حدد الباحثون الجينات والبروتينات التي تشارك في عملية الربط في الميتوكوندريا في النباتات والتي تعد ضرورية للتنفس الخلوي والنمو
الميتوكوندريا هي عضية داخل الخلايا تنتج جزءًا كبيرًا من الطاقة الكيميائية (ATP) في الخلايا وهي ضرورية لوظيفتها وصيانتها. ومن الأشياء التي تميز الميتوكوندريا في النباتات مقارنة بالميتوكوندريا في الحيوانات هو حملها الوراثي. على عكس معظم العضيات الموجودة في الخلية، تمتلك الميتوكوندريا حمضًا نوويًا مستقلاً. الأصل المفترض لهذا الحمض النووي هو كائن قديم وحيد الخلية طور تكافلًا (علاقة متبادلة) مع خلية ذات أصل قديم (والتي ربما كانت تحتوي بالفعل على نواة وعضيات).
ما هو السؤال؟ كيف يعمل الجهاز الوراثي ويتم التحكم فيه في الميتوكوندريا في النباتات الضرورية لتطورها؟
"تمتلك الميتوكوندريا في النبات نظام جينوم معقد يعمل كنموذج مهم لفهم آليات التحكم في التعبير الجيني، وكذلك في الكائنات الحية الأخرى، بما في ذلك البشر. إن التعبير عن جينوم الميتوكوندريا في النباتات معقد للغاية، خاصة على مستوى الحمض النووي الريبي (RNA) (الجزيء الذي ينقل المعلومات الجينية اللازمة لبناء البروتينات الضرورية لوظيفة الخلية). "في بحثنا، نحاول أن نفهم كيف ومتى يتم التعبير عن الجينات الموجودة في الميتوكوندريا النباتية وتحت أي ظروف يتم التحكم في التعبيرات"، يوضح البروفيسور أورين أوسترزر بيران من معهد علوم الحياة في الجامعة العبرية في القدس.
إحدى العمليات الأساسية للتعبير عن جينوم الميتوكوندريا في النبات (المشابهة للجينوم النووي) تسمى الربط؛ في هذه العملية، تخضع جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) المشفرة مباشرة من الحمض النووي (DNA) للمعالجة حيث يتم قطعها، بحيث تتم إزالة أجزاء معينة (تسمى الإنترونات) منها. وهكذا، يتم ضم الأجزاء المتبقية معًا لتكوين جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) الناضجة التي تشفر المعلومات اللازمة لبناء البروتينات. إذا تضررت هذه العملية، فإن جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) لا تستطيع القيام بدورها.
يقول البروفيسور أوسترزر بيرن: "من خلال توصيف ربط الميتوكوندريا في النباتات، نتعرف على كيفية القيام بذلك على المستوى الجزيئي (معلومات ذات صلة أيضًا بأنظمة الربط المعقدة جدًا الموجودة في نواة الخلية للنباتات والحيوانات والنباتات). البشر)، وعن تطور هذه العملية في الطبيعة. وبعبارة أخرى، فإن الميتوكوندريا في النباتات بمثابة نموذج فريد بالنسبة لنا لفهم التحكم في تعبير الجينوم. لأن الجينات التي تحتوي على الإنترونات لا يمكنها العمل.
"بالإضافة إلى ذلك، إذا فهمنا بعمق آليات الربط والتحكم في تعبير الجينوم في الميتوكوندريا النباتية، فقد نتمكن من تسخير هذه المعلومات لتطوير أدوات وراثية وبيولوجية لصالح الإنسان، في الصناعة والزراعة والبيئة. على سبيل المثال، يمكننا توجيه إنبات النباتات ونموها وتطورها على النحو الأمثل. وبدلا من ذلك، قد نكون قادرين على تأخير تطوير النباتات الضارة، على سبيل المثال تلك التي تتنافس مع المحاصيل الغذائية في الحقول الزراعية أو الطحالب التي تفرز السموم في مياه الشرب.
وفي إحدى دراساتهم الأخيرة، سعى البروفيسور أوسترزر بيرن وفريقه إلى تحديد خصائص الجينات والبروتينات التي تتحكم في ربط الميتوكوندريا وتحديد آلية عملها. "كما ذكرنا، فإن الميتوكوندريا عبارة عن نظام وراثي معقد ويتم التحكم فيه بشكل جيد، لكننا ما زلنا لا نعرف كيف يتم التحكم في التعبير الجيني فيه على المستوى الجزيئي. ولهذا السبب أردنا أن نفهم الآلية التي تعمل بها الجينات في الميتوكوندريا - ما هو دورها الدقيق وكيف تؤديه في الربط (إزالة الأجزاء الزائدة). بالإضافة إلى ذلك، أردنا أن نفهم ما إذا كانت ضرورية لعمليات أخرى في النباتات، مثل السيطرة على الجهاز التنفسي. الميتوكوندريا مسؤولة أيضًا عن هذه العملية نظرًا لإنتاج الطاقة الخلوية وهي بالطبع ضرورية لتطور النباتات. كما هو الحال مع جميع الكائنات الحية وفي البشر، إذا تضررت عملية التنفس، فمن المتوقع حدوث ضرر للعديد من الأجهزة الفسيولوجية. ومن ثم، من المهم جدًا أن نفهم كيفية عمل العوامل المسؤولة عن ذلك"، يوضح البروفيسور أوسترزر بيرن.
وكجزء من البحث، الذي حصل على منحة من مؤسسة العلوم الوطنية، قام الباحثون بفحص نباتات نموذجية مثل السيدوم الأبيض والتبغ والطماطم باستخدام الطرق الجزيئية والوراثية (تسلسل الحمض النووي والحمض النووي الريبي) والطرق الكيميائية الحيوية (مراجعة البروتينات ومراكز الجهاز التنفسي في الميتوكوندريا). وقاموا بزراعة النباتات في خلايا نمو خاضعة للرقابة وتابعوا تطورها - الإنبات والنمو والإزهار وتكوين الفاكهة. أي أنه تم رصد الجينات والبروتينات من مستوى تعبيرها إلى مستوى العضية وتأثيرها على فسيولوجية النبات.
لتوصيف الجينات والبروتينات المشاركة في ربط الميتوكوندريا وتحديد دورها، قام الباحثون بإتلافها ثم قاموا بتصوير عملية الربط بشكل خاطئ. وهكذا اكتشفوا أن دور أحد البروتينات يتم التعبير عنه في ارتباطه بمنطقة معينة في جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA). بهذه الطريقة، يتم تجنيد الإنزيمات التي تزيل الأجزاء الزائدة من الحمض النووي الريبي (RNA) وتمكن من تكوين جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) الناضجة، والتي، كما ذكرنا، تشفر المعلومات اللازمة لبناء البروتينات.
"لقد وجدنا الجين الذي يرتبط منه البروتين المتكون بنهاية جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) وبالتالي يحدد النقطة التي ينتهي فيها النسخ لاستمرار عملية الربط. في غياب هذا البروتين، يتم هضم جزيء الحمض النووي الريبوزي (RNA) بالكامل بواسطة إنزيم القطع (نوكلياز خارجي). وهذا يعني أننا تمكنا من فهم الآلية التي يعمل بها البروتين ويتحكم في استقرار جزيء الحمض النووي الريبي (RNA) ومعالجته الإضافية إلى جزيء الحمض النووي الريبي (RNA) الناضج. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بتمييز العديد من الجينات والبروتينات الأخرى الضرورية في عملية الربط، لكننا ما زلنا لا نعرف الدور الدقيق الذي تلعبه ونواصل التحقيق في هذا الأمر. لكن الاكتشافات نفسها لها أهمية كبيرة في فهم العملية وأهميتها في التحكم في التعبير الجيني في النباتات وتنفسها وتطورها"، يوضح البروفيسور أوسترزر بيرن.
في كثير من الحالات، عندما أتلف الباحثون تعبير البروتين في الميتوكوندريا، اكتشفوا أن فائضًا من جزيئات RA الأولية قد تشكل، وبالتالي تضررت ترجمة الجينات إلى بروتينات وتجميع مجمعات البروتين في الميتوكوندريا وتضرر الغشاء، وهو ضروري لإنتاج التنفس الخلوي.
في كثير من الحالات، عندما أتلف الباحثون تعبير البروتين في الميتوكوندريا، اكتشفوا أنه قد تم إنشاء فائض من جزيئات الحمض النووي الريبي الأولية (التي لم تتم معالجتها بشكل صحيح)، وبالتالي تضررت ترجمة الجينات إلى بروتينات وتضررت التجميعة. تعرض مجمعات البروتين الموجودة في غشاء الميتوكوندريا، والتي تعتبر ضرورية لإنتاج التنفس الخلوي، للتلف. وهكذا تضررت عملية التنفس عند النباتات -امتصاص الأكسجين وانبعاث ثاني أكسيد الكربون- مما أدى إلى انهيار الخلايا والإضرار بتطور النباتات.
"يمكن القول أن البحث، الذي يركز على توصيف الربط في الميتوكوندريا النباتية، يساهم في فهم التحكم في التعبير الجيني في الميتوكوندريا، والذي يؤثر أيضًا على بناء الجهاز التنفسي وتطوره. نحن نعتقد أن هذه النتائج صالحة للنباتات وجميع الكائنات الحية"، ويخلص البروفيسور أوسترزر بيرن.
الحياة نفسها:
البروفيسور أورين أوسترزر بيرن، 57 عامًا، متزوج وله ولدان (25، 20 عامًا)، يسكن في شوهام. وتم تجنيد طفليه في حرب "السيوف الحديدية". تم تجنيده أيضًا في فريق التنبيه الإقليمي بسبب ماضيه العسكري. في الأيام الجيدة يحب بناء وإصلاح الدراجات الجبلية وركوبها.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
