Comparative single-cell transcriptomics links gene expression divergence to Drosophila genital morphogenesis

غالبًا ما يُتخيل التطور على أنه إعادة تشكيل بطيئة وعظيمة للحياة على مدى ملايين السنين، ولكن التغييرات الأكثر دراماتيكية يمكن أن تحدث في طرفة عين على ساعة التطور. أحد أسرع أجزاء جسم الحيوان حركة هو عضوه التناسلي. في عالم ذباب الفاكهة، يتغير شكل الأعضاء التناسلية الذكرية بسرعة كبيرة لدرجة أن الأنواع المتقاربة غالبًا ما تبدو مختلفة تمامًا عن بعضها البعض، رغم أنها متطابقة تقريبًا في كل شيء آخر. لطالما عرف العلماء أن هذه الاختلافات ناتجة عن تغيرات في كيفية تشغيل وإيقاف الجينات أثناء النمو، لكن التعليمات المحددة التي تخبر مجموعة من الخلايا بالنمو لتصبح خطافًا، أو صدفة، أو نتوءًا ظلت لغزًا. كان التحدي يكمن في أن هذه الهياكل صغيرة ومكونة من أنواع عديدة مختلفة من الخلايا التي تعمل معًا، مما يجعل من الصعب رؤية أي جينات تقوم بما تفعله بالضبط وفي أي خلية محددة.

لقد تمكن فريق من الباحثين الآن من حل هذا اللغز من خلال دراسة تطور هذه الأعضاء بمستوى جديد من التفصيل. لقد درسوا نوعين متشابهين جدًا من ذباب الفاكهة، أحدهما لديه بنية تناسلية صغيرة تشبه الخطاف، والآخر لديه نسخة أكبر ومعقدة تشبه صدفة المحار. وبدلاً من دراسة العضو بأكمله دفعة واحدة، قاموا بتفكيكه خلية تلو الأخرى. وباستخدام تقنية تقرأ النشاط الجيني لآلاف الخلايا الفردية، أنشأوا خريطة مفصلة لكيفية تشكل العضو بمرور الوقت. كشفت هذه الخريطة أنه بينما يبدأ النوعان بنفس المخطط الأساسي، إلا أنهما يتباعدان لأن مجموعات مختلفة من الجينات تكون نشطة بكميات مختلفة وفي أوقات مختلفة. ومن خلال اختبار هذه الاختلافات الجينية، اكتشف الباحثون آليتين رئيسيتين تقودان شكل العضو: نظام إشارات يقرر عدد الخلايا التي ستصبح جزءًا من الهيكل، ومجموعة من البروتينات تعمل مثل السقالة لمد تلك الخلايا إلى شكلها النهائي المستطيل.

تبدأ القصة مع ذبابة الفاكهة Drosophila melanogaster وقريبتها Drosophila simulans. بالنسبة للعين المجردة، يكاد لا يمكن التمييز بينهما، لكن أعضاءهما التناسلية الذكرية تروي قصة مختلفة. تتميز الأعضاء التناسلية لـ D. melanogaster ببروز صغير يشبه الخطاف، بينما تفتخر D. simulans ببنية أكبر بكثير وأعرض تشبه صدفة المحار. هذه الاختلافات ليست مجرد اختلافات شكلية؛ فهي حاسمة للتكاثر. أراد الباحثون فهم كيف تنشأ مثل هذه الأشكال المتميزة من شفرة جينية متطابقة تقريبًا. ركزوا على مرحلة الخادرة (الشرنقة) في التطور، وهي فترة يتم فيها بناء الأعضاء البالغة من الصفر داخل الخادرة. قاموا بجمع هذه الأعضاء النامية في ثلاث نقاط زمنية محددة: بعد 28 و36 و48 ساعة من تشكل الخادرة.

لرؤية ما يحدث في الداخل، استخدم العلماء طريقة قوية تسمى تسلسل الحمض النووي الريبي أحادي الخلية (single-cell RNA sequencing). تخيل أنك تأخذ آلة معقدة، وتفككها قطعة قطعة، وتقرأ دليل التعليمات لكل ترس ونبض لترى ما يفترض بها فعله. في هذه الحالة، كانت "الآلة" هي العضو التناسلي النامي، و"أدلة التعليمات" كانت الجينات النشطة داخل كل خلية. قاموا بمعالجة آلاف الخلايا من كلا نوعي الذباب، مع تصفية الضجيج للتركيز فقط على الخلايا التي تبني الطبقات السطحية للعضو. سمح لهم ذلك بتجميع الخلايا بناءً على الجزء الذي تبنيه من العضو، مثل الملاقط، أو الصفائح الجانبية، أو الفص الخلفي — وهو الهيكل المحدد الذي يختلف بشكل كبير بين النوعين.

أظهرت الخرائط الناتجة أن الخلايا في كلا النوعين كانت متشابهة بشكل مدهش في هويتها العامة. فالخلية التي تبني ملقطًا في أحد الأنواع تشبه إلى حد كبير الخلية التي تبني ملقطًا في النوع الآخر. ومع ذلك، عندما قارن الباحثون الجينات المحددة النشطة في الفص الخلفي، وجدوا مئات الاختلافات. بعض الجينات كانت تعمل بقوة أكبر بكثير في أحد الأنواع، بينما كانت جينات أخرى نشطة في أنماط مختلفة. أشار هذا إلى أن اختلاف الشكل لم يكن ناتجًا عن جين واحد "مفتاح رئيسي"، بل عن تحول معقد في نشاط العديد من الجينات التي تعمل معًا. ولمعرفة أي من هذه الجينات كان مهمًا بالفعل، أجرى الباحثون اختبارًا منهجيًا؛ حيث قاموا بإيقاف، أو إسكات، 54 جينًا مرشحًا مختلفًا واحدًا تلو الآخر في الذباب النامي وراقبوا ما سيحدث للشكل النهائي للعضو.

كانت النتائج كاشفة. تسبب إسكات جينات معينة في انكماش الفص الخلفي، بينما جعلت جينات أخرى العضو ينمو بشكل كبير جدًا أو يتغير شكله تمامًا. برز مساران محددان كأمرين حاسمين. تضمن الأول نظام إشارات يُعرف باسم BMP، والذي يعمل كشبكة اتصالات تخبر الخلايا بما يجب أن تصبح عليه. وجد الباحثون أن هذه الإشارة كانت نشطة في منطقة أوسع وبمستويات أعلى في النوع الذي يمتلك العضو الأكبر. وعندما قللوا من قوة هذه الإشارة، فشل العضو في التشكل بشكل صحيح، مما يشير إلى أن قوة ومدى هذا الإرسال يساعدان في تحديد عدد الخلايا التي سيتم استدعاؤها لبناء الهيكل. أما الاكتشاف الرئيسي الثاني فقد تعلق بمجموعة من البروتينات تسمى بروتينات نطاق ZP، وهي توجد في المصفوفة خارج الخلوية، وهي مادة شبيهة بالشبكة تحيط بالخلايا وتمنح الأنسجة شكلها. اكتشف الباحثون أن بروتينين محددين في هذه المجموعة، واسمهما Mey وNyo، ضروريان لتمكين الخلايا من التمدد والاستطالة. وعندما تمت إزالة هذه البروتينات، لم تتمكن الخلايا من الحفاظ على اتصالها بالشبكة المحيطة، وظل العضو قصيرًا وممتلئًا بدلاً من أن ينمو طويلاً وأنيقًا.

تشير الدراسة إلى أن تطور هذه الأشكال المعقدة يحدث من خلال مزيج من تغييرين بسيطين. أولاً، ينشط النوع الذي يمتلك العضو الأكبر إشارة نمو في منطقة أوسع، مما يستدعي المزيد من الخلايا للمشروع. ثانيًا، ينتج المزيد من البروتينات الهيكلية التي تسمح لتلك الخلايا بالتمدد والاستطالة. إنها عملية ضبط دقيق وليس إعادة اختراع. لم يجد الباحثون جينًا واحدًا كان مسؤولًا عن الفرق بأكمله؛ بل وجدوا أن الشكل هو نتيجة لتعديلات صغيرة عديدة في كيفية تواصل الخلايا وكيفية ارتباطها ببيئتها. هذا النهج المتمثل في النظر إلى الخلايا الفردية بدلاً من النسيج بأكمله وفر وضوحًا كان مستحيلاً في السابق، حيث أظهر بالضبط أين ومتى تتباعد المسارات التنموية للنوعين.

من خلال ربط هذه الاختلافات الجينية بالسلوك الفيزيائي للخلايا، قدم الباحثون مثالاً واضحًا على كيفية إعادة تشكيل التطور لجزء من الجسم. لقد أظهروا أن الفرق الدراماتيكي بين الخطاف الصغير وصدفة المحار الكبيرة مبني على أساس من البرامج التنموية المحفوظة التي يتم تعديلها بطرق محددة. يوفر هذا العمل إطارًا جديدًا لفهم كيفية تطور الأشكال المعقدة، متجاوزًا مجرد قوائم الجينات البسيطة إلى صورة ديناميكية للسلوك الخلوي. كما يثبت أنه من خلال الجمع بين الخرائط الجينية عالية الدقة والاختبارات المباشرة لوظيفة الجينات، يمكن للعلماء الآن تتبع المسار من التغير في الجين إلى التغير في شكل الحيوان. توفر هذه الطريقة وسيلة قوية لفك رموز التعليمات الجينية التي تبني التنوع المذهل للحياة، خلية تلو الأخرى.