فرادرسچرا پیر می شویم و نقش تلومر در آن چیست؟
در تمام فرهنگ‌ها، زمان‌ها و مکان‌ها افسانه‌هایی مربوط به رویای جاودانگی انسان وجود دارد، افسانه‌هایی که در آن‌ها فرد یا افرادی به جاودانگی دست می‌یابند. دانشمندان نیز همواره و در هر کجا به دنبال راهی برای افزایش سن انسان و رهایی انسان از مرگ بوده‌اند. پیر شدن و مرگ، کابوس دائمی انسان بوده و هست. حال این سوال پیش می‌آید که ما چرا پیر می‌شویم؟
مگر این‌طور نیست که در سنین پیری نیز بسیاری از سلول‌های ما مثل سنین جوانی تقسیم می‌شوند تا سلول‌های جوان‌تر تولید کنند، پس چه اتفاقی باعث آسیب‌پذیری و تخریب تدریجی سلول‌ها و بدن ما در کهنسالی می‌شود؟ این سوالی‌ست که باید از علم زیست‌شناسی بپرسیم. اما قبل از این که سراغ پاسخ آن برویم، بد نیست با مقدماتی درباره دستگاه ژنتیک موجودات زنده آشنا شویم.
مثل همیشه، رمزهای ژنتیکی
هرموقع صحبت از ویژگیهای زیستی جانداران زنده می‌شود، بحث رمزهای ژنتیکی یعنی دیانای (DNA) نیز به میان می‌آید. با این حال شاید کمتر کسی شنیده باشد که پیر شدن ما نیز در همین رمزهای ژنتیکی کد شده است. برای درک کامل این مطلب، قبل از اینکه در مورد این موضوع صحبت کنیم، لازم است به بررسی اینکه این کدهای ژنتیکی چه هستند و چه ساختاری دارند بپردازیم.
جایگاه ژن‌ها در یاخته‌ها
کوچک‌ترین واحد سازنده بدن موجودات زنده سلول است. برخی موجودات مثل باکتری‌ها، آمیب‌ها و... تنها از یک سلول درست شده‌اند و برخی مثل انسان، کاج‌ها، قارچ چتری و ... از چندین سلول ساخته شده‌اند. هر سلول اندامک‌های متعددی دارد که این اندامک‌ها بسته به نوع جاندار و وظیفه سلول متفاوت است.
ساختار خارجی این سلول‌ها نیز ممکن است متفاوت باشد؛ مثلاً سلول‌های گیاهی و قارچ‌های پریاخته‌ای دیواره‌ی اسکلتی دارند؛ اما سلول‌های جانوری دیواره اسکلتی ندارند، یا گلبول‌های قرمز از اندامک خالی شده‌اند تا بتوانند بیشترین حجم ممکن اکسیژن را حمل کنند.
یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها
بسته به این که سلول‌ها اندامک داشته باشند یا نه، می‌توان سلول‌های جانداران مختلف را به طور کل به دو نوع کلی تقسیم کرد: سلول‌های پروکاریوت (Prokaryote) مثل سلول‌های باکتری‌ها که فاقد هسته و اندامک هستند و سلول‌های یوکاریوت (Eukaryote) مثل سلول‌های آغازیان، گیاهان، جانوران و قارچ‌ها.
سلول‌های پروکاریوت هیچ اندامک غشاداری در درون خود ندارند و در ضمن دیانای آن‌ها نیز حلقوی‌ست و به جداره داخلی غشاء سلول وصل است و در سیتوپلاسم (Cytoplasm) (مایع درون سلولی) سلول شناور شده، اما در سلول‌های یوکاریوت دیانای خطی‌ست و درون اندامکی به نام هسته (Nucleus) قرار دارد. هسته اندامکی معمولا کروی یا بیضوی در سلول است که فضای داخلی خود را به وسیله‌ی دو غشا از باقی محیط سلول جدا می‌کند. در درون هسته اجزایی چون مولکول‌های دیانای، مولکول‌های آر‌ان‌ای (RNA) ها و اجزاء کوچک دیگر وجود دارند. کدهای ژنتیکی‌ای که پیش‌تر از آن‌ها صحبت کردیم در اصل روی مولکول‌های دیانای قرارگرفته‌اند.
دیانای (DNA) چیست؟
دیانای مخفف عبارت دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DeoxyriboNucleic Acid) است. هر DNA ابرمولکولی نردبانی‌شکل و پیچ‌خورده است که از واحد‌های کوچک‌تری به نام نوکلئوتید (Nucleotide) ساخته شده است. هر نوکلئوتید تشکیل شده از یک گروه فسفات، یک قند دئوکسی ریبوز پنج کربنه، و یک باز آلی؛ گروه فسفات هر نوکلئوتید به گروه قندی نوکلئوتید بعدی متصل می‌شود.
گفتیم که دیانای شبیه یک نردبان است؛ با اتصال قندها و فسفات‌های نوکلئوتیدها به صورت زنجیره‌وار، یک سمت این نردبان ساخته می‌شود؛ اما چگونه این نیمه نردبان به سمت مقابل متصل می‌شود؟
دو نیمه مکمل
ساختار گروه فسفات و قندی در نوکلئوتیدها یکسان است اما بنابر نوع باز آلی که در کنار آن‌ها قرار می‌گیرد، در دیانای چهار نوع نوکلئوتید خواهیم داشت. نوکلئوتیدهایی با باز آلی سیتوزین (C)، گوانین (G)، آدنین (D) و تیمین (T) . این چهار نوع باز دو به دو با یکدیگر نیز رابطه مکمل دارند.
بازهای سیتوزین و گوانین در مقابل هم و بازهای آدنین و تیمین در مقابل هم جفت می‌شوند. بدین شکل دو نیمه‌ی نردبان بهم می‌چسبند و نردبان کامل می‌شود. درواقع این تعداد و نوع چینش بازهای عالی است که رمز ژنتیکی جانداران زنده است و باعث تفاوت آن‌ها از هم می‌شود.
هر مولکول دیانای که فوق‌العاده طویل است، فشرده می‌شود، پیچ می‌خورد و به صورت ساختاری متراکم به نام کروموزوم (Chromosome) درمی‌آید. در انسان 23 جفت کروموزوم وجود دارد؛ یعنی ۲۳ جفت مولکول دیانای در هر هسته سلول بدن انسان وجود دارد.
هر کروموزوم که اغلب اوقات شکلی شبیه X دارد، از دو نیمه عمودی ساخته شده که به هریک کروماتید می‌گوییم. دو کروماتیدی که در یک کروموزوم قرارگرفته باشند، کروماتید خواهری نامیده می‌شوند. کروماتیدهای خواهری در محلی به نام سانترومر بهم متصل می‌شوند. در انتهای هر کروماتید قسمتی از دیانای قرار دارد که در پیر شدن نقشی اساسی دارد.
دردسرهای یوکاریوتی
همان‌طور که پیش‌تر توضیح داده شد، هر گروه فسفات در دیانای از سویی به قند گروه نوکلئوتیدی خود و از سویی به قند گروه نوکلئوتیدی دیگر متصل می‌شود تا نردبان طویل دیانای را تشکیل بدهد. این قندها پنج کربنه هستند، اتصال فسفات با گروه قندی نوکلئوتید خودش از طریق کربن شماره 5 قند انجام می‌شود ولی به گروه قندی نوکلئوتید مجاور از طریق کربن شماره 3 متصل می‌شود.
از این رو هر نیمه‌ی نردبان دیانای جهت دار است و جهت این دو نیمه نیز مخالف یکدیگر است. یعنی (همان طور که در تصویر ۲ دیده می‌شود) آخرین گروه قند یک انتهای یکی از دو نیمه دیانای کربن 3 آزاد دارد؛ درحالی‌ه رشته‌ی مقابل با کربن 5 متصل شده به گروه فسفات منتهی می‌شود.
هر بار که یکی از سلول‌های یوکاریوتی (با ساختار دیانای خطی) تقسیم می‌شوند، لازم است دیانای همانندسازی شود تا برای دو سلول جوان و جدید، دیانای جدید و یکسان داشته باشیم. در فرایند همانندسازی، دو رشته‌ی دیانای از هم باز می‌شوند تا همانندسازی شوند؛ اما این باز شدن به علت آسیب‌پذیری شدید دیانای در حالت باز شده، به صورت تدریجی انجام می‌شود؛ یعنی قسمتی باز می‌شود، همانندسازی می‌شود؛ بسته می‌شود و همزمان قسمت بعدی باز می‌شود.
در دیانای، کدهایی وجود دارد که معنای آن «آغاز همانندسازی از این نقطه» است. در این نقاط، همانندسازی رشته‌های جدید دیانای مقابل رشته‌ی قدیمی آغاز می‌گردد و در مقابل هر رشته، رشته جدیدی از دیانای ساخته می‌شود. اما هنگامی که ماشین ساخت دیانای به انتهای رشته رسید، دیگر چنین نقاطی را پیدا نمی‌کند و این مشکل بزرگی است؛ زیرا ماشین ساخت دیانای تنها قادر به ساخت دیانای جدید از جهت 5 به 3 است (پیش‌تر در مورد اینکه علت این نام‌گذاری کربن‌های قند در نوکلئوتید هستند صحبت کردیم)، بنابراین اگر در قسمت انتهایی باز شده‌ی دیانای نقطه‌ی آغازگری وجود نداشته باشد، ماشین ساخت دیانای قادر به همانندسازی آن قسمت از دیانای نخواهد بود و با هر بار همانندسازی قسمتی از دیانای از دست می‌رود و کوتاه می‌شود. طبعا اگر اطلاعات ژنتیک مهمی در این قسمت‌های از دست رفته قرار گرفته باشد، این اطلاعات به سلولی که قرار است ساخته شود نخواهد رسید و عملکرد سلول دختر با مشکل روبه‌رو خواهد شد.
تلومر: چاره‌جویی تکاملی
اما تکامل این مشکل را به شیوه خودش حل کرده است. توالی‌های دیانای در این قسمت انتهایی هیچ معنایی ندارند و در عمل ژن مهم و حیاتی در خود ندارند تا با از بین رفتن آن‌ها اطلاعات ژنتیکی نابود شوند. این قسمت انتهایی و بی‌معنی رشته دیانای را تلومر (Telomere) می‌نامیم که به معنی «قطعه نهایی» است. به علاوه، آنزیمی به نام تلومراز وجود دارد که قطعه جدیدی از همان توالی بی‌معنی و از دست رفته تلومر را به انتهای رشته دیانای جدید اضافه می‌کند.
در پستانداران توالی تلومر با توالی بازهای آلی TTAGGG شناخته می‌شود که حدود 100 تا 2500 بار در انتهای هر رشته دیانای تکرار شده‌اند. خود تلومر نیز در نهایت ساختاری حلقوی تشکیل می‌دهد که باعث می‌شود انتهای دیانای از آسیب‌هایی چون ایجاد پیوستگی‌های نابجا، تخریب به‌وسیله‌ی برخی آنزیم‌ها و... محافظت شود. تلومرها در انتهای کروموزوم‌ها فشرده می‌شوند.
اگر تلومراز وجود دارد، پس چرا ما پیر می‌شویم؟
شاید برای شما این سوال پیش بیاید که با وجود تلومراز که تلومر را بلند می‌کند، کوتاه شدن دیانای در هر همانندسازی جبران می‌شود و دیانای ما نباید آسیبی ببیند. پاسخ این است که تلومراز در اکثر سلول‌های بدن ما طی تمایز و تعیین سرنوشت مهار می‌شود. تمایز به فرایند تخصصی‌شدن و متمایزشدن سلول‌های بنیادی در بافت‌های مختلف بدن گفته می‌شود که در آن، سرنوشت و نقش خاص هر سلول تعیین می‌شود و سلول متناسب با آن دچار تغییراتی ساختاری می‌شود.
به این ترتیب در سلول‌های تمایز یافته و تخصصی شده درون بافت‌ها خبری از تلومراز نیست و از این رو، با هر بار تقسیم سلول‌ها و همانندسازی، قسمتی از تلومرها کوتاه می‌شوند. درواقع تلومر تنها در سلولهایی مثل سلول‌های زایشی، سلول‌های بنیادی، گویچه‌های سفید خون و اندکی از دیگر سلول‌های بدنی فعال می‌ماند. سلول‌های زایشی قرار است نسل بعد را بسازند و لزوما به تلومر احتیاج دارند و سلول‌های بنیادی نیز قرار است جایگزین بافت‌های آسیب‌دیده شوند بنابراین نیازمند تلومر هستند تا بتوانند در زمان نیاز به قدر کافی تکثیر شوند.
اما تلومر در عمده سلول‌های بدنی با هر بار تقسیم کوتاه و کوتاه‌تر می‌شود. هنگامی که تلومر از بین رفت، آسیب‌های جدی متوجه قسمت معنادار دیانای می‌شود. وقتی که طول تلومرهای یاخته‌ای خیلی کوتاه شود، پیام‌هایی درون سلول فعال می‌شوند که چرخه‌ی سلول را متوقف کرده و سلول را به سمت مرگ برنامه‌ریزی‌شده (Apoptosis)) می‌برند.
وقتی تعداد قابل توجهی از سلول‌های موجودی پریاخته توانایی رشد و تقسیم خود را از دست بدهند و به سمت مرگ سلولی بروند، عملکرد بافت‌ها دچار اختلال می‌شود؛ و پیری فیزیولوژیک از راه می‌رسد. البته در سلولهایی مثل سلول‌های ماهیچه، عصب‌ها و قلب که تقسیم سلولی رخ نمی‌دهد، چنین اتفاقی هم نمی‌افتد.
پژوهش‌ها نشان می‌دهد سلول‌های جوان ما قادرند طی عمر خود، حدود 50 بار تقسیم شوند و سپس از بین می‌روند. برخی عوامل مثل آفتاب‌سوختگی یا یبوست شدید که موجب آسیب به بافت‌ها می‌شوند (به ترتیب در پوست و جدار داخلی روده) نیاز به تولیدمثل سلول‌ها را افزایش می‌دهند و تکرر وقوع آن‌ها هم موجب پیری زودرس و هم موجب افزایش احتمال ابتلا به سرطان می‌شود. زیرا سلول‌های سرطانی از سلولهایی به وجود می‌آیند که تلومر کوتاه شده دارند و قرار است از میان بروند، منتها به جای فعال کردن چرخه مرگ برنامه‌ریزی شده، آنزیم تلومراز را فعال می‌کنند و در بدن سر به شورش می‌گذارند.
هرچه‌قدر سرطان بیشتر پیش برود، سلول‌های سرطانی بیشتر تمایز زدایی می‌کنند، شکل تخصصی خود را از دست می‌دهند، از بافت اطراف جدا می‌شوند و سرانجام ظاهری شبیه سلول بنیادی می‌گیرند، در سراسر بدن پخش می‌شوند و بیمار را می‌کشند.
جانوران نامیرا
نوعی کرم پهن وجود دارد که به لحاظ تئوری نامیرا است؛ یعنی پیر نمی‌شود و حتی اگر آن را به دو قسمت مساوی تقسیم کنیم، تبدیل به دو کرم خواهد شد. البته در عمل عواملی مثل شکار، بیماری و رقابت بر سر منابع غذایی آن‌ها را به کشتن می‌دهد و از ازدیاد آن‌ها جلوگیری می‌کند.
به نظر می‌رسد کرم پهن به جاودانگی مورد نظر انسان نزدیک شده و علت آن چیزی جز آنزیم تلومراز نیست. تلومراز در تمام سلول‌های کرم پهن فعال است و پیوسته از کوتاه شدن طول تلومر پس از تقسیم سلولی جلوگیری می‌کند؛ بنابراین به سلول‌های پلاناریا امکان می‌دهد که همواره سلول‌های جوان‌تر بسازند و جایگزین سلول‌های قبلی کند. آیا انسان نمی‌تواند از همین روش استفاده کند؟
تلومراز، دوست یا دشمن؟
به نظر می‌رسد که علم اکنون می‌تواند پروژه‌ای جهت فعال‌سازی تلومراز در سلول‌های انسان راه بیندازد و انسان را به جاودانگی نزدیک کند، پس چه چیزی مانع این امر می‌شود؟! حقیقت این است که تلومراز فعال در سلول‌های بدنی ما، خطراتی مثل سرطان هم نیز به دنبال دارد که نمی‌توان آن‌ها را نادیده گرفت.
قوی‌ترین فرضیه پذیرفته شده در مورد به وجود آمدن سرطان این است که در تعداد اندکی از سلول‌ها جهشی منجر به فعال‌سازی تلومراز می‌شود؛ در نتیجه تلومرها از کوتاهی حفظ می‌شوند و سلولهایی شبیه سلول بنیادی و البته نامیرا تولید می‌شوند که به رقابت با سایر سلول‌های بدن برخاسته و هیچ چیزی جلودار تقسیم بی‌رویه آن‌ها نیست. بنابراین فعال‌سازی تلومراز که می‌توانست راهی برای جاودانگی انسان باشد، در اصل منجر به یکی از خطرناک‌ترین بیماری‌های جهان می‌شود و راهی به سوی مرگ انسان است.
به همین دلیل است که در برخی موارد برای درمان سرطان، واکسن‌ها و موادی شیمیایی تجویز می‌کنند که باعث مهار تلومراز در سلول‌های سرطانی می‌شود و خود این موضوع موجب مشکلاتی می‌شود؛ برای مثال تلومراز در سلول‌های سالمی نیز که باید تلومراز داشته باشند (ازجمله سلول‌های بنیادی، زایشی و گویچه‌های سفید خون) مهار می‌شود و باروری، رشد موها، التیام زخم و عملکرد دستگاه ایمنی بدن به مشکل برمی‌خورد.
چه چیزهای دیگری ما را پیر می‌کنند؟
البته به جز تلومر عوامل دیگری نیز در فرایند پیری دخیل هستند. همچنین تحقیقات نشان می‌دهد که مواردی چون سیگار کشیدن، چاقی، قرار گرفتن در معرض آلاینده‌ها، فشارهای روانی و غذاهای دارای لینولئیک‌اسید (اسید چربی که در مرغ، چیپس، مایونز، پاستا، پیتزا و... قرار دارد) کوتاه شدن تلومرها را تسریع می‌کنند و درواقع عمر انسان را کوتاه می‌کنند.
رویای جاودانگی انسان از طریق علم زیست‌شناسی هنوز ممکن به نظر نمی‌رسد. با این حال انسان قرن بیست و یکم از روش‌های دیگری به دنبال جاودان شدن است، مثل دیجیتال کردن هوشیاری انسان که مطالعه آن نیز خالی از لطف نیست. شاید سال‌ها بعد، فردی نوشته‌های کنونی ما را در تاریخ علم مطالعه کند و همان‌طور که خیالی بودن داستان سفر به ماهِ ژول‌ورن (Jules Verne)، نویسنده فرانسوی الان برای ما خنده‌دار است، به ما بخندد و برای جشن تولد هزار و نهصد و سی و پنج سالگی‌اش برنامه‌ریزی کند!
سلام و درود. مطلبی بسیار خوب بود ازتون تشکر می کنم برای بنده خیلی مفید بود
بسیار ساده و مفید بیان شده است .خیلی ممنون
چه جالب!!!
چاره جویی تکاملی؟
پس تکامل و طبیعت دارای هوش هستن
جل الخالق
مرسی از تکامل که دونه دونه مشکلاتو حل میکنه
عالی بود عالی