نویسنده: محمد قادرزاده، دانشجوی دکتری ژنتیک و اصلاح نژاد دام، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری
بیان ژن
بیان ژن، استفاده از اطلاعات ژن جهت ایجاد فرآورده مورد نیاز سلول و بدن است. به عبارت بهتر، بیان ژن فرایندی است که در آن اطلاعات موجود در DNA به پروتئین تبدیل میشود. سلوهای بدن هر موجود زنده دارای هزاران نوع ژن میباشند، بنابراین سلولها قادر به ساخت هزاران پروتئین متفاوت هستند. مراحل بیان ژن هم در یوکاریوتها و هم پروکاریوتها شامل رونویسی، اتصال RNA، ترجمه و تغییرات پس از ترجمه فراورده (پروتئین) میباشد. تحقیقات اخیر نشان دادهاند بیشتر تغییرات تکاملی به جهشهایی مرتبط هستند که در مناطق تنظیم کننده ژن رخ می دهند و با بیان ژن ارتباط دارند (Pavey et al., 2010) و همچنین ثابت شده است که میزان تغییرات بیان ژن قابل توارث است (Ayroles et al., 2009).
معماری ژنتیکی
معماری ژنتیکی یک صفت پیچیده، به بررسی ژنهای درگیر در بروز آن صفت و اثرات آنها و روابط متقابل بین ژنها می پردازد. همچنین معماری ژنتیکی تأثیر عوامل محیطی و دیگر اثرات متقابل با ژنوتیپ را بر روی فنوتیپ نهایی مورد ارزیابی قرار میدهد. معماری ژنتیکی در واقع به اساس ژنتیکی یک صفت فنوتیپی، خصوصیات متنوع آن می پردازد و تا حدوی در جستجوی QTLهایی است که در ارتباط با تنوع صفات کمی هستند. تنوع فنوتیپی صفات کمی بیشتر در اثر تفرق آللها، در جایگاه صفات کمی (QTL) ایجاد میشود (.(Hansen et al., 2006 عوامل محیطی و دیگر عوامل خارجی در تنوع فنوتیپی نقش دارند. معماری ژنتیکی اصطلاح گستردهای است که بوسیلهی اطلاعات بدست آمده از تعداد آلل و ژنهای فرد، توزیع آللی و اثرات جهشها، الگوهای پلیوتروپی، غالبیت و اپیستازی تعریف میشود. برخی محققان معتقدند که اثرات متقابل بین ژنها معنی دار بوده و ضرورت تعریف یک مدل سیستمیک جهت تکامل فردی احساس میشود. یک اصطلاح مترادف برای معماری ژنتیکی ” نقشه ژنوتیپ- فنوتیپ” میباشد، یعنی روشی که ما را از ژنوتیپ به فنوتیپ برساند. نقشه ژنوتیپ- فنوتیپ در راستای مباحثی مانند اپیستازی، پلیژنی، پلیوتروپی، مسیرهای متابولیکی، مدلهای ریاضی، تغییرات فیزیولوژیکی و محیطی موثر بر فنوتیپ، توان مدلها و تکامل مورد تجزبه و تحلیل قرار میگیرد (Stadler et al., 2015) .
هر موجود جهت نظارت بر ژنهای خود، یعنی هنگامی که اطلاعات یک ژن خاص، برای ایجاد mRNA یا ساخت پروتئین استفاده میشود، ساز و کارهای پیچیده و مختص به خود دارد. این ساز و کارها در موجوداتی مانند پروکاریوتها موجب سازگاری بیشتر با محیط زندگی و ایجاد پیچیدگی و تنوع ساختمان بدنی یوکاریوتها میگردد. این نظارت و کنترلهای سلولی در موجودات پروکاریوت و یوکارت امروزه با نام تنظیم بیان ژن شناخته شده است. به عنوان مثال این کنترلها (تنظیم بیان ژنها) در برخی موارد توسط پروتئینهایی به نام بازدارنده یا تحریک کننده موجب کاهش یا افزایش تولید برخی پروتئینهای دیگر در بدن میشوند. سطوح مختلف تنظیم بیان ژن میتواند در تنظیم رونویسی، تنظیم پس از رونویسی، تنظیم ترجمه و تنظیم پس از ترجمه رخ دهد (Pavey et al., 2010).
تنوع در بیان ژن میان افراد یک جمعیت ناشی از یک ترکیب ژنتیکی قوی بوده و جایگاههای ژنی پلیمروف ویژه ای در بیان آن ژن مؤثرند که به نام جایگاه ژنی مؤثر در بیان ژن نامیده (eQTL) شناخته میشود. به عنوان مثال در حیوانات پاسخ به عفونتهای انگلی و سیستم ایمنی نیازمند هماهنگی و همراستایی تنظیم بیان ژنها میباشد (Kommadath et al., 2017). پژوهشهای اخیر نشان داده است که تنوع در سطوح بیان ژنهای درگیر با پاسخهای ایمنی در ارتباط با تنوع تنظیمی بیان ژنها هستند (Kommadath et al., 2017). به عنوان مثال برخی محققان نشان دادند که مونوسیتهای عفونی مشتق شده از ۶۵ فرد از سلولهای Dendritic مبتلا به مایکوباکتریوم توبرکلوزیس، دارای چندین چندشکلی مرتبط با تنوع در بیان سیتوکین، شامل CXCR1، L1Ra و IL15 بودند (Kommadath et al., 2017). بنابراین این محققان دادههای حاصل از مطالعات eQTL این بیماران را با اطلاعات قبلی GWAS سویه توبرکلوزیس تلفیق نمودند و در نهایت یک ژن کاندیدای امیدوارکننده با نام DUSP14 را شناسایی نمودند که ممکن است در حساسیت به عفونت مایکوباکتریوم توبرکلوزیس دخیل باشد. شواهد زیادی وجود دارد که نشان میدهد عملکرد و نقش چندشکلیهای تک نوکلئوتیدی (SNPs) مرتبط با صفات پیچیده به احتمال زیاد مانند eQTLها میباشند. برخی محققان با بررسی بیماری تنفسی در خوکها ژنها و مکانیسمهای درگیر در عفونت PRRSV را شناسایی نموده و نتایج آنالیزهای GWAS و eQTL را تلفیق نمودند. نتایج این پژوهش نشان داد که ژن GBP5 نقش بسیار مهمی در میزان پاسخ میزبان به عفونت بیماری PRRSV دارد (Kommadath et al., 2017).
کاربردهای معماری ژنتیکی
معماری ژنتیکی میتواند در سطوح مختلف یا لایه های مختلف اومیکس مورد مطالعه و بررسی قرار گیرد. در واقع میتوان گفت معماری ژنتیکی میتواند تفاوتهای بین افراد، بین گونهها و بین جمعیتها را توضیح دهد، مثلاً چه تعداد ژن در ایجاد یک فنوتیپ خاص نقش دارند و چگونه اثرات متقابل بین ژنها مانند اپیستازی میتواند بر روی ایجاد یک فنوتیپ مؤثر باشد. آنالیزهای QTL در مطالعات مختلف بکار گرفته شده است، این شیوه آنالیز احتمالا رایجترین روش مطالعه معماری ژنتیکی باشد و برای تأمین بخشی از اطلاعات، سودمند بوده اما نمیتواند یک تصویر کامل از کل مجموعه مورد مطالعه را ارائه دهد. معماری ژنتیکی همچنین در رابطه تکامل جمعیتها به بحث و بررسی میپردازد. مدلهای کلاسیک ژنتیک کمی مانند آنچه که بوسیلهی فیشر توسعه داده شده بر اساس آنالیزهای فنوتیپی استوارند که توزیع ژنهای مختلف و اثرات متقابل آنها را در نظر میگیرند. معماری ژنتیکی گاهی بوسیلهی نقشه ژنوتیپ-فنوتیپ مورد مطالعه قرار گرفته است بطوریکه در گرافهای حاصل از آن روابط بین ژنوتیپ و فنوتیپ نشان داده میشود (Hansen et al., 2006) (شکل ۱).
شکل۱- یک نقشه ژنوتیپ – فنوتیپ بسیار ساده که فقط اثرات افزایشی پلیوتروپی را نشان می دهد.
معماری ژنتیکی بطورکلی فهم مناسبی از تئوری تکامل را در اختیار محققان قرار میدهد زیرا تنوع فنوتیپی را توصیف مینماید و این تنوع فنوتیپی در ارتباط با اصطلاحات ژنتیکی آن، سرنخهایی در رابطه با پتانسیل تکاملی موجودات ارائه مینماید. بنابراین معماری ژنتیکی در یافتن جواب سئوالات زیستی مانند تنوع، تکامل جنسیت و نوترکیبی، بقاء جمعیتهای کوچک، همخونی، فهم بیماریها و سایر موارد می تواند به ما کمک نماید(Stadler et al., 2015) .
معماری ژنتیکی بیان ژن
تنوع بیان ژن نقش اساسی در ایجاد تنوع فنوتیپی در هر گونه ایفا نموده است. تنوع در سطوح بیان ژن نقش مهمی در تنوع مورفولوژیکی، فیزیولوژیکی و تنوع رفتاری هم در گونههای جانداران آزمایشگاهی و هم جمعیتهای طبیعی دارد. الگوهای بیان ژن اغلب مرتبط با نشانه های انتخاب طبیعی هستند. عمده مطالعات ارزیابی بیان ژن در مقایسه بین گونهها، در انسان، شامپانزهها و میمونهای کوچک متمرکز شده است. این مطالعات در دراز مدت در این گونهها جایگاههای ژنی کاندیدای منحصر مؤثر در الگوهای متفاوت بیان ژن را در انسان و دیگر گونهها را پیشنهاد نمودهاند ( .(eQTL در هر حال شخصیت ما تا حد زیادی تابع تغییرات الگوهای ایجاد ژنهایی ست که بیان ژن نامیده میشود(Tung et al., 2015).
یک eQTL یک ناحیه ژنومی است که مرتبط با سطوح ترانسکریپتومی است و بر فنوتیپ تأثیر میگذارد. eQTLها میتوانند وراثت پذیری بالایی داشته باشند و اطلاعات فراوانی را برای کنترل بیان ژن فراهم میکنند. اما دانش بیشتر بر اساس و پایه تنوع ژنتیکی بوسیلهی GWAS فراهم شده است. eQTL ها میتوانند بصورت سیس و ترانس باشند: سیس در موقعیت نزدیک ژن کد کننده ترانسکریپت قرار گرفته است در حالیکه ترانس در موقعیت دورتری نسبت به ژن کد کننده ترانسکریپت قرار گرفته است (et al., 2016 Suravajhala).
eQTLها چارچوبی را برای فهم اثرات فنوتیپی و ارتباط تنوع ژنتیکی آنها با بیماریها فراهم می کنند. بیشتر eQTL هایی که در بابونها یافت شدند در مجاورت ژنهایی بودند که این eQTLها نیز در انسان یافت شدند (Tung et al., 2015). همچنین پیشنهاد شده است مجموعه ژنهایی که در تنوع ژنتیکی بر روی بیان ژن در بابونها تأثیر دارند احتمالاً اثرات مشابهی نیز در انسان داشته باشند. همچنین محققان قادر به توضیح چگونگی اثر سن، جنس، تقابلات اجتماعی بابونها بر روی بیان ژن مشاهده شده، هستند. در مورد بیشتر ژنها این عوامل ذکر شده تاثیر کمی بر روی سطوح بیان ژن داشتند. به هرحال در مورد برخی از این ژنها، این عوامل میتواند در دوره زیادی از زندگی فرد، میزان بیان ژن را تحت تأثیر قرار دهند. مطالعات نشان می دهد بررسی الگوهای بیان ژنها در پریماتهای وحشی به آسانی قابل انجام است. یک چالش مهم این است که چگونه عوامل محیطی و عوامل ژنتیکی در ترکیب با هم میتوانند الگوهای بیان ژن را تحت تأثیر قرار دهند؟ تغییرات بیان ژن مرتبط با انتخاب فنوتیپی در بین گونهها و همچنین در داخل جمعیتها، اساس یکسانی را در تغییرات تکاملی نشان میدهد. بهرحال در گونههای مختلف اطلاعات ما در مورد معماری ژنتیکی بیان ژن در جمعیتهای پریماتهای غیر انسان بسیار اندک است. ما حتی در مورد افتراق تنوع ژنتیکی و اینکه آیا اثرات آن رایج یا نادر است چندان اطلاعاتی نداریم، ما حتی در مورد تأثیر اندازه این تنوع ژنتیکی و توزیع آنها و اینکه آیا آنها دارای نشانههایی هستند که نشان دهنده انتخاب طبیعی، باشد چندان نمی دانیم. اگر تنوع تنظیم بیان ژن به عنوان یک فاکتور جدید در تکامل پریماتها محسوب شود با این حال باز هم وقفه های زیادی در درک ما نسبت به فرآیند تکامل وجود دارد (Tung et al., 2015). اخیراً سنجش بیان کل پروفایل بیان ژنوم موجودات با استفاده از تکنیکهای دقیق و جدیدی به نام RNA-seq که جایگزین تکنیک هایی مانند ریز آرایه (میکروآری) هستند، انجام می شود. در اینگونه مطالعات علاوه بر سنجش بیان کل ژنها می توان به تنوع ژنتیکی موجودات مورد بررسی دست یافت. چنین دادههایی بینش و اطلاعات مهمی در بارهی تنوع بین گونههای دارای اطلاعات اندک فراهم مینمایند ( Stanley et al., 2013).
تفسیر عملکرد بیشتر ژنها محدود است شاید چون نیاز به تعداد زیادی از ژنهاست که وظایف و عملکرد آنها مشخص باشد. ایجاد شبکههای ژنی هم بیان رویکرد قدرتمندی جهت تلفیق اطلاعات حاصل از تنوع بیان ژن مجموعه داده ها حاصل از آنالیزها ارائه میدهد که اجازه میدهد تفسیرها و استنتاج های حاصل از ژنهایی که قبلا چندان بررسی نشدند، بدست آید .( Stanley et al., 2013)
شکل۲- جایگاههای ژنی مؤثر بر بیان ژن و روابط بین عوامل ژنتیکی و غیر ژنتیکی
هدف عمده سیستم بیولوژی شناسایی عوامل ژنتیکی مؤثر در توزیع فنوتیپی صفات پیچیده و فهم اثرات متقابل آنها در شبکههای پیش بینی کننده دخیل در تنوع ژنتیکی هستند. تنظیم ژنتیکی بیان ژن بوسیلهی سنجش ترانسکریپتها در جمعیتهای مجزا کشف شده و منجر به شناسایی جایگاههای کمی صفات مؤثر بر بیان ژن (eQTL) شده است. eQTL mapping در انسان، مخمر، موش و گیاهان انجام شده و ژنهایی که بر توزیع جایگاه ژنی سیس مؤثر بر صفات فنوتیپی نقش دارند، شناسایی شدند (Drost et al., 2016). eQTL mapping در ارتباط با آنالیز QTL سنتی، چندشکلی های مؤثر بر تنوع صفات فنوتیپی را در چندین گونه شناسایی نموده است و کمک زیادی به نقش تنظیمی ترانسکریپتوم در تکامل نموده است. معماری ژنتیکی بیان ژن هر فرد اولین سطح در سلسله مراتب تنظیم ترانسکریپتومی در توسعه ارگانیسم هر فرد میباشد. پروفایل کل بیان ژنوم و دادههای eQTL اهرم قدرت شبکههای ترانسکریپتومی و مسیرهای ژنی هستند. شبکههای ترانسکریپتومی از دادههای eQTL شناسایی میشوند و نقشهای بیولوژیکی از وظایف تنظیمی و اعضای ژنی این شبکهها استنتاج میشود (Drost et al., 2016).
جمع بندی
در جمعیتهای حیوانی برخی از صفات سودمند که ارزش اقتصادی جهت بکارگیری در برنامههای انتخاب و اصلاح نژادی دارند هنوز بطور کافی مورد مطالعه قرار نگرفتهاند، در واقع میتوان گفت بسیاری از ژنها و مسیرهای ژنتیکی که مرتبط با این صفات هستند، هنوز تا حد زیادی ناشناخته ماندهاند. شناسایی تنوع ژنتیکی که در اثر تغییرات بیان ژنها که حالت سیس یا ترانس داشته باشند، پتانسیل مهمی را برای شناسایی ساز و کارهای مسیرهای ویژه مرتبط با صفات مهم را فراهم میآورند. شناسایی این مسیرها یک هدف مهم در پژوهشهای مربوط به ژنوم حیوانات میباشد (Kogelman et al., 2011).
برای اطلاعات بیشتر در این زمینه به مقالات زیر مراجعه کنید:
Thomas F. Hansen. 2006. The Evolution of Genetic Architecture. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. 37 (1): 123–۱۵۷٫ doi:10.1146/annurev.ecolsys.37.091305.11022.
Stadler, Peter.; Stadler, Bärbel M. R. 2015. Genotype-Phenotype Maps. Biological Theory. (3): 268–۲۷۹٫ ۱۵۵۵-۵۵۴۲. doi:10.1162/biot.2006.1.3.268.
Scott A. Pavey, Helene Collin, Patrik Nosil, and Sean M. Rogers. 2010.The role of gene expression in ecological speciation. ANNALS OF THE NEW YORK ACADEMY OF SCIENCES. 1206 (2010) 110–۱۲۹, doi: 10.1111/j.1749-6632.2010.05765.x.
Julien F Ayroles, Mary Anna Carbone, Eric A Stone, Katherine W Jordan, Richard F Lyman, Michael M Magwire, Stephanie M Rollmann, Laura H Duncan, Faye Lawrence, Robert R H Anholt & Trudy F C Mackay. 2009. Systems genetics of complex traits in Drosophila melanogaster. Nature Genetics 41, 299 – ۳۰۷, doi:10.1038/ng.332.
Arun Kommadath, , Hua Bao, Igseo Choi, James M. Reecy, James E. Koltes, Elyn Fritz-Waters, Chris J. Eisley, Jason R. Grant, Robert R. R. Rowland, Christopher K. Tuggle, Jack C. M. Dekkers, Joan K. Lunney, Le Luo Guan, Paul Stothard1 & Graham S. Plastow. 2017. Genetic architecture of gene expression underlying variation in host response to porcine reproductive and respiratory syndrome virus infection. Scientific Reports 7:46203 doi: 10.1038/srep46203.
Dragana Stanley, Nathan S Watson-Haigh, Christopher JE Cowled and Robert J Moore,.2013. Genetic architecture of gene expression in the chicken. BMC Genomics 2013, 14:13. doi: 10.1186/1471-2164-14-13.
Lisette JA Kogelman, Keren Byrne, Tony Vuocolo, Nathan S Watson-Haigh, Haja N Kadarmideen, James W Kijas, Hutton V Oddy, Graham E Gardner, Cedric Gondro and Ross L Tellam. 2011. Genetic architecture of gene expression in ovine skeletal muscle. BMC Genomics, 12:607. doi: 10.1186/1471-2164-12-607.
Derek R. Drost , Catherine I. Benedict, Arthur Berg, Evandro Novaes, Carolina R. D. B. Novaes, Qibin Yua, Christopher Dervinis, Jessica M. Maia, John Yap, Brianna Miles Matias Kirst. .2016. Diversification in the genetic architecture of gene expression and transcriptional networks in organ differentiation of Populus. PANAS, 8492–۸۴۹۷, doi: 10.1073/pnas.0914709107.
Jenny Tung, Xiang Zhou, Susan C Alberts, Matthew Stephens. Yoav Gilad. 2015.The genetic architecture of geneexpression levels in wild baboons. eLife 2015;4:e04729. doi: 10.7554/eLife.04729.
Prashanth Suravajhala, Lisette J. A. Kogelman, Haja N. Kadarmideen (2016) Multi-omic data integration and analysis using systems genomics approaches: methodsand applications in animal production, health and welfare. Genetics Selection Evolution.48-38. doi:10.1186/s12711-016-0217-x.
با سلام. به نظر من مطلب بسیار جالبی هست.
سلام
ممنون بابت مطالب به روز و خوبی که در اختیار علاقمندان قرار می دهید، مطالب زیادی از این وب سایت یاد می گیریم.
خواهش میکنم لطف دارید!
با سلام. ایجاد یک سایت خیلی ایده ی جالب و به جایی است. امیدوارم شرایطی پیش بیاید که در مورد ایده های جدید اصلاح نژادی بحث و تبادل نظر بشود
شما میتونید در قسمت نظرات هر پست نظر خود را بگذارید! امیدوارم که دوستان و همکاران عزیز کمک کنند تا بحث ها مفید واقع شوند.