الطفرات الجينية

ما هي الطفرات؟

الطفرات (Mutations): هي تغييرات في تسلسل الحمض النووي (DNA). إذا فكر المرء في المعلومات الموجودة في الحمض النووي على أنها سلسلة من الجمل، فإن الطفرات هي أخطاء في تهجئة الكلمات التي تتكون منها تلك الجمل.
في بعض الأحيان، تكون الطفرات غير هامة، مثل الكلمة التي بها أخطاء إملائية ولا يزال معناها واضحًا تمامًا. في أوقات أخرى، يكون للطفرات تداعيات أقوى، مثل الجملة التي تغير معناها تمامًا.

لقطة مقرّبة للحمض النووي:

جميع الكائنات الحية، من أصغر أنواع البكتيريا إلى النباتات والبشر، تتكون من خلايا مجهرية (في حالة البكتيريا، يكون الكائن الحي بأكمله عبارة عن خلية واحدة). في صميم هذه الخلايا يوجد الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين؛ المخطط الجزيئي لكل جوانب الوجود تقريبًا.

إذا بدأ المرء في تكبير بنية الحمض النووي، فإن المستوى الأول من التكبير يتكون من سلسلتين متشابكتين على شكل حلزون مزدوج. تتكون كل سلسلة من سلسلة من النيوكليوتيدات. في المقابل، كل نيوكليوتيد هو مركب من ثلاثة كيانات: سكر يسمى ديوكسيريبوز، ومجموعات فوسفات وقاعدة تحتوي على النيتروجين (أي مركب جاهز لقبول أيون الهيدروجين).

يمكن أن تحتوي نيوكليوتيدات الحمض النووي على القواعد التالية: الأدينين (A)، الجوانين (G)، السيتوزين (C) والثيمين (T). غالبًا ما يشار إلى النيوكليوتيدات بالقاعدة التي تحتوي عليها.

تجلس السكريات والفوسفات في النيوكليوتيدات المختلفة في الجزء المتسلسل من الحلزون المزدوج، بينما تصل قواعد النيوكليوتيدات عبر الفجوات لتلتصق بالقواعد الموجودة على الجانب الآخر. بشكل عام، يبدو الحمض النووي حقًا مثل سلم حلزوني مزدوج مع قواعد كدرجات، وهو تشبيه شائع. القواعد تلتصق ببعضها البعض بطريقة محددة للغاية: الأدينين (A) إلى الثايمين (T) والسيتوزين إلى (C) إلى الجوانين (G). يُعرف هذا باسم الاقتران الأساسي التكميلي.

عندما يشير المرء إلى تسلسل الحمض النووي، فإنه يشير إلى تسلسل النيوكليوتيدات على أحد خيوطه. نظرًا لأن النيوكليوتيدات ترتبط ببعضها البعض بطريقة يمكن التنبؤ بها، فإن معرفة تسلسل أحد الخيطين يجعل من السهل ملء تسلسل الآخر.

الجينات وتخليق البروتين:

الجينات هي أجزاء من تسلسل الحمض النووي التي توجه الآلية الخلوية لتخليق البروتينات.

في الكائنات الحية غير البكتيريا، مثل النباتات أو الحيوانات أو البشر، تحتوي الجينات على نوعين من تسلسل الحمض النووي: الإنترونات والإكسونات، والتي تتخللها الجينات. لا تحمل تسلسلات الحمض النووي في الإنترونات أي تعليمات للخلايا، بينما ترمز الإكسونات للوحدات الفرعية الفردية للبروتينات التي تسمى الأحماض الأمينية.

كيف تنقل الإكسونات أيًا من 20 حمضًا أمينيًا يجب انتقاؤه لبناء بروتين؟ مجموعة من ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة في إكسون تعمل كعلامة جزيئية تُعرف باسم كودون. كل كودون يتوافق مع حمض أميني واحد. علاوة على ذلك، يمكن أن تتوافق الكودونات المتعددة مع نفس الحمض الأميني. على سبيل المثال، الكودونات ATT و ATC و ATA كلها رمز للحمض الأميني isoleucine.

بشكل عام، يعد التعبير الجيني أو قراءة المعلومات الموجودة في الجين وإنتاج البروتين في النهاية، عملية متعددة الخطوات. يتم إنتاج الحمض النووي الريبي (RNA)، وهو عبارة عن سلسلة نيوكليوتيدات قصيرة مفردة مجدولة في خطوة وسيطة. على عكس الحمض النووي، يحتوي الحمض النووي الريبي على ريبوز السكر ونيوكليوتيد يوراسيل (U) بدلاً من الثايمين (T).

يوفر الحمض النووي المادة المصدر لتخليق نوع RNA يُعرف باسم RNA الرسول (mRNA)، عبر عملية النسخ. أثناء النسخ، تنفتح منطقة من اللولب المزدوج وفقط واحد من خيوط DNA يعمل كقالب لتخليق mRNA. النيوكليوتيدات الموجودة في الرنا المرسال الناتج مكملة لقالب الحمض النووي (مع اليوراسيل المكمل للأدينين).

يتم بعد ذلك قطع المناطق المقابلة للإنترونات أو تقسمها لتشكيل خيط مرنا ناضج. يعمل هذا الشريط الآن نموذجًا يمكن من خلاله بناء بروتين عبر عملية الترجمة. أثناء الترجمة، ترشد أكواد mRNA الآلات الخلوية لاختيار حمض أميني معين. على سبيل المثال، الكودونات AUU و AUC و AUA تتوافق جميعها مع الأحماض الأمينية isoleucine.

الطفرات:

الطفرات: هي التغييرات التي تحدث في تسلسل النوكليوتيدات للحمض النووي. “يمكن أن تحدث تلقائيًا عندما يتم نسخ الحمض النووي أثناء انقسام الخلية، لكن يمكن أيضًا أن تحدث بسبب العوامل البيئية، مثل المواد الكيميائية أو الإشعاع المؤين [مثل الأشعة فوق البنفسجية]”.

تحدث أخطاء النسخ في الخلايا البشرية لكل 100000 نيوكليوتيد، التي بدورها تصل إلى حوالي 120.000 خطأ في كل مرة تنقسم فيها خلية واحدة. مع ذلك، فإن الخبر السار هو أنه في معظم الحالات، الخلايا لديها القدرة على إصلاح مثل هذه الأخطاء. أو أن الجسم يدمر الخلايا التي لا يمكن إصلاحها، بالتالي يمنع مجموعة الخلايا الشاذة من التوسع.

أنواع الطفرات:

بشكل عام، تنقسم الطفرات إلى فئتين – الطفرات الجسدية وطفرات السلالة الجرثومية، تحدث الطفرات الجسدية في الخلايا الجسدية التي تحمل الاسم نفسه، التي تشير إلى خلايا الجسم المختلفة التي لا تشارك في التكاثر، خلايا الجلد على سبيل المثال. إذا لم يتم إيقاف تكرار الخلية ذات الطفرة الجسدية، فسوف يتوسع عدد الخلايا الشاذة. مع ذلك، لا يمكن أن تنتقل الطفرات الجسدية إلى نسل الكائن الحي.

من ناحية أخرى، تحدث طفرات السلالة الجرثومية في الخلايا الجرثومية أو الخلايا التناسلية للكائنات متعددة الخلايا؛ الحيوانات المنوية أو خلايا البويضات على سبيل المثال. يمكن أن تنتقل مثل هذه الطفرات إلى نسل الكائن الحي. علاوة على ذلك، وفقًا للكتيب المرجعي للوراثة الرئيسية، فإن مثل هذه الطفرات ستنتقل إلى كل خلية في جسم النسل تقريبًا.

مع ذلك، بناءً على كيفية تغيير تسلسل الحمض النووي (بدلاً من المكان)، يمكن أن تحدث أنواع مختلفة من الطفرات. على سبيل المثال، في بعض الأحيان، يمكن لخطأ في تكرار الحمض النووي أن يغير نوكليوتيد واحد ويستبدله بآخر، وبالتالي تغيير تسلسل النوكليوتيدات لكودون واحد فقط. هذا النوع من الخطأ، المعروف أيضًا باسم الاستبدال الأساسي، يمكن أن يؤدي إلى الطفرات التالية:

• الطفرة الخاطئة (Missense mutation): في هذا النوع من الطفرات، يتوافق الكودون المعدل الآن مع حمض أميني مختلف. نتيجةً لذلك، يتم إدخال حمض أميني غير صحيح في البروتين الذي يتم تصنيعه.
  
• طفرة لا معنى لها (Nonsense mutation): في هذا النوع من الطفرات، بدلاً من وسم الحمض الأميني، تتوقف إشارات الكودون المعدلة للنسخ. وبالتالي يتم إنتاج حبلا أقصر من mRNA ويتم اقتطاع البروتين الناتج أو عدم القدرة على تأدية وظيفته.
  
• الطفرة الصامتة (Silent mutation): نظرًا لأن بعض الكودونات المختلفة يمكن أن تتوافق مع نفس الحمض الأميني، فإن استبدال القاعدة في بعض الأحيان لا يؤثر على الحمض الأميني الذي يتم اختياره. على سبيل المثال، تتوافق كل من ATT و ATC و ATA مع isoleucine. إذا حدث استبدال أساسي في كودون ATT بتغيير النيوكليوتيد الأخير (T) إلى C أو A ، فسيظل كل شيء كما هو في البروتين الناتج. سوف تستمر الطفرة دون أن يتم اكتشافها أو تظل صامتة.
  

تأثير الطفرات:

في أغلب الأحيان، تتبادر إلى الذهن الطفرات كسبب لأمراض مختلفة. الطفرات المسببة للأمراض عادةً ما تكون غير شائعة جدًا في عموم السكان.

متلازمة الكروموسوم X الهش (Fragile X syndrome):

تحدث متلازمة الكروموسوم X الهش (Fragile X syndrome) بسبب طفرة ديناميكية وتحدث في 1 من كل 4000 رجل و 1 من كل 8000 امرأة. تعتبر الطفرات الديناميكية خبيثة إلى حد ما لأن شدة المرض يمكن أن تزداد مع زيادة عدد النوكليوتيدات المتكررة. في أولئك الذين يعانون من متلازمة كروموسوم X الهش، يتكرر تسلسل النوكليوتيدات CGG أكثر من 200 مرة داخل جين يسمى FMR1 (حيث يكون الرقم الطبيعي بين 5 و 40 تكرارًا).
يؤدي هذا العدد الكبير من عمليات تكرار CGG إلى تأخر مهارات الكلام واللغة ومستوى معين من الإعاقة الذهنية والقلق والسلوك المفرط النشاط. مع ذلك، في أولئك الذين لديهم عدد أقل من التكرارات (55-200 تكرار)، يعتبر معظمهم يتمتعون بذكاء طبيعي. نظرًا لأن الجين FMR1 موجود على الكروموسوم X، فإن هذه الطفرة قابلة للتوريث أيضًا.

هيموغلوبين S:

يمكن أن يحدث نوع مختلف من الهيموجلوبين البالغ، يُعرف باسم الهيموغلوبين S بسبب طفرة مغلوطة، مما يجعل الحمض الأميني فالين يحل محل حمض الجلوتاميك. إذا ورث المرء الجين الشاذ من كلا الوالدين، فإنه يؤدي إلى حالة تعرف باسم مرض فقر الدم المنجلي.

حصل المرض على اسمه من حقيقة أن خلايا الدم الحمراء، التي عادة ما تكون على شكل قرص، تنقبض وتشبه المنجل. يعاني المصابون بهذه الحالة من فقر الدم والتهابات منتظمة وآلام. تشير التقديرات إلى أن الحالة تحدث في 1 من كل 500 أمريكي من أصل أفريقي وحوالي 1 من كل 1000 إلى 1400 أمريكي من أصل إسباني.