سلولها از کجا میفهمند که مربوط به کدام عضو بدن هستند؟
ما بهشدت وابسته به اندامهای تخصصیافته هستیم، اما این اندامها تنها زمانی کار میکنند که در جای درست باشند.
فرادید| هر یک از ما از گروه بسیار کوچکی از سلولها رشد کردهایم که زمانی توانایی تبدیلشدن به هر بخش بدن را داشتند. با رشد ما، این سلولها تقسیم شدند و تخصص یافتند، اما سلول چگونه میفهمد بسته به موقعیتش باید به بافت مغز، استخوان یا کبد تبدیل شود و نه چیز دیگر؟
به گزارش فرادید، توانایی تخصصیافتن، بخش مهمی از جامعه انسانی هم هست. انسانها دههها وقت صرف میکنند تا در چند کار محدود مهارت پیدا کنند. اگرچه ما افراد چندمهارته مانند داوینچی را تحسین میکنیم، اما اگر همه چنین رویکردی داشتند، جامعه از کار میافتاد، زیرا تقریباً همهچیز بد انجام میشد.
هر جانور یا گیاهی شبیه یک تمدن است. احتمالاً سه میلیارد سال طول کشید تا از زمان پیدایش حیات، سلولها توانایی سازماندهی جمعی برای ساخت موجودات پیچیدهتر را پیدا کنند. افزون بر عوامل محیطی مانند کمبود اکسیژن، بخشی از مشکل احتمالاً یافتن راه اطمینان از این بود که هر سلول نقش درست خود را پیدا کند. پس چه راهحلی سبب شد بتوانیم یک مجموعه ۳۰ تریلیون سلولی شویم که هر کدام کار مناسب خود را انجام میدهند؟
پاسخ هنوز بهطور کامل روشن نشده، اما نکته مرکزی آن به شیبهایی مربوط میشود که توسط مولکولهایی به نام مورفوژنها ایجاد میشوند. DNA سلول طوری برنامهریزی شده که هم به مقدار این مورفوژنها و هم به جهت افزایش یا کاهش آنها واکنش نشان دهد. وقتی شرایط مناسب باشد، مورفوژنها ژنهایی را فعال میکنند که سبب میشود سلول به آنچه در موقعیتش لازمست تبدیل شود؛ برای نمونه سلولی که باید به کبد یا کلیه تبدیل شود.
برای برخی سلولها این دادهها تنها به شکل تقریبی کافیست، اما پروفسور آرتور لنَدِر از دانشگاه کالیفرنیا، اروین، یادآوری میکند که برخی دیگر نیازمند دقت بسیار بیشتر هستند. اگر بدن آسیب ببیند، سلولها باید به درستی بدانند نسبت به محل آسیب در کجا قرار دارند تا بهترین واکنش ترمیمی را انجام دهند.
این به آن معناست که مورفوژنها باید نهتنها مدام ساخته شوند، بلکه مدام هم تخریب شوند تا گرادیانی ایجاد شود که بهاندازه کافی واضح باشد تا سلول از آن برای جهتگیری استفاده کند. گیرندههای سلولی خاصی مورفوژنها را جذب و تخریب میکنند تا تعادلی برقرار شود که گرادیان را پایدار نگه دارد.
با این حال، گرادیانهای مورفوژنی نمیتوانند کل داستان باشند. برای نمونه، پایدار نگهداشتن یک گرادیان بهشکل کامل تقریباً غیرممکن است. اگر سلولها هر بار که مقدار مورفوژنها کمی تغییر میکرد جهتیابیشان را از دست میدادند، نتایج میتوانست فاجعهآمیز باشد. باتوجه به میزان خطای ابزارهای اندازهگیری ساختهشده توسط انسان، احتمالاً سلولها هم همیشه محیط خود را بهدرستی نمیخوانند.
سلولها روشهای بسیار هوشمندانهای برای مدیریت این مسئله دارند. برای نمونه، برخی سلولها همان مورفوژنهایی را که برای تشخیص موقعیتشان نیاز دارند تخریب میکنند. این نوعی «نظر دوم» با تأیید اضافی گرفتن است. اگر سلول در تشخیص جهت گرادیان مطمئن نیست، مورفوژنهای اطرافش را تخریب میکند و منتظر سیگنالی میماند که از منبع مورفوژنها به سمتش میرسد تا تصویر واضحتری از موقعیت خود داشته باشد. البته این کار ممکن است بهشکل موقت، خواندن الگو را برای سلولهای دورتر سختتر کند.
لندر اشاره میکند که این تنها یک نمونه از مجموعه پیچیدهای از مبادلههاست که سلولها هنگام اتکا به این اندازهگیریها با آن مواجه هستند؛ مبادلههایی که میان مقدار مورفوژنها تعادل برقرار میکنند. او میگوید: «راهکارهایی که عملکرد را در یک زمینه بهبود میبخشند، معمولاً عملکرد را در زمینه دیگر ضعیف میکنند.»
آلن تورینگ (که اصطلاح مورفوژن را وضع کرد) اشاره کرده بود که الگوهای پیچیدهای مانند لکههای پلنگ میتوانند تنها با دو عامل ایجاد شوند که یکی نقش تقویتکننده و دیگری نقش بازدارنده دارد. این ایده بهشکل گسترده پذیرفته شد، اما سال ۲۰۱۴ (شصت سال پس از مرگ تورینگ) اثبات شد.
شناسایی مورفوژنها
با وجود اینکه مفهوم مورفوژنها از اوایل قرن بیستم مطرح بود و در دهه ۱۹۵۰ توسط تورینگ توسعه یافت، نخستین مورفوژن تا سال ۱۹۸۰ شناسایی نشد؛ کشفی که جایزه نوبل پزشکی ۱۹۹۵ را برای کریستین نوسلین-فولهارت به همراه داشت. آن هم تنها در مگس میوه و مورفوژنهای انسانی بعدها شناسایی شدند.
با وجود تعداد زیاد اندامهایی که باید در بدن پستانداران ساخته شوند، مورفوژنهای فراوانی لازمست تا سلول بداند باید به چه چیزی تبدیل شود. نخستین مورفوژن، رتینوئیک اسید است که یک سر جنین را بهعنوان سر و سر دیگر را بهعنوان دم مشخص میکند و به سلولها میگوید در این آرایش کجا قرار گرفتهاند. این ماده ژنهای Hox را فعال میکند تا سلولها بر پایه موقعیتشان رشد و شکلگیری مناسب پیدا کنند.
زیستشناسی ماهیتی محافظهکارانه دارد؛ بنابراین وقتی روند شکلگیری بدن را آغاز میکند، رتینوئیک اسید نقشهای دیگری مانند تنظیم ایمنی و تولید اسپرم را هم بهعهده میگیرد. وقتی بدن در حال رشد، جایِ دست و پای خود را پیدا کرد، مورفوژنهای دیگر بهویژه پروتئین سونیک هِجهاگ، کنترل سازماندهی سیستم عصبی مرکزی و اندامها را برعهده میگیرند.
دستکم ۱۳ پروتئین مورفوژنیک استخوان شناسایی شدهاند که همانطور که از نامشان پیداست، فرایند ساخت استخوان را کنترل میکنند و با تعیین موقعیت سلول نسبت به دیگران، شکل موردنیاز آن را مشخص میکنند. این پروتئینها تشکیل غضروف را هم کنترل میکنند و بر بسیاری از بافتهای دیگر بدن اثر میگذارند.
برخی مورفوژنها تنها در سالهای اخیر کشف شدهاند، بنابراین احتمالاً فهرست موجود کامل نیست.
حتی با وجود فهرست ناقص، مشخص شده که بسیاری از سلولها به چندین گرادیان مورفوژنی واکنش نشان میدهند، بهویژه در اندامهای پیچیدهای مانند مغز.
پشتیبانهای زیستی
با این حال، این موارد هم کافی نیست تا تضمین کند همه سلولها جای خود را پیدا کنند. بنابراین سلولها دادهها را با هم به اشتراک میگذارند؛ فرایندی که در رشد بالهای مگس میوه مشاهده شده است.
با وجود تمام این سازوکارها، گاهی امور اشتباه پیش میرود. تومورهای عجیب زمانی ایجاد میشوند که سلولها به چیزی تبدیل میشوند که نباید، مانند دندان یا مغزهای کوچک، با وجود اینکه در مکان کاملاً متفاوتی قرار دارند. این پدیده معادل زیستیِ همان افراد غیرمتخصصی است که گمان میکنند بیش از متخصصان میدانند. بدن روشهایی برای شناسایی سلولهایی دارد که ممکن است در آستانه اشتباه باشند؛ برای نمونه با مقایسه نسبت مورفوژنهای مختلف، عدمتعادل میتواند هشداری برای بررسی مجدد باشد.
افزون بر مولکولها، سلولها هم ممکن است از میدانهای الکتریکی یا سیگنالهای مکانیکی برای افزایش یا کاهش بیان ژن استفاده کنند. میزان دخالت این عوامل نیز هنوز کاملاً شناخته نشده است.
مترجم: زهرا ذوالقدر
