ترميم وإصلاح الحمض النووي

إصلاح الحمض النووي:

تسهل آلة الإصلاح استئصال النيوكليوتيدات التالفة عن طريق إحداث شقوق ثنائية النسق في المناطق المجاورة وإزالة جزء يبلغ طوله حوالي 30 نيوكليوتيدًا، إن عملية (NER) معقدة كيميائيًا حيويًا، حيث تشتمل على ما يصل إلى 30 بروتينًا مميزًا في الخلايا البشرية تعمل كمركب كبير يسمى إصلاح استئصال النوكليوتيدات.

يتم تصحيح القواعد التالفة التي لا تتعرف عليها آلية (NER) بواسطة (BER)، حيث يتم استئصال القواعد من الجينوم كقواعد حرة بواسطة مجموعة مختلفة من إنزيمات الإصلاح، وفي (MMR) يتم استئصال القواعد غير الصحيحة المدمجة نتيجة للأخطاء أثناء تكرار الحمض النووي كنكليوتيدات مفردة بواسطة مجموعة ثالثة من بروتينات الإصلاح، ويظهر كل من (NER) و(BER) بآليات مختلفة نوعًا ما اعتمادًا على ما إذا كان تلف الحمض النووي يقع في مناطق الجينوم التي تخضع للتعبير الجيني النشط إصلاح مقترن بالنسخ أو صامتة نسبيًا إصلاح الجينوم العالمي.

بالإضافة إلى الأساليب المختلفة لإصلاح الختان التي تطورت للتعامل مع القواعد التالفة أو الأخطاء أثناء النسخ المتماثل، غالبًا ما تعاني الخلايا من كسر إحدى سلاسل الحمض النووي المزدوجة أو كلاهما، وتشكل جزيئات الأكسجين التفاعلية التي تحدث بشكل طبيعي والإشعاع المؤين مصادر سائدة لمثل هذا الضرر، إذ يجب إصلاح فواصل حبلا من أجل الحفاظ على سلامة الجينوم على وجه الخصوص، وتقطع الفواصل المزدوجة (DSBs) الكروموسومات وتكون قاتلة ما لم يتم إصلاحها.

تم توضيح العديد من الآليات لإصلاح أجهزة (DSB) يتضمن أحدها مبادلة مناطق مكافئة من الحمض النووي بين الكروموسومات المتماثلة، وهي عملية تسمى إعادة التركيب، ويحدث هذا النوع من التبادل بشكل طبيعي أثناء الانقسام الاختزالي وهو النوع الخاص من انقسام الخلايا الذي يولد الخلايا الجرثومية (الحيوانات المنوية والبويضات)، كما يمكن استخدامه أيضًا لإصلاح موقع تالف على خيط (DNA) باستخدام المعلومات الموجودة على الكروموسوم المتماثل غير التالف.

ازدواج الحمض النووي للتكرار:

لم يكن من الواضح بشكل بديهي أن الجزيء مزدوج الشريطة يجب أن يكون مطلوبًا لتكرار الحمض النووي من حيث المبدأ، إذ يمكن لسلسلة واحدة تقطعت بهم السبل أن تفعل ذلك بسهولة، ولكن سرعان ما أصبحت أهمية بنية الحمض النووي المزدوجة واضحة.

وقد تبين أن الحمض النووي يتكاثر بطريقة شبه محافظة، حيث يتزاوج كل خيط من أزواج اللولب المزدوج مع خيط جديد يتم إنشاؤه عن طريق النسخ المتماثل، ويتيح ذلك تصحيح الأخطاء التي يتم إدخالها أثناء تكرار الحمض النووي بواسطة آلية تُعرف باسم إصلاح الختان، والتي تعتمد على التكرار المتأصل في وجود خيطين مكملين للشفرة الجينية، وفي حالة تلف النيوكليوتيدات الموجودة على خيط واحد يمكن استئصالها واستخدام الخيط المعاكس السليم كقالب لتوجيه تركيب إصلاح الحمض النووي.

ينتج عن تلف الحمض النووي إما الإصلاح أو التسامح، حيث أثناء تحمل الضرر يتم التعرف على المواقع التالفة بواسطة آلية النسخ المتماثل قبل أن يمكن إصلاحها، مما يؤدي إلى توقف يمكن تخفيفه عن طريق الالتفافية التكرارية تخليق (DNA translesion).

يتضمن إصلاح الحمض النووي استئصال القواعد وتخليق الحمض النووي، الأمر الذي يتطلب (DNA) مزدوج الشريطة، ويتم استئصال القواعد المشوشة التي تنشأ عادةً عن طريق أخطاء أثناء تكرار الحمض النووي كنيوكليوتيدات مفردة أثناء إصلاح عدم التطابق.

يتم استئصال القاعدة التالفة كقاعدة حرة واحدة أو كقطعة قليلة النوكليوتيد وهو إصلاح استئصال النوكليوتيدات، حيث يتم إنشاء هذه الشظايا عن طريق الشقوق المحيطة بأي من جانبي القاعدة التالفة، ويمكن أيضًا أن يحدث إصلاح ختان النوكليوتيدات في بعض الكائنات الحية بواسطة آلية كيميائية حيوية متميزة تتضمن شقًا واحدًا فقط بجوار موقع الضرر شق أحادي الوسائط، كما تحتوي الخلية على شبكة من مسارات الإشارات المعقدة التي توقف دورة الخلية وقد تؤدي في النهاية إلى موت الخلية المبرمج.

مسارات عديدة للطفرة والإصلاح:

قدم توضيح بنية الحمض النووي الأساس لتحديد الأنواع المختلفة من الطفرات الناشئة عن تلف الحمض النووي العفوي والبيئي الذي يؤثر على جميع الخلايا الحية، إذ مرة أخرى ظهرت آراء الفيزيائيين بشكل بارز بما في ذلك ريتشارد سيتلو الذي حدد ثايمين الثايمين على أنه آفات الحمض النووي المستقرة، والتي تحدث بشكل طبيعي والتي تنشأ في الخلايا المعرضة لأشعة الشمس والأشعة فوق البنفسجية.

تشتمل هذه الآفات على انضمام تساهمية لمتبقي ثايمين متجاورين في نفس سلسلة الحمض النووي، حيث إنها تولد تشويهًا كبيرًا للبنية الطبيعية للحمض النووي وتعوق بشكل خطير معاملات الحمض النووي مثل النسخ والنسخ ويمكن مراقبة إصلاح هذه الآفات تجريبياً وتعزيز اكتشاف سيتلو وآخرين لإصلاح الختان في البكتيريا والكائنات الحية الأعلى.

نظرًا لأن وفرة التغييرات في الحمض النووي أصبحت معروفة على نطاق واسع فقد أدرك العلماء أن تحديد أي نوع جديد من الأضرار الأساسية التي تحدث بشكل طبيعي من شأنه أن يؤدي إلى اكتشاف آلية أو أكثر لإصلاحها، حيث يشمل إصلاح الحمض النووي الآن ليس فقط الانعكاس المباشر لبعض أنواع الضرر مثل التنشيط الضوئي الأنزيمي لثنائي الثايمين، ولكن أيضًا آليات متميزة متعددة لاستئصال القواعد التالفة، والتي يطلق عليها إصلاح استئصال النوكليوتيدات (NER) وإصلاح استئصال القاعدة (BER) وإصلاح عدم التطابق (MMR)، كما يتضمن مبدأ آليات الإصلاح الثلاث تقسيم المنطقة المتضررة وإدخال قواعد جديدة لملء الفراغ متبوعًا بربط القطع.

جذور الإصلاح:

تم تحفيز العمل المبكر على تلف الحمض النووي وإصلاحه في الثلاثينيات من قبل مجموعة صغيرة بارزة من علماء الفيزياء، كما تم إدخال أفكار وليس تقنيات من عالم الفيزياء إلى عالم علم الوراثة لا سيما عند تطبيقها على مشاكل الحجم والطفرات والتكاثر الذاتي للجينات.

كان التعاون بين الفيزيائيين الألمان كارل زيمر وماكس ديلبروك وعالِم الوراثة الروسي نيكولاي تيموفيف-ريسوفسكي أحد العناصر الأساسية لهذا التحالف بين الفيزياء والبيولوجيا، إذ تم تحفيز شراكتهم من خلال عمل هيرمان مولر عالم الوراثة الذي يعمل على ذبابة الفاكهة، والذي أظهر لأول مرة أن العوامل الخارجية مثل الإشعاع المؤين يمكن أن تسبب طفرات في الكائنات الحية.

كان ريسوفسكي و كارل زيمر مهتمين بشكل أساسي بكيفية حدوث مثل هذه الكميات الصغيرة من الطاقة في شكل إشعاع مؤين تعادل رسميًا ما لا يزيد عن كمية الطاقة الممتصة كحرارة عن طريق شرب كوب من الشاي الساخن مثل هذه التأثيرات البيولوجية العميقة، ومن ناحية أخرى كان ديلبروك ومولر مفتونين بما إذا كانت هذه الطفرات يمكن أن تكشف عن نظرة ثاقبة للطبيعة الفيزيائية للجين.

وبالعودة إلى الوراء كان من المحتم أن يؤدي نشر الأدوات الفيزيائية والكيميائية لاحقًا مثل الأشعة المؤينة والأشعة فوق البنفسجية لدراسة الجينات في الوقت المناسب إلى طرح أسئلة حول كيفية إتلاف هذه العوامل للحمض النووي، وبمجرد أن تم التعرف على أن هذه التفاعلات عززت التأثيرات الضارة على بنية ووظيفة الجينات إلى الأسئلة المتعلقة بكيفية تعامل الخلايا مع الحمض النووي التالف.