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 Yu^a, 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.