سلالة الخلايا

يشير مصطلح سلالة الخلايا إلى تاريخ تطور نسيج أو عضو ما منذ البويضة المخصبة . ^{[ 1 ]} ويعتمد هذا على تتبع الأصل الخلوي للكائن الحي من خلال انقسامات الخلايا وانتقالها مع مرور الوقت. يبدأ هذا التطور بالخلايا الأصلية وينتهي بخلية ناضجة غير قادرة على الانقسام. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

يمكن دراسة هذا النوع من السلالات الخلوية عن طريق وسم الخلية (بجزيئات فلورية أو علامات أخرى قابلة للتتبع) ومتابعة نسلها بعد انقسامها. بعض الكائنات الحية، مثل دودة C. elegans ، لها نمط محدد مسبقًا من النسل الخلوي، ويتكون الذكر البالغ دائمًا من 1031 خلية. ويعود ذلك إلى أن انقسام الخلايا في C. elegans محدد وراثيًا ويُعرف باسم eutely . ^{[ 4 ] [ 5 ]} وهذا ما يجعل سلالة الخلية ومصيرها مرتبطين ارتباطًا وثيقًا. أما الكائنات الحية الأخرى، كالبشر، فلديها سلالات وأعداد خلايا جسدية متغيرة .

بصفته أحد رواد علم أنساب الخلايا، بدأ الدكتور سيدني برينر في ستينيات القرن الماضي بملاحظة تمايز الخلايا وتتابعها في الدودة الأسطوانية Caenorhabditis elegans . وقد اختار الدكتور برينر هذا الكائن الحي نظرًا لجسمه الشفاف، وسرعة تكاثره، وسهولة الوصول إليه، وصغر حجمه، مما جعله مثاليًا لتتبع أنساب الخلايا تحت المجهر.

بحلول عام ١٩٧٦، تمكن الدكتور برينر وزميله الدكتور جون سولستون من تحديد جزء من سلالة الخلايا في الجهاز العصبي النامي لديدان C. elegans . أظهرت النتائج الأولية أن الديدان الخيطية كانت متماثلة في مسارات التمايز (أي أن كل فرد يمر بنفس مسارات التمايز). ومع ذلك، أظهرت دراسة أجراها سولستون وريتشارد هورفيتز أن العديد من الخلايا الضرورية للتكاثر تتمايز بعد الفقس. تشمل هذه الخلايا خلايا الفرج، بالإضافة إلى خلايا العضلات والخلايا العصبية. كما أدى هذا البحث إلى الملاحظات الأولية للموت الخلوي المبرمج ، أو الاستماتة .

بعد رسم خرائط لأقسام مختلفة من C. elegansفي دراسةٍ لسلالة الخلايا، تمكّن الدكتور برينر وزملاؤه من وضع أول خريطة كاملة وقابلة للتكرار لمصير سلالة الخلايا. وقد نالوا لاحقًا جائزة نوبل عام 2002 لأبحاثهم في التنظيم الجيني لتطور الأعضاء والموت الخلوي المبرمج. ^{[ 6 ]} ولأنّ دودة C. elegans خنثى، فهي تحتوي على أعضاء ذكرية وأنثوية، حيث تخزن الحيوانات المنوية وتستطيع التلقيح الذاتي. تحتوي C. elegans على 302 خلية عصبية و959 خلية جسدية، منها 1031 خلية، تخضع 72 منها للاستماتة، وهي الموت الخلوي المبرمج. هذا يجعل C. elegans كائنًا نموذجيًا لدراسة سلالة الخلايا، ولإمكانية مراقبة انقسامات الخلايا نظرًا لشفافية نمطها الظاهري. ^{[ 7 ]}

أُجريت إحدى أوائل الدراسات حول أنساب الخلايا في سبعينيات القرن التاسع عشر على يد ويتمان، الذي درس أنماط الانقسام في العلقيات واللافقاريات الصغيرة . ووجد أن بعض المجموعات، مثل الديدان الأسطوانية والأسيديات، تُشكّل نمطًا من انقسام الخلايا متطابقًا بين الأفراد وثابتًا. ويُعتقد أن هذا الارتباط الوثيق بين سلالة الخلية ومصيرها يُحدّد بعوامل مُنفصلة داخل الخلايا المنقسمة. في المقابل، امتلكت كائنات حية أخرى أنماطًا نمطية لانقسام الخلايا، وأنتجت أنسابًا فرعية ناتجة عن خلايا سلفية مُحددة. ويُعتقد أن هذه المصائر الخلوية الأكثر تنوعًا تعود إلى تفاعل الخلايا مع البيئة. وبفضل التطورات الحديثة في تتبع الخلايا بدقة أكبر، ساعد ذلك المجتمع البيولوجي، إذ تُستخدم الآن مجموعة متنوعة من الألوان في إظهار الخلايا الأصلية وتتبعها بسهولة. هذه الألوان فلورية، وتُعلّم على البروتينات عن طريق حقنها لتتبع هذه الخلايا. ^{[ 8 ]}

يمكن تحديد سلالة الخلايا بطريقتين، إما عن طريق الملاحظة المباشرة أو عن طريق التحليل الاستنساخي. خلال أوائل القرن التاسع عشر، استُخدمت الملاحظة المباشرة، لكنها كانت محدودة للغاية إذ لم يكن بالإمكان دراسة سوى عينات صغيرة وشفافة. وقد أتاح اختراع المجهر متحد البؤر دراسة كائنات حية أكبر وأكثر تعقيدًا. ^{[ 9 ]}

لعلّ أكثر الطرق شيوعًا لتحديد مصير الخلايا في العصر الجيني هي إعادة التركيب الموضعي بوساطة أنظمة Cre-Lox أو FLP-FRT . باستخدام هذه الأنظمة، يُفعّل جين مُبلِّغ (يُشفِّر عادةً بروتينًا فلوريًا) ليُعلِّم الخلية المستهدفة وخلاياها الناتجة بشكل دائم، ومن هنا جاء اسم تتبع سلالة الخلايا. ^{[ 10 ]} يُمكّن هذا النظام الباحثين من دراسة وظيفة جين مُحدد في تحديد مصير الخلية، وذلك بتصميم نموذج جيني يُصمَّم فيه حدث إعادة تركيب واحد داخل الخلية للتلاعب بالجين المستهدف، وحدث آخر لتفعيل الجين المُبلِّغ. إحدى المشكلات البسيطة هي أن حدثي إعادة التركيب قد لا يحدثان في الوقت نفسه، لذا يجب تفسير النتائج بحذر. ^{[ 11 ]} علاوة على ذلك، تتميز بعض المؤشرات الفلورية بعتبة إعادة تركيب منخفضة للغاية، ما قد يؤدي إلى وسم مجموعات الخلايا في أوقات غير مرغوب فيها في غياب التحفيز. ^{[ 12 ]}

تم تطوير مناهج البيولوجيا التركيبية ونظام CRISPR / Cas9 لهندسة أنظمة جينية جديدة تُمكّن الخلايا من تسجيل معلومات السلالة في جينومها ذاتيًا. تعتمد هذه الأنظمة على طفرات مُهندسة ومُوجّهة لعناصر جينية مُحددة. ^{[ 13 ] [ 14 ]} من خلال توليد تغييرات جينومية عشوائية جديدة في كل جيل خلوي، تُسهّل هذه المناهج إعادة بناء أشجار السلالة. تُبشّر هذه المناهج بتوفير تحليل أكثر شمولًا لعلاقات السلالة في الكائنات النموذجية. كما يجري تطوير طرق حاسوبية لإعادة بناء الأشجار ^{[ 15 ] لمجموعات البيانات المُولّدة بواسطة هذه المناهج.}

في البشر، بعد الإخصاب ، تنقسم البويضة المخصبة إلى خليتين. يمكن استخدام الطفرات الجسدية التي تنشأ مباشرة بعد تكوين البويضة المخصبة، وكذلك في مراحل لاحقة من النمو، كعلامات لتتبع أنساب الخلايا في جميع أنحاء الجسم. ^{[ 16 ]} بدءًا من انقسامات البويضة المخصبة، لوحظ أن الأنساب تساهم بشكل غير متساوٍ في خلايا الدم . فقد وُجد أن ما يصل إلى 90% من خلايا الدم مشتقة من واحدة فقط من أول خليتين جنينيتين . بالإضافة إلى ذلك، قد يؤدي النمو الطبيعي إلى خصائص غير متساوية للأعضاء المتناظرة، كما هو الحال بين الفصين الجبهي والقذالي الأيمن والأيسر من القشرة المخية . وقد اقتُرح أن كفاءة إصلاح الحمض النووي تساهم في اختلال توازن الأنساب، حيث أن الوقت الإضافي الذي تقضيه الخلية في إصلاح الحمض النووي قد يقلل من معدل التكاثر. ^{[ 16 ]}

• قدرة الخلايا على التكاثر
• تحرير الجينوم لمصفوفات الهدف الاصطناعية لتتبع السلالات ( GESTALT )