كشفت دراسة علمية حديثة، نُشرت في دورية Nature Ecology and Evolution، عن خريطة تنظيمية غير مسبوقة تشرح كيف تنشأ الأنواع المختلفة من الخلايا في شقائق النعمان البحرية، التي تُعد من أقدم الحيوانات المعروفة على كوكب الأرض. وأعد الدراسة باحثون من مركز التنظيم الجينومي، معتمدين على تقنيات تحليل متقدمة على مستوى الخلية الواحدة.
وقدمت الدراسة دليلاً قوياً على أن تنوع الخلايا في الحيوانات لا يعتمد فقط على الجينات نفسها، بل بشكل أساسي على كيفية تنظيم قراءة هذه الجينات والتحكم في تشغيلها وإيقافها عبر ما يُعرف بالحمض النووي التنظيمي، وهو مجموعة من العناصر التي تعمل كمفاتيح جزيئية داخل الجينوم.
وتُعد مسألة كيفية قدرة كائن حي واحد على إنتاج عشرات أو مئات الأنواع المختلفة من الخلايا، رغم امتلاكها جميعاً الجينوم نفسه، من أعمق الأسئلة في علم الأحياء. فالخلايا العصبية والعضلية، على سبيل المثال، تختلف جذرياً في الشكل والوظيفة، رغم تطابق مادتها الوراثية. ويعزو العلماء هذا الاختلاف إلى آليات تنظيمية تسمح لبعض الجينات بالعمل في خلية معينة، وتمنعها في أخرى.
ورغم أن فهم هذه الآليات كان سابقاً محصوراً في كائنات نموذجية مثل الفئران وذباب الفاكهة، فإن الدراسة الجديدة وسّعت هذا الفهم بشكل جذري، عبر تقديم أول أطلس شامل يربط بين هوية الخلية والعناصر التنظيمية في كائن ينتمي إلى شعبة اللاسعات، التي تضم شقائق النعمان وقناديل البحر والشعاب المرجانية، وهي من أقدم الفروع في شجرة تطور الحيوانات، إذ ظهرت قبل نحو نصف مليار عام.
وأوضح الباحثون أن اختيار شقائق النعمان لم يكن عشوائياً، إذ يُعد هذا الكائن نموذجاً مثالياً لدراسة أصول الخلايا العصبية والعضلية، إضافة إلى امتلاكه نوعاً فريداً من الخلايا يُعرف بالخلايا اللاسعة، المسؤولة عن اللدغ والدفاع وصيد الفرائس.
واعتمد الفريق البحثي على تحليل نحو 60 ألف خلية منفردة جُمعت من مرحلتين مختلفتين من دورة حياة شقائق النعمان، شملت نحو 52 ألف خلية من كائنات بالغة، إضافة إلى قرابة 7 آلاف خلية من أجنّة في مرحلة مبكرة من التطور الجنيني تُعرف بمرحلة المعيدة.
ومن خلال هذه البيانات، أنشأ الباحثون فهرساً تنظيمياً ضخماً يضم 112 ألفاً و728 عنصراً تنظيمياً داخل جينوم هذا الكائن، الذي يبلغ حجمه نحو 269 مليون زوج قاعدي من الحمض النووي. ويُعد هذا الرقم لافتاً، إذ يقترب من عدد العناصر التنظيمية المعروفة في ذبابة الفاكهة، رغم أن اللاسعات أقدم منها بمئات الملايين من السنين.
ويشير هذا الاكتشاف إلى أن الأدوات الجزيئية الأساسية لتنظيم الجينوم كانت موجودة في وقت مبكر جداً من تاريخ تطور الحيوانات، قبل ظهور الأجسام المعقدة كما نعرفها اليوم.
وتكمن الميزة الجوهرية لهذا الأطلس الجديد في أنه أعاد تعريف مفهوم هوية الخلية. فبدلاً من تصنيف الخلايا بناءً على الجينات النشطة فيها فقط، قام الباحثون بتجميع الخلايا اعتماداً على العناصر التنظيمية النشطة لديها. وأظهرت النتائج أن هذا النهج يعكس بدقة التاريخ التطوري والجنيني للخلايا، ويكشف الطبقة الجنينية التي نشأت منها كل خلية.
وفي هذا السياق، أظهرت الدراسة أن خلايا متشابهة في الوظيفة، مثل نوعين من الخلايا العضلية في شقائق النعمان، قد تستخدم الجينات نفسها تقريباً، لكنها تُدار عبر برامج تنظيمية مختلفة تماماً، ما يعكس أصولاً جنينية ومسارات تطور مستقلة.
وقالت الباحثة المشاركة في الدراسة، مارتا إجليسياس، إن “التعبير الجيني يخبرنا بما تفعله الخلايا، لكن الحمض النووي التنظيمي يخبرنا من أين جاءت هذه الخلايا وكيف تطورت”، مؤكدة أن هذا التمييز أساسي لفهم تطور تنوع الخلايا عبر الزمن.
من جانبها، أشارت الباحثة أناماريا إليك إلى أن الدراسة تبرز قوة الجمع بين تقنيات تحليل الجينوم على مستوى الخلية الواحدة ونماذج التعلم العميق، التي مكّنت الفريق من التنبؤ بكيفية عمل العناصر التنظيمية انطلاقاً من تسلسلها الجيني.
وتحمل النتائج دلالات تطورية عميقة، إذ تُظهر أن نشوء خلايا متخصصة، مثل الخلايا اللاسعة، يمكن تفسيره من خلال إعادة توظيف شبكات التنظيم الجيني، دون الحاجة إلى ابتكار جينات جديدة بالكامل. ويرى الباحثون أن هذه الشبكات تمثل أداة إبداعية بيد التطور، تسمح بتوليد تنوع خلوي كبير عبر تغييرات في مفاتيح التشغيل والإيقاف.
وتتجاوز أهمية هذا العمل حدود شقائق النعمان، إذ يضع أساساً لمقارنة الأطالس التنظيمية لمختلف الكائنات عبر شجرة الحياة، ما يفتح الباب لفهم أعمق لكيفية ظهور أنواع الخلايا الجديدة وتطورها عبر مئات الملايين من السنين.
وفي المحصلة، تؤكد الدراسة أن القواعد الأساسية التي تقوم عليها وظائف الخلايا الحيوانية الحديثة كانت موجودة منذ عصور سحيقة، وأن مفتاح هذا التنوع لا يكمن في الجينات وحدها، بل في الطريقة التي نُظمت بها تلك الجينات داخل شبكات معقدة من التحكم الجيني.
