من الألبكة إلى الياك ، يسترد الحمض النووي للثدييات أسراره

لمعرفة المزيد عن البشر ، أمضى فريق دولي كبير من العلماء سنوات في تعقب بعض أغرب المخلوقات على الأرض. لقد قاموا بالتخييم على طوف جليدي في القطب الشمالي لجمع الحمض النووي من حيوان المروال ذي الأنياب الواحدة ، وصطادوا خفاشًا صغيرًا للنحلة الطنانة في منطقة غنية بالكهوف في جنوب شرق آسيا وغامروا خلف الكواليس في حديقة حيوانات كاريبية لسحب الدم من solenodon النحيف. ، أحد الثدييات السامة القليلة في العالم.

قارن الباحثون جينومات هذه الثدييات مع تلك الخاصة بتشكيلة متنوعة من الآخرين ، بما في ذلك خنزير الأرض ، والميركات ، والخلد ذي الأنف النجمي والإنسان. من خلال القيام بذلك ، تمكنوا من تحديد امتدادات الحمض النووي التي بالكاد تغيرت على مدى دهور من تطور الثدييات ، وبالتالي من المحتمل أن تكون حيوية لصحة الإنسان وعمله.

تتضمن قاعدة البيانات الجينية التي جمعوها الجينوم الكامل لـ 240 نوعًا ، تغطي أكثر من 80 بالمائة من عائلات الثدييات على الكوكب (بما في ذلك البشر). يمكن أن يساعد العلماء في الإجابة على مجموعة متنوعة من الأسئلة حول الحيوانات الأخرى ، مثل متى وكيف تطورت والأساس البيولوجي لبعض مواهبها غير العادية.

“ما الأشياء الرائعة التي يمكن أن تفعلها تلك الأنواع والتي لا يستطيع البشر القيام بها؟” قالت إلينور كارلسون ، عالمة الوراثة في كلية الطب UMass Chan ومعهد Broad ، والقائدة المشاركة لما يعرف بمشروع Zoonomia. “نحب دائمًا أن نفكر في البشر على أنهم النوع الأكثر خصوصية. لكن اتضح أننا مملون حقًا من نواح كثيرة “.

مجموعة بيانات Zoonomia لها قيود. يحتوي على جينوم واحد فقط لكل نوع (باستثناء الكلب المنزلي ، الذي تم تسلسله مرتين) ، وآلاف الثدييات مفقودة.

لكن في حزمة جديدة من الأوراق ، نُشرت في Science يوم الخميس ، أظهر فريق Zoonomia قوة هذا النوع من البيانات المتعددة الأنواع. وهذه فقط البداية.

قال مايكل ج. كامبانا ، عالم الجينوم الحاسوبي في معهد سميثسونيان الوطني لبيولوجيا الحيوانات والحفظ ، والذي لم يكن جزءًا من المشروع: “إن ترتيب الكثير من الجينوم ليس بالأمر الهين”. “المهم حقًا هو الاستفادة من هذه البيانات.”

فيما يلي بعض الأشياء التي يقوم بها علماء Zoonomia بالفعل:

كشف أسس المهارات الخاصة

للبحث عن أسس المواهب الحيوانية الاستثنائية ، سعى العلماء إلى التسلسلات الجينية التي تطورت بسرعة غير معتادة في الأنواع التي تشترك في سمة معينة ، مثل القدرة على السبات.

في أحد التحليلات ، ركز الباحثون على السبات العميق ، مثل الليمور القزم ذو الذيل السميك والخفاش ذو أذنين الفأر الأكبر ، والذي يمكنه الحفاظ على درجات حرارة منخفضة للجسم لأيام أو أسابيع في كل مرة. وجد الباحثون دليلاً على “التطور المتسارع” في مجموعة متنوعة من الجينات ، بما في ذلك الجينات المعروفة للمساعدة في حماية الخلايا من الإجهاد المرتبط بالحرارة والأخرى التي تمنع المسار الخلوي المرتبط بالشيخوخة.

قالت الدكتورة كارلسون: “تتمتع الكثير من الأنواع التي تعيش في فترة السبات بطول عمر استثنائي أيضًا” ، مما دفعها للتساؤل: هل تساهم التغييرات في هذا الجين في إطالة عمرها؟

استكشف الباحثون أيضًا حاسة الشم لدى الثدييات. تمتلك الحيوانات مجموعة كبيرة من المستقبلات الشمية المختلفة ، كل منها قادر على الارتباط ببعض الجزيئات المسببة للرائحة ؛ الأنواع التي تحتوي على جينات مستقبلات شمية أكثر لديها حواس شم أكثر حدة.

عندما أحصى فريق Zoonomia عدد هذه الجينات في كل نوع ، احتل فيل السافانا الأفريقي المرتبة الأولى ، حيث بلغ 4199. تبعه المدرع ذو النطاقات التسعة وكسل هوفمان ذو الأصابع المزدوجة ، في حين جاء أغوتي أمريكا الوسطى في المركز الرابع.

قال الدكتور كارلسون: “تبين أن الأغوتي يمتلك واحدة من أفضل ذخيرة حاسة الشم من أي حيوان ثديي ، لأسباب غير معروفة على الإطلاق”. “إنه تذكير بمدى التنوع الموجود هناك ولا نعرف أي شيء عنه.” (أشارت إلى أن الكلاب لم تثبت أنها “خاصة بشكل خاص” في هذا الصدد).

من ناحية أخرى ، تمتلك الحيتانيات – وهي مجموعة تضم الدلافين والحيتان – عددًا صغيرًا بشكل ملحوظ من جينات المستقبلات الشمية ، وهو أمر منطقي نظرًا لموائلها المائية. قالت كيرستين ليندبلاد توه ، عالمة الوراثة في معهد برود وجامعة أوبسالا والقائدة الأخرى لمشروع زونوميا: “إنهم يتواصلون بطرق أخرى”.

تميل الأنواع التي تحتوي على المزيد من جينات المستقبلات الشمية أيضًا إلى امتلاك المزيد من التوربينات الشمية ، وهي هياكل عظمية في تجويف الأنف تساعد على حاسة الشم. قال الدكتور ليندبلاد توه إن النتائج تشير إلى أنه “إذا كانت هناك سمات معينة مهمة ، فإنها تتطور بطرق متعددة”.

وأضافت: “أعتقد أن أحد الأشياء المهمة في مجموعة البيانات لدينا هو أنها تولد تسلسل الجينوم للعديد من الأنواع المختلفة بحيث يمكن للناس البدء في النظر إلى خصائصهم المفضلة.”

في فبراير 1925 ، في خضم تفشي مرض الدفتيريا ، قامت مجموعة من فرق الكلاب المزلقة بتسليم إمدادات طارئة من مضادات السموم إلى نومي ، ألاسكا ، والتي كانت معزولة بالثلج. أصبح Balto ، أحد الكلاب التي ركضت المحطة الأخيرة من التتابع ، مشهورًا ؛ عندما توفي بعد بضع سنوات ، تم عرض جثته المحنطة في متحف كليفلاند للتاريخ الطبيعي.

استخدم فريق من باحثي Zoonomia الآن قطعة صغيرة من هذا النسيج المحنط لمعرفة المزيد عن كلب الزلاجة الشهير وكلاب معاصريه. قالت كاثلين موريل ، مؤلفة ورقة Balto ، التي أجرت البحث كطالب دراسات عليا في كلية الطب UMass Chan وهي الآن عالمة بارزة في Colossal Biosciences: “لقد رأينا هذا على أنه تحدٍ صغير”. “ها هو هذا الشخص المشهور حقًا. لا نعرف الكثير عن علم الأحياء الخاص به. ماذا يمكننا أن نقول عن جينومه؟ “

ووجدوا أن Balto كان “أكثر صحة” وراثيًا من الكلاب الأصيلة الحديثة ، مع وجود تنوع جيني موروث أكثر وطفرات ضارة أقل. من المحتمل أن تنبع هذه النتيجة من حقيقة أن كلاب الزلاجات يتم تربيتها عادةً من أجل الأداء البدني وقد تكون مزيجًا من السلالات.

وجد الباحثون أن لدى Balto أيضًا مجموعة متنوعة من المتغيرات الجينية التي لم تكن موجودة في الذئاب وكانت نادرة أو مفقودة في الكلاب الأصيلة الحديثة. كانت هناك العديد من المتغيرات في الجينات المشاركة في نمو الأنسجة وربما أثرت على مجموعة متنوعة من السمات المهمة للكلاب المزلقة ، مثل سمك الجلد وتشكيل المفاصل. كان لدى Balto نسختان من هذه المتغيرات ، واحدة موروثة من كل والد ، مما يعني أنها كانت على الأقل شائعة إلى حد ما في كلاب الزلاجات في ألاسكا الأخرى في ذلك الوقت.

قالت كاتي مون ، باحثة ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز ، ومؤلفة الورقة البحثية: “نحصل على هذه الصورة الأكثر وضوحًا لما كان عليه وما كان سيبدو عليه سكانه”. “وهذه الصورة حقًا لكلاب مزلقة تعمل جيدًا.”

إلقاء الضوء على الجداول الزمنية التطورية

لقد ناقش العلماء منذ فترة طويلة على وجه التحديد كيف ومتى ظهرت تشكيلة متنوعة من الثدييات اليوم. هل تشعبت شجرة عائلة الثدييات فقط بعد انقراض الديناصورات ، قبل حوالي 66 مليون سنة؟ أم أن العملية تمت إلى حد كبير قبل الكارثة؟

يشير تحليل جديد مع جينومات Zoonomia إلى أن الإجابة هي كليهما. بدأت الثدييات في التنويع لأول مرة منذ حوالي 102 مليون سنة ، عندما كانت قارات الأرض تتفتت وبدأت مستويات سطح البحر في الارتفاع. قال ويليام مورفي ، عالم الوراثة التطورية في جامعة تكساس إيه آند إم ومؤلف الورقة البحثية: “عزل هذا أسلاف السلالات الحديثة على كتل أرضية مختلفة”.

لكن اندفاعًا آخر من التنوع جاء بعد انقراض الديناصورات ، كما وجد الباحثون ، عندما أتاح ظهور أرض جديدة واختفاء الزواحف السائدة للثدييات موائل وموارد وفرصًا جديدة.

قال سكوت إدواردز ، عالم الأحياء التطورية بجامعة هارفارد ، والذي لم يشارك في البحث: “إنها حقًا ورقة تاريخية”. “ربما يكون الأكبر من نوعه من حيث محاولة وضع الثدييات في نطاق زمني.”

وأضاف أن حزمة Zoonomia على نطاق أوسع هي “مجموعة ضخمة من الأعمال”. “ستضع حقًا معيارًا لفهمنا لتطور الثدييات في المستقبل.”

توقع مخاطر الانقراض

ترث الثدييات بشكل عام نسختين من معظم التسلسلات الجينية ، واحدة من كل والد. تحديد مدى تطابق هذه التسلسلات يمكن أن يوفر نظرة ثاقبة على حجم الحيوانات السابقة ؛ يمكن أن تكون الامتدادات الطويلة من الحمض النووي المطابق علامة على زواج الأقارب ، على سبيل المثال.

قال أرين وايلدر ، عالم الوراثة الحفظية في San Diego Zoo Wildlife Alliance ، إن جينوم حيوان واحد يعكس “مدى ارتباط والديه ، والأجداد ، والعودة إلى الوراء”.

استخدمت الدكتورة وايلدر وزملاؤها جينومات Zoonomia لتقدير أحجام مجموعات الأنواع المختلفة عبر التاريخ. مقارنةً بالأنواع التي كانت وفيرة تاريخيًا ، فإن تلك التي لديها مجموعات سكانية صغيرة في الماضي كانت لديها طفرات جينية أكثر ضررًا ومن المرجح أن يتم تصنيفها على أنها مهددة من قبل الاتحاد الدولي للحفاظ على الطبيعة.

قام الباحثون أيضًا بتحليل جينومات ثلاثة أنواع اعتبرها الاتحاد الدولي لحماية الطبيعة (IUCN) أن خطر انقراضها غير معروف بسبب نقص البيانات: الحوت القاتل ، فأر الخلد الأعمى في جبال الجليل الأعلى وفأر جافا (الذي يبدو تمامًا كما هو معلن) . أشارت النتائج إلى أن الحوت القاتل قد يكون أكثر عرضة للخطر.

قالت بيث شابيرو ، عالمة الحفريات القديمة في جامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز ، ومؤلفة الدراسة ، إن هذا النهج يمكن أن يوفر طريقة سريعة لتحديد أولويات الأنواع لإجراء تقييمات أكثر شمولاً وكثيفة الموارد للمخاطر. وقالت: “يمكن أن تكون طريقة مباشرة نسبيًا للقيام بفرز الحفظ”.