Genome-wide identification and characterization of the smyd gene family in Chinese perch (Siniperca chuatsi): evolutionary divergence and spatiotemporal expression patterns during development and skeletal muscle injury response

داخل كل خلية حية، يعمل نظام معقد من العلامات الكيميائية كلوحة تحكم، تقوم بتشغيل الجينات أو إيقافها لتوجيه كيفية نمو الكائن الحي وعمله. أحد أهم أنواع هذه العلامات يتضمن إضافة مجموعة ميثيل صغيرة إلى وحدة بناء محددة للبروتينات، وهي عملية تساعد في تنظيم المادة الوراثية والتحكم في الأنشطة الخلوية. وتعمل عائلة محددة من الإنزيمات، تُعرف باسم بروتينات SMYD، كعمال أساسيين لهذه المهمة. هذه الإنزيمات ضرورية لبناء العضلات، وتنظيم كيفية انقسام الخلايا، وضمان تطور أنسجة الجسم بشكل صحيح. وبينما درس العلماء هذه البروتينات لفترة طويلة في الثدييات مثل البشر والفئران، إلا أن المعرفة حول كيفية عملها في الأسماك لا تزال أقل بكثير، لا سيما في الأنواع التي طورت سمات فريدة من خلال تاريخها التطوري الخاص.

تعد سمكة "البرش الصيني" (Chinese perch)، وهي سمكة مياه عذبة تحظى بشعبية في الصين وتُقدر للحمها المتماسك والنكهة الغنية، حالة دراسية رائعة. فمثل العديد من الأسماك، مرت هذه الفصيلة بحدث فريد في ماضيها التطوري حيث تضاعف جينومها بالكامل، مما منحها نسخًا إضافية من العديد من الجينات. وغالبًا ما يسمح هذا التضاعف لنسخة من الجين بالاستمرار في أداء وظيفته الأصلية بينما تكون النسخة الأخرى حرة في تطوير وظائف جديدة. أراد الباحثون فهم كيفية سلوك عائلة إنزيم SMYD في هذه السمكة تحديدًا. كانوا مهتمين بشكل خاص بكيفية مساعدة هذه الجينات للسمكة في بناء عضلاتها أثناء نموها من جنين إلى سمكة بالغة، وكيف يستجيب جسم السمكة عندما تتعرض عضلاتها للإصابة. إن فهم هذا ليس مجرد بحث في بيولوجيا الأسماك؛ بل يكشف عن كيفية إعادة توظيف الأدوات الجينية على مدار ملايين السنين لدعم الحياة في بيئات مختلفة.

قام فريق من العلماء بمهمة رسم خريطة لعائلة جينات SMYD بأكملها داخل جينوم السمكة الصينية. ومن خلال مسح الشفرة الوراثية للسمكة، حددوا سبعة جينات متميزة تنتمي إلى هذه العائلة. وقد أطلقوا عليها أسماء بناءً على تشابهها مع جينات معروفة في أنواع أخرى، ووجدوا زوجين يبدوان كنسخ مكررة من بعضهما البعض، بالإضافة إلى ثلاثة جينات منفردة. ثم فحص الباحثون البنية الفيزيائية للبروتينات التي تنتجها هذه الجينات. ووجدوا أن المجموعات الثلاث الأولى من الجينات أنتجت إنزيمات ذات أشكال وأجزاء متشابهة جدًا، مما يشير إلى أنها تؤدي مهامًا مترابطة. ومع ذلك، أظهرت المجموعتان الأخيرتان اختلافات هيكلية كبيرة، مما يلمح إلى أنها قد اتخذت أدوارًا متخصصة تباعدت عن الآخرين. أكد هذا التنوع الهيكلي أنه بينما تظل الآلية الأساسية لهذه الإنزيمات محفوظة، فإن السمكة قد نوعتها للتعامل مع الاحتياجات البيولوجية المختلفة.

ولرؤية كيفية عمل هذه الجينات في الوقت الفعلي، تتبع الفريق نشاطها طوال حياة السمكة. لقد فحصوا عينات أُخذت من الأجنة في مراحل مختلفة من التطور، بدءًا من اللحظة التي تنقسم فيها خلية واحدة وصولاً إلى نقطة فقس السمكة. وأظهرت النتائج تقسيمًا واضحًا للعمل. فقد كان أحد إصدارات الجين، والذي أطلق عليه الباحثون اسم smyd1b، نشطًا للغاية خلال المراحل المبكرة من الحياة الجنينية، مما يساعد في وضع الأساس لجسم السمكة. ومع نمو السمكة واقترابها من مرحلة الفقس، تولى إصدار مختلف، وهو smyd1a، زمام الأمور، ليصبح اللاعب المهيمن في أنسجة العضلات النامية. يشير هذا التحول إلى أن السمكة تستخدم أداة لبناء الإطار الأولي للجسم وأداة أخرى متخصصة لنمو وصيانة العضلات القوية اللازمة للسباحة.

كما استقصى الباحثون أين تكون هذه الجينات نشطة في السمكة البالغة. قاموا بتحليل عينات الأنسجة من سبعة عشر جزءًا مختلفًا من الجسم، بما في ذلك الكبد والدماغ والقلب. واكتشفوا أن smyd1a يتركز بشكل هائل في العضلات الهيكلية، وخاصة في العضلات البيضاء التي تدفع السمكة للقيام بحركات سريعة ومفاجئة. في الواقع، استحوذ هذا الجين المنفرد على أكثر من خمسة وتسعين بالمائة من إجمالي نشاط SMYD في العضلة البيضاء. وفي المقابل، وُجدت النسخ الأخرى من الجين في أنسجة أخرى متنوعة، مثل الأعضاء التناسلية والدماغ، مما يشير إلى أنها تدير عمليات بيولوجية مختلفة. يسلط هذا التخصص الشديد في الأنسجة العضلية الضوء على كيفية تحسين السمكة لأدواتها الجينية لتناسب نمط حياتها كحيوان مفترس يتربص بفرائسه ويعتمد على الحركات المفاجئة والسريعة.

انتقل البحث بعد ذلك إلى سؤال أكثر ديناميكية: ماذا يحدث عندما تتضرر العضلة؟ لمعرفة ذلك، أحدث العلماء إصابة محكومة في العضلة البيضاء لأسماك بالغة باستخدام مادة تعطل الألياف العضلية مؤقتًا دون إلحاق الضرر بالأوعية الدموية أو الأعصاب المحيطة. ثم راقبوا استجابة الجينات خلال الأسبوع التالي. كانت النتائج مذهلة. فقد انخفض نشاط معظم الجينات فور حدة الإصابة، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الخلايا العضلية تضررت ولم تعد قادرة على العمل بشكل طبيعي. ومع ذلك، تصرف smyd1a بشكل مختلف؛ فقد حافظ على مستوياته خلال الصدمة الأولية، ثم ارتفع بشكل ملحوظ بعد خمسة أيام من الإصابة. ويتزامن هذا التوقيت مع المرحلة التي يقوم فيها جسم السمكة بإعادة بناء الألياف العضلية بنشاط. كما أظهرت الجينات الأخرى علامات تعافٍ، لكن smyd1a بدا وكأنه المحرك الأساسي لعملية الإصلاح، مما يشير إلى أنه يلعب دورًا حاسمًا في استعادة قوة العضلات وبنيتها.

من خلال الجمع بين الخرائط الجينية، والتحليل الهيكلي، والمراقبة الدقيقة للسمكة في مراحل حياتها المختلفة، رسم الباحثون صورة مفصلة لكيفية عمل هذه العائلة من الإنزيمات في سمكة البرش الصيني. ووجدوا أن السمكة قد احتفظت بمجموعة أساسية من هذه الجينات مع تطوير نسخ محددة للتعامل مع المتطلبات الفريدة لنمو العضلات وإصلاحها. وتشير الدراسة إلى أن تضاعف الجينات في الماضي التطوري للسمكة سمح لها بضبط قدرتها على بناء وصيانة العضلات سريعة الانقباض الضرورية لبقائها. وبينما يوفر هذا البحث أساسًا قويًا لفهم هذه الآليات الجينية، يشير العلماء إلى أن هناك حاجة لمزيد من العمل لتأكيد كيفية تفاعل هذه الإنزيمات مع البروتينات الأخرى لدفع عملية تجديد العضلات. إن هذا العمل لا يعمق معرفتنا ببيولوجيا الأسماك فحسب، بل يقدم أيضًا رؤية أوضح لكيفية تطويع الأدوات الجينية لتلبية التحديات البدنية للحياة في الماء.