A One-Step Chemoselective Strategy for Hydroxymethylcytosine Sequencing in DNA and RNA

غالبًا ما تُوصف الشفرة الوراثية بأنها مخطط ثابت، تسلسل ثابت من الحروف التي تحدد الكائن الحي. ومع ذلك، فإن الخلايا الحية تكتب باستمرار ملاحظات في هوامش هذا المخطط، حيث تضيف علامات كيميائية إلى حروف الحمض النووي (DNA) للتحكم في تشغيل أو إيقاف بعض الجينات. وتعد إحدى أهم هذه العلامات عبارة عن مجموعة كيميائية صغيرة تلتصق بحرف محدد وهو السيتوزين، وتعمل مثل مفتاح خافت للتحكم في نشاط الجينات. فعندما تُضاف هذه العلامة، يتم إسكات الجين في كثير من الأحيان؛ وعندما تُزال أو تتغير، يمكن للجين أن يصبح نشطًا. وقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن الخلايا يمكنها تعديل هذه العلامة بشكل أكبر، وتحويلها إلى شكل كيميائي مختلف قليلاً يسمى هيدروكسي ميثيل سيتوزين (hydroxymethylcytosine). وهذا النسخة المعدلة ليست مجرد خطوة مؤقتة لإزالة العلامة الأصلية، بل هي إشارة مستقرة توجد بكميات كبيرة في الدماغ وفي مناطق محددة من الجينوم تساعد في تنظيم التطور. ويعد فهم أين تقع هذه الإشارات أمرًا بالغ الأهمية، حيث يرتبط غيابها أو سوء تموضعها بأمراض مختلفة، بما في ذلك السرطان. ومع ذلك، كان العثور على هذه العلامات الكيميائية المحددة في المحيط الشاسع من الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) أمرًا صعبًا، مما يتطلب أدوات معقدة غالبًا ما تفشل في العمل على الحمض النووي الريبي (RNA) أو تتلف العينات الحساسة التي تهدف إلى دراستها.

قام فريق من الباحثين في جامعة شيكاغو الآن بتطوير طريقة أبسط وأكثر تنوعًا للعثور على هذه العلامات في كل من الحمض النووي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA). فقد ابتكروا طريقة تسمى BALT-seq، والتي تعتمد على خدعة كيميائية ذكية بدلاً من الإنزيمات أو الأجسام المضادة باهظة الثمن. في الماضي، كان على العلماء الذين يحاولون رسم خرائط لعلامات الهيدروكسي ميثيل سيتوزين هذه استخدام أدوات بيولوجية، مثل الأجسام المضادة التي تلتصق بالشكل المحدد للعلامة أو الإنزيمات التي تلتصق بجزيء سكر بها. وكانت هذه الطرق غالبًا ما تكون دقيقة وصعبة التعامل، ولا تستطيع التمييز بين الهياكل الكيميائية المتشابهة في الشكل، وكثيرًا ما فشلت عند تطبيقها على الحمض النووي الريبي (RNA)، وهو الجزيء الذي يحمل التعليمات الوراثية من الحمض النووي (DNA) إلى مصانع صنع البروتين في الخلية. يتجاوز النهج الجديد هذه الأدوات البيولوجية تمامًا. وبدلاً من ذلك، استخدم الباحثون محلولًا كيميائيًا شائعًا، وهو البيسلفيت (bisulfite)، المعروف بالفعل بتفاعله مع حروف الحمض النووي (DNA)، لكنهم عدلوا الظروف لجعله يتفاعل تحديدًا مع علامة الهيدروكسي ميثيل سيتوزين.

تعمل العملية من خلال تعريض المادة الوراثية لمحلول حمضي خفيف يحتوي على البيسلفيت وجزيء خاص يسمى الثيول (thiol)، المصمم للالتصاق بالعلامة المستهدفة. وتحت هذه الظروف المحددة، يصبح الهيدروكسي ميثيل سيتوزين نشطًا كيميائيًا ويلتصق بجزيء الثيول، الذي يحمل علامة البيوتين (biotin). والبيوتين هو مادة تعمل مثل مغناطيس قوي لبروتين يسمى الستريبت eventually (streptavidin). وبمجرد وسم علامات الهيدروكسي ميثيل سيتوزين بالبيوتين، يمكن للباحثين غسل جميع جزيئات الحمض النووي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) غير الموسومة، تاركين خلفهم فقط الجزيئات التي تحتوي على العلامة الكيميائية المحددة التي يبحثون عنها. وهذا يسمح لهم بتسلسل المادة المتبقية ورؤية مكان وجود هذه العلامات بالضبط في الجينوم. ومن الأهمية بمكان أن هذا التفاعل الكيميائي يحدث في خطوة واحدة، وهو لطيف بما يكفي للحفاظ على العينات الهشة، ويعمل بنفس الكفاءة على كل من الحمض النووي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA)، وهو إنجاز لم تتمكن الطرق السابقة من تحقيقه.

عندما اختبر الفريق هذه الطريقة على الخلايا الجذعية الجنينية للفئران، كانت النتائج مذهلة. أظهرت الخرائط التي أنتجوها أن علامات الهيدروكسي ميثيل سيتوزين تتركز في نفس المناطق التي توجد فيها العلامات التي وجدتها أكثر الطرق المعقدة الموثوقة والمستخدمة حاليًا. وحددت التقنية الجديدة بنجاح أن هذه العلامات وفيرة في أجسام الجينات وفي المناطق التنظيمية المحددة التي تتحكم في نشاط الجينات. كما كشفت أن هذه العلامات شائعة بشكل خاص في مناطق الجينوم التي تكون "متأهبة" للنشاط — وهي المناطق التي ليست نشطة تمامًا ولكنها جاهزة للعمل عند الحاجة. علاوة على ذلك، ولأن العملية الكيميائية لطيفة للغاية، فقد نجحت بشكل استثنائي في التعامل مع الحمض النووي (DNA) الخالي من الخلايا، وهو الحمض النووي المجزأ الصغير الموجود في الدم والبول. ويمثل هذا ميزة كبيرة، حيث أن هذه العينات غالبًا ما تكون تالفة جدًا بالنسبة للطرق القدسة والأكثر قسوة، مما يفتح الباب لاستخدام هذه الخرائط الكيميائية في الكشف غير الجراحي عن الأمراض.

ثم وسع الباحثون عملهم ليشمل الحمض النووي الريبي (RNA)، حيث أصبحت القصة أكثر كشفًا. ففي الحمض النووي الريبي (RNA)، كان من الصعب دراسة ما يعادل علامة الهيدلوكسي ميثيل سيتوزين لأن الأدوات الموجودة لم تكن تستطيع التمييز بينها وبين جزيئات أخرى مشابهة. وباستخدام طريقتهم الكيميائية الجديدة، وجد الفريق أن هذه العلامات ليست منتشرة عشوائيًا بل هي منظمة للغاية. فقد اكتشفوا أن العلامات تتركز بكثافة في أنواع معينة من الحمض النووي الريبي (RNA) المشاركة في التحكم في بنية المادة الوراثية للخلية، مثل تلك الموجودة في التسلسلات المتكررة وفي الحمض النووي الريبي الناقل (tRNA)، الذي يساعد في بناء البروتينات. وتمكنت الطريقة من سحب هذه الجزيئات المحددة من الحمض النووي الريبي (RNA) بفعالية أكبر بكثير من التقنيات القائمة على الأجسام المضادة، مما كشف عن مشهد مهيكل من التعديلات الكيميائية التي كانت مخفية سابقًا. على سبيل المثال، وجدوا أن بعض أنواع الحمض النووي الريبي الناقل (tRNA)، الضرورية لقراءة الشفرة الوراثية، تحمل هذه العلامات بطريقة تشير إلى أنها منظمة ديناميكيًا، وربما تتغير مع استجابة الخلية للإجهاد أو إشارات التطور.

تكمن أهمية هذا العمل في بساطته وقدرته على توحيد دراسة التنظيم الوراثي عبر أنواع مختلفة من الجزيئات. فمن خلال استبدال الأدوات البيولوجية المعقدة بتفاعل كيميائي مباشر، أنشأ الباحثون منصة يمكنها توصيف هذه العلامات المهمة في الحمض النووي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA)، وحتى في قطع الحمض النووي (DNA) الصغيرة الموجودة في الدم. لا يؤكد هذا النهج ما كان معروفًا عن الحمض النووي (DNA) فحسب، بل يفتح أيضًا نافذة جديدة على العالم الكيميائي للحمض النووي الريبي (RNA)، مما يشير إلى أن هذه العلامات التأكسدية تلعب دورًا أكثر نشاطًا وتنظيمًا في وظيفة الخلية مما كان مفهومًا سابقًا. والأسلوب قوي بما يكفي للتعامل مع كميات قليلة من المواد الأولية، مما يجعله مناسبًا لدراسة أنواع الخلايا النادرة أو العينات السريرية، وهو يوفر مسارًا واضحًا للبحث المستقبلي في كيفية تأثير هذه العلامات الكيميائية على الصحة والمرض. وتثبت الدراسة أنه من خلال فهم الكيمياء الأساسية لهذه الجزيئات، يمكن للعلماء تطوير أدوات ليست فقط أكثر فعالية، بل قادرة أيضًا على الكشف عن طبقات جديدة من التعقيد البيولوجي التي كانت بعيدة المنال سابقًا.