چگونه ژن ها براي نخستين بار به تشكيل حيات انجاميدند
همه‌ي موجودات زنده از كدهاي ژنتيكي براي ترجمه‌ي اطلاعات ژنتيكي مبتني بر DNA به پروتئين استفاده مي‌كنند؛ پروتئين‌ها از مولكول‌هاي اصلي فعاليت‌كننده در سلول‌ها هستند. اما اينكه چگونه فرايند پيچيده‌ي ترجمه در نخستين مراحل زندگي روي زمين در بيش از ۴ ميليارد سال پيش اتفاق افتاد، مدت‌ها به‌صورت يك راز مانده بود؛ ولي اخيرا دو انديشه متخصصينيه‌پرداز زيستي شواهدي براي گشايش اين راز پيدا كرده‌اند. چارلز كارتر استاد بيوشيمي و بيوفيزيك در دانشكده پزشكي كاروليناي شمالي و پيتر ويلز استاد بيوشيمي در دانشگاه اوكلند، از مدل‌هاي آماري پيشرفته براي تجزيهوتحليل اينكه چگونه مولكول‌هاي ترجمه‌اي امروزي براي انجام وظيفه‌شان در سلول، گرد هم مي‌آيند تا اطلاعات ژنتيكي را به واحدهاي سازنده‌ي پروتئين ترجمه كنند، استفاده كردند. نتايج تجزيهوتحليل اين دانشمندان كه در ژورنال Nucleic Acids Research منتشر شده‌است، آشكار كننده‌ي قوانين پنهاني است كه به وسيله‌ي آن امروزه مولكول‌هاي ترجمه‌اي با هم تعامل پيدا مي‌كنند. اين پژوهش نشان مي‌دهد كه چگونه اجداد بسيار ساده‌تر اين مولكول‌ها در آغاز حيات با هم شروع به كار كردند. كارتر گفت:
من تصور مي‌كنم كه ما قوانين اصولي و تاريخچه‌ي تكاملي كد‌گذاري ژنتيكي را آشكار كرديم. اين موضوع براي ۶۰ سال ناشناخته مانده بود.
ويلز افزود:
جفت الگوهاي مولكولي كه ما شناسايي كرده‌ايم، ممكن است نخستين الگوهايي باشد كه طبيعت براي انتقال اطلاعات از يك ارگانيسم زنده به ارگانيسم ديگر استفاده كرده است.
اين كشف به مولكول برگ شبدر مانندي كه RNA ناقل (tRNA) ناميده مي‌شود و داراي نقش كليدي در فرايند ترجمه است، مربوط مي‌شود. يك tRNA براي حمل يك اسيد آمينه كه واحد سازنده‌ي پروتئين است، به كارخانه‌ي سلولي توليد پروتئين يعني ريبواخبار تخصصي، طراحي شده‌است. هنگامي كه يك كپي يا يك رونوشت از يك ژن كه RNA پيامرسان (mRNA) ناميده مي‌شود، از هسته‌ي سلول ظاهر شده و وارد ريبواخبار تخصصي مي‌شود، اين mRNA به tRNAهاي حامل اسيد آمينه متصل مي‌شود.
mRNA اساسا يك رشته از حروف ژنتيكي است كه حاوي دستورالعمل‌هاي ساخت پروتئين‌ها بوده و هر tRNA يك دنباله‌ي سه حرفي روي توالي mRNA را شناسايي مي‌كند. به اين توالي، كدون گفته مي‌شود. وقتي ملكول tRNA به كدون متصل مي‌شود، ريبواخبار تخصصي اسيد آمينه‌ي آن را به اسيد آمينه‌اي كه قبل از آن آمده‌است، متصل مي‌كند و طول رشته‌ي پپتيدي زياد مي‌شود. زماني كه اين فرايند تكميل شد، زنجيره‌ي اسيد آمينه به عنوان يك پروتئين تازه ساخته شده، آزاد مي‌شود.
فرايند ساخت رشته‌ي پروتئيني در ريبواخبار تخصصي
پروتئين‌هاي موجود در بدن انسان و اكثر موجودات ديگر از ۲۰ اسيد آمينه‌ي مختلف تشكيل شده‌اند. بنابراين ۲۰ نوع مجزا از مولكول‌هاي tRNA وجود دارد كه هر كدام قادر به اتصال با يك نوع اسيد آمينه‌ي خاص هستند. در مشاركت با اين ۲۰ مولكول، tRNA ۲۰ آنزيم كمك‌كننده‌ي پيوند با نام سنتتاز (آمينو اسيل tRNA سنتتاز) وجود دارند كه وظيفه‌ي آن‌ها بارگذاري tRNAي مربوطه با اسيد آمينه‌ي صحيح است. كارتر گفت:
شما مي‌توانيد درمورد مجموعه‌ي اين ۲۰ آنزيم سنتتاز و ۲۰ ملكول tRNA به‌عنوان يك كامپيوتر مولكولي بنگريد كه تكامل آن را براي انجام ترجمه‌ي ژن به پروتئين طراحي كرده است.
مدت‌ها است كه زيست‌شناسان درمورد اين كامپيوتر زيستي و منشا ايجاد آن در ميلياردها سال پيش، كنجكاوند. در سال‌هاي اخير، كارتر و ويلز تمركز مطالعات خود را روي حل اين معما قرار داده بودند. براي مثال آن‌ها نشان داده‌اند كه اين ۲۰ آنزيم سنتتاز كه در دو گروه مجزاي ده آنزيمي قرار مي‌گيرند، چگونه از دو آنزيم ساده‌تر اجدادي منشا گرفته‌اند. يك تقسيم‌بندي گروهي مشابه براي اسيدهاي آمينه هم وجود دارد و كارتر و ويلز استدلال كرده‌اند كه چنين تقسيم‌بندي گروهي درمورد tRNA هم احتمالا وجود دارد. به‌‌عبارت ديگر آن‌ها پيشنهاد مي‌كنند كه در آغاز حيات، موجودات زنده تنها داراي دو نوع از tRNAها بودند كه در تعامل با دو نوع آنزيم سنتتاز، عمل ترجمه‌ي ژن به پروتئين را با استفاده از تنها دو نوع مختلف اسيد آمينه، انجام مي‌دادند. با گذشت زمان اين سيستم اختصاصي‌تر شد و هر كدام از tRNAها، سنتتازها و اسيد آمينه‌ها تكميل و دچار تغيير شدند تا زماني كه به جاي هر كدام از اين tRNAها، سنتتازها و اسيد آمينه‌هاي اوليه، ۱۰ نوع متمايز ايجاد شد.
ساختار ملكول tRNA
در جديد ترين پژوهش، كارتر و ويلز مولكول‌هاي tRNA امروزي را براي يافتن شواهدي از اين اجداد دوگانه مورد مطالعه قرار دادند. براي انجام اين كار آن‌ها بخش بالايي ملكول tRNA را كه با عنوان ساقه‌ي پذيرنده شناخته مي‌شود و محلي براي اتصال سنتتاز همكار است، مورد تجزيهوتحليل قرار دادند. نتايج آن‌ها نشان داد كه سه باز RNA يا همان حروف ژنتيكي، در بالاي ساقه‌ي پذيرنده، حامل يك كد مخفي ديگر است كه تعيين‌كننده‌ي قوانيني است و tRNAها را به دو گروه طبقه‌بندي مي‌كند؛ چيزي كه دقيقا با دو گروه از سنتتازها نيز مطابقت دارد. كارتر گفت:
تركيبات اين سه باز هستند كه تعيين مي‌كنند كدام گروه از سنتتازها به هر tRAN متصل شوند.
نتايج اين مطالعه شواهد جديدي در ارتباط با tRNA ارائه داد. هر tRNA امروزي در انتهاي قسمت پايين خود داراي يك آنتي‌كدون است كه از آن براي شناسايي و چسبيدن به يك كدون مكمل روي يك ملكول mRNA استفاده مي‌كند. موقعيت آنتي‌كدون از موقعيت اتصال سنتتاز نسبتا دور است؛ اما دانشمندان از اوايل دهه‌ي ۱۹۹۰ بر اين گمان بودند كه زماني tRNAها بسيار كوچك‌تر بوده‌اند و مناطق آنتي‌كدون و محل اتصال سنتتاز يك جا بوده است. تجزيهوتحليل ويلز و كارتر نشان مي‌دهد كه قوانين مرتبط با يكي از سه باز تعيين كننده‌ي گروه؛ باز شماره‌ي ۲ در ملكول tRNA كلي، عملا نشان‌دهنده‌ي ردي از آنتي‌كدون نسخه‌ي اجدادي كوتاه‌شده از ملكول tRNA امروزي است. كارتر گفت:
اين يك تاييد كاملا غيرمنتظره از فرضيه‌‌اي است كه در حدود ۳۰ سال پيش عنوان شد.
يافته‌ها، اين استدلال را كه سيستم ترجمه‌اي نخستين حيات فقط داراي دو tRNA اوليه منطبق با دو نوع سنتتاز و دو نوع اسيد آمينه بوده است، قوت مي‌بخشد. با تكامل سيستم در جهت شناسايي و تلفيق اسيد آمينه‌هاي جديد، تركيبات جديدي از بازهاي tRNA در منطقه‌ي اتصال سنتتاز ايجاد شد تا بتواند با اين پيچيدگي‌هاي در حال رشد، سازگار شود؛ اما به شيوه‌اي كه ردپايي قابل تشخيص از توالي‌هاي اوليه به جاي ماند. كارتر گفت:
اين سه باز تعريف‌كننده‌ي گروه، در tRNAهاي امروزي، شبيه يك نسخه‌ي خطي قرون وسطايي هستند كه متون اصلي آن‌ها از بين رفته و با متون جديدتر جايگزين شده است.
يافته‌هاي فوق امكان ريشه‌يابي دقيق‌تر منشا كد ژنتيكي را فراهم مي‌كنند. علاوه بر اين ممكن است ساخت مجدد نسخه‌هاي سيستم اوليه ترجمه در آزمايشگاه و حتي تكامل آن به اشكال مدرن‌تر امكان‌پذير شود. اين نتايج همچنين نشان‌دهنده‌ي اين هستند كه چگونه زندگي از حالت ساده‌ترين مولكول‌ها به سلول‌ها و ارگانيسم‌هاي پيچيده تكامل پيدا كرد.
هم انديشي ها