بعد ما يقرب من عقدين من البحث، أكمل علماء في اليابان الخريطة الجينية لسمكة الأرز اليابانية، أو الميداكا، مما سد الفجوات المتبقية في أحد أهم الجينومات المخبرية في علم الأحياء.
تكشف الدراسة، التي نُشرت في مجلة Genome Research، عن مناطق لم يكن الوصول إليها ممكناً سابقاً من الحمض النووي، والتي يمكن أن تعمق فهم العلماء لوظيفة الكروموسومات وتحديد الجنس ودور العناصر الوراثية المتنقلة في التطور.
على الرغم من أن طولها لا يتجاوز بضعة سنتيمترات، فقد أصبحت سمكة الميداكا أحد الكائنات النموذجية الرائدة في العالم. يستخدم الباحثون هذه السمكة على نطاق واسع للتحقيق في علم الوراثة، والتطور الجنيني، والأمراض، والتطور، وذلك لأنها تتكاثر بسهولة، وتنمو بسرعة، وتشارك العديد من الخصائص البيولوجية مع الفقاريات الأخرى، بما في ذلك البشر.
تم إنتاج المسودة الأولى لجينوم الميداكا قبل ما يقرب من 20 عاماً باستخدام تسلسل سانغر (Sanger sequencing)، وهي تقنية تسلسل الحمض النووي الرائدة في ذلك الوقت. وبينما نجحت في فك تشفير معظم جينوم السمكة، إلا أن هذه التقنية لم تتمكن إلا من قراءة أجزاء قصيرة نسبياً من الحمض النووي، مما ترك العديد من المناطق المعقدة دون حل.
بعد حوالي عقد من الزمان، أعاد الباحثون النظر في الجينوم باستخدام تقنية تسلسل الجزيء الواحد في الوقت الفعلي من PacBio (PacBio Single Molecule Real-Time sequencing)، والتي أنتجت قراءات أطول بكثير للحمض النووي وحسّنت التجميع بشكل كبير. ومع ذلك، بقيت حوالي 1000 فجوة.
تركزت معظم هذه الأقسام المفقودة في مناطق غنية بالحمض النووي المتكرر للغاية، حيث تتكرر التسلسلات المتطابقة مراراً وتكراراً. لطالما شكلت هذه المناطق تحدياً لعلماء الجينوم لأن الأنماط المتكررة تجعل من الصعب تحديد الترتيب والموقع الصحيحين لأجزاء الحمض النووي.
قال يوشيهيكو سوزوكي من منظمة أبحاث المعلومات والأنظمة (ROIS)، الذي قاد الدراسة: "لقد شرعنا في إكمال تسلسل جينوم سمكة الميداكا، الذي كان يحتوي سابقاً على حوالي 1000 فجوة، والكشف عن معلومات بيولوجية مهمة مخبأة في تلك الفجوات، بما في ذلك رؤى حول استقرار الكروموسومات، والحمض النووي المتنقل، وتحديد الجنس".
للتغلب على هذه العقبات، جمع فريق البحث بين تقنيتين متقدمتين لتسلسل الحمض النووي. أنتجت إحداهما قراءات طويلة ودقيقة للغاية للحمض النووي، بينما أنتجت الأخرى قراءات فائقة الطول قادرة على تغطية حتى أكثر الأقسام تكراراً في الجينوم.
باستخدام هذا النهج، أكمل الباحثون جينوم سلالة واحدة من الميداكا اليابانية وأنتجوا تجميعات جينوم شبه كاملة لسلالتين إضافيتين؛ إحداهما من اليابان والأخرى من كوريا.
مكّنت الجينومات المكتملة الفريق من تحليل المناطق التي ظلت غير قابلة للوصول إلى حد كبير في السابق.
كان من بين أهم هذه المناطق السنتروميرات (centromeres)؛ وهي هياكل الكروموسومات المسؤولة عن ضمان انفصال الكروموسومات بدقة أثناء انقسام الخلية. يمكن أن تؤدي الأخطاء في هذه العملية إلى إنتاج خلايا بكروموسومات مفقودة أو زائدة، مما يساهم في العديد من الاضطرابات الوراثية.
وجد الباحثون أن تسلسلات الحمض النووي المتكررة داخل سنتروميرات الميداكا متشابهة بشكل ملحوظ عبر السلالات المختلفة. وهذا يتناقض مع العديد من النباتات والحيوانات الأخرى، حيث تتطور هذه التسلسلات بسرعة. يعتقد الفريق أن هذا الاستقرار قد يساعد البروتينات على الالتصاق بالكروموسومات بشكل أكثر موثوقية أثناء انقسام الخلية، مما يقلل من خطر الأخطاء الوراثية.
تقدم الدراسة أيضاً رؤى جديدة حول عنصر وراثي متنقل غير عادي يُعرف باسم "تيراتورن" (Teratorn).
على عكس معظم الحمض النووي المتنقل، يجمع "تيراتورن" بين الجينوم الكامل لفيروس الهربس وعنصر قابل للنقل (transposable element) وهو جزء من الحمض النووي قادر على الانتقال إلى مواقع مختلفة داخل الجينوم. أظهرت الدراسات السابقة أن "تيراتورن" يمكن أن يؤثر على نمو الزعانف عن طريق تغيير نشاط الجينات المجاورة، ويؤكد تجميع الجينوم الجديد أن هذا العنصر الوراثي المذهل قد استمر داخل جينوم الميداكا.
فحص الباحثون أيضاً الكروموسومات الجنسية للسمكة. على عكس العديد من الأنواع التي يفقد فيها الكروموسوم Y الجينات تدريجياً على مدى ملايين السنين، احتفظت الميداكا بأزواج جينية متطابقة على كل من الكروموسومين X و Y، باستثناء منطقة صغيرة توجد فقط على الكروموسوم Y. يشير هذا إلى أن تطور الكروموسومات الجنسية في الميداكا قد اتبع مساراً مختلفاً عن ذلك الذي لوحظ في العديد من الأنواع ذات الصلة.
قال سوزوكي: "المناطق الجينومية التي كانت تعتبر في السابق صعبة للغاية لفك تشفيرها تحتوي على رؤى بيولوجية رئيسية حول كيفية توزيع الكروموسومات بدقة على الخلايا الجديدة، وكيف يبقى الحمض النووي المتنقل في الجينوم، وكيف يتم تحديد الجنس البيولوجي".
على الرغم من أن الدراسة تركز على سمكة مختبرية صغيرة، إلا أن الباحثين يعتقدون أن آثارها تمتد إلى ما هو أبعد من بيولوجيا الميداكا. فالعديد من مناطق الحمض النووي التي يصعب تسلسلها والتي تم تحديدها في السمكة موجودة أيضاً في حيوانات أخرى، بما في ذلك البشر، وظلت غير مفهومة جيداً حتى التطورات الأخيرة في تكنولوجيا التسلسل.
