری کرده اند. این تحقیق به رهبری دکتر خورخه روئیزاوررا به سازگاری هایی در نحوه تنظیم ژن ها اشاره می کند که قلب ما را از قلب نزدیک ترین خویشاوندان تکاملی ما متمایز می کند. همچنین به عنوان هشداری در برابر تعمیم تحقیقات از قلب حیوانات به قلب انسان عمل می کند. یکی از شگفت انگیزترین یافته ها این است که چگونه تنظیم ژن در قلب انسان با سایر نخستی ها بسیار متفاوت است. از نظر آناتومی، قلب اکثر پستانداران مشابه است. اما انسان از نظر تنظیم ژن یا ترجمه پروتئین ها، نوآوری های تکاملی منحصر به فردی دارد. محققان صدها ژن و ریزپروتئین یعنی پروتئین های ریز که قبلاً در اندام های انسان شناسایی شده اند اما عملکرد آنها عمدتاً یک راز بوده است و در قلب انسان ها وجود دارد اما در قلب سایر نخستی ها یا موش ها وجود ندارد را بررسی کردند. بسیاری از این ژن ها و ریزپروتئین های انسانی نیز به طور غیرطبیعی در نارسایی قلبی بیان می شوند، که نشان می دهد می توانند نقش مهمی در عملکرد و بیماری قلبی ایفا کنند و ممکن است اهداف جدیدی برای درمان ارائه کنند.

مقایسه رونویسی و ترجمه ژن

این تیم بافت قلب شامپانزه ها و همچنین بافت قلب ذخیره شده انسان، موش ها و موش ها را که در تحقیقات قبلی آزمایشگاه استفاده شده بود، تجزیه و تحلیل کردند. با استفاده از توالی یابی RNA، محققان ابتدا مولکول های RNA را از بافت های قلب نقشه برداری و کمی سازی کردند که دید جامعی از بیان ژن در گونه های مختلف ارائه کرد. برای تمرکز ویژه بر روی نواحی RNA که به پروتئین ها ترجمه می شوند، محققان از Ribo-seq برای تعیین توالی قطعات RNA که به طور فعال در هر سلول ترجمه می شوند، استفاده کردند. این فرآیند بینشی را در مورد اینکه کدام ژن ها پروتئین های عملکردی تولید می کنند به دست داد. با یکپارچه سازی داده های این فناوری ها، این تیم جامع ترین منبعی را که تا به امروز در مورد فعالیت ژن و پروتئین در قلب انسان ها و پستانداران غیرانسان ساخته شده است، ایجاد کرد. علاوه بر این، محققان از کشت های سلولی کاردیومیوسیت مشتق از سلول های بنیادی پرتوان القایی (iPSC-CM) به عنوان مدلی برای مطالعه نحوه بیان ژن ها در طول رشد قلب در انسان و دیگر پستانداران استفاده کردند. iPSC-CMها یک مدل مفید هستند زیرا می توانند از سلول های پوست پستانداران بالغ که دوباره به حالت جنینی برنامه ریزی شده اند، رشد کنند. این سلول ها به کاردیومیوسیت ها، واحد سلولی اصلی قلب تبدیل می شوند و محققان را قادر می سازد تا در مراحل مختلف رشد آنها را مطالعه کنند.

کشف این که ریزپروتئین های خاص که در ژنوم توسط تکه هایی از DNA به نام فریم های باز خواندن کوچک (ORFs) کدگذاری می شوند به طور منحصربه فردی در سلول های قلب انسان در مراحل مختلف رشد بیان یا ترجمه می شوند، نشان می دهد که برخی از این عناصر ژنتیکی ممکن است به طور خاص تکامل یافته باشند. قلب انسان در مقایسه با پستانداران کوچک تر مانند ماکاک ها که ضربان قلب بسیار سریع تری دارند، نیازهای انرژی متفاوتی دارد. به نظر می رسد این تفاوت در تنظیم ژن های مربوط به تولید انرژی در قلب منعکس می شود. این سازگاری های تکاملی ممکن است با دوپا، سبک زندگی و رژیم غذایی انسان مرتبط باشد. در مجموع، این تیم بیش از 1000 سازگاری ژنومی خاص گونه، از جمله 551 ژن و 504 منطقه کدکننده میکروپروتئین را که فقط در قلب انسان یافت می شوند، شناسایی کردند. در این میان، آنها 76 ژن را یافتند که هم برای انسان و هم برای سایر پستانداران مشترک بود، اما فقط در گونه انسان تکامل یافتند تا در قلب بیان شوند.

پیامدهای بیماری قلبی و استفاده از حیوانات

محققان نشان دادند که برخی از ژن ها و ریزپروتئین هایی که مختص انسان هستند در شرایطی مانند کاردیومیوپاتی گشاد شده دچار اختلال می شوند که نقش بالقوه ای در ایجاد بیماری های قلبی را برجسته می کند و هدف جدیدی را برای درمان پیشنهاد می کند. این مطالعه همچنین مسائل مهمی را در مورد استفاده از حیواناتی مانند موش برای مطالعه ژنتیک بیماری قلبی انسان مطرح می کند. یافته های اخیر نشان می دهد که تفاوت های بین گونه ها می تواند گاهی منجر به نتایج گمراه کننده شود. ژن های زیادی در قلب انسان وجود دارد که به سادگی در قلب گونه های دیگر بیان نمی شود. به عنوان مثال، در انسان، ژن SGLT1 در قلب بیان می شود. اما در پستانداران غیر انسانی و موش ها فقط در کلیه ها بیان می شود. مهارکننده های دوگانه SGLT1 و SGLT2 نشان داده اند که نارسایی قلبی را کاهش می دهند، حتی اگر نقش دقیق آن در قلب یک راز باقی مانده باشد. اما از آنجایی که در قلب حیوانات دیگر بیان نمی شود، محققان نمی توانند با آزمایش چنین درمان هایی در این مدل ها چیزهای زیادی بیاموزند.