سرپایانی مانند ماهی‌های مرکب شاید نزدیک‌ترین نمونه به هوش موجودات بیگانه باشند که بشر تاکنون شناخته است. این جانوران مسیر تکاملی متفاوتی را پشت سر گذاشته‌اند و دنیای زیر آب، محیطی کاملاً متفاوت از جهان ما برای رشد و تکامل آن‌ها فراهم کرده. با وجود تفاوت‌های چشمگیر در ساختار مغز و بدن انسان‌ها و این
سرپایانی مانند ماهی‌های مرکب شاید نزدیک‌ترین نمونه به هوش موجودات بیگانه باشند که بشر تاکنون شناخته است. این جانوران مسیر تکاملی متفاوتی را پشت سر گذاشته‌اند و دنیای زیر آب، محیطی کاملاً متفاوت از جهان ما برای رشد و تکامل آن‌ها فراهم کرده.
با وجود تفاوت‌های چشمگیر در ساختار مغز و بدن انسان‌ها و این جانوران، همه ما از فرایندهای زیستی مشترکی پیروی می‌کنیم. انسان‌ها و دیگر جانوران دائماً تغییراتی موقت و برگشت‌پذیر در رونوشت‌های RNA خود تجربه می‌کنند؛ فرایندی که ویرایش RNA با واسطه آنزیم آدنوزین دآمیناز یا ADAR نام دارد.
به زبان ساده، این فرایند شبیه چاپ کردن دستور تهیه یک شیرینی است که در آخرین لحظه، پیش از تحویل آن به شیرینی‌پز، کشمش‌هایش را با تکه‌های شکلات جایگزین کنیم.
هیچ جانور دیگری احتمالاً به‌اندازه سرپایان کلئوئید، شامل ماهی‌های مرکب، اختاپوس‌ها و سپیداج‌ها، در انجام این فرایند توانایی ندارد و فاصله آن‌ها با سایر جانوران قابل‌توجه است.
پژوهش جدید نشان می‌دهد RNA این سرپایان از انعطاف‌پذیری چشمگیری برخوردار است؛ انعطافی که حتی از امکانات ساخت شخصیت در بازی Skyrim نیز فراتر می‌رود. این تغییرات به تولید پروتئین‌هایی با ویژگی‌های متفاوت منجر می‌شوند و گاهی توانایی‌های زیستی این جانوران را به شکل خارق‌العاده‌ای افزایش می‌دهند.
در مطالعه‌ای که در مجله علمی Cell منتشر شد، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی دانشمندان زیست‌شناس دانشگاه کالیفرنیا در سان‌فرانسیسکو، مجموعه پروتئین‌های ماهی مرکب ساحلی باله‌بلند با نام علمی Doryteuthis pealeii را بررسی کردند. این مجموعه که پروتئوم نام دارد، حدود ۲۴ هزار پروتئین را در بر می‌گیرد. هدف پژوهشگران، درک بهتر عملکرد واقعی این تغییرات مولکولی بود.
تأثیرات گسترده ویرایش RNA بر عملکرد پروتئین‌ها
شاید بزرگ‌ترین شگفتی این پژوهش، گستردگی تأثیرات ویرایش RNA بر عملکردهای زیستی بود. جک موئن، نویسنده اصلی پژوهش و دانشمند حوزه زیست‌شناسی سلولی و مولکولی در دانشگاه کالیفرنیا در سان‌فرانسیسکو، در گفت‌وگو با ساینس‌آلرت گفت:
ما دریافتیم که این تغییرات بر فعالیت، پایداری و محل قرارگیری پروتئین‌ها و حتی نحوه تعامل آن‌ها با سایر پروتئین‌ها تأثیر می‌گذارند. پیامدهای بعدی این تغییرات تا جایی پیش می‌روند که سلامت اندامک‌های سلولی را نیز تنظیم می‌کنند.
او در ادامه توضیح داد که این فرایند چگونه بدون تغییر در DNA، امکان تولید پروتئین‌هایی با ویژگی‌های متفاوت را فراهم می‌آورد.
این جانوران با ویرایش دستورالعمل‌های RNA که برای ساخت پروتئین‌ها به کار می‌روند، می‌توانند پروتئین‌هایی با خصوصیات متفاوت تولید کنند؛ آن هم بدون اینکه DNA آن‌ها تغییر کند.
پیش از انجام این پژوهش، اطلاعات چندانی درباره گستره این تغییرات در دسترس نبود. بااین‌حال، تحقیقات قبلی نشان داده بودند که ویرایش RNA می‌تواند بر ارتباطات دستگاه عصبی مرکزی تأثیر بگذارد. پژوهشگران در مقاله خود توضیح دادند که این تغییرات احتمالاً در واکنش به شرایط محیطی یا فیزیولوژیکی، مانند نوسان دما، نیز رخ می‌دهند.
برای شناسایی تأثیرات بیشتر، محققان نزدیک به ۸ هزار محل ویرایش را در بیش از ۲ هزار پروتئین مختلف بررسی کردند. نمونه‌های مورد مطالعه از لوب بینایی و آبشش‌های ماهی مرکب به دست آمده بودند. این بررسی امکان مقایسه فعالیت ویرایش RNA در مغز پیچیده ماهی مرکب با اندام تنفسی آن را فراهم کرد؛ اندامی که بیشتر وظایف پایه و روزمره بدن را بر عهده دارد.
لوب بینایی که مسئول دریافت اطلاعات بصری و واکنش به محرک‌های دیداری است، بخش قابل‌توجهی از دستگاه عصبی مرکزی ماهی مرکب را تشکیل می‌دهد. بررسی‌ها نشان دادند که در این ناحیه، ویرایش RNA با فراوانی بیشتر و پیچیدگی بالاتری انجام می‌گیرد.
این یافته با ویژگی‌های زیستی سرپایان همخوانی دارد؛ زیرا این جانوران در میان بی‌مهرگان، هم از قدرتمندترین توانایی‌های ویرایش RNA به کمک آنزیم ADAR برخوردارند و هم پیچیده‌ترین دستگاه عصبی را دارند. پژوهشگران احتمال می‌دهند این دو ویژگی در کنار یکدیگر تکامل یافته باشند.
نکته مهم این است که تغییرات یادشده در بخش‌های کدکننده پروتئین در RNA رخ می‌دهند، نه در قسمت‌های ژنوم که پروتئینی تولید نمی‌کنند و گاهی DNA زائد نامیده می‌شوند.
برخی از این تغییرات حتی پروتئین‌های ADAR را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهند. در نتیجه، خود آنزیم‌هایی که مسئول انجام ویرایش مولکولی هستند نیز تغییر می‌کنند و نوعی سازوکار تنظیم و متعادل‌سازی فعالیت ژن‌ها یا خودتنظیمی را به وجود می‌آورند.
موئن به یکی دیگر از یافته‌های جالب پژوهش اشاره کرد و گفت:
نتیجه دیگری که توجه ما را جلب کرد، امکان ایجاد توالی‌های پروتئینی جدید بود.
پژوهشگران در جریان بررسی‌ها حدود ۵ هزار پروتئین کوتاه شناسایی کردند که نه در مجموعه مرجع پروتئین‌های ماهی مرکب وجود داشتند و نه در پایگاه داده معتبر سوئیس‌پروت که اطلاعات پروتئینی حدود ۱۴ هزار جاندار را در بر می‌گیرد، ثبت شده بودند.
این وضعیت را می‌توان به شیرینی‌پزی تشبیه کرد که چه از روی مهارت و چه به‌صورت تصادفی، هر بار نوع متفاوتی از شیرینی تولید می‌کند.
تغییر محل پروتئین‌ها و افزایش توانایی‌های سلولی
ویرایش RNA تنها ویژگی‌های پروتئین‌ها را تغییر نمی‌دهد، بلکه بر محل استقرار آن‌ها در سلول نیز اثر می‌گذارد. شکل‌های تغییر‌یافته برخی پروتئین‌ها جابه‌جا می‌شوند و از بخش‌های بیرونی سلول به سمت هسته، یعنی مرکز فرماندهی سلول، حرکت می‌کنند.
این بازنویسی دستورالعمل‌های پروتئینی می‌تواند عملکرد اندامک‌ها، ساختارهایی درون سلول که وظایفی مشابه اندام‌های بدن دارند، را نیز تغییر دهد. یکی از مهم‌ترین این ساختارها میتوکندری است؛ بخشی که نقش اساسی در تولید انرژی مورد نیاز سلول ایفا می‌کند.
پژوهشگران دریافتند که این تغییرات پروتئینی ممکن است میتوکندری‌های ماهی مرکب را از برخی جهات به میتوکندری‌های انسان شبیه‌تر کنند. این تغییرات می‌توانند پایداری آن‌ها را در برابر شرایط محیطی افزایش دهند و توانایی بازیافت و نوسازی اجزای آسیب‌دیده را بهبود ببخشند.
به همین ترتیب، بازنویسی پروتئین‌ها ظاهراً بر سامانه‌های کراتین در این جانوران نیز تأثیر می‌گذارد و امکان تأمین انرژی سریع را برای حرکت‌های ناگهانی و فرار از شکارچیان یا انجام فرایندهای پیچیده مغزی فراهم می‌کند.
نکته شگفت‌انگیز این است که تمام این تغییرات با ویرایش یک باز در هر مرحله امکان‌پذیرند. همین موضوع اهمیت اساسی دارد؛ زیرا در این فرایند، نقشه اصلی DNA تغییر نمی‌کند و احتمال انتقال برخی جهش‌های زیان‌بار به نسل‌های بعدی نیز کاهش می‌یابد. به این ترتیب، جانور می‌تواند از انعطاف‌پذیری پروتئینی بهره ببرد، بدون آنکه نسخه اصلی دستورالعمل‌های ژنتیکی خود را بازنویسی کند.
در مجموع، یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهند سرپایان از انعطاف‌پذیری ژنتیکی بسیار بیشتری نسبت به تصورات پیشین برخوردارند و توانایی آن‌ها در این زمینه در میان جانوران بی‌رقیب به نظر می‌رسد.
اما چرا چنین قابلیتی در سرپایان تا این اندازه برجسته است و در سایر جانوران به همین شکل دیده نمی‌شود؟
موئن توضیح داد که ساختار آنزیم‌های ADAR در این تفاوت نقش دارد، اما عوامل دیگری نیز دخیل هستند که برای شناخت دقیق آن‌ها به تحقیقات بیشتری نیاز است.
تنوع پروتئینی فراتر از تصور
ظرفیت نظری این فرایند چنان گسترده است که شمار حالت‌های احتمالی پروتئین‌ها می‌تواند از مجموع ستاره‌ها، سیاره‌ها و ابرهای عظیم الکلی در سراسر کیهان نیز فراتر برود.
موئن در گفت‌وگو با ساینس‌آلرت درباره برآورد این تنوع گفت:
اگر تمام جایگاه‌های شناسایی‌شده در داده‌های توالی‌یابی RNA را در نظر بگیریم، برآورد نظری به عددی نزدیک به ۱۰ به توان ۲۴۸ می‌رسد.
این عدد بیش از ۱۰۰ مرتبه بزرگی از تعداد کل اتم‌های موجود در جهان بیشتر است.
بنابراین، این یافته‌ها نوعی دوگانگی بنیادین میان ظرفیت بالقوه طبیعت و آن چیزی را نشان می‌دهند که در عمل رخ می‌دهد. از نظر نظری، امکان ایجاد تنوعی تقریباً تصورناپذیر وجود دارد، اما هنوز مشخص نیست ماهی‌های مرکب واقعاً چه میزان از این ظرفیت را در بدن خود به کار می‌گیرند.
موئن در پایان گفت:
این یافته‌ها از وجود تنوع بالقوه‌ای بسیار گسترده حکایت دارند. بااین‌حال، هنوز نمی‌دانیم این جانوران در عمل چه مقدار از این تنوع را تولید می‌کنند.
نتایج کامل این پژوهش در مجله علمی Cell منتشر شده است.