به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، دانشمندان توالی‌های ژنتیکی را شناسایی کرده‌اند که فعالیت ژن‌های مسئول رشد استخوان را تنظیم می‌کند. در پستانداران، تنها 3 درصد از ژنوم شامل ژن‌های کدکننده است که با رونویسی به پروتئین، عملکرد بیولوژیکی ارگانیسم و ​​رشد درون رحمی افراد آینده را تضمین می‌کند. اما ژن ها به تنهایی عمل نمی‌کنند. آنها توسط توالی‌های دیگری در ژنوم به نام تقویت کننده کنترل می شوند که مانند سوئیچ‌ها در صورت لزوم آنها را فعال یا غیرفعال می‌کنند. کندروسیت‌ها و ماتریکس خارج‌سلولی آن‌ها بلوک‌های ساختمانی ماژول‌های غضروف جنین را تشکیل می‌دهند که به تدریج از طریق استخوان‌سازی درون غضروفی به استخوان‌ها تغییر می‌یابند. جهش در فاکتورهای رونویسی (SOX9)، ماتریکس خارج سلولی (COL10A1، COL2A1) یا پروتئین های سیگنال دهی پاراکرین (FGFR3) که در تمایز سلول های غضروفی نقش دارند، نشان داده شده است که بر قد تأثیر می گذارد، اما همچنین باعث ایجاد طیف گسترده ای از اختلالات اسکلتی می‌شود. به طور خاص، نقش سلول‌های غضروفی در استخوان‌سازی اندوکندرا پیچیده است و شامل یک مسیر تکاملی دقیق است. ابتدا سلول های مزانشیمی به سلول های غضروفی تمایز می یابند که سپس مراحل بعدی تمایز طبقاتی را طی می‌کنند. در لایه‌های مرکزی تراکم، سلول‌های غضروفی هیپرتروفیک می‌شوند و رسوب مواد معدنی را امکان پذیر می‌کنند و باعث کلسیفیکاسیون استخوان‌های در حال رشد می‌شوند. در مقابل، در نزدیکی انتهای استخوان‌های در حال رشد، کندروسیت‌ها صفحه رشدی را تشکیل می‌دهند که رشد استخوان‌ها را حفظ می‌کند و در نهایت قد افراد را تعیین می‌کند. اگرچه مجموعه‌های اولیه ژن‌های غضروفی شناسایی شده‌اند و عملکرد بسیاری از آنها به تفصیل مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما ساختار تنظیمی که فعالیت آنها را در طول توسعه کنترل می‌کند، عمدتا ناشناخته باقی مانده است. تقویت‌کننده‌های اثر دور یک جزء کلیدی از معماری تنظیم‌کننده ژن هستند که فعالیت‌های رونویسی فضایی-زمانی و سلولی خاص ژن‌های هدف خود را تنظیم می‌کنند. برای انجام این کار، آنها ورودی تنظیمی را از مسیرهای سیگنالینگ و حالات سلولی در طول زمان از طریق اتصال فاکتورهای رونویسی یکپارچه می‌کنند.

تقویت‌کننده‌ها

ژن‌های رشدی اغلب توسط چندین تقویت‌کننده کنترل می‌شوند که در مجموع الگوهای بیان پیچیده‌شان را فعال می‌کنند و به شیوه‌ای کارکردی اضافی عمل می‌کنند. از یک طرف، تقویت‌کننده‌های متعدد اغلب برای بیان یک ژن در یک اندام یا بافت خاص ضروری هستند. از سوی دیگر، ژن‌های تکوینی اغلب پلیوتروپیک هستند، در چندین بافت فعال هستند، و بنابراین برای هر بافتی که در آن بیان می‌شوند، به مجموعه‌های تقویت‌کننده متمایز متکی هستند. بنابراین، برای دستیابی به عملکرد خود، ژن‌های تکوینی بر انواع تقویت‌کننده‌های مختلف تکیه می‌کنند، از تقویت‌کننده‌های اولیه الگوبرداری تا تقویت‌کننده‌های خاص نوع سلولی متأخر، که در مجموع تضمین می‌کنند که یک ژن در نوع سلولی مناسب، در مدت زمان‌های مشخص در موقعیت‌های مختلف جنینی بیان می‌شود. یک فهرست جامع تقویت‌کننده غضروفی، چشم‌انداز تنظیمی ژن‌های دخیل در غضروف‌زایی را تعریف می‌کند و تفسیر انواع توالی غیرکدکننده مرتبط با تنوع در مورفولوژی اسکلتی و آسیب‌شناسی نادر استخوانی مادرزادی را امکان‌پذیر می‌سازد. با استفاده از محل‌های اتصال فاکتور رونویسی غضروفی SOX9 در موش کالبد شکافی شده پس از تولد به عنوان یک پروکسی، مجموعه‌های اولیه تقویت‌کننده‌های غضروفی دنده وابسته به SOX9 شناسایی شدند. به همین ترتیب، پروفایل کروماتین برای شناسایی تقویت‌کننده‌های کاندید فعال در طی تمایز آزمایشگاهی سلول‌های بنیادی مزانشیمی انسانی به سلول‌های غضروفی استفاده شده است. در نهایت، امضاهای کروماتین باز سلول‌های غضروفی در داخل بدن برای مشخص کردن چشم‌انداز اپی ژنتیکی آنها نقشه‌برداری شد، با این حال، با ویژگی محدود زمانی که نواحی تقویت‌کننده غضروفی فعال به‌عنوان یک امضا به‌تنهایی هر دو نشانه آماده و مناطق فعال به میان می‌آیند. بنابراین، علی‌رغم این تلاش‌ها، چشم‌انداز وسیع ژنوم تقویت‌کننده‌های فعال در سلول‌های غضروفی در داخل بدن در طول رشد پیش از تولد اسکلت محوری و استخوان‌های بلند اندام‌ها، که عمدتاً مسئول قد هستند و معمولاً تحت تأثیر اختلالات اسکلتی نادر هستند، تعریف نشده باقی می‌ماند. در مطالعه حاضر، ما تقویت‌کننده‌های فعال در سلول‌های غضروفی جدا شده از عناصر اسکلتی جنینی را شناسایی می‌کنیم که در استخوان‌سازی اندوکندرا در داخل بدن شرکت می‌کنند. تقویت‌کننده‌های رشد را می‌توان با تجزیه و تحلیل نشانه‌های اپی ژنومیک از بافت‌های توده‌ای جدا شده شناسایی کرد و حالت‌های کروماتین مشخص مرتبط با تقویت‌کننده‌ها را آشکار کرد. از آنجایی که بافت ها دارای انواع سلولی متعددی هستند، توانایی تعریف ویژگی سلولی تقویت کننده‌ها از طریق این رویکرد محدود است. تیمی از محققان، تقویت‌کننده را در میان میلیون‌ها توالی ژنتیکی غیرکدکننده شناسایی و پیدا کرده‌اند که دقیقاً ژن‌های مسئول رشد استخوان را تنظیم می‌کنند. این کشف یکی از عوامل اصلی مؤثر بر اندازه افراد در بزرگسالی را روشن می‌کند و توضیح می‌دهد که چرا نارسایی آنها می تواند علت ناهنجاری های استخوانی خاص باشد. قد بلند یا کوتاه، قد ما تا حد زیادی از والدینمان به ارث رسیده است. علاوه بر این، بسیاری از بیماری‌های ژنتیکی بر رشد استخوان تأثیر می‌گذارند که علت دقیق آن اغلب ناشناخته است. توالی‌های DNA کوتاه معروف به تقویت‌کننده‌ها این سیگنال رونویسی DNA به RNA، که سپس به پروتئین ترجمه می‌شود، در حالی که ژن‌هایی که تشکیل استخوان و مکان آن‌ها را در ژنوم تنظیم می‌کنند، به خوبی شناخته شده‌اند، در مورد سوئیچ‌هایی که آنها را کنترل می‌کنند، چنین نیست.

استخوان‌های فلورسنت

محققان یک تکنیک آزمایشی نوآورانه را توسعه داده‌اند که در سال 2023 جایزه مرکز شایستگی 3R سوئیس را دریافت کرده‌اند، که به دست آوردن جنین‌های موش حامل پیکربندی ژنتیکی دقیق از سلول‌های بنیادی موش را ممکن می‌سازد. در این مورد، جنین‌های موش دارای استخوان‌های فلورسنت هستند که با تصویربرداری قابل مشاهده هستند و به محققان امکان می‌دهند سلول‌های مورد علاقه خود را جدا کرده و نحوه عملکرد تقویت‌کننده‌ها را در طول رشد استخوان تجزیه و تحلیل کنند. محققان، فعالیت کروماتین، ساختاری که DNA در آن بسته بندی می شود، به ویژه در سلول های استخوانی فلورسنت را بررسی کردند. با استفاده از نشانگرهای فعال سازی ژن، دانشمندان توانستند دقیقاً شناسایی کنند که کدام توالی تنظیمی برای کنترل ژن‌های مسئول ساخت استخوان عمل می‌کند. آنها سپس کشف خود را با غیرفعال‌کردن انتخابی تقویت‌کننده‌ها بدون تأثیر بر ژن کدکننده تأیید کردند.

نقشه برداری سه بعدی

از 2700 سوئیچ شناسایی شده در موش، 2400 سوئیچ در انسان یافت می‌شود. هر کروموزوم رشته‌ای طولانی از DNA است. مانند مرواریدهای روی گردنبند، تقویت‌کننده‌ها و ژن‌هایی که کنترل می‌کنند، گلوله‌های کوچکی از DNA را روی همان رشته کروموزومی تشکیل می‌دهند.  تغییرات در فعالیت این مناطق همچنین می‌تواند تفاوت اندازه بین انسان‌ها را توضیح دهد که فعالیت سلول‌های استخوانی در واقع به اندازه استخوان ها و بنابراین افراد مرتبط است. علاوه بر این، بسیاری از بیماری های استخوانی را نمی‌توان با جهشی که بر توالی یک ژن شناخته شده تأثیر می‌گذارد، توضیح داد.  در حال حاضر چند مورد مستند وجود دارد که جهش در سوئیچ‌ها به جای خود ژن‌ها علت بیماری استخوانی است. بنابراین به احتمال زیاد تعداد موارد دست کم گرفته می‌شود، به خصوص زمانی که ژن‌های بیماران طبیعی به نظر می رسند. محققان توضیح دادند که فراتر از بیماری استخوان، شکست این سوئیچ‌های ژنتیکی مختلف، که هنوز کمتر شناخته شده‌اند، می‌تواند علت بسیاری از آسیب‌شناسی‌های رشدی دیگر باشد.

پایان مطلب./