حافظهٔ سلولی - سلول‌ها هم خاطرات خود را حفظ می‌کنند

نوشته شده توسط رسول عباسی جندانی · در۰۸ تیر ۱۳۹۶ ساعت ۰۹:۵۲.

 

تصور کنید که می‌خواهید زندگی‌تان را دوباره شروع کنید و ساعت را به عقب برگردانید، در این حالت ممکن است به یک کشور دیگر سفر کنید و یا شغلتان را تغییر دهید، ولی مهم نیست که چقدر تغییر می‌کنید، در هر صورت خاطرات اتفاقات گذشته همراه ماست و از گذشته نمی‌توان فرار کرد، این مسئله دربارهٔ سلول‌ها نیز صادق است.

سلول‌ها دارای حافظهٔ سلولی‌اند و از زمانی که یک سلول متعهد‌نشدهٔ جنینی هستند تا وقتی که به یک سلول تخصص‌یافتهٔ بالغ تبدیل شوند، تمام تغییرات  را در خود ضبط می‌کنند.

عوامل موثر بر مکانیسم حافظهٔ سلولی هنوز به‌طور دقیق و حتمی مشخص نیست ولی طی تحقیقاتی که دانشمندان انجام داده‌اند، از بین ۶۱۵ ژن دخیل در این مسئله، ۴ فاکتور بیشترین تاثیر را داشته‌اند. یکی از فاکتورها به‌نام CAF1 ا(Chromatin Assembly Factor 1) باعث می‌شود که در هنگام تقسیم‌، سلول‌های دختری حافظهٔ خود را حفظ کنند و DNA به همان شکل اولیه خود پیچ بخورد.

 

 

یکی دیگر از  فاکتورهای رونویسی، پروتئین cohesin است که یک نشانهٔ اپی‌ژنیک است که در کل می‌توان گفت نشانه‌های اپی‌ژنیک  هم به نوعی حافظهٔ یک سلول محسوب می‌شوند و در واقع  سلول به وسیله آنها تمام سیگنال‌هایی که در زندگی دریافت کرده است را بر روی DNAاش ثبت می‌کند. به همین دلیل تجربه‌های مختلف باعث می‌شود که انواع مختلفی از سلول‌ها با هویت و تخصص‌های متفاوت وجود داشته باشد و سلول می‌تواند با این اپی‌ژنومِ قابل‌انعطاف در تغییرات اطرافش زنده بماند.

 

 

اپی‌ژن در لغت به‌معنای اطراف یا بالای ژن است و تغییرات اپی‌ژنیک تغییراتی هستند که بدون اینکه DNA سلول تغییری کند فقط با تغییر و نشانه‌گذرای در اطراف ژنوم، عرضهٔ ژن تغییر می‌کند و این تغییر در هنگام تقسیم سلول قابل انتقال است و به همین دلیل تغییر به نسل بعد هم انتقال پیدا می‌کند. در شکل شماره ۱ ساختار کلی کروماتین و کروموزوم نشان داده شده است. 

 

 

 

 

شکل ۱

 

 

 

 

 

شکل شماره ۲ نشان می‌دهد که تمام رفتارها و اتفاقات محیط اطراف بر روی فرد تاثیر می‌گذارد؛ به این صورت که این اتفاقات سیگنال‌هایی ایجاد می‌کنند که به هستهٔ سلول‌ها می‌روند و می‌تواند باعث تغییرات اپی‌ژنتیک شود.

 

 

  

شکل ۲

 

 

 

حافظهٔ سلولی علاوه بر اینکه خاطرات و تاثیرات محیط را ضبط می‌کند، باعث می‌شود که هویت سلول هم حفظ شود. برای مثال یک سلول خونی پس از تقسیم هم سلول خونی باقی می‌ماند. 

 

  

 

DNA در سلول‌های انسانی به پروتئین‌های مختلفی ترجمه می‌شود که سلول برای انجام وظایف و زنده ماندن به آنها احتیاج دارد، بر اساس سکانس‌های تنظیم‌کنندهٔ DNA و گروهی از فاکتورهای رونویسی متصل به آنها، کی و کجا و چگونگی عرضه پروتئین‌ها تعیین می‌شود. سلول‌ها را می‌توان بر اساس این فاکتورهای رونویسی از هم تمیز داد و همچنین با تغییر عرضهٔ یک یا تعداد بیشتری از آنها می‌توان یک سلول را در شرایطی مستقیما از یک نوع به یک نوع دیگر تبدیل کرد. این فاکتورها  اطمینان می‌دهند که سلول‌های دختری همان عملکرد سلول‌های مادری را داشته باشند، برای مثال سلول عضلانی باید بتواند منقبض شود و سلول پانکراس بتواند انسولین تولید کند. هر بار که سلولی تقسیم می‌شود یک سری فاکتورهای رونویسی خاصی از DNA جدا می‌شوند تا در سلول دختری و مادری ذخیره شوند ولی باید بتوانند جایگاه درست خود را پیدا کنند. 

 

 

 

 

 

کروموزوم در حال تقسیم

 

 

 

 

 

 

 

 

خلاصهٔ تولید پروتیبن

 

 

جوسی تایپال (Jussi Taipale) رئیس تیم تحقیقات و پروفسور در موسسه Karolinska و دانشگاه هلسینکی معتقدند که در سلول به مقدار زیادی DNA وجود دارد و امکان‌ناپذیر به‌نظر می‌رسد که فاکتورهای رونویسی جایگاه اصلی خود را در زمان مناسب پیدا کنند، اما اکنون آنها احتمال وجود مکانیسمی برای حافظهٔ سلول پیدا کردند که به سلول کمک می‌کند که ترتیب قبل از تقسیم خود را به یاد بیاورد تا فاکتورهای رونویسی بتوانند پس از تقسیم، جای درست خود را پیدا کنند.

 

 

 

قبلا مکانیسم این کار مشخص نبود، اما دانشمندان در موسسه Karolinska متوجه شدند که دور DNA را حلقه‌های پروتئینی خاصی احاطه کرده‌اند که این حلقه‌ها به‌عنوان حافظهٔ سلول عمل می‌کنند. این کمپلکس پروتئینیِ بزرگ به‌نام cohesin در زمان تقسیم سلول مثل یک حلقه به دور DNA دورشته‌ای قرار می‌گیرد و مشخص می‌کند که فاکتورهای رونویسی قبلا  به کجای DNA متصل بودند. همان‌طور که در شکل ۳ مشاهده می‌کنید Cohesin به دور DNA حلقه می‌زند، به همین دلیل فاکتورهای رونویسی می‌توانند به‌راحتی به DNA بچسبند و بدون جابه‌جا کردن حلقه از زیر آن حرکت کنند. از آنجایی که هر دو رشتهٔ جدید DNA در داخل حلقه هستند برای  نشانه‌گذاری  بر روی هر دوی آنها یک cohesin کافی است. Martin Enge  دستیار پروفسور در موسسه Karolinska می‌گوید که «برای اطمینان از این یافته‌ها تحقیقات بیشتری لازم است اما تا به امروز تمام آزمایشات مدل ما را تایید کرده‌اند».

 

 

 

 

 

 

شکل ۳

 

 

 

 

می‌توانیم حافظهٔ سلول‌ها را از بین ببریم

 

 

 

 

محققان موسسه سلول‌های بنیادی هاروارد در بیمارستان عمومی ماساچوست با همکاری دانشمندانی از موسسه بیوتکنولوژی مولکولی و پاتولوژی مولکولی در وین، توانستند با مهار فاکتور رونویسی CAF1 باعث شوند که سلول‌های دختری حافظه‌شان را از دست بدهند. CAF1 یا chromatin assembly factor 1 همان‌طور که در شکل شماره ۴ نشان داده شده است باعث می‌شود که کروماتین‌ها بتوانند بپیچند و شکل بگیرند، پس با مهار این فاکتور سلول‌های دختری  فراموش می‌کنند که چگونه همانند سلول‌های مادری پیچ بخورند. با مهار CAF1 بدون ایجاد سلول بنیادی، می‌توان مستقیماً دو سلول بالغ را به هم تبدیل کرد و در کل این سلول‌ها به سیگنال‌های اطراف حساس‌ترند و آنها را راحت‌تر می‌توان بازنویسی و دستکاری کرد. CAF1 می‌تواند یک کلید کلی برای راحت‌تر کردن بازنویسی سلول باشد تا برای مثال بتوانیم مدل‌های سلولی‌ای برای شبیه‌سازی بیماری‌ها و یا آزمایشات مختلف سلولی، ایجاد کنیم. ژوهانس زوبر (Johannes Zuber) می‌گوید با این دیدگاه یک کلید جهانی در دست داریم که به ما قدرت ایجاد مدلی از هر سلولی که می‌خواهیم را می‌دهد.

 

 

 

 

 

 

 

‌شکل ۴

 

 

از دست دادن حافظه سلول هم می‌تواند مفید و هم مضر باشد، اگر سلول هویت خود را فراموش کند پتانسیل تبدیل شدن به یک سلول تخصص‌نیافتهٔ بنیادی را پیدا می‌کند. ولی همچنین می‌تواند تبدیل به سلول‌های سرطانی شده و تومور به‌وجود بیاورد که تقریباً در تمام انواع سرطان از دست دادن حافظهٔ اپی‌ژنیک نقش داشته است.

 

 

 

در واقع، در چهار سال گذشته دانشمندان پیشرفت‌های بزرگی در بازنویسی سلول‌های تخصصی بالغ به سلول‌های شبه‌بنیادی به‌دست آورده‌اند که به آنها پتانسیل تولید هر نوع سلول را در بدن می‌دهد، این معادل این است که گذشتهٔ افراد را پاک کنیم و به آنها یک زندگی جدید بدهیم (شکل شماره ۵). به این سلول‌ها، سلول‌های بنیادیِ چند‌ظرفیتیِ القایی یا iPSCs می‌گویند. دانشمندان متوجه شدند که در بین iPSCs با منشا سلولی مختلف تفاوت‌هایی وجود دارد. به عنوان مثال سلول‌های پوست، معده و کبد نسبت به سلول‌های بافت همبند راحت‌تر بازنویسی می‌شوند، همچنین تبدیل یک سلول بنیادی به منشا خودش راحت‌تر است تا به نوع دیگری از سلول‌ها، و یا هر چه یک سلول پیرتر و تخصصی‌تر باشد تغییر آن سخت‌‌تر است. ولی یک گروه دانشمند آمریکایی با سرگروهی کیتای کیم (Kitai Kim) با کار کردن روی موش‌ها نشان  دادند که سلول‌های iPSCs همچنان تخصص گذشته‌شان را به یاد دارند. خاطرات iPSCs روی مولکول‌های در برگیرندهٔ DNA نوشته شده است. این خاطرات همان تغییرات اپی‌ژنیک هستند که می‌توانند مدل رفتار یک ژن را حتی وقتی سکانس‌های DNA ثابت است تغییر دهند. این مسئله مثل این است که در یک کتاب با یادداشتی مشخص کنیم که خواننده چه قسمتی را بخواند و از چه قسمتی بگذرد بدون اینکه محتویات کتاب را تغییر دهیم. این مولکول‌ها به‌راحتی از DNA جدا نمی‌شوند، حتی اگر سلول را چند بار به سلول بنیادی بازنویسی و تبدیل کنیم همچنان باقی می‌مانند.

 

 

 

 

 

‌

شکل ۵

 

‌

برای ایجاد سلول‌های بنیادی چند راه وجود دارد. یکی از آنها بازنویسی سلول‌های تخصصی بالغ است راه دیگر انتقال هسته از یکی سلول‌های فرد به یک سلول تخم خالی‌شده از هسته است (شکل شماره ۶). سلول تخم تبدیل به یک رویانی می‌شود که دارای سلول‌های بنیادی با ژنوم آن فرد است. این سلول‌ها که به‌عنوان ntESCs یا Nuclear Transfer Embryonic Stem Cells شناخته می‌شوند، نسبت به سلول‌های iPSCs شباهت بیشتری با سلول‌های بنیادی جنینی دارند، اما با این وجود استفاده از ntESCs هنوز کامل تایید نشده است، چرا که رویان با برداشت ntESCs کاملاً نابود می‌شود و این غیراخلاقی است. همچنین این روش تا به حال در انسان موفقیت‌آمیز نبوده است، به همین دلیل روی iPSCs کار بیشتری انجام شده است. 

 

 

 

 

 

 

‌شکل ۶

 

‌در نهایت می‌توان گفت دانشمندان در تلاشند که با پاک کردن حافظهٔ یک سلول به آن فرصت شروع دوباره یک زندگی جدید را بدهند که در این صورت دیگر محدودیتی برای ایجاد انواع مختلف سلول‌ها وجود نخواهد داشت.