الحمض النووي الريبي
اكتُشِف الحمض النووي الريبي (آر إن إيه) في أوائل القرن العشرين، لكن الفرق بين الحمض النووي الريبي والحمض النووي الريبي المنقوص الأكسجين، لم يكن واضحًا في ذلك الوقت. لكن بحلول منتصف القرن العشرين، بات واضحًا أن الحمض النووي الريبي يختلف اختلافًا واضحًا عن الحمض النووي في كلٍّ من التركيب والوظيفة. وكانت أولى جزيئات الحمض النووي الريبي التي اكتشفت هي تلك التي تدخل في تخليق البروتين، والحمض النووي الريبي المرسال، والحمض النووي الناقل، والحمض النووي الريبوسومي. في السنوات الأخيرة، حُدِّد عددٌ كبير من جزيئات الحمض النووي الريبي الإضافية. وهذه الجزيئات هي عبارة عن جزيئاتٍ غير مُشَفرة من الحمض النووي الريبي لا تدخل في تخليق البروتين، ولكن تدخل في تنظيم التعبير الجيني. وقد تيسَّرت هذه الاكتشافات من خلال المشروعات الدولية الواسعة النطاق، مثل مشروع موسوعة عناصر الحمض النووي الذي أُطْلِق في عام ٢٠٠٣، ويهدف إلى توصيف وظائف المكونات غير المُشَفرة للبروتين في الجينوم، إن وُجِدَت هذه الوظائف. ومع الاكتشاف السريع لجزيئاتٍ جديدةٍ غير مُشَفرةٍ من الحمض النووي الريبي، أصبح واضحًا الآن أن عالَم الحمض النووي الريبي أثرى بكثيرٍ مما توقَّعْنا في البداية.
الحمض النووي الريبي، على غرار الحمض النووي، هو سلسلةٌ تتكوَّن من نوكليوتيدات متكررة يرتبط فيها كل نوكليوتيد بالنوكليوتيد الذي يليه من خلال رابطةٍ كيميائية. غير أن بِنية الحمض النووي الريبي تختلف عن بنية الحمض النووي بثلاث طُرق جوهرية. أولًا: السكر في الحمض النووي الريبي عبارة عن ريبوز، في حين أنه في الحمض النووي هو عبارة عن ديوكسي ريبوز. ثانيًا: في الحمض النووي الريبي، تتكوَّن قواعد النوكليوتيدات من أدينين، وجوانين، وسيتوسين ويوراسيل بدلًا من أدينين، وجوانين، وسيتوسين، وثايمين. ويتَّسم كلٌّ من اليوراسيل والثايمين بخصائص تزاوُج قاعدي مماثِلة؛ ومِن ثَم يحدث تزاوُج قاعدي بين اليوراسيل والأدينين. ثالثًا: الحمض النووي الريبي هو جزيء أُحادي الشريط على عكس الحمض النووي الثنائي الشريط. فالحمض النووي الريبي ليس لولبيَّ الشكل، ولكن يمكن أن يُطوى ليتَّخِذ شكل دبوس شعر أو بِنية حلقة جذعية، وهذا عن طريق تزاوُج القواعد بين المناطق المكملة داخل جُزيء الحمض النووي الريبي نفسه. ويمكن أن تُطْوى هذه البُنى الثانوية الثنائية الأبعاد لتكوين بُنًى ثلاثية الأبعاد. جُزيء الحمض النووي الريبي قادر على التفاعل ليس فقط مع نفسه، ولكن أيضًا مع جزيئات الحمض النووي الريبي الأخرى، ومع جزيئات الحمض النووي والبروتينات. وهذه التفاعلات، إلى جانب المجموعة المتنوعة من التشكيلات التي يمكن أن تتَّخِذها جزيئات الحمض النووي الريبي، تُمَكِّنها من تنفيذ مجموعةٍ كبيرةٍ من الوظائف.
دور الحمض النووي الريبي في تخليق البروتين
تصنع البروتينات في الخلية عن طريق عمليةٍ من خطوتَين، وهما النَّسْخ والترجمة. أثناء النسخ، يُنسَخ أولًا الترميز الجيني للبروتين المراد إنتاجه إلى حمض نووي ريبي مِرسال، يُترجَم لاحقًا إلى بروتين واحد أو أكثر.
النسخ
عن طريق إضافة نوكليوتيد جوانين معدل، بينما
يُضاف ذيل بولي أدينين يتكوَّن من حوالي ٢٥٠ نوكليوتيد أدينين عند
النهاية ٣
. تمنع القُبعةُ والذيلُ الحمضَ النووي الريبي
المرسال من التفكك ويسمحان له بالمرور من النواة إلى السيتوبلازم،
حيث تتمُّ عملية الترجمة (انظر شكل ٣-١).
، وذيل ٣
. وتحتوي هذه النسخة الناضجة أيضًا على تسلسُلاتٍ
في نهاية النسخة تسبق القبعة والذيل تُسمَّى بالمناطق غير المترجمة
أو تسلسلات المناطق غير المترجمة. تحتوي تسلسلات المناطق غير
المترجمة هذه على معلوماتٍ تنظيمية، مثل عدد المرات التي ستُترجَم
فيها النسخة إلى بروتين ومدة بقائه في الخلية قبل أن يتحلل.
الترجمة
جزيئات الحمض النووي الريبي المُنَظِّمَة
اكتشف الباحثان أندرو فاير وكريج ميللو تداخُل الحمض النووي الريبي بشكلٍ غير مُتوقَّع أثناء محاولتهما التلاعُب في التعبير الجيني لجيناتٍ مُعينة في دودة الربداء الرشيقة الخيطية. ووجدا أن حَقْن حمض نووي ريبي ثنائي الشريط في الدودة الخيطية قد ثبَّط التعبير عن الجين المستهدف على نحوٍ أكثر فاعلية من إضافة حمضٍ نووي ريبي ثُنائي فحسب. ومنذ نَشْر اكتشاف فاير وميللو في عام ١٩٩٨، دُرِسَ تداخُل الحمض النووي الريبي على نطاقٍ واسع في العديد من الكائنات الحية، كان من ضمنها ذبابة الفاكهة والخميرة والنباتات والبشر. وقد اكتُشفت ثلاث فئات من جزيئات تداخُل الحمض النووي الريبي حتى الآن، ومن بينها جزيئات الحمض النووي الريبي الميكروي التي تُعتبر أحد المنظِّمات الرئيسة للتعبير الجيني في البشر.
الحمض النووي الريبي الميكروي
تُنسَخ جزيئات الحمض النووي الريبي الميكروي من عدة مواقع مختلفة في الجينوم البشري. وتُنتَج على شكل جزيئات طويلة من الحمض النووي الريبي تُطوى بحيث تتَّخِذ بِنيةَ حلقةِ دبوس شعر. يُؤدِّي وجود الحمض النووي الريبي الثنائي الشريط داخل الخلية إلى تنشيط آلية تداخل الحمض النووي الريبي التي تؤدي بدورها في النهاية إلى إسكات الجينات. وقد تم تحديد نحو ألف جين مشفِّر للحمض النووي الريبي الميكروي في البشر، وهي تُنظِّم مجموعة كاملة من العمليات البيولوجية المختلفة في جميع مراحل التطور البشري، بداية من مرحلة الجنين إلى مرحلة البلوغ. ويرتبط الخلل الوظيفي فيها بمجموعة من الأمراض، من ضمنها السرطانات وأمراض القلب والاضطرابات المناعية التي سنتطرق لأمثلة منها في الفصل الخامس والسابع والتاسع.
استخدام تداخل الحمض النووي الريبي في البحث والعلاج
في الوقت الراهن، يُستغَل مسار تداخل الحمض النووي الريبي، الذي يحدث بشكل طبيعي، على نطاق واسع في المختبرات لدراسة وظيفة الجينات. من الممكن تصميم جزيئات حمض نووي ريبي مُتداخلة قصيرة من الحمض النووي الريبي اصطناعيًّا بتسلسُل مُكمل للجين قيد الدراسة. بعد ذلك، تُدخَل جزيئات الحمض النووي الريبي المزدوجَة الشريط في الخلية عن طريق تقنياتٍ خاصة لتثبيط التعبير عن هذا الجين مؤقتًا. ومن خلال دراسة تأثيرات النمط الظاهري لهذا الانخفاض الحادِّ في التعبير الجيني، يمكن تحديد وظيفة هذا الجين.
كذلك تتم تجربة العلاج بالحمض النووي الريبي المتداخِل القصير على عددٍ من الأمراض الأخرى، من ضمنها السرطانات وأمراض الكبد والالتهابات الفيروسية. وأحد التحدِّيات الرئيسة التي تُواجه استخدام تداخُل الحمض النووي الريبي كعلاج هو توجيه الحمض النووي الريبي المتداخل القصير إلى خلايا بعينها تتطلَّب إسكات الجينات. فإذا أُطْلِقَت الإنزيمات مباشرةً في مجرى الدم، فإنها تؤدي إلى تفكيك جزيئات الحمض النووي الريبي المتداخِل القصير. وبالإضافة إلى ذلك، لا يمكن للجزيئات المرور عبر غشاء الخلية الكارهة للماء ودخول الخلية؛ نظرًا لكونها جزيئاتٍ سالبة الشحنة. ومن المشاكل الأخرى المحتملة أنَّ جزيئات الحمض النووي الريبي المتداخِل القصير يمكن أن تُحفِّز الاستجابة المناعية للجسم ويمكن أن تُحدِث تأثيرات خارج نطاق المكان المستهدف عن طريق إسكات جزيئات أخرى من الحمض النووي الريبي غير تلك التي صُمِّمت خصِّيصى لاستهدافها. وقد تضمَّنت بعض التجارب السريرية الأولى حقْن جزيئات الحمض النووي الريبي المتداخِل القصير مباشرةً في العين لعلاج فقدان البصر في الضمور البُقعي المرتبط بتقدُّم العمر والوذمة البُقعية السُّكَّرية. غير أن الحقْن المباشر غير ممكن لجميع الحالات، ويُولي العلماء حاليًّا اهتمامًا كبيرًا لتصميم جزيئات حاملة يمكنها نقل الحمض النووي الريبي المتداخل القصير عبر مجرى الدم إلى الخلية المريضة. وأحد هذه الجزيئات الحاملة هو الجسيمات النانوية الدهنية. وهذه الجسيمات هي جزيئات صغيرة جدًّا يتراوح حجمها بين ٧٠ و٨٠ نانومترًا، يُغَلَّف فيها الحمض النووي الريبي المتداخِل القصير. وبذلك يمكن نقل جُزيئات الحمض النووي الريبي المتداخِل القصير عبر مجرى الدم مَحميَّةً من تأثير الإنزيمات المُفَكِّكَة، ويمكن أيضًا أن تمرَّ عبر غشاء الخلية الكارهة للماء إلى سيتوبلازم الخلية. تشترك بعض هذه الحاملات في حمل جزيئات الاستهداف بحيث تمتصُّ الخلية المريضة على وجه التحديد الحمض النووي الريبي المتداخل القصير الذي يستهدفها. وقد اختبرت شركة «كالاندو» للأدوية هذه الاستراتيجية لأول مرةٍ عن طريق تغليف الجسيمات النانوية التي تحمل الحمض النووي الريبي المتداخِل القصير ببروتين يُسمَّى الترانسفيرين. يرتبط الترانسفيرين ببروتين مُعيَّن يُعرَف بمُسْتَقبِل الترانسفيرين يُوجَد على سطح الخلايا. وبمجرد حدوث الارتباط، تدخل الجسيمات النانوية في السيتوبلازم الخلوي. وتُوجَد مستقبلات الترانسفيرين بكمياتٍ كبيرة على سطح الخلايا السرطانية مقارنة بالخلايا الطبيعية؛ ومن ثم فإن الخلايا السرطانية تُفضِّل امتصاص الجسيمات النانوية. يخضع هذا النهج للتجربة أيضًا لعلاج المرضى الذين يُعانون من أمراضٍ أُخرى مثل المصابين بفيروس التهاب الكبد بي.
جزيئات الحمض النووي الريبي غير المُشَفِّرَة الطويلة
تمَّ تحديد ما يقرُب من ١٠ آلاف جزيء طويل غير مُشَفِّر من الحمض النووي الريبي لدى البشر حتى الآن من خلال مشروع «إنكود». ولم يتم توصيف وظائف غالبية هذه الجزيئات. ولكن من بين الجزيئات التي خضعت للدراسة، من الواضح أن جزيئات الحمض النووي الريبي غير المُشَفِّرَة الطويلة تلعب دورًا في تنظيم التعبير عن جينات تشفير البروتين على مستوياتٍ عديدة. فيمكنها التحكم فيما إذا كان جينٌ بعينه سيُنسَخ أم لا، وفي عملية توصيل نُسَخ الحمض النووي الريبي المرسال، وفيما إذا كانت نُسخة الحمض النووي الريبي المرسال ستُترجَم إلى بروتين أم لا. لعبت جزيئات الحمض النووي الريبي غير المُشَفِّرَة الطويلة دورًا أيضًا في تطور عدد من الأمراض، من بينها السرطانات والاضطرابات العصبية والأمراض المناعية وأمراض القلب والأوعية الدموية. وسنتناول بعض المسارات التي تعمل فيها جزيئات الحمض النووي الريبي غير المُشَفِّرَة الطويلة في الفصل الخامس.
الحمض النووي الريبي المحفِّز
هناك فئة أخرى من الحمض النووي الريبي، ألا وهي الرايبوزيم أو إنزيمات الحمض النووي الريبي التي اكتُشِفت لأول مرة في عام ١٩٨٢ في البكتيريا ثم في الكائنات الحقيقية النواة. تعمل جزيئات الحمض النووي الريبي هذه كإنزيمات تُحفز تفاعلات كيميائية حيوية مُحدَّدة بطريقةٍ مماثلة لإنزيمات البروتين. لذا فهي تُعرَف أيضًا باسم جزيئات الحمض النووي الريبي المحفز. تُحفز بعض إنزيمات الحمض النووي الريبي، مثل الحمض النووي الريبي الصغير النووي، توصيل نُسَخ الحمض النووي الريبي المرسال الأولية لقطع تسلسلات الإنترون المتداخلة وربط تسلسلات الإكسون المجاورة معًا. وبالمثل، يُعتبر الحمض النووي الريبي الريبوسومي — وهو مُكوِّن الحمض النووي الريبي الموجود في الريبوسومات — أيضًا من فئة الحمض النووي الريبي المحفز. فهو يحفز تكوين روابط الببتيد التي تربط الأحماض الأمينية معًا في سلسلةٍ عديدة الببتيد أثناء تخليق البروتين.
يمكن تخليق إنزيمات الحمض النووي الريبي اصطناعيًّا في المختبر للأغراض العلاجية. في هذه الحالة، يُصَمَّم إنزيم الحمض النووي الريبي ليرتبط بالحمض النووي الريبي المرسال المستهدَف ويَشقَّه، ما يؤدي إلى تثبيط التعبير عن هذا الجين. ومن ثم، فهو يستخدِم نهجًا علاجيًّا شبيهًا لنهج الحمض النووي الريبي المتداخِل القصير عن طريق إسكات التعبير عن الجينات المسببة للمرض أو المعزِّزة له. اختبرت إنزيمات الحمض النووي الريبي التي تستهدف جزيئات بعينها الحمض النووي الريبي في عددٍ من التجارب السريرية كعلاجٍ لأمراض سرطان الكُلى والثدي وبعض الالتهابات الفيروسية، بما في ذلك فيروس نقص المناعة البشرية وفيروس التهاب الكبد الوبائي سي. يتقيَّد العلاج القائم على إنزيمات الحمض النووي الريبي — شأنه في ذلك شأن العلاج بالحمض النووي الريبي المتداخِل القصير — بالتوصيل غير الفعَّال إلى الخلايا المستهدفة وبالتأثيرات التي تحدُث خارج نطاق المكان المستهدف، ويجري المزيد من العمل لتحسين فائدة هذه الجزيئات كأدواتٍ علاجية.
كيف ندرس الحمض النووي الريبي؟
هناك عدد من التقنيات المعملية المختلفة التي يُمكن استخدامها لدراسة جزيئات الحمض النووي الريبي. وكانت إحدى التقنيات الأولى التي طُوِّرَت هي لطخة نورثرن. تُشبه هذه الطريقة طريقة لطخة ساذرن، ولكن بدلًا من تحديد الحمض النووي، تُحدد جزيئات مُعينة الحمض النووي الريبي من خليطٍ من الجزيئات. في البداية، يُستخلَص الحمض النووي الريبي من خليةٍ معينة أو نوعٍ مُعين من الأنسجة. بعد ذلك تُفصل جزيئات الحمض النووي الريبي داخل العينة طبقًا للحجم باستخدام الفصل الكهربي، ثم تنقل إلى غشاءٍ تلتصق به المجموعة الكاملة لجزيئات الحمض النووي الريبي المستخلَصة. بعد ذلك، يُضاف إلى الغشاء مسبار موسوم، يكون تسلسُلُه مكملًا لتسلسل الحمض النووي الريبي قيد البحث. عند تعرُّض اللطخة لظروفٍ مُعينة، يُحدَّد جزيء الحمض النووي الريبي الذي هجَّنَهُ المسبار.
حل محل تقنية لطخة نورثرن في الوقت الحالي تقنيات أسرع وأكثر حساسية مثل تقنية تفاعل البوليمراز المتسلسل ذي النَّسْخ العكسي. في تقنية تفاعل البوليمراز المتسلسل ذي النسخ العكسي، يُستخرَج الحمض النووي الريبي المرسال من الخلايا أو الأنسجة، ويُحوَّل إلى حمضٍ نووي مكمل، ثم يُضخَّم لاحقًا. لتحديد كمية الجين (الحمض النووي الريبي المرسال) التي يتم التعبير عنها، يمكن استخدام تقنية مُلحقة تُعرَف باسم تفاعل البوليمراز المتسلسل الكمِّي أو اللحظي. وتُفيد هذه التقنية عند مقارنة التعبير الجيني بين أنواع الخلايا المختلفة أو في الخلايا في ظلِّ ظروفٍ فسيولوجية أو تجريبية مختلفة.
مصفوفات الحمض النووي الدقيقة
تُتيح تقنية لطخة نورثرن وتفاعل البوليمراز المتسلسل ذي النَّسخ العكسي قياسَ التعبير عن جينٍ واحد أو بضعة جينات في وقتٍ واحد. وعلى العكس من ذلك، تسمح تقنية مصفوفات الحمض النووي الدقيقة بقياس التعبير الجيني عَبْر الجينوم الكامل لكائنٍ حي في خطوةٍ واحدة. وتُفيد تقنية تحليل الجينوم على نطاقٍ ضخمٍ إلى حدٍّ كبير عند مقارنة مخططات تحليل التعبير الجيني بين عينتَين. على سبيل المثال، المقارنة بين الأنسجة السليمة والأنسجة المريضة؛ أو الخلايا التي تُحقَن بعقاقير والخلايا التي لا تتعرض لذلك، أو الخلايا المصابة بكائناتٍ مُمرِضة والخلايا غير المصابة. يمكن أن يُحدد هذا مجموعات الجينات الفرعية التي يُعبَّر عنها بشكلٍ منقوص أو مُفرط في عينةٍ واحدةٍ مقارنة بالعينة الثانية التي تُقارَن بها. في هذه الطريقة، يستخرج الحمض النووي الريبي المرسال من كلتا العينتَين ويُحوَّل إلى حمضٍ نووي مُكمل باستخدام إنزيم النسخ العكسي. وللتمييز بين العينتَين، يُوسَم الحمض النووي المكمل لإحدى العينتين بواسمةٍ فلورية حمراء، ويُوسَم الثاني بواسمةٍ فلورية خضراء. تُدمَج العيِّنتان معًا ثم تضافان إلى مصفوفةٍ من مصفوفات الحمض النووي الدقيقة أو إلى رقاقة الحمض النووي. ورقاقة الحمض النووي هي عبارة عن تسلسُلات حمضٍ نوويٍّ تُمثل جيناتٍ مختلفةً مُثبتةً على دعامةٍ مصغَّرة، كشريحةٍ زجاجيةٍ على سبيل المثال. عند إضافة العينات المدمجة، يرتبط الحمض النووي المكمل بالتسلسُلات المكملة على المصفوفة. تُمْسَح المصفوفة ضوئيًّا بحثًا عن الفلورية وتُلتقَط لها صورٌ باستخدام مجهرٍ فلوري. تمثل شدة الضوء الفلوري لكل تسلسلٍ للحمض النووي عددَ جزيئات الحمض النووي المُكمل الموسومة المرتبطة بهذا التسلسُل؛ ومن ثم كمية الحمض النووي الريبي المرسال الموجودة في العينة الأصلية. ومن خلال تحليل هذه البيانات حاسوبيًّا، يمكن قياس الاختلافات النسبية في التعبير الجيني بين العينتين.
