Distinct genetic requirements underlie LITE-1-dependent photosensation and avoidance of high concentration of diacetyl in C. elegans

يجب على جميع الكائنات الحية أن تستشعر عالمها من أجل البقاء؛ فهي بحاجة لمعرفة متى تتحرك نحو الغذاء ومتى تهرب من الخطر. بالنسبة للعديد من الحيوانات، يحدث هذا من خلال خلايا متخصصة تعمل مثل هوائيات صغيرة، تلتقط الإشارات من البيئة وتحولها إلى رسائل كهربائية للدماغ. وفي الدودة المستديرة المجهرية "كاينور habitis elegans" (Caenorhabditis elegans)، التي يتكون جهازها العصبي من 302 خلية فقط، درس العلماء لفترة طويلة كيف تتنقل هذه المخلوقات البسيطة في عالمها المليء بالمواد الكيميائية والضوء. أحد اللاعبين الرئيسيين في هذه العملية هو بروتين يسمى LITE-1. يعمل هذا البروتين كمستشعر لهذه الدودة، مما يساعدها على اكتشاف كل من الضوء الأزرق الساطع والأشعة فوق البنفسجية، التي تجدها مؤلمة، وبعض الروائح، التي يمكن أن تكون جذابة أو منفرة اعتماداً على قوتها. لسنوات، افترض الباحثون أنه نظرًا لأن LITE-1 يتعامل مع كل من الضوء والرائحة، فإنه لا بد أن يستخدم نفس الأسلاك الداخلية لإرسال تلك الإشارات إلى دماغ الدودة. بدا من المنطقي أن مستشعراً واحداً سيعتمد على مجموعة واحدة من التعليمات لإخبار الحيوان بما يجب فعله.

قرر فريق من الباحثين في مختبر MRC للعلوم الطبية في لندن وجامعة أوميو في السويد اختبار هذا الافتراض من خلال النظر عن كثب في التعليمات الجينية وراء هذه السلوكيات. ركزوا على سيناريو محدد تواجه فيه الدودة تركيزاً عالياً من مادة "الدياسيتيل"، وهي مادة كيميائية تشبه رائحة الزبدة. ففي المستويات المنخفضة، تكون هذه الرائحة لطيفة وتجذب الدودة نحوها، ولكن في المستويات العالية، تصبح سامة وتجبر الدودة على الابتعاد. أراد العلماء معرفة ما إذا كان المسار الذي تسلكه الدودة لتجنب هذه الرائحة القوية هو نفسه المسار الذي تستخدمه للهروب من الضوء الساطع. وللقيام بذلك، فحصوا ديداناً ذات جينات مكسورة، وبالتحديد بحثوا عن طفرات أدت إلى توقف الديدان عن التفاعل مع الضوء مع بقاء حاسة الشم لديها سليمة، أو العكس. لقد اختبروا مجموعة متنوعة من التغيرات الجينية، بما في ذلك تلك التي تعطل طريقة إنتاج الخلايا للمرسلات الكيميائية وإدارتها، وكذلك تلك التي تؤثر على الهياكل الصغيرة الشبيهة بالشعر الموجودة على الخلايا الحسية للدودة.

كشفت النتائج عن انقسام مفاجئ في كيفية معالجة الدودة لهذين الخطرين المختلفين تماماً. فعندما عطل الباحثون الجينات المسؤولة عن مسار إشارات كيميائية محدد يُعتبر ضرورياً لرؤية الضوء، فقدت الديدان قدرتها على تجنب الضوء الساطع. ومع ذلك، استطاعت هذه الديدان نفسها شم التركيز العالي للمادة الكيميائية ذات رائحة الزبدة والابتعاد عنها بنفس كفاءة الديدان السليمة. يشير هذا الاكتشاف إلى أن الدودة لا تستخدم مجموعة واحدة عالمية من التعليمات لبروتين LITE-1؛ بل يبدو أن البروتين يغير تروسه، مستخدماً مجموعة واحدة من الأدوات الداخلية للتعامل مع الضوء ومجموعة أخرى مختلفة تماماً للتعامل مع الرائحة القوية. أظهرت الدراسة أنه بينما تحتاج الدودة إلى بروتين معين يسمى GOA-1 لتجنب كل من الضوء والرائحة القوية، إلا أنها لا تحتاج إلى المكونات الأخرى لآلية استشعار الضوء لتجنب الرائحة.

نظر الباحثون أيضاً في الهياكل الفيزيائية التي تساعد الدودة على استشعار بيئتها. تمتلك العديد من الخلايا الحسية في الديدان بروزات صغيرة تشبه الشعر تسمى "الأهداب"، وهي ضرورية لاكتشاف معظم الروائح. اختبر الفريق ديداناً بها أهداب مكسورة أو أجزاء مفقودة من الآلية التي تبنيها. ومن المثير للدهشة أن هذه الديدان استطاعت لا تزال تجنب التركيز العالي من الدياسيتيل، مما يشير إلى أن سلوك التجنب هذا لا يعتمد بشكل صارم على وجود أهداب سليمة. وهذا يضيف مزيداً من الثقل إلى فكرة أن استجابة الرائحة متميزة عن استجابة الضوء، والتي لا تعتمد هي الأخرى على الأهداب. كما وجدت الدراسة أنه إذا اختل التوازن الكيميائي الداخلي للدودة بشكل كبير نحو نوع معين من الجزيئات الإشارية، فإن قدرتها على تجنب الرائحة تنهار، مما يشير إلى أن مستوى هذا الكيميائي يعد مفتاحاً حرجاً لهذا السلوك.

بينما توفر الدراسة أدلة قوية على أن تجنب الضوء والرائحة يستخدمان مسارات جينية مختلفة، إلا أن المؤلفين حذروا من أن هذا ليس الكلمة الأخيرة في الموضوع. فقد أشاروا إلى أن بعض التغيرات الجينية التي اختبروها تؤثر على الصحة العامة للدودة أو حركتها، مما قد يعقد النتائج. واقترحوا أن العمل المستقبلي سيحتاج إلى النظر مباشرة في نشاط الخلايا العصبية للدودة لتأكيد كيفية معالجة هذه الإشارات بالضبط. أما الآن، فإن هذا العمل يقدم صورة واضحة لتعقيد صغير ولكنه مهم في الطبيعة: يمكن لبروتين مستشعر واحد أن يشغل آليات مختلفة لاحقة لمساعدة الكائن الحي على التنقل في عالم مليء بالتهديدات المتنوعة والمتناقضة غالباً. الدودة لا تكتفي بمجرد التفاعل مع العالم، بل تفسر كل إشارة من خلال عدسة فريدة، مستخدمة أدوات جينية متميزة لتقرر ما إذا كانت ستهرب من الضوء أو تهرب من الرائحة.