معلومة

6.5: الطفرات - علم الأحياء


أهداف التعلم

  • قارن بين الطفرات النقطية وطفرات تغير الإطارات
  • صف الفروق بين الطفرات المغلوطة ، والهراء ، والصامتة
  • اشرح كيف تعمل المطفرات المختلفة
  • قارن أنواع مختلفة من آليات الإصلاح
  • اشرح لماذا يمكن استخدام اختبار أميس للكشف عن المواد المسببة للسرطان
  • تحليل تسلسل الحمض النووي وتحديد أمثلة لأنواع الطفرات

الطفرة هي تغيير وراثي في ​​تسلسل الحمض النووي للكائن الحي. قد يكون للكائن الحي الناتج ، المسمى بالطفرة ، تغير واضح في النمط الظاهري مقارنة بالنوع البري ، وهو النمط الظاهري الأكثر شيوعًا في الطبيعة. يُمنح التغيير في تسلسل الحمض النووي إلى mRNA من خلال النسخ ، وقد يؤدي إلى تغيير تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين عند الترجمة. نظرًا لأن البروتينات تؤدي الغالبية العظمى من الوظائف الخلوية ، فإن التغيير في تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين قد يؤدي إلى تغيير النمط الظاهري للخلية والكائن الحي.

آثار الطفرات على تسلسل الحمض النووي

هناك عدة أنواع من الطفرات التي يتم تصنيفها وفقًا لكيفية تغيير جزيء الحمض النووي. نوع واحد ، يسمى الطفرة النقطية ، يؤثر على قاعدة واحدة ويحدث بشكل أكثر شيوعًا عندما يتم استبدال قاعدة بأخرى أو استبدالها. تنتج الطفرات أيضًا عن إضافة قاعدة واحدة أو أكثر ، تُعرف باسم الإدراج ، أو إزالة قاعدة واحدة أو أكثر ، والمعروفة باسم الحذف.

تمرين ( PageIndex {1} )

ما نوع الطفرة التي تحدث عندما يحتوي الجين على عدد أقل من النيوكليوتيدات في تسلسلها؟

آثار الطفرات على بنية البروتين ووظيفته

قد يكون للطفرات النقطية مجموعة واسعة من التأثيرات على وظيفة البروتين (الشكل ( PageIndex {1} )). نتيجة لانحلال الكود الجيني ، ستؤدي الطفرة النقطية عادةً إلى دمج الحمض الأميني نفسه في عديد الببتيد الناتج على الرغم من تغيير التسلسل. لن يكون لهذا التغيير أي تأثير على بنية البروتين ، وبالتالي يسمى الطفرة الصامتة. تؤدي الطفرة الخاطئة إلى دمج حمض أميني مختلف في عديد الببتيد الناتج. يعتمد تأثير الطفرة الخاطئة على مدى الاختلاف الكيميائي بين الحمض الأميني الجديد والحمض الأميني من النوع البري. موقع الحمض الأميني المتغير داخل البروتين مهم أيضًا. على سبيل المثال ، إذا كان الحمض الأميني المتغير جزءًا من الموقع النشط للإنزيم ، فقد يكون تأثير الطفرة الخاطئة مهمًا. ينتج عن العديد من الطفرات المغلوطة بروتينات لا تزال تعمل ، على الأقل إلى حد ما. في بعض الأحيان ، قد تظهر آثار الطفرات الخاطئة فقط في ظل ظروف بيئية معينة ؛ تسمى هذه الطفرات المغلوطة الطفرات الشرطية. نادرًا ما تكون الطفرة الخاطئة مفيدة. في ظل الظروف البيئية المناسبة ، قد يمنح هذا النوع من الطفرات الكائن الحي الذي يؤويه ميزة انتقائية. نوع آخر من الطفرات النقطية ، يسمى طفرة لا معنى لها ، يحول كودونًا يشفر حمضًا أمينيًا (كودون حاسي) إلى كودون توقف (كودون لا معنى له). تؤدي الطفرات غير المنطقية إلى تخليق البروتينات التي تكون أقصر من النوع البري وعادة ما تكون غير فعالة.

تؤدي عمليات الحذف والإدخال أيضًا إلى تأثيرات مختلفة. نظرًا لأن الكودونات عبارة عن ثلاثة توائم من النيوكليوتيدات ، فقد تؤدي عمليات الإدخال أو الحذف في مجموعات من ثلاثة نيوكليوتيدات إلى إدخال أو حذف واحد أو أكثر من الأحماض الأمينية وقد لا تسبب تأثيرات كبيرة على وظيفة البروتين الناتج. ومع ذلك ، فإن طفرات تغيير الإطارات ، الناتجة عن عمليات إدراج أو حذف عدد من النيوكليوتيدات التي ليست من مضاعفات الثلاثة تمثل مشكلة كبيرة بسبب حدوث تحول في نتائج إطار القراءة (الشكل ( فهرس الصفحة {1} )). نظرًا لأن الريبوسومات تقرأ الرنا المرسال في كودونات ثلاثية ، فإن طفرات الانزياح في الإطارات يمكن أن تغير كل حمض أميني بعد نقطة الطفرة. قد يتضمن إطار القراءة الجديد أيضًا رمز توقف قبل نهاية تسلسل التشفير. وبالتالي ، فإن البروتينات المصنوعة من الجينات التي تحتوي على طفرات انزياح الإطارات تكون دائمًا تقريبًا غير وظيفية.

تمرين ( PageIndex {2} )

  1. ما هي الأسباب التي تجعل تغيير النوكليوتيدات في جين ما للبروتين قد لا يكون له أي تأثير على النمط الظاهري لذلك الجين؟
  2. هل من الممكن إدخال ثلاث نيوكليوتيدات معًا بعد النيوكليوتيدات الخامس في جين مشفر للبروتين لإنتاج بروتين أقصر من المعتاد؟ كيف أم لا؟

طفرة مفيدة

منذ الإبلاغ عن أول حالة إصابة بفيروس نقص المناعة البشرية (HIV) في عام 1981 ، توفي ما يقرب من 40 مليون شخص بسبب الإصابة بفيروس نقص المناعة البشرية ،1 الفيروس المسبب لمتلازمة نقص المناعة المكتسب (الإيدز). يستهدف الفيروس الخلايا التائية المساعدة التي تلعب دورًا رئيسيًا في سد الاستجابة المناعية الفطرية والتكيفية ، وإصابة الخلايا التي تشارك عادةً في استجابة الجسم للعدوى وقتلها. لا يوجد علاج لعدوى فيروس نقص المناعة البشرية ، ولكن تم تطوير العديد من الأدوية لإبطاء أو منع تقدم الفيروس. على الرغم من احتمال إصابة الأفراد في جميع أنحاء العالم بالعدوى ، فإن أعلى معدل انتشار بين الأشخاص الذين تتراوح أعمارهم بين 15 و 49 عامًا هو في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى ، حيث يصاب شخص واحد من كل 20 شخصًا ، وهو ما يمثل أكثر من 70٪ من الإصابات في جميع أنحاء العالم2 (الشكل ( PageIndex {2} )). لسوء الحظ ، هذا أيضًا جزء من العالم حيث تكون استراتيجيات الوقاية والأدوية لعلاج العدوى أكثر نقصًا.

في السنوات الأخيرة ، زاد الاهتمام العلمي باكتشاف عدد قليل من الأفراد من شمال أوروبا المقاومين لعدوى فيروس نقص المناعة البشرية. في عام 1998 ، نشر عالم الوراثة الأمريكي ستيفن جيه أوبراين من المعاهد الوطنية للصحة (NIH) وزملاؤه نتائج تحليلهم الجيني لأكثر من 4000 فرد. أشارت هذه الدراسات إلى أن العديد من الأفراد المنحدرين من أصل أوروبي آسيوي (حتى 14٪ في بعض المجموعات العرقية) لديهم طفرة حذف ، تسمى CCR5-delta 32 ، في الجين المشفر CCR5. CCR5 هو مُستقبِلات موجودة على سطح الخلايا التائية ، وهو ضروري للعديد من سلالات الفيروس للدخول إلى الخلية المضيفة. تؤدي الطفرة إلى إنتاج مستقبلات لا يستطيع فيروس نقص المناعة البشرية الارتباط بها بشكل فعال وبالتالي يمنع دخول الفيروس. الأشخاص المتماثلون لهذه الطفرة قد قللوا بشكل كبير من قابلية الإصابة بعدوى فيروس العوز المناعي البشري ، وأولئك غير المتجانسين يتمتعون ببعض الحماية من العدوى أيضًا.

ليس من الواضح سبب إصابة الأشخاص المنحدرين من أصل أوروبي شمالي ، على وجه التحديد ، بهذه الطفرة ، ولكن يبدو أن انتشارها أعلى في شمال أوروبا وينخفض ​​بشكل مطرد في عدد السكان مع تحرك المرء جنوبًا. تشير الأبحاث إلى أن الطفرة كانت موجودة منذ ما قبل ظهور فيروس نقص المناعة البشرية وربما تم اختيارها في السكان الأوروبيين نتيجة التعرض للطاعون أو الجدري. قد تحمي هذه الطفرة الأفراد من الطاعون (الذي تسببه البكتيريا يرسينيا بيستيس) والجدري (الناجم عن فيروس الجدري) لأن هذا المستقبل قد يكون متورطًا أيضًا في هذه الأمراض. يعد عمر هذه الطفرة محل نقاش ، لكن التقديرات تشير إلى أنها ظهرت بين 1875 و 225 عامًا ، وربما انتشرت من شمال أوروبا من خلال غزوات الفايكنج.

أدى هذا الاكتشاف المثير إلى طرق جديدة في أبحاث فيروس نقص المناعة البشرية ، بما في ذلك البحث عن أدوية لمنع ارتباط CCR5 بفيروس نقص المناعة البشرية لدى الأفراد الذين يفتقرون إلى الطفرة. على الرغم من أن اختبار الحمض النووي لتحديد الأفراد الذين يحملون طفرة CCR5-delta 32 أمر ممكن ، إلا أن هناك حالات موثقة لأفراد متماثلين للطفرة التي تتسبب في الإصابة بفيروس نقص المناعة البشرية. لهذا السبب ، لا ينصح مسؤولو الصحة العامة باختبار الحمض النووي للطفرة على نطاق واسع حتى لا يشجعوا السلوك المحفوف بالمخاطر لدى أولئك الذين يحملون الطفرة. ومع ذلك ، فإن تثبيط ارتباط فيروس نقص المناعة البشرية بـ CCR5 لا يزال يمثل استراتيجية صالحة لتطوير العلاجات الدوائية للمصابين بفيروس نقص المناعة البشرية.

أسباب الطفرات

يمكن أن تؤدي الأخطاء في عملية تكرار الحمض النووي إلى حدوث طفرات تلقائية. معدل الخطأ في بوليميراز الحمض النووي هو قاعدة غير صحيحة لكل مليار زوج قاعدي مكرر. يمكن أن يتسبب التعرض للمطفرات في حدوث طفرات مستحثة ، وهي أنواع مختلفة من العوامل الكيميائية أو الإشعاع (الجدول ( PageIndex {1} )). يمكن أن يؤدي التعرض للطفرات إلى زيادة معدل الطفرات أكثر من 1000 ضعف. غالبًا ما تكون المطفرات أيضًا مواد مسرطنة ، وهي عوامل تسبب السرطان. ومع ذلك ، في حين أن جميع المواد المسرطنة تقريبًا تسبب الطفرات الجينية ، فليست كل المواد المطفرة بالضرورة مواد مسرطنة.

المطفرات الكيميائية

تتفاعل أنواع مختلفة من المطفرات الكيميائية مباشرة مع الحمض النووي إما عن طريق العمل كنظائر نيوكليوزيد أو عن طريق تعديل قواعد النيوكليوتيدات. المواد الكيميائية التي تسمى نظائر النيوكليوزيد تشبه من الناحية الهيكلية قواعد النوكليوتيدات العادية ويمكن دمجها في الحمض النووي أثناء النسخ المتماثل (الشكل ( PageIndex {3} )). تحفز هذه النظائر الأساسية الطفرات لأنها غالبًا ما يكون لها قواعد اقتران قواعد مختلفة عن القواعد التي تحل محلها. يمكن للمطفرات الكيميائية الأخرى تعديل قواعد الحمض النووي العادية ، مما يؤدي إلى قواعد مختلفة لإقران القواعد. على سبيل المثال ، يعمل حمض النيتروز على نزع أمين السيتوزين ، وتحويله إلى اليوراسيل. ثم يقترن اليوراسيل مع الأدينين في جولة لاحقة من النسخ المتماثل ، مما يؤدي إلى تحويل زوج قاعدة GC إلى زوج أساسي AT. يعمل حمض النيتروز أيضًا على نزع أمين الأدينين إلى هيبوكسانتين ، والذي يتزاوج مع السيتوزين بدلاً من الثايمين ، مما يؤدي إلى تحويل زوج قاعدي TA إلى زوج قاعدي CG.

المطفرات الكيميائية المعروفة باسم العوامل المقحمة تعمل بشكل مختلف. تنزلق هذه الجزيئات بين القواعد النيتروجينية المكدسة للحلزون المزدوج للحمض النووي ، مما يؤدي إلى تشويه الجزيء وإنشاء مسافات غير نمطية بين أزواج قاعدة النوكليوتيدات (الشكل ( فهرس الصفحة {4} )). نتيجة لذلك ، أثناء تكرار الحمض النووي ، قد يتخطى بوليميريز الحمض النووي تكرار العديد من النيوكليوتيدات (مما يؤدي إلى حذف) أو إدخال نيوكليوتيدات إضافية (مما يؤدي إلى إدخال). قد تؤدي أي من النتيجتين إلى حدوث طفرة في الإطارات. تعتبر منتجات الاحتراق مثل الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات عوامل تقاطع خطيرة بشكل خاص يمكن أن تؤدي إلى سرطانات تسبب الطفرات. تُستخدم عوامل الإقحام إيثيديوم بروميد وبرتقال أكريدين بشكل شائع في المختبر لتلطيخ الحمض النووي للتصور وهي مطفرة محتملة.

إشعاع

يمكن أن يؤدي التعرض للإشعاع المؤين أو غير المؤين إلى حدوث طفرات في الحمض النووي ، على الرغم من وجود آليات مختلفة. يمكن أن تتسبب الإشعاعات المؤينة القوية مثل الأشعة السينية وأشعة جاما في حدوث انشقاقات مفردة ومزدوجة في العمود الفقري للحمض النووي من خلال تكوين جذور الهيدروكسيل عند التعرض للإشعاع (الشكل ( PageIndex {5} )). يمكن للإشعاع المؤين أيضًا تعديل القواعد ؛ على سبيل المثال ، نزع أمين السيتوزين إلى اليوراسيل ، مشابه لعمل حمض النيتروز.3 يستخدم التعرض للإشعاع المؤين لقتل الميكروبات لتعقيم الأجهزة الطبية والأطعمة ، بسبب تأثيره الدراماتيكي غير المحدد في إتلاف الحمض النووي والبروتينات والمكونات الخلوية الأخرى.

الإشعاع غير المؤين ، مثل الضوء فوق البنفسجي ، ليس نشيطًا بدرجة كافية لبدء هذه الأنواع من التغييرات الكيميائية. ومع ذلك ، يمكن للإشعاع غير المؤين أن يحفز تكوين ثنائى بين قاعدتين متجاورتين بيريميدين ، وهما عادة ثايمين ، داخل حبلا نيوكليوتيد. أثناء تكوين ثايمين الثايمين ، يصبح الثايمين المتجاورين مرتبطين تساهميًا ، وإذا تركت دون إصلاح ، فإن كلا من نسخ الحمض النووي ونسخه يتوقفان عند هذه النقطة. قد يستمر بوليميراز الحمض النووي ويكرر الثنائيات بشكل غير صحيح ، مما قد يؤدي إلى حدوث طفرات في الإطارات أو طفرات نقطية.

الجدول ( PageIndex {1} ): ملخص العوامل المطفرة

العوامل المطفرةطريقة عملالتأثير على الحمض النووينوع الطفرة الناتجة
نظائر النيوكليوزيد
2-أمينوبورينيتم إدخاله في مكان A لكن أزواج القاعدة مع Cيحول AT إلى زوج قاعدة GCنقطة
5-بروموراسيليتم إدخاله في مكان T ولكن أزواج القاعدة مع Gيحول AT إلى زوج قاعدة GCنقطة
عامل تعديل النوكليوتيدات
أكسيد النيتروزيهدم C إلى Uيحول GC إلى زوج قاعدة ATنقطة
إقحام العوامل
أكريدين أورانج ، بروميد إيثيديوم ، هيدروكربونات عطرية متعددة الحلقاتيشوه اللولب المزدوج ، ويخلق مسافات غير عادية بين النيوكليوتيداتيقدم عمليات الحذف والإدخال الصغيرةFrameshift
إشعاعات أيونية
الأشعة السينية ، أشعة جاماتشكل جذور الهيدروكسيليسبب انكسار الحمض النووي أحاديًا ومزدوجًاقد تؤدي آليات الإصلاح إلى حدوث طفرات
الأشعة السينية ، أشعة جامايعدل القواعد (على سبيل المثال ، deaminating C إلى U)يحول GC إلى زوج قاعدة ATنقطة
الإشعاع غير المؤين
فوق بنفسجيتشكل ثايمر بيريميدين (عادة الثايمين)يسبب أخطاء في تكرار الحمض النوويFrameshift أو نقطة

تمرين ( PageIndex {3} )

  1. كيف يقدم التناظرية الأساسية طفرة؟
  2. كيف يقوم عامل الإقحام بإدخال طفرة؟
  3. ما نوع الطفرات التي تسبب ثايمين الثايمين؟

إصلاح الحمض النووي

عملية تكرار الحمض النووي دقيقة للغاية ، ولكن يمكن أن تحدث الأخطاء بشكل عفوي أو تحدث بسبب الطفرات. يمكن أن تؤدي الأخطاء غير المصححة إلى عواقب وخيمة على النمط الظاهري. طورت الخلايا العديد من آليات الإصلاح لتقليل عدد الطفرات التي تستمر.

التدقيق اللغوي

يتم تصحيح معظم الأخطاء التي تحدث أثناء تكرار الحمض النووي على الفور بواسطة معظم بوليمرات الحمض النووي من خلال وظيفة تسمى التدقيق اللغوي. في التدقيق اللغوي ، يقرأ بوليميراز الحمض النووي القاعدة المضافة حديثًا ، مما يضمن أنها مكملة للقاعدة المقابلة في حبلا القالب قبل إضافة القاعدة التالية. إذا تمت إضافة قاعدة غير صحيحة ، يقوم الإنزيم بعمل قطع لتحرير النيوكليوتيدات الخاطئة وتضاف قاعدة جديدة.

إصلاح عدم التطابق

يتم تصحيح بعض الأخطاء التي تم إدخالها أثناء النسخ المتماثل بعد وقت قصير من نقل آلية النسخ. تسمى هذه الآلية بإصلاح عدم التطابق. تتعرف الإنزيمات المتضمنة في هذه الآلية على النيوكليوتيدات المضافة بشكل غير صحيح ، وتزيلها ، وتستبدلها بالقاعدة الصحيحة. أحد الأمثلة على ذلك هو إصلاح عدم التطابق الموجه بالميثيل في بكتريا قولونية. الحمض النووي هو hemimethylated. هذا يعني أن الخصلة الأبوية يتم ميثيلها في حين أن خصلة الابنة المركبة حديثًا ليست كذلك. يستغرق الأمر عدة دقائق قبل أن تتم ميثلة الخصلة الجديدة. ترتبط البروتينات MutS ، و MutL ، و MutH بموقع hemimethylated حيث تم العثور على النيوكليوتيدات غير الصحيحة. MH يقطع الخيط غير الميثيل (الخيط الجديد). يزيل نوكلياز خارجي جزءًا من الشريط (بما في ذلك النيوكليوتيدات غير الصحيحة). ثم يتم ملء الفجوة المتكونة بواسطة DNA pol III و ligase.

إصلاح ديمر الثايمين

نظرًا لأن إنتاج ثايمين الثايمين شائع (لا تستطيع العديد من الكائنات الحية تجنب الأشعة فوق البنفسجية) ، فقد تطورت آليات لإصلاح هذه الآفات. في إصلاح ختان النوكليوتيدات (يسمى أيضًا الإصلاح الداكن) ، تقوم الإنزيمات بإزالة ثنائي بيريميدين واستبداله بالنيوكليوتيدات الصحيحة (الشكل ( فهرس الصفحة {6} )). في بكتريا قولونية، يتم فحص الحمض النووي بواسطة مركب إنزيم. إذا تم العثور على تشويه في اللولب المزدوج الذي تم تقديمه بواسطة ثنائي بيريميدين ، فإن مركب الإنزيم يقطع العمود الفقري للسكر والفوسفات عدة قواعد في اتجاه مجرى النهر وأسفله ، ثم تتم إزالة جزء الحمض النووي بين هذين القطعتين إنزيميًا. يستبدل DNA pol I النوكليوتيدات المفقودة بالنيوكليوتيدات الصحيحة ويغلق DNA ligase الفجوة في العمود الفقري للسكر والفوسفات.

يحدث الإصلاح المباشر (ويسمى أيضًا الإصلاح الخفيف) لثيمرات الثايمين من خلال عملية التنشيط الضوئي في وجود الضوء المرئي. يتعرف إنزيم يسمى photolyase على التشوه في حلزون الحمض النووي الناجم عن ثايمين الثايمين ويرتبط بالثيمر. بعد ذلك ، في ظل وجود الضوء المرئي ، يغير إنزيم الفوتولياز التشكل ويفكك ثايمين الثايمين ، مما يسمح لثيمينات الثايمين بالربط الصحيح مرة أخرى مع الأدينينات على الشريط التكميلي. يبدو أن التنشيط الضوئي موجود في جميع الكائنات الحية ، باستثناء الثدييات المشيمية ، بما في ذلك البشر. يعتبر التنشيط الضوئي مهمًا بشكل خاص للكائنات الحية المعرضة بشكل مزمن للأشعة فوق البنفسجية ، مثل النباتات والبكتيريا الضوئية والطحالب والشعاب المرجانية ، لمنع تراكم الطفرات التي يسببها تكوين ثايمين الثايمر

تمرين ( PageIndex {4} )

  1. أثناء إصلاح عدم التطابق ، كيف يتعرف الإنزيم على الجديد وأي الخيط القديم؟
  2. كيف يقدم عامل الإقحام طفرة؟
  3. ما نوع الطفرة التي يقوم بإصلاحها فوتولياز؟

تحديد المسوخ البكتيرية

إحدى التقنيات الشائعة المستخدمة لتحديد الطفرات البكتيرية تسمى الطلاء المتماثل. تُستخدم هذه التقنية للكشف عن الطفرات الغذائية ، المسماة auxotrophs ، والتي لها طفرة في الجين الذي يشفر إنزيمًا في مسار التخليق الحيوي لمغذٍ معين ، مثل الأحماض الأمينية. نتيجة لذلك ، بينما تحتفظ الخلايا من النوع البري بالقدرة على النمو بشكل طبيعي على وسط يفتقر إلى المغذيات المحددة ، فإن الكائنات المساعدة غير قادرة على النمو في مثل هذا الوسط. أثناء الطلاء المتماثل (الشكل ( فهرس الصفحة {7} )) ، يتم تحوير مجموعة من الخلايا البكتيرية ثم يتم تغطيتها كخلايا فردية على لوحة معقدة من الناحية التغذوية والسماح لها بالنمو إلى مستعمرات. تتم إزالة الخلايا من هذه المستعمرات من هذه اللوحة الرئيسية ، غالبًا باستخدام مخمل معقم. ثم يتم ضغط هذا المخمل ، الذي يحتوي على خلايا ، في نفس الاتجاه على ألواح من وسائط مختلفة. يجب أيضًا أن تكون لوحة واحدة على الأقل كاملة من الناحية التغذوية لضمان نقل الخلايا بشكل صحيح بين اللوحات. تفتقر الأطباق الأخرى إلى مغذيات محددة ، مما يسمح للباحث باكتشاف العديد من المسوخات المساعدة غير القادرة على إنتاج مغذيات محددة. يمكن استخدام الخلايا من المستعمرة المقابلة على اللوحة الكاملة من الناحية التغذوية لاستعادة المتحولة لمزيد من الدراسة.

تمرين ( PageIndex {5} )

لماذا يتم طلاء الخلايا على طبق غذائي كامل بالإضافة إلى الصفائح التي تفتقر إلى العناصر الغذائية عند البحث عن طفرات؟

اختبار أميس

يعد اختبار أميس ، الذي طوره بروس أميس (1928 -) في السبعينيات ، طريقة تستخدم البكتيريا للفحص السريع وغير المكلف لإمكانية الإصابة بالسرطان للمركبات الكيميائية الجديدة. يقيس الاختبار معدل الطفرة المرتبط بالتعرض للمركب ، والذي ، إذا ارتفع ، قد يشير إلى أن التعرض لهذا المركب مرتبط بمخاطر أكبر للإصابة بالسرطان. يستخدم اختبار أميس ككائن اختبار سلالة السالمونيلا تيفيموريوم هذا هو auxotroph هيستيدين ، غير قادر على تصنيع الهيستيدين الخاص به بسبب طفرة في الجين الأساسي المطلوب لتكوينه. بعد التعرض لمطفر محتمل ، يتم لصق هذه البكتيريا على وسيط يفتقر إلى الهيستيدين ، ويتم تسجيل عدد الطفرات التي تستعيد القدرة على تخليق الهيستيدين ومقارنتها بعدد هذه الطفرات التي تنشأ في غياب الطفرات المحتملة (الشكل ( PageIndex {8} )). المواد الكيميائية الأكثر طفرات ستحدث المزيد من الطفرات مع تخليق الهيستيدين المستعاد في اختبار أميس. نظرًا لأن العديد من المواد الكيميائية ليست مطفرة بشكل مباشر ولكن يتم استقلابه إلى أشكال مطفرة بواسطة إنزيمات الكبد ، يتم تضمين مستخلص كبد الفئران بشكل شائع في بداية هذه التجربة لتقليد التمثيل الغذائي للكبد.بعد إجراء اختبار أميس ، يتم إجراء مزيد من الاختبارات على المركبات التي تم تحديدها على أنها مطفرة لخصائصها المحتملة المسببة للسرطان باستخدام نماذج أخرى ، بما في ذلك نماذج حيوانية مثل الفئران والجرذان.

تمرين ( PageIndex {6} )

  1. ما هي الطفرة المستخدمة كمؤشر لمعدل الطفرة في اختبار أميس؟
  2. لماذا يمكن أن يعمل اختبار أميس كاختبار للسرطان؟

المفاهيم الأساسية والملخص

  • أ طفره هو تغيير وراثي في ​​الحمض النووي. قد تؤدي الطفرة إلى تغيير في تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين ، مما قد يؤثر على وظيفته.
  • أ طفرة نقطة يؤثر على زوج أساسي واحد. قد تتسبب طفرة نقطية في حدوث أ طفرة صامتة إذا كانت رموز كودون mRNA لنفس الحمض الأميني ، أ طفرة مغلوطة إذا كانت رموز كودون mRNA لحمض أميني مختلف ، أو أ طفرة هراء إذا أصبح كودون mRNA كودون توقف.
  • قد تحتفظ الطفرات الخاطئة بوظائفها ، اعتمادًا على كيمياء الحمض الأميني الجديد وموقعه في البروتين. تنتج الطفرات غير المنطقية بروتينات مبتورة وغير وظيفية في كثير من الأحيان.
  • أ طفرة انزياح الإطار ينتج عن إدخال أو حذف عدد من النيوكليوتيدات ليس من مضاعفات الثلاثة. التغيير في إطار القراءة يغير كل حمض أميني بعد نقطة الطفرة وينتج عنه بروتين غير وظيفي.
  • الطفرات العفوية تحدث من خلال أخطاء تكرار الحمض النووي ، بينما الطفرات المستحثة تحدث من خلال التعرض ل مطفر.
  • غالبًا ما تكون العوامل المسببة للطفرات مسببة للسرطان ولكن ليس دائمًا. ومع ذلك ، فإن جميع المواد المسرطنة تقريبًا تسبب الطفرات الجينية.
  • تشمل المطفرات الكيميائية نظائرها الأساسية والمواد الكيميائية التي تعدل القواعد الموجودة. في كلتا الحالتين ، يتم إدخال الطفرات بعد عدة جولات من تكرار الحمض النووي.
  • إشعاعات أيونية، مثل الأشعة السينية وأشعة جاما ، تؤدي إلى تكسر العمود الفقري للفوسفوديستر في الحمض النووي ويمكنها أيضًا تعديل القواعد كيميائيًا لتغيير قواعد الاقتران.
  • الإشعاع غير المؤين مثل الضوء فوق البنفسجي قد يُدخل ثنائيات بيريميدين (الثايمين) ، والتي ، أثناء تكرار الحمض النووي والنسخ ، قد تؤدي إلى حدوث طفرات في الإطارات أو طفرات نقطية.
  • تمتلك الخلايا آليات لإصلاح الطفرات التي تحدث بشكل طبيعي. بوليميراز الدنا له نشاط تدقيق. إصلاح عدم التطابق هو عملية لإصلاح القواعد المدمجة بشكل غير صحيح بعد اكتمال تكرار الحمض النووي.
  • يمكن أيضًا إصلاح ثنائيات بيريميدين. في إصلاح ختان النوكليوتيدات (إصلاح داكن)، تتعرف الإنزيمات على التشوه الناتج عن ثنائي بيريميدين واستبدال الشريط التالف بالقواعد الصحيحة ، باستخدام خيط الحمض النووي غير التالف كقالب. قد تستخدم البكتيريا والكائنات الحية الأخرى أيضًا الإصلاح المباشر، حيث يقوم إنزيم photolyase ، في وجود الضوء المرئي ، بتفكيك البيريميدين.
  • من خلال مقارنة النمو على الصفيحة الكاملة ونقص النمو على الوسائط التي تفتقر إلى مغذيات محددة ، تسمى طفرات فقدان الوظيفة المحددة auxotrophs ويمكن تحديد.
  • ال اختبار أميس هي طريقة غير مكلفة تستخدم البكتيريا المساعدة لقياس الطفرات الجينية لمركب كيميائي. الطفرات هي مؤشر على احتمالية الإصابة بالسرطان.

الحواشي

  1. 1 منظمة الصحة العالمية. "بيانات مرصد الصحة العالمي (GHO) ، فيروس نقص المناعة البشرية / الإيدز." http://www.who.int/gho/hiv/en/. تم الوصول إليه في 5 أغسطس 2016.
  2. 2 منظمة الصحة العالمية. تم الوصول إليه في 5 أغسطس 2016.
  3. 3 ك. تندال وآخرون. "التغييرات في تسلسل قاعدة الحمض النووي الناجم عن الطفرات بأشعة جاما في Lambda Phage و Prophage." علم الوراثة 118 لا. 4 (1988): 551-560.

نظرية الطفرة

سيراجع محررونا ما قدمته ويحددون ما إذا كان ينبغي مراجعة المقالة أم لا.

نظرية الطفرة، فكرة أن الأنواع الجديدة تتشكل من الظهور المفاجئ وغير المتوقع للتغييرات في سماتها المحددة. تقدم في بداية القرن العشرين عالم النبات وعلم الوراثة الهولندي هوغو دي فريس في كتابه تموت نظرية الطفرة (1901–03 نظرية الطفرة) ، انضمت نظرية الطفرة إلى تقاليد متعارضة ظاهريًا للفكر التطوري. أولاً ، قبل ممارسوها ، الذين يشار إليهم غالبًا باسم الطفرات ، الخلاف الأساسي لنظرية الملوحة ، التي جادلت بأن الأنواع الجديدة يتم إنتاجها بسرعة من خلال التحولات المتقطعة. تناقضت نظرية السلطوية مع الداروينية ، التي اعتبرت أن الأنواع تطورت من خلال التراكم التدريجي للتنوع على مدى فترات شاسعة. ثانيًا ، مال دعاة الطفرات إلى التمسك بالخط الدارويني الصارم القائل بأن كل التمايز هو لصالح النوع ، والذي يختلف عن الفكرة الملحية القائلة بأن بعض الاختلافات العضوية غير مرغوب فيها بطبيعتها. كانت الحجة الثانية مبنية على الاعتقاد بأن المزيد من التباين يوفر فرصًا أفضل للتكيف مع بيئة متغيرة. جعل توافق التقاليد التي تبدو متناقضة نظرية الطفرة واحدة من الحركات الطليعية في نظرية التطور والجينات في أوائل القرن العشرين.

رأى De Vries أن الأنواع الجديدة تصل فجأة وبدون سابقة من خلال عملية الطفرة ، والتي اعتبرها تغيير نوع إلى آخر بسبب تكوين "مركز جديد من الاختلافات المماثلة". بدلاً من مجرد الجدل بأن الأنواع منفصلة عن بعضها البعض - كما في حالة اللاماركية الجديدة - اقترحت نظرية الطفرات أن الاختلافات نفسها غير مستمرة ، كما هو الحال في حالات التقزم ، والعملاقة ، والمهق. بناءً على ملاحظاته عن زهرة الربيع المسائية الشائعة ( Oenothera lamarckiana) ، والتي تولد أحيانًا نسلًا يختلف اختلافًا كبيرًا في سمات الأوراق والحجم الكلي من الأجيال الأم والتي لا يمكن في بعض الأحيان تهجينها مع الأجيال الأم ، جادل دي فريز بأن الأنواع الجديدة ظهرت إلى الوجود بشكل كامل وقابلة للحياة ولكنها تفتقر إلى الخصائص المحددة للجيل الأم . وهكذا ، ركز تحليل دي فريس على القوة الإبداعية للانقطاع كتفسير أولي لأصل الأنواع الجديدة.

حاولت نظرية الطفرة معالجة نقص رئيسي في التحليل الدارويني فيما يتعلق بعدم اكتمال السجل الأحفوري. وبدلاً من الإصرار على أن المعرفة بسجل الحفريات غير كافية لتحديد المراحل الانتقالية في التراكم التدريجي للاختلافات المتزايدة بمرور الوقت ، أصرت نظرية الطفرات لدي فريس على عدم وجود مثل هذه الفجوات في أشجار أنساب الكائنات الحية. وهكذا ، فإن ما بدا أنه غيابات في السجل الأحفوري يمكن حشده كدليل لصالح نظرية التطور القائمة على المندلية والمالحة.

تم تطوير نظريات الطفرات الأخرى بعد عمل دي فريس ، بما في ذلك نظرية "الوحوش المأمولة" لعالم الوراثة الأمريكي المولد ريتشارد جولدشميدت ونظرية التوازن المتقطع لعلماء الأحافير الأمريكيين ستيفن جاي جولد ونيلز إلدردج. لم تظل هذه الأفكار وفية للأساس الملحي لتكوين أنواع جديدة فحسب ، بل دافعت أيضًا عن تفاني دي فريس للاعتقاد الدارويني الصافي بأن التباين يثبت أنه مفيد. عند القيام بذلك ، تعرفت نظريات الطفرات على التكوينات العضوية البديلة القابلة للحياة (غالبًا ما تسمى "الإعاقات" على المستوى البشري) كأمثلة على القوة الإبداعية للأنواع الجديدة التي تظهر إلى الوجود من خلال الطفرة. تناقض هذا التفسير مع تأكيدات علماء تحسين النسل وعلماء الوراثة بأن بعض الطفرات هي وحوش أو كائنات عضوية.


ضغوط انتقائية وبيئية

يعمل الانتقاء الطبيعي فقط على السمات الوراثية للمجموعة & # 8217s: اختيار الأليلات المفيدة وبالتالي زيادة تواترها في السكان ، مع الاختيار ضد الأليلات الضارة وبالتالي تقليل تواترها - وهي عملية تُعرف باسم التطور التكيفي. لا يعمل الانتقاء الطبيعي على الأليلات الفردية ، ولكن على الكائنات الحية بأكملها. قد يحمل الفرد نمطًا وراثيًا مفيدًا جدًا مع النمط الظاهري الناتج ، على سبيل المثال ، يزيد من القدرة على التكاثر (الخصوبة) ، ولكن إذا كان هذا الفرد نفسه يحمل أيضًا أليلًا يؤدي إلى مرض طفولي قاتل ، فلن يتم تمرير هذا النمط الظاهري للخصوبة إلى الجيل القادم لأن الفرد لن يعيش حتى يبلغ سن الإنجاب. يعمل الانتقاء الطبيعي على مستوى الفرد الذي يختاره للأفراد الذين لديهم مساهمات أكبر في مجموعة الجينات للجيل القادم ، والمعروف باسم الكائن الحي & # 8217s اللياقة التطورية (الداروينية).

غالبًا ما تكون اللياقة قابلة للقياس الكمي ويتم قياسها من قبل العلماء في هذا المجال. ومع ذلك ، ليس الملاءمة المطلقة للفرد هو المهم ، بل كيفية مقارنته بالكائنات الحية الأخرى في السكان. هذا المفهوم يسمى اللياقة النسبية، يسمح للباحثين بتحديد الأفراد الذين يساهمون بنسل إضافي للجيل القادم ، وبالتالي ، كيف يمكن أن يتطور السكان.

هناك عدة طرق يمكن أن يؤثر بها الاختيار على تباين السكان: استقرار الاختيار ، والاختيار الاتجاهي ، وتنويع الاختيار ، والاختيار المعتمد على التردد ، والاختيار الجنسي. نظرًا لأن الانتقاء الطبيعي يؤثر على ترددات الأليل في مجتمع ما ، يمكن للأفراد إما أن يصبحوا متشابهين وراثيًا إلى حد ما ويمكن أن تصبح الأنماط الظاهرية المعروضة أكثر تشابهًا أو أكثر تباينًا.

استقرار الاختيار

إذا فضل الانتقاء الطبيعي نمطًا ظاهريًا متوسطًا ، بالاختيار مقابل التباين الشديد ، فسيخضع السكان استقرار الاختيار (الشكل 1 أ). في مجموعة الفئران التي تعيش في الغابة ، على سبيل المثال ، من المرجح أن يفضل الانتقاء الطبيعي الأفراد الذين ينسجمون بشكل أفضل مع أرضية الغابة ويقل احتمال رؤيتهم من قبل الحيوانات المفترسة. بافتراض أن الأرض هي ظل متناسق إلى حد ما من اللون البني ، فإن تلك الفئران التي يتطابق فرائها مع هذا اللون ستكون على الأرجح على قيد الحياة والتكاثر ، وتمرير جيناتها من أجل معطفها البني. الفئران التي تحمل الأليلات التي تجعلها أفتح قليلاً أو أغمق قليلاً ستبرز على الأرض وتكون أكثر عرضة للوقوع ضحية للافتراس. نتيجة لهذا الاختيار ، سينخفض ​​التباين الجيني للسكان # 8217.

تحديد الاتجاه

عندما تتغير البيئة ، غالبًا ما يخضع السكان اختيار الاتجاه (الشكل 1 ب) ، الذي يختار الأنماط الظاهرية في أحد طرفي طيف التباين الحالي. المثال الكلاسيكي لهذا النوع من الانتقاء هو تطور العثة المرقطة في إنجلترا في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر. قبل الثورة الصناعية ، كانت الفراشات ذات لون فاتح في الغالب ، مما سمح لها بالاندماج مع الأشجار ذات الألوان الفاتحة والأشنات في بيئتها. ولكن عندما بدأ السخام ينبعث من المصانع ، أصبحت الأشجار مظلمة ، وأصبح من السهل على الطيور المفترسة اكتشاف العث ذي الألوان الفاتحة. بمرور الوقت ، زاد تواتر الشكل الميلاني للعثة لأن معدل البقاء على قيد الحياة لديهم أعلى في الموائل المتأثرة بتلوث الهواء لأن لونها الغامق ممزوج بالأشجار السخامية. وبالمثل ، قد تتطور مجموعة الفئران الافتراضية لتأخذ لونًا مختلفًا إذا تسبب شيء ما في تغيير لون أرضية الغابة التي يعيشون فيها. نتيجة هذا النوع من الاختيار هو تحول في التباين الجيني للسكان # 8217s نحو النمط الظاهري الجديد المناسب.

تنويع الاختيار

في بعض الأحيان ، يمكن أن يكون لكل صنفين مختلفين أو أكثر مزاياها ويتم اختيارهما عن طريق الانتقاء الطبيعي ، بينما تكون الصفات الوسيطة ، في المتوسط ​​، أقل ملاءمة. يُعرف هذا بالاختيار المتنوع (الشكل 1 ج) ، ويظهر هذا في العديد من مجموعات الحيوانات التي لها أشكال ذكور متعددة. تحصل ذكور ألفا الكبيرة المهيمنة على رفقاء بالقوة الغاشمة ، بينما يمكن للذكور الصغار التسلل للتزاوج الخفي مع الإناث في منطقة ذكر ألفا & # 8217. في هذه الحالة ، سيتم اختيار كل من ذكور ألفا و & # 8220sneaking & # 8221 من الذكور ، ولكن يتم اختيار الذكور متوسطي الحجم ، الذين يمكنهم & # 8217t أن يتفوقوا على ذكور ألفا ويكونون أكبر من أن يتسللوا إلى التزاوج. يمكن أن يحدث الانتقاء المتنوع أيضًا عندما تفضل التغيرات البيئية الأفراد على طرفي الطيف الظاهري. تخيل مجموعة من الفئران تعيش على الشاطئ حيث توجد رمال فاتحة اللون تتخللها بقع من العشب الطويل. في هذا السيناريو ، سيتم تفضيل الفئران ذات الألوان الفاتحة التي تمتزج مع الرمال ، وكذلك الفئران ذات اللون الداكن التي يمكنها الاختباء في العشب. من ناحية أخرى ، لن تمتزج الفئران متوسطة اللون مع العشب أو الرمل ، وبالتالي من المرجح أن تأكلها الحيوانات المفترسة. نتيجة هذا النوع من الاختيار هو زيادة التباين الجيني حيث يصبح السكان أكثر تنوعًا.

سؤال الممارسة

الشكل 1. أنواع مختلفة من الانتقاء الطبيعي يمكن أن تؤثر على توزيع الطرز المظهرية داخل المجتمع. في (أ) تحديد الاستقرار ، يفضل متوسط ​​النمط الظاهري. في (ب) الاختيار الاتجاهي ، يؤدي التغيير في البيئة إلى تغيير طيف الأنماط الظاهرية التي لوحظت. في (ج) الاختيار المتنوع ، يتم اختيار صفتين متطرفتين أو أكثر ، بينما يتم اختيار متوسط ​​الصفة مقابلها.

في السنوات الأخيرة ، أصبحت المصانع أكثر نظافة ، وانبثقت كميات أقل من السخام في البيئة. ما هو تأثير ذلك في رأيك على توزيع لون العثة في السكان؟

اختيار يعتمد على التردد

الشكل 2. السحلية الصفراء الحنجرة ذات البقعة الجانبية أصغر من الذكور ذات الحلق الأزرق أو البرتقالي الحنجرة وتبدو قليلاً مثل إناث هذا النوع ، مما يسمح لها بالتسلل إلى الجماع. (الائتمان: "tinyfroglet" / فليكر)

نوع آخر من التحديد يسمى اختيار يعتمد على التردد، تفضل الأنماط الظاهرية الشائعة (الاختيار المعتمد على التردد الإيجابي) أو النادرة (الاختيار المعتمد على التردد السلبي). يظهر مثال مثير للاهتمام لهذا النوع من الاختيار في مجموعة فريدة من السحالي في شمال غرب المحيط الهادئ. تأتي السحالي ذات البقعة الجانبية الشائعة في ثلاثة أنماط بلون الحلق: البرتقالي والأزرق والأصفر. كل من هذه الأشكال لها استراتيجية إنجابية مختلفة: الذكور البرتقالية هم الأقوى ويمكنهم محاربة الذكور الآخرين للوصول إلى إناثهم. وتبدو مثل الإناث قليلاً ، مما يسمح لها بالتسلل إلى الجماع. مثل لعبة مقص ورق الصخر ، يدق البرتقالي الأزرق والأزرق يدق الأصفر والأصفر يدق البرتقالي في المنافسة على الإناث. وهذا يعني أن الذكور البرتقالية الكبيرة والقوية يمكنهم محاربة الذكور الزرقاء للتزاوج مع الإناث الزرقاء & # 8217s المرتبطة بالزوج ، وينجح الذكور الأزرقون في حماية زملائهم من الذكور الحذاء الرياضي الأصفر ، ويمكن للذكور الأصفر أن يتسللوا من الجماع. رفقاء محتملون من الذكور البرتقالية الكبيرة متعددة الزوجات.

في هذا السيناريو ، سيتم تفضيل الذكور البرتقالية عن طريق الانتقاء الطبيعي عندما يهيمن الذكور الزرقاء على السكان ، وسوف تزدهر الذكور الزرقاء عندما يكون معظم السكان من الذكور الصفراء ، وسيتم اختيار الذكور الصفراء عندما يكون الذكور البرتقاليون هم الأكثر اكتظاظًا بالسكان. ونتيجة لذلك ، فإن مجموعات السحالي ذات البقعة الجانبية تدور في توزيع هذه الأنماط الظاهرية - في جيل واحد ، قد يكون اللون البرتقالي هو السائد ، ثم تبدأ الذكور الصفراء في الزيادة في التردد. بمجرد أن تشكل الذكور الصفراء غالبية السكان ، سيتم اختيار الذكور الزرقاء. أخيرًا ، عندما تصبح الذكور الزرقاء شائعة ، سيتم تفضيل الذكور البرتقالية مرة أخرى.

يعمل الاختيار السلبي المعتمد على التردد على زيادة التباين الجيني للسكان عن طريق اختيار أنماط ظاهرية نادرة ، في حين أن الاختيار المعتمد على التردد الإيجابي يقلل عادةً من التباين الجيني عن طريق اختيار الأنماط الظاهرية الشائعة.

الاختيار الجنسي

غالبًا ما يختلف الذكور والإناث من بعض الأنواع تمامًا عن بعضهم البعض بطرق تتجاوز الأعضاء التناسلية. غالبًا ما يكون الذكور أكبر حجمًا ، على سبيل المثال ، ويعرضون العديد من الألوان والزخارف المتقنة ، مثل ذيل الطاووس & # 8217s ، بينما تميل الإناث إلى أن تكون أصغر حجماً وباهتة في الزخرفة. تُعرف هذه الاختلافات باسم مثنوية الشكل الجنسية (الشكل 3) ، والذي ينشأ من حقيقة أنه في العديد من المجموعات السكانية ، ولا سيما الحيوانات ، هناك تباين أكبر في النجاح الإنجابي للذكور مقارنة بالإناث. أي أن بعض الذكور - غالبًا ما يكون الذكور الأكبر أو الأقوى أو الأكثر تزويجًا - يحصلون على الغالبية العظمى من إجمالي حالات التزاوج ، بينما لا يحصل الآخرون على أي حالات تزاوج. يمكن أن يحدث هذا لأن الذكور أفضل في محاربة الذكور الآخرين ، أو لأن الإناث ستختار التزاوج مع الذكور الأكبر أو الأكثر تزينًا. في كلتا الحالتين ، يولد هذا الاختلاف في النجاح الإنجابي ضغط اختيار قوي بين الذكور للحصول على تلك التزاوج ، مما يؤدي إلى تطور حجم أكبر للجسم وزخارف متقنة لجذب انتباه الإناث & # 8217. من ناحية أخرى ، تميل الإناث إلى الحصول على عدد قليل من التزاوجات المختارة ، وبالتالي ، فمن الأرجح أن تختار الذكور الأكثر رغبة.

تختلف مثنوية الشكل الجنسية بشكل كبير بين الأنواع ، بالطبع ، وبعض الأنواع ينعكس دور الجنس. في مثل هذه الحالات ، تميل الإناث إلى أن يكون لها تباين أكبر في نجاحهن الإنجابي من الذكور ويتم اختيارهن بالمقابل لحجم الجسم الأكبر والسمات التفصيلية التي عادة ما تكون مميزة للذكور.

الشكل 3. لوحظ ازدواج الشكل الجنسي في (أ) الطاووس والطاووس ، (ب) عنكبوت Argiope appensa (أنثى العنكبوت هي الكبيرة) ، وفي (ج) البط الخشبي. (الائتمان & # 8220spiders & # 8221: تعديل العمل بواسطة & # 8220Sanba38 & # 8243 / Wikimedia Commons Credit & # 8220duck & # 8221: تعديل العمل بواسطة Kevin Cole)

تُعرف ضغوط الاختيار على الذكور والإناث للحصول على التزاوج باسم الانتقاء الجنسي ، ويمكن أن يؤدي إلى تطوير خصائص جنسية ثانوية لا تفيد احتمالية بقاء الفرد على قيد الحياة ولكنها تساعد على زيادة نجاحه الإنجابي. يمكن أن يكون الاختيار الجنسي قويًا لدرجة أنه يختار السمات التي تضر في الواقع ببقاء الفرد. فكر ، مرة أخرى ، في ذيل الطاووس & # 8217s. في حين أنها جميلة والذكر صاحب الذيل الأكبر والأكثر غنى بالألوان من المرجح أن يفوز بالأنثى ، إلا أنه ليس الملحق الأكثر عملية. بالإضافة إلى كونه مرئيًا بشكل أكبر للحيوانات المفترسة ، فإنه يجعل الذكور أبطأ في محاولاتهم للهروب. هناك بعض الأدلة على أن هذا الخطر ، في الواقع ، هو سبب إعجاب الإناث بالذيول الكبيرة في المقام الأول. التخمين هو أن ذيول كبيرة تحمل مخاطر ، وأن أفضل الذكور فقط هم من ينجو من هذا الخطر: فكلما كان الذيل أكبر ، كان الذكر أكثر ملاءمة. تُعرف هذه الفكرة باسم مبدأ الإعاقة.

ال فرضية الجينات الجيدة تنص على أن الذكور يطورون هذه الزخارف الرائعة لإظهار كفاءة التمثيل الغذائي أو قدرتهم على مكافحة الأمراض. ثم تختار الإناث الذكور ذوي الصفات الأكثر إثارة للإعجاب لأنها تشير إلى تفوقهم الجيني ، والذي سينقلونه بعد ذلك إلى ذريتهم. على الرغم من أنه قد يُقال إن الإناث لا ينبغي أن تكون انتقائيًا لأنه من المحتمل أن يقلل ذلك من عدد نسلها ، إذا كان الأب الأفضل للذكور أكثر ملاءمة لذرية ، فقد يكون ذلك مفيدًا. النسل الأقل والأكثر صحة قد يزيد من فرص البقاء على قيد الحياة أكثر من النسل الأضعف.

في كل من مبدأ الإعاقة وفرضية الجينات الجيدة ، يقال أن السمة هي إشارة صادقة من جودة الذكور & # 8217 ، مما يمنح الإناث طريقة للعثور على أفضل رفقاء - الذكور الذين سينقلون أفضل الجينات إلى ذريتهم.

لا يوجد كائن حي مثالي

يعد الانتقاء الطبيعي قوة دافعة في التطور ويمكن أن يولد مجموعات سكانية تتكيف بشكل أفضل للبقاء على قيد الحياة والتكاثر بنجاح في بيئاتها. لكن الانتقاء الطبيعي لا يمكن أن ينتج الكائن الحي المثالي. يمكن فقط للانتقاء الطبيعي أن يختار التباين الموجود في المجتمع ولا يقوم بإنشاء أي شيء من البداية. وبالتالي ، فهو مقيد بالتنوع الجيني الحالي للسكان وأي أليلات جديدة تنشأ من خلال الطفرات وتدفق الجينات.

الانتقاء الطبيعي محدود أيضًا لأنه يعمل على مستوى الأفراد ، وليس الأليلات ، وترتبط بعض الأليلات بسبب قربها المادي في الجينوم ، مما يزيد من احتمالية انتقالها معًا (عدم توازن الارتباط). قد يحمل أي فرد بعض الأليلات المفيدة وبعض الأليلات غير المواتية. إنه التأثير الصافي لهذه الأليلات ، أو لياقة الكائن الحي ، التي يمكن أن يعمل عليها الانتقاء الطبيعي. نتيجة لذلك ، يمكن أن تُفقد الأليلات الجيدة إذا حملها أفراد لديهم أيضًا العديد من الأليلات السيئة بشكل كبير بالمثل ، ويمكن الاحتفاظ بالأليلات السيئة إذا تم حملها بواسطة أفراد لديهم ما يكفي من الأليلات الجيدة لتحقيق فائدة عامة للياقة البدنية.

علاوة على ذلك ، يمكن تقييد الانتقاء الطبيعي بالعلاقات بين الأشكال المتعددة المختلفة. قد يمنح شكل واحد لياقة أعلى من الآخر ، ولكن قد لا يزيد التردد بسبب حقيقة أن الانتقال من سمة أقل فائدة إلى سمة أكثر فائدة يتطلب المرور بنمط ظاهري أقل فائدة. فكر في العودة إلى الفئران التي تعيش على الشاطئ. بعضها فاتح اللون ويمتزج بالرمل ، بينما البعض الآخر داكن ويمتزج مع بقع العشب. قد تكون الفئران ذات الألوان الداكنة ، بشكل عام ، أكثر ملاءمة من الفئران ذات الألوان الفاتحة ، وللوهلة الأولى ، قد يتوقع المرء أن يتم اختيار الفئران ذات الألوان الفاتحة لتلوين أغمق. لكن تذكر أن النمط الظاهري الوسيط ، وهو معطف متوسط ​​اللون ، سيء جدًا بالنسبة للفئران - فهي لا تستطيع الاندماج مع الرمل أو العشب ، ومن المرجح أن تأكلها الحيوانات المفترسة. نتيجة لذلك ، لن يتم اختيار الفئران ذات الألوان الفاتحة لتلوين داكن لأن هؤلاء الأفراد الذين بدأوا في التحرك في هذا الاتجاه (بدأ اختيارهم لطبقة أغمق) سيكونون أقل لياقة من أولئك الذين ظلوا فاتحًا.

أخيرًا ، من المهم أن نفهم أنه ليس كل التطور قابل للتكيف. في حين أن الانتقاء الطبيعي يختار الأفراد الأكثر لياقة وغالبًا ما يؤدي إلى مجموعة سكانية أكثر ملاءمة بشكل عام ، فإن قوى التطور الأخرى ، بما في ذلك الانجراف الجيني وتدفق الجينات ، غالبًا ما تفعل العكس: إدخال الأليلات الضارة إلى مجموعة الجينات السكانية. ليس للتطور أي غرض - فهو لا يغير السكان إلى مثال مُسبق. إنه ببساطة مجموع القوى المختلفة الموصوفة في هذا الفصل وكيف تؤثر على التباين الوراثي والظاهري للسكان.

باختصار: الضغوط الانتقائية والبيئية

لأن الانتقاء الطبيعي يعمل على زيادة تواتر الأليلات والصفات المفيدة مع تقليل تواتر الصفات الضارة ، فهو تطور تكيفي. يعمل الانتقاء الطبيعي على مستوى الفرد ، ويختار الأشخاص الذين يتمتعون بلياقة عامة أعلى مقارنة ببقية السكان. إذا كانت الأنماط الظاهرية الملائمة هي تلك المتشابهة ، فإن الانتقاء الطبيعي سينتج عنه استقرار الانتقاء ، وانخفاض عام في تباين السكان & # 8217. يعمل التحديد الاتجاهي على تحويل تباين السكان & # 8217s نحو نمط ظاهري جديد ومناسب ، مع تغير الظروف البيئية. في المقابل ، يؤدي تنويع الانتقاء إلى زيادة التباين الجيني عن طريق اختيار صفتين مميزتين أو أكثر.

تشمل أنواع الاختيار الأخرى الاختيار المعتمد على التردد ، حيث يتم اختيار الأفراد ذوي الطرز الظاهرية المشتركة (الاختيار المعتمد على التردد الإيجابي) أو الطرز الظاهرية النادرة (الاختيار المعتمد على التردد السلبي). أخيرًا ، ينتج الانتقاء الجنسي من حقيقة أن أحد الجنسين لديه تباين أكبر في النجاح الإنجابي من الآخر. نتيجة لذلك ، يعاني الذكور والإناث من ضغوط انتقائية مختلفة ، والتي يمكن أن تؤدي في كثير من الأحيان إلى تطور الاختلافات المظهرية ، أو ازدواج الشكل الجنسي ، بين الاثنين.


محتويات

يُعتقد أن الحمض النووي النووي والميتوكوندريا من أصل تطوري منفصل ، حيث يتم اشتقاق الحمض النووي الميتوكوندري من الجينومات الدائرية للبكتيريا التي اجتاحت الأسلاف الأوائل للخلايا حقيقية النواة اليوم. هذه النظرية تسمى نظرية التكافل الداخلي. في خلايا الكائنات الحية الموجودة ، يتم ترميز الغالبية العظمى من البروتينات الموجودة في الميتوكوندريا (التي يبلغ عددها حوالي 1500 نوع مختلف في الثدييات) بواسطة الحمض النووي النووي ، ولكن يُعتقد أن جينات بعض ، إن لم يكن معظمها ، لها أصلًا من أصل بكتيري ، حيث تم نقلها منذ ذلك الحين إلى نواة حقيقية النواة أثناء التطور. [8]

تناقش أسباب احتفاظ الميتوكوندريا ببعض الجينات. يشير وجود العضيات المشتقة من الميتوكوندريا التي تفتقر إلى الجينوم في بعض الأنواع [9] إلى أن الفقد الكامل للجين ممكن ، ونقل جينات الميتوكوندريا إلى النواة له مزايا عديدة. [10] إن صعوبة استهداف منتجات البروتين الكارهة للماء المنتجة عن بعد للميتوكوندريون هي إحدى الفرضيات التي تفسر سبب الاحتفاظ ببعض الجينات في mtDNA [11] كما أن الترابط المشترك لتنظيم الأكسدة والاختزال هو فرضية أخرى ، حيث تشير إلى الرغبة في التحكم الموضعي في آلية الميتوكوندريا. [12] يشير التحليل الأخير لمجموعة واسعة من جينومات mtDNA إلى أن هاتين الميزتين قد تملي الاحتفاظ بجين الميتوكوندريا. [8]

في جميع الكائنات الحية ، هناك ستة أنواع رئيسية من الجينوم موجودة في جينومات الميتوكوندريا ، مصنفة حسب بنيتها (أي دائرية مقابل خطية) ، وحجمها ، ووجود الإنترونات أو الهياكل الشبيهة بالبلازميد ، وما إذا كانت المادة الوراثية جزيء مفرد أو مجموعة متجانسة أو متجانسة. جزيئات غير متجانسة. [13]

في العديد من الكائنات وحيدة الخلية (على سبيل المثال ، الهدبية رباعية الغشاء والطحالب الخضراء كلاميدوموناس رينهاردتي) ، وفي حالات نادرة أيضًا في الكائنات متعددة الخلايا (على سبيل المثال في بعض أنواع Cnidaria) ، تم العثور على mtDNA على أنه DNA منظم خطيًا. تمتلك معظم mtDNAs الخطية تيلوميرات مستقلة عن التيلوميراز (أي نهايات الحمض النووي الخطي) مع أنماط مختلفة من التكرار ، مما جعلها كائنات مثيرة للاهتمام للبحث لأن العديد من هذه الكائنات أحادية الخلية ذات الحمض النووي الريبي الخطي معروفة بمسببات الأمراض. [14]

تحرير الحيوانات

تمتلك معظم الحيوانات ، وتحديداً الحيوانات ثنائية الفصيلة ، جينوم ميتوكوندريا دائري. ومع ذلك ، تحتوي كليات Medusozoa و calcarea على أنواع ذات صبغيات ميتوكوندريا خطية. [15]

من حيث أزواج القاعدة ، شقائق النعمان Isarachnanthus nocturnus لديها أكبر جينوم للميتوكوندريا من أي حيوان عند 80923 نقطة أساس. [16]

في فبراير 2020 ، طفيلي متعلق بقنديل البحر - هينيجويا سالمينيكولا - اكتشف أنه يفتقر إلى جينوم الميتوكوندريا ولكنه يحتفظ بهياكل تعتبر عضيات مرتبطة بالميتوكوندريا. علاوة على ذلك ، فإن جينات DNA النووية المشاركة في التنفس الهوائي وفي نسخ ونسخ الحمض النووي للميتوكوندريا كانت إما غائبة أو موجودة فقط كجينات خادعة. هذا هو أول كائن متعدد الخلايا معروف بأنه يعاني من هذا الغياب للتنفس الهوائي ويعيش خالٍ تمامًا من الاعتماد على الأكسجين. [17] [18]

النباتات والفطريات تحرير

توجد ثلاثة أنواع مختلفة من جينوم الميتوكوندريا في النباتات والفطريات. النوع الأول هو جينوم دائري يحتوي على إنترونات (النوع 2) وقد يتراوح طوله من 19 إلى 1000 كيلو بايت. نوع الجينوم الثاني هو جينوم دائري (حوالي 20-1000 كيلو بايت) يحتوي أيضًا على بنية تشبه البلازميد (1 كيلو بايت) (النوع 3). نوع الجينوم الأخير الذي يمكن العثور عليه في النباتات والفطريات هو جينوم خطي مكون من جزيئات DNA متجانسة (النوع 5).

يوجد تباين كبير في محتوى وحجم الجين mtDNA بين الفطريات والنباتات ، على الرغم من أنه يبدو أن هناك مجموعة فرعية أساسية من الجينات الموجودة في جميع حقيقيات النوى (باستثناء القليل منها الذي لا يحتوي على ميتوكوندريا على الإطلاق). [8] بعض الأنواع النباتية لها جينومات ميتوكوندريا هائلة ، مع سيلين كونيكا يحتوي mtDNA على ما يصل إلى 11300000 زوج أساسي. [19] والمثير للدهشة أن حتى تلك mtDNAs الضخمة تحتوي على نفس عدد وأنواع الجينات مثل النباتات ذات الصلة التي تحتوي على mtDNAs أصغر بكثير. [20] جينوم ميتوكوندريا الخيار (نبات الخيار) يتكون من ثلاثة كروموسومات دائرية (أطوال 1556 و 84 و 45 كيلو قاعدة) ، وهي مستقلة تمامًا أو إلى حد كبير فيما يتعلق بتكرارها. [21]

تحرير البروتست

تحتوي الكائنات الأولية على جينومات الميتوكوندريا الأكثر تنوعًا ، مع خمسة أنواع مختلفة موجودة في هذه المملكة. النوع 2 والنوع 3 والنوع 5 المذكورين في جينومات النبات والفطريات موجودان أيضًا في بعض الطلائعيات ، كما يوجد نوعان فريدان من الجينوم. أحد هذه الأنواع الفريدة هو مجموعة غير متجانسة من جزيئات DNA الدائرية (النوع 4) بينما الآخر عبارة عن مجموعة غير متجانسة من الجزيئات الخطية (النوع 6). يتراوح حجم كل نوع من أنواع الجينوم 4 و 6 بين 1 و 200 كيلو بايت.

أصغر جينوم ميتوكوندريا تم تسلسله حتى الآن هو 5967 زوجًا من الحمض النووي المتقدري للطفيلي المتصورة المنجلية. [22] [23]

من المحتمل أن تفسر عملية نقل الجينات التكافلية الداخلية ، وهي العملية التي يتم من خلالها نقل الجينات التي تم ترميزها في جينوم الميتوكوندريا إلى الجينوم الرئيسي للخلية ، سبب امتلاك الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا مثل البشر جينومات ميتوكوندريا أصغر من الكائنات البسيطة مثل الطلائعيات.

نوع الجينوم [13] مملكة الإنترون مقاس شكل وصف
1 حيوان لا 11-28 كيلو بايت في الثانية دائري جزيء واحد
2 الفطريات ، النبات ، البروتيستا نعم 19-1000 كيلو بايت دائري جزيء واحد
3 الفطريات ، النبات ، البروتيستا لا 20-1000 كيلو بايت دائري جزيء كبير وبلازميد صغير مثل الهياكل
4 الطلائعيات لا من 1 إلى 200 كيلو بايت في الثانية دائري مجموعة جزيئات غير متجانسة
5 الفطريات ، النبات ، البروتيستا لا من 1 إلى 200 كيلو بايت في الثانية خطي مجموعة متجانسة من الجزيئات
6 الطلائعيات لا من 1 إلى 200 كيلو بايت في الثانية خطي مجموعة جزيئات غير متجانسة

يتم تكرار الحمض النووي للميتوكوندريا بواسطة مركب DNA بوليميريز جاما الذي يتكون من 140 كيلو دالتون من بوليميراز الحمض النووي المحفز المشفر بواسطة POLG الجين ووحدتين فرعيتين 55 كيلو دالتون المشفرة بواسطة POLG2 الجين. [24] تتكون آلية إعادة التغذية من بوليميريز الدنا ، توينكل وبروتينات الميتوكوندريا SSB. TWINKLE عبارة عن طائرة هليكاز ، والتي تزيل امتدادات قصيرة من dsDNA في اتجاه 5 إلى 3. [25] كل هذه البولي ببتيدات مشفرة في الجينوم النووي.

أثناء مرحلة التطور الجنيني ، يتم تنظيم تكرار mtDNA بشكل صارم من البويضة المخصبة من خلال الجنين قبل الغرس. [26] يؤدي الانخفاض الناتج في عدد النسخ لكل خلية من mtDNA دورًا في عنق الزجاجة للميتوكوندريا ، حيث يستغل التباين من خلية إلى أخرى لتحسين وراثة الطفرات الضارة. [27] وفقًا لجوستين سانت جون وزملائه ، "في مرحلة الكيسة الأريمية ، يكون ظهور تكاثر الحمض النووي المتكاثر خاصًا بخلايا الأديم الظاهر. تلقي الإشارات للتمييز بين أنواع خلايا معينة. " [26]

يتم تمييز خيطي الحمض النووي البشري للميتوكوندريا على أنهما الخيط الثقيل والحبال الخفيف. الشريط الثقيل غني بالجوانين ويشفر 12 وحدة فرعية من نظام الفسفرة المؤكسدة واثنين من الحمض النووي الريبوزي (12S و 16S) و 14 tRNAs. يشفر الشريط الخفيف وحدة فرعية واحدة ، و 8 tRNAs. لذلك ، يشفر mtDNA تمامًا لاثنين من rRNAs ، و 22 tRNAs ، و 13 وحدة بروتينية فرعية ، وكلها تشارك في عملية الفسفرة المؤكسدة. [28] [29]

الجينات الـ 37 لتسلسل كامبريدج المرجعي للحمض النووي للميتوكوندريا البشرية ومواقعها [30]
الجين نوع المنتج المناصب
في الانقسام
ساحل
MT-ATP8 ترميز البروتين سينسيز ATP ، الوحدة الفرعية 8 (المركب V) 08366-08572 (تتداخل مع MT-ATP6) ح
MT-ATP6 ترميز البروتين سينسيز ATP ، الوحدة الفرعية 6 (المركب V) 08،527–09،207 (تتداخل مع MT-ATP8) ح
MT-CO1 ترميز البروتين أوكسيديز السيتوكروم ج ، الوحدة الفرعية 1 (المركب الرابع) 05,904–07,445 ح
MT-CO2 ترميز البروتين أوكسيديز السيتوكروم ج ، الوحدة الفرعية 2 (المركب الرابع) 07,586–08,269 ح
MT-CO3 ترميز البروتين أوكسيديز السيتوكروم ج ، الوحدة الفرعية 3 (المركب الرابع) 09,207–09,990 ح
MT-CYB ترميز البروتين السيتوكروم ب (المركب الثالث) 14,747–15,887 ح
MT-ND1 ترميز البروتين نازعة هيدروجين NADH ، الوحدة الفرعية 1 (المركب I) 03,307–04,262 ح
MT-ND2 ترميز البروتين نازعة هيدروجين NADH ، الوحدة الفرعية 2 (المركب I) 04,470–05,511 ح
MT-ND3 ترميز البروتين نازعة هيدروجين NADH ، الوحدة الفرعية 3 (المركب I) 10,059–10,404 ح
MT-ND4L ترميز البروتين نازعة هيدروجين NADH ، الوحدة الفرعية 4 لتر (المركب I) 10470-10766 (تداخل مع MT-ND4) ح
MT-ND4 ترميز البروتين نازعة هيدروجين NADH ، الوحدة الفرعية 4 (المركب I) 10760-12137 (تداخل مع MT-ND4L) ح
MT-ND5 ترميز البروتين نازعة هيدروجين NADH ، الوحدة الفرعية 5 (المركب I) 12,337–14,148 ح
MT-ND6 ترميز البروتين نازعة هيدروجين NADH ، الوحدة الفرعية 6 (المركب I) 14,149–14,673 إل
MT-RNR2 ترميز البروتين الإنسان
MT-TA نقل الحمض النووي الريبي tRNA-Alanine (Ala or A) 05,587–05,655 إل
MT-TR نقل الحمض النووي الريبي الحمض الريبي النووي النقال-أرجينين (أرغ أو آر) 10,405–10,469 ح
MT-TN نقل الحمض النووي الريبي الحمض الريبي النووي النقال-أسباراجين (Asn أو N) 05,657–05,729 إل
MT-TD نقل الحمض النووي الريبي حمض الحمض الريبي النووي النقال - الأسبارتيك (Asp أو D) 07,518–07,585 ح
MT-TC نقل الحمض النووي الريبي الحمض الريبي النووي النقال - السيستين (Cys أو C) 05,761–05,826 إل
MT-TE نقل الحمض النووي الريبي حمض tRNA-Glutamic (Glu أو E) 14,674–14,742 إل
MT-TQ نقل الحمض النووي الريبي tRNA-Glutamine (Gln أو Q) 04,329–04,400 إل
MT-TG نقل الحمض النووي الريبي tRNA-Glycine (Gly أو G) 09,991–10,058 ح
MT-TH نقل الحمض النووي الريبي الحمض الريبي النووي النقال-الهيستيدين (صاحب أو ح) 12,138–12,206 ح
MT-TI نقل الحمض النووي الريبي tRNA-Isoleucine (إيل أو أنا) 04,263–04,331 ح
MT-TL1 نقل الحمض النووي الريبي tRNA-Leucine (Leu-UUR أو L) 03,230–03,304 ح
MT-TL2 نقل الحمض النووي الريبي tRNA-Leucine (Leu-CUN أو L) 12,266–12,336 ح
MT-TK نقل الحمض النووي الريبي الحمض الريبي النووي النقال-ليسين (ليس أو ك) 08,295–08,364 ح
MT-TM نقل الحمض النووي الريبي الحمض الريبي النووي النقال-ميثيونين (ميت أو م) 04,402–04,469 ح
MT-TF نقل الحمض النووي الريبي الحمض الريبي النووي النقال-فينيل ألانين (Phe أو F) 00,577–00,647 ح
MT-TP نقل الحمض النووي الريبي tRNA-Proline (Pro أو P) 15,956–16,023 إل
MT-TS1 نقل الحمض النووي الريبي tRNA-Serine (Ser-UCN أو S) 07,446–07,514 إل
MT-TS2 نقل الحمض النووي الريبي tRNA-Serine (Ser-AGY أو S) 12,207–12,265 ح
MT-TT نقل الحمض النووي الريبي tRNA-Threonine (Thr or T) 15,888–15,953 ح
MT-TW نقل الحمض النووي الريبي الحمض الريبي النووي النقال-تريبتوفان (Trp أو W) 05,512–05,579 ح
MT-TY نقل الحمض النووي الريبي tRNA-Tyrosine (صور أو Y) 05,826–05,891 إل
MT-TV نقل الحمض النووي الريبي الحمض الريبي النووي النقال - فالين (Val أو V) 01,602–01,670 ح
MT-RNR1 RNA الريبوسوم الوحدة الفرعية الصغيرة: SSU (12S) 00,648–01,601 ح
MT-RNR2 RNA الريبوسوم وحدة فرعية كبيرة: LSU (16S) 01,671–03,229 ح

بين معظم (وليس كل) مناطق ترميز البروتين ، توجد الحمض الريبي النووي النقال (انظر خريطة جينوم الميتوكوندريا البشرية). أثناء النسخ ، تكتسب tRNAs شكلها المميز L الذي يتم التعرف عليه وتشققه بواسطة إنزيمات معينة. مع معالجة الحمض النووي الريبي الميتوكوندريا ، يتم تحرير متواليات mRNA الفردية و rRNA و tRNA من النسخة الأولية. [31] وبالتالي فإن الحمض الريبي النووي النقال المطوي يعمل بمثابة علامات ترقيم هيكلية ثانوية. [32]

تعديل تنظيم النسخ

توجد المحفزات لبدء نسخ الخيوط الثقيلة والخفيفة في المنطقة الرئيسية غير المشفرة لـ mtDNA والتي تسمى حلقة الإزاحة ، الحلقة D. [28] هناك دليل على أن نسخ الرنا الريباسي للميتوكوندريا يتم تنظيمه بواسطة مروج الشد الثقيل 1 (HSP1) ، كما أن نسخ ترميز النسخ متعددة السلاسل لوحدات البروتين الفرعية ينظمه HSP2. [28]

أظهر قياس مستويات الحمض النووي الريبي المشفر بـ mtDNA في أنسجة الأبقار أن هناك اختلافات كبيرة في التعبير عن الحمض النووي الريبي الميتوكوندريا بالنسبة إلى إجمالي الحمض النووي الريبي للأنسجة. [33] من بين 12 نسيجًا تم فحصها ، لوحظ أعلى مستوى من التعبير في القلب ، تليها عينات المخ والأنسجة الستيرويدية. [33]

كما يتضح من تأثير الهرمون الغذائي ACTH على خلايا قشرة الغدة الكظرية ، قد يتم تنظيم التعبير عن جينات الميتوكوندريا بقوة بواسطة عوامل خارجية ، على ما يبدو لتعزيز تخليق بروتينات الميتوكوندريا اللازمة لإنتاج الطاقة. [33] ومن المثير للاهتمام ، أنه بينما تم تحفيز التعبير عن جينات ترميز البروتين بواسطة ACTH ، لم تظهر مستويات الرنا الريباسي 16S للميتوكوندريا أي تغيير مهم. [33]

في معظم الكائنات متعددة الخلايا ، يتم توريث mtDNA من الأم (موروث من الأم). تتضمن آليات ذلك التخفيف البسيط (تحتوي البويضة في المتوسط ​​على 200000 جزيء mtDNA ، في حين تم الإبلاغ عن احتواء الحيوانات المنوية البشرية السليمة على 5 جزيئات في المتوسط) ، [34] [35] تدهور الحمض النووي للحيوانات المنوية في الجهاز التناسلي الذكري وفي البويضة الملقحة ، وعلى الأقل في عدد قليل من الكائنات الحية ، فشل الحيوانات المنوية mtDNA في دخول البويضة. مهما كانت الآلية ، فإن نمط الوالد الوحيد (الوراثة الأحادية) من mtDNA موجود في معظم الحيوانات ومعظم النباتات وكذلك في الفطريات.

في حالات استثنائية ، يرث الأطفال أحيانًا mtDNA من آبائهم وأمهاتهم مما يؤدي إلى تغاير mtDNA. [36]

تحرير ميراث الإناث

في التكاثر الجنسي ، عادةً ما يتم توريث الميتوكوندريا حصريًا من الأم ، وعادةً ما يتم تدمير الميتوكوندريا في الحيوانات المنوية للثدييات بواسطة خلية البويضة بعد الإخصاب. أيضا ، الميتوكوندريا موجودة فقط في ذيل الحيوانات المنوية ، والتي تستخدم لدفع خلايا الحيوانات المنوية وفي بعض الأحيان يفقد الذيل أثناء الإخصاب. في عام 1999 ، تم الإبلاغ عن أن الميتوكوندريا النطفة الأبوية (التي تحتوي على mtDNA) تم تمييزها باستخدام يوبيكويتين لاختيارها لتدميرها لاحقًا داخل الجنين. [37] البعض في المختبر تقنيات الإخصاب ، وخاصة حقن الحيوانات المنوية في البويضة ، قد تتداخل مع هذا.

إن حقيقة أن الحمض النووي للميتوكوندريا موروث من الأم في الغالب يمكّن الباحثين في علم الأنساب من تتبع نسب الأم في زمن بعيد. (يتم استخدام الحمض النووي الصبغي Y ، الموروث من الناحية الأبوية ، بطريقة مماثلة لتحديد التاريخ الأبوي.) يتم تحقيق ذلك عادةً على الحمض النووي للميتوكوندريا البشرية عن طريق تسلسل مناطق التحكم المتغيرة (HVR1 أو HVR2) ، وأحيانًا الجزيء الكامل للميتوكوندريا الحمض النووي ، كاختبار أنساب الحمض النووي. [38] HVR1 ، على سبيل المثال ، يتكون من حوالي 440 زوجًا أساسيًا. تتم مقارنة هذه الأزواج الأساسية البالغ عددها 440 مع نفس مناطق الأفراد الآخرين (إما أشخاص محددين أو موضوعات في قاعدة بيانات) لتحديد نسب الأم. في أغلب الأحيان ، يتم إجراء المقارنة مع تسلسل كامبريدج المرجعي المنقح. فيلا وآخرون. نشرت دراسات تتعقب النسب الأمومي للكلاب المستأنسة من الذئاب. [39] يعتمد مفهوم حواء الميتوكوندريا على نفس النوع من التحليل ، في محاولة لاكتشاف أصل البشرية من خلال تتبع النسب في الزمن الماضي.

تحرير عنق الزجاجة الميتوكوندريا

قد يُتوقع أن تخضع الكيانات الخاضعة للميراث أحادي الوالدين مع القليل من إعادة التركيب أو بدون إعادة تركيب لسقاطة مولر ، وتراكم الطفرات الضارة حتى فقدان الوظيفة. تتجنب التجمعات الحيوانية للميتوكوندريا هذا من خلال عملية تنموية تُعرف باسم عنق الزجاجة mtDNA. يستغل عنق الزجاجة العمليات العشوائية في الخلية لزيادة التباين من خلية إلى أخرى في الحمل الطافر مع تطور الكائن الحي: تنتج خلية بويضة واحدة مع نسبة معينة من mtDNA المتحور جنينًا تحتوي فيه الخلايا المختلفة على أحمال متحولة مختلفة.قد يعمل الاختيار على مستوى الخلية بعد ذلك على إزالة تلك الخلايا ذات mtDNA الأكثر تحورًا ، مما يؤدي إلى استقرار أو تقليل الحمل المتحور بين الأجيال. تتم مناقشة الآلية الكامنة وراء عنق الزجاجة ، [40] [41] [42] [43] مع نقيلة رياضية وتجريبية حديثة تقدم دليلًا على مجموعة من التقسيم العشوائي لـ mtDNAs عند الانقسامات الخلوية والدوران العشوائي لجزيئات mtDNA داخل الخلية. [27]

تحرير الميراث الذكور

تم اكتشاف وراثة الحمض النووي للذكور في دجاج بليموث روك. [44] الأدلة تدعم حالات نادرة من وراثة ذكور الميتوكوندريا في بعض الثدييات أيضًا. على وجه التحديد ، توجد حالات موثقة للفئران ، [45] [46] حيث تم رفض الميتوكوندريا الموروثة من الذكور لاحقًا. كما تم العثور عليه في الأغنام ، [47] وفي الأبقار المستنسخة. [48] ​​تم توثيق حالات نادرة من وراثة ذكور الميتوكوندريا في البشر. [49] [50] [51] [52] على الرغم من أن العديد من هذه الحالات تشمل الأجنة المستنسخة أو الرفض اللاحق للميتوكوندريا الأبوية ، فإن وثائق أخرى في الجسم الحي الميراث والمثابرة في ظل ظروف المختبر.

لوحظ الميراث أحادي الوالدين من mtDNA في الرخويات ذات الصدفتين. في هذه الأنواع ، تمتلك الإناث نوعًا واحدًا فقط من mtDNA (F) ، في حين أن الذكور لديهم نوع F من mtDNA في خلاياهم الجسدية ، ولكن النوع M من mtDNA (والذي يمكن أن يكون متباعدًا بنسبة 30 ٪) في خلايا السلالة الجرثومية. [53] تم الإبلاغ عن وجود الميتوكوندريا الموروثة عن طريق الأب أيضًا في بعض الحشرات مثل ذباب الفاكهة ، [54] [55] نحل العسل ، [56] والسيكادا الدورية. [57]

تحرير التبرع بالميتوكوندريا

ينتج عن تقنية التلقيح الاصطناعي المعروفة باسم التبرع بالميتوكوندريا أو العلاج ببدائل الميتوكوندريا (MRT) نسلًا يحتوي على mtDNA من أنثى متبرعة ، وحمض نووي من الأم والأب. في إجراء نقل المغزل ، يتم إدخال نواة البويضة في سيتوبلازم البويضة من أنثى متبرعة تمت إزالة نواتها ، ولكنها لا تزال تحتوي على mtDNA للأنثى المانحة. ثم يتم تخصيب البويضة المركبة بحيوانات منوية الذكر. يتم استخدام هذا الإجراء عندما ترغب امرأة مصابة بالميتوكوندريا المعيبة وراثيًا في الإنجاب وإنتاج نسل بميتوكوندريا صحية. [58] أول طفل وُلد نتيجة التبرع بالميتوكوندريا كان صبيًا ولد لزوجين أردنيين في المكسيك في 6 أبريل 2016. [59]

تعديل القابلية

لا يزال المفهوم القائل بأن mtDNA عرضة بشكل خاص لأنواع الأكسجين التفاعلية التي تولدها السلسلة التنفسية بسبب قربها مثيرًا للجدل. [60] لا تتراكم mtDNA أكثر من أي ضرر قاعدي مؤكسد أكثر من الحمض النووي النووي. [61] تم الإبلاغ عن أن بعض أنواع الضرر المؤكسد للحمض النووي يتم إصلاحها بشكل أكثر كفاءة في الميتوكوندريا مما هي عليه في النواة. [62] يتم تعبئة mtDNA ببروتينات تبدو أنها وقائية مثل بروتينات الكروماتين النووي. [63] علاوة على ذلك ، طورت الميتوكوندريا آلية فريدة من نوعها تحافظ على سلامة الحمض النووي الميتوكوندري من خلال تدهور الجينومات التالفة بشكل مفرط متبوعًا بتكرار الحمض النووي الريبي السليم / الذي تم إصلاحه. هذه الآلية غير موجودة في النواة ويتم تمكينها بواسطة نسخ متعددة من mtDNA الموجودة في الميتوكوندريا. [64] قد تكون نتيجة الطفرة في mtDNA تغييرًا في تعليمات الترميز لبعض البروتينات ، [65] والتي قد يكون لها تأثير على استقلاب الكائن الحي و / أو لياقته.

تعديل المرض الجيني

يمكن أن تؤدي الطفرات في الحمض النووي للميتوكوندريا إلى عدد من الأمراض بما في ذلك عدم تحمل التمارين ومتلازمة كيرنز ساير (KSS) ، والتي تؤدي إلى فقدان الشخص لوظائف القلب والعين والعضلات بشكل كامل. تشير بعض الأدلة إلى أنها قد تكون مساهمًا رئيسيًا في عملية الشيخوخة والأمراض المرتبطة بالعمر. [66] في سياق المرض على وجه الخصوص ، تسمى نسبة جزيئات mtDNA الطافرة في الخلية باسم heteroplasmy. إن التوزيعات داخل الخلية وبين الخلايا للبلازما المتغايرة تملي بداية المرض وشدته [67] وتتأثر بعمليات عشوائية معقدة داخل الخلية وأثناء التطور. [27] [68]

يمكن أن تكون الطفرات في mitochondrial tRNAs مسؤولة عن الأمراض الشديدة مثل متلازمات MELAS و MERRF. [69]

يمكن أن تسهم الطفرات في الجينات النووية التي تشفر البروتينات التي تستخدمها الميتوكوندريا أيضًا في الإصابة بأمراض الميتوكوندريا. لا تتبع هذه الأمراض أنماط وراثة الميتوكوندريا ، ولكنها تتبع أنماط الوراثة المندلية. [70]

استخدامها في تشخيص المرض تحرير

تم مؤخرًا استخدام طفرة في mtDNA للمساعدة في تشخيص سرطان البروستاتا لدى المرضى الذين يعانون من خزعة البروستاتا السلبية. [71] [72] يمكن اكتشاف تغيرات mtDNA في السوائل الحيوية لمرضى السرطان. [73]

العلاقة مع الشيخوخة

على الرغم من أن الفكرة مثيرة للجدل ، إلا أن بعض الأدلة تشير إلى وجود صلة بين الشيخوخة وخلل جينوم الميتوكوندريا. [74] في جوهرها ، الطفرات في mtDNA تخل بالتوازن الدقيق لإنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) وكسح ROS الإنزيمي (بواسطة إنزيمات مثل ديسموتاز الفائق ، الكاتلاز ، الجلوتاثيون بيروكسيديز وغيرها). ومع ذلك ، فإن بعض الطفرات التي تزيد من إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (على سبيل المثال ، عن طريق تقليل الدفاعات المضادة للأكسدة) في الديدان تزيد من طول عمرها بدلاً من تقليلها. [60] أيضًا ، تعيش فئران الخلد العارية ، والقوارض بحجم الفئران تقريبًا ، حوالي ثماني مرات أطول من الفئران على الرغم من انخفاضها ، مقارنة بالفئران ، والدفاعات المضادة للأكسدة وزيادة الضرر التأكسدي للجزيئات الحيوية. [75] ذات مرة ، كان يعتقد أن هناك حلقة ردود فعل إيجابية في العمل ("الحلقة المفرغة") حيث أن الحمض النووي للميتوكوندريا يراكم الضرر الجيني الناجم عن الجذور الحرة ، وتفقد الميتوكوندريا وظيفتها وتتسرب الجذور الحرة إلى العصارة الخلوية. يقلل انخفاض وظيفة الميتوكوندريا من كفاءة التمثيل الغذائي بشكل عام. [76] ومع ذلك ، تم دحض هذا المفهوم بشكل قاطع عندما تم إثبات أن الفئران ، التي تم تعديلها وراثيًا لتراكم طفرات mtDNA بمعدل متسارع ، تتقدم في العمر قبل الأوان ، لكن أنسجتها لا تنتج المزيد من أنواع ROS كما تنبأت فرضية "الحلقة المفرغة". [77] دعمًا للرابط بين طول العمر والحمض النووي للميتوكوندريا ، وجدت بعض الدراسات ارتباطات بين الخصائص الكيميائية الحيوية للحمض النووي للميتوكوندريا وطول عمر الأنواع. [78] يتم إجراء بحث مكثف لمزيد من التحقيق في هذا الارتباط وطرق مكافحة الشيخوخة. في الوقت الحاضر ، يعد العلاج الجيني والمكملات الغذائية من المجالات الشائعة للبحث المستمر. [79] [80] بيلاكوفيتش وآخرون. حللوا نتائج 78 دراسة بين عامي 1977 و 2012 ، شملت ما مجموعه 296707 مشاركًا ، وخلصوا إلى أن مكملات مضادات الأكسدة لا تقلل من الوفيات لجميع الأسباب ولا تطيل العمر ، في حين أن بعضها ، مثل بيتا كاروتين ، وفيتامين E ، والجرعات العالية من فيتامين أ ، قد يؤدي في الواقع إلى زيادة معدل الوفيات. [81]

الأمراض العصبية التنكسية

زيادة تلف mtDNA هو سمة من سمات العديد من الأمراض العصبية التنكسية.

تمتلك أدمغة الأفراد المصابين بمرض الزهايمر مستويات مرتفعة من تلف الحمض النووي المؤكسد في كل من الحمض النووي DNA و mtDNA ، لكن mtDNA يحتوي على مستويات أعلى بحوالي 10 أضعاف من الحمض النووي النووي. [82] تم اقتراح أن الميتوكوندريا المسنة هي العامل الحاسم في أصل التنكس العصبي في مرض الزهايمر. [83]

في مرض هنتنغتون ، يتسبب بروتين هنتنغتين الطافر في حدوث خلل وظيفي في الميتوكوندريا يتضمن تثبيط نقل الإلكترون في الميتوكوندريا ، ومستويات أعلى من أنواع الأكسجين التفاعلية وزيادة الإجهاد التأكسدي. [84] يعزز بروتين هنتنغتين الطافر الضرر التأكسدي للـ mtDNA ، وكذلك الحمض النووي النووي ، الذي قد يساهم في أمراض مرض هنتنغتون. [85]

منتج أكسدة الحمض النووي 8-أوكسوجوانين (8-أوكسوج) هو علامة راسخة لتلف الحمض النووي المؤكسد. في الأشخاص الذين يعانون من التصلب الجانبي الضموري (ALS) ، تكون الإنزيمات التي تقوم عادةً بإصلاح أضرار 8-oxoG DNA في mtDNA للخلايا العصبية الحركية الشوكية ضعيفة. [86] وبالتالي فإن الضرر التأكسدي للـ mtDNA للخلايا العصبية الحركية قد يكون عاملاً مهمًا في مسببات ALS.

ارتباط تكوين قاعدة mtDNA مع حياة الحيوان يمتد تحرير

على مدى العقد الماضي ، أظهرت مجموعة بحثية إسرائيلية بقيادة البروفيسور فاديم فرايفيلد أن هناك ارتباطات قوية وهامة بين تكوين قاعدة mtDNA وفترات الحياة القصوى الخاصة بالأنواع الحيوانية. [87] [88] [89] كما هو موضح في عملهم ، فإن محتوى mtDNA المرتفع من الجوانين + السيتوزين (GC٪) يرتبط بقوة بمدى الحياة الأطول عبر الأنواع الحيوانية. ملاحظة إضافية هي أن ارتباط mtDNA GC٪ مع أقصى فترات الحياة مستقلة عن العلاقة المعروفة بين معدل التمثيل الغذائي للأنواع الحيوانية والحد الأقصى لمدى الحياة. يشرح mtDNA GC٪ ومعدل الأيض أثناء الراحة الاختلافات في فترات الحياة القصوى لأنواع الحيوانات بطريقة تكاثرية (أي ، الحد الأقصى لعمر الأنواع = معدل الأيض الخاص بـ mtDNA GC٪ *). [88] لدعم المجتمع العلمي في إجراء تحليلات مقارنة بين ميزات mtDNA وطول العمر عبر الحيوانات ، تم إنشاء قاعدة بيانات مخصصة باسم MitoAge. [90]

العلاقة مع هياكل الحمض النووي غير B (غير المتعارف عليها)

تحدث نقاط توقف الحذف في كثير من الأحيان داخل أو بالقرب من المناطق التي تظهر مطابقة غير متعارف عليها (غير B) ، وهي دبابيس الشعر والصليب والعناصر التي تشبه أوراق البرسيم. [91] علاوة على ذلك ، هناك بيانات تدعم تورط المناطق المنحنية جوهريًا التي تشوه اللولب و G-tetrads الطويلة في إثارة أحداث عدم الاستقرار. بالإضافة إلى ذلك ، لوحظت كثافات أعلى لنقطة التوقف باستمرار داخل المناطق المنحرفة GC وفي الجوار القريب لعزر التسلسل المتدهور YMMYMNNMMHM. [92]

على عكس الحمض النووي DNA ، الموروث من كلا الوالدين والذي يتم فيه إعادة ترتيب الجينات في عملية إعادة التركيب ، لا يوجد عادةً أي تغيير في mtDNA من الأب إلى الأبناء. على الرغم من أن mtDNA يعيد الاتحاد أيضًا ، إلا أنه يفعل ذلك بنسخ منه داخل نفس الميتوكوندريا. بسبب هذا ولأن معدل طفرة mtDNA الحيواني أعلى من معدل DNA النووي ، [93] mtDNA هو أداة قوية لتتبع السلالة من خلال الإناث (matrilineage) وقد تم استخدامه في هذا الدور لتتبع أسلاف العديد من الأنواع مرة أخرى مئات الأجيال.

يجعل معدل الطفرة السريع (في الحيوانات) mtDNA مفيدًا في تقييم العلاقات الجينية للأفراد أو المجموعات داخل الأنواع وأيضًا لتحديد وقياس السلالة (العلاقات التطورية انظر علم الوراثة) بين الأنواع المختلفة. للقيام بذلك ، يقوم علماء الأحياء بتحديد ثم مقارنة تسلسلات mtDNA من أفراد أو أنواع مختلفة. تُستخدم البيانات المأخوذة من المقارنات لبناء شبكة من العلاقات بين التسلسلات ، والتي توفر تقديرًا للعلاقات بين الأفراد أو الأنواع التي تم أخذ mtDNAs منها. يمكن استخدام mtDNA لتقدير العلاقة بين كل من الأنواع ذات الصلة الوثيقة ببعضها البعض. نظرًا لارتفاع معدل الطفرة في mtDNA في الحيوانات ، تتغير المواضع الثالثة من الكودونات بسرعة نسبيًا ، وبالتالي توفر معلومات حول المسافات الجينية بين الأفراد أو الأنواع ذات الصلة الوثيقة. من ناحية أخرى ، فإن معدل استبدال بروتينات mt منخفض جدًا ، وبالتالي تتراكم تغييرات الأحماض الأمينية ببطء (مع التغيرات البطيئة المقابلة في موقعي الكودون الأول والثاني) وبالتالي فهي توفر معلومات حول المسافات الجينية للأنواع ذات الصلة البعيدة. يمكن بالتالي استخدام النماذج الإحصائية التي تعالج معدلات الاستبدال بين مواقع الكودون بشكل منفصل ، لتقدير السلالات التي تحتوي على أنواع قريبة وبعيدة الصلة في آن واحد [69]

تم قبول الحمض النووي للميتوكوندريا كأدلة لأول مرة على الإطلاق في قاعة محكمة بالولايات المتحدة في عام 1996 أثناء ذلك ولاية تينيسي ضد بول وير. [94]

في قضية محكمة الولايات المتحدة لعام 1998 في قضية كومنولث بنسلفانيا ضد باتريشيا لين رورير ، [95] تم قبول الحمض النووي للميتوكوندريا في الأدلة في ولاية بنسلفانيا لأول مرة. [96] [97] ظهرت القضية في الحلقة 55 من الموسم الخامس من المسلسل الدرامي الجنائي الحقيقي "ملفات الطب الشرعي" (الموسم الخامس). [98]

تم قبول الحمض النووي للميتوكوندريا لأول مرة في الأدلة في كاليفورنيا ، الولايات المتحدة ، في المحاكمة الناجحة لديفيد ويستيرفيلد في عام 2002 باختطاف وقتل دانييل فان دام البالغة من العمر 7 سنوات في سان دييغو: تم استخدامه لتحديد هوية كل من البشر والكلاب. [99] كانت هذه أول تجربة في الولايات المتحدة تعترف بالحمض النووي للكلاب. [100]

تم التعرف على رفات الملك ريتشارد الثالث ، الذي توفي عام 1485 ، من خلال مقارنة mtDNA به مع اثنين من أحفاد أخته الذين كانوا على قيد الحياة في عام 2013 ، بعد 527 عامًا من وفاته. [101]

يتم حفظ mtDNA عبر كائن حقيقي النواة نظرًا للدور الحاسم للميتوكوندريا في التنفس الخلوي. ومع ذلك ، نظرًا لقلة كفاءة إصلاح الحمض النووي (مقارنةً بالحمض النووي النووي) ، فإن معدل الطفرات فيها مرتفع نسبيًا (ولكنه بطيء مقارنةً بمناطق الحمض النووي الأخرى مثل السواتل الدقيقة) مما يجعله مفيدًا لدراسة العلاقات التطورية - السلالات - للكائنات. يمكن لعلماء الأحياء تحديد تسلسل mtDNA بين الأنواع المختلفة ومقارنتها بعد ذلك واستخدام المقارنات لبناء شجرة تطورية للأنواع التي تم فحصها.

على سبيل المثال ، في حين أن معظم الجينات النووية متطابقة تقريبًا بين البشر والشمبانزي ، فإن جينومات الميتوكوندريا الخاصة بهم تختلف بنسبة 9.8٪. تختلف جينومات الميتوكوندريا البشرية والغوريلا بنسبة 11.8٪ ، مما يشير إلى أننا قد نكون أكثر تشابهًا مع الشمبانزي من الغوريلا. [102] ومع ذلك ، عند مقارنة الحمض النووي النووي ، فإن البشر والشمبانزي يختلفون بنسبة 10٪ على الأقل ، مما يُظهر انقطاعًا كبيرًا بين النوعين.

تم اكتشاف الحمض النووي للميتوكوندريا في الستينيات من قبل Margit M. [104]

تم إنشاء العديد من قواعد البيانات المتخصصة لجمع تسلسل جينوم الميتوكوندريا وغيرها من المعلومات. على الرغم من أن معظمها يركز على بيانات التسلسل ، إلا أن بعضها يتضمن معلومات عن التطور أو المعلومات الوظيفية.

  • AmtDB: قاعدة بيانات لجينومات الميتوكوندريا البشرية القديمة. [105]
  • InterMitoBase: قاعدة بيانات مشروحة ومنصة تحليل لتفاعلات البروتين البروتين للميتوكوندريا البشرية. [106] (يبدو أنه تم التحديث الأخير في عام 2010 ، لكنه لا يزال متاحًا)
  • ميتوبريك: قاعدة بيانات نقاط توقف الحمض النووي للميتوكوندريا. [107]
  • ميتوفيش و MitoAnnotator: قاعدة بيانات جينوم الميتوكوندريا للأسماك. [108] انظر أيضًا Cawthorn et al. [109]
  • ميتومي: قاعدة بيانات لجينوميات الميتوكوندريا المقارنة في حيوانات ميتازوان. [110] (لم تعد متوفرة)
  • ميتوريس: مورد لجينات الميتوكوندريا المشفرة نوويًا ومنتجاتها في الميتازوا [111] (على ما يبدو لم يعد يتم تحديثه)
  • MitoSatPlant: قاعدة بيانات السواتل الدقيقة للميتوكوندريا من viridiplantae. [112]
  • ميتوزوا 2.0: قاعدة بيانات للتحليلات المقارنة والتطورية لجينومات الميتوكوندريا في ميتازوا. [113] (لم يعد متاحًا)

يمكن أن تكشف دراسات الارتباط على مستوى الجينوم عن ارتباطات جينات mtDNA وطفراتها مع الأنماط الظاهرية بما في ذلك مخاطر العمر والأمراض. في عام 2021 ، كشفت أكبر دراسة ارتباط جينوم على نطاق الجينوم على نطاق البنك الحيوي في المملكة المتحدة عن الحمض النووي للميتوكوندريا عن 260 ارتباطًا جديدًا مع أنماط ظاهرية بما في ذلك مخاطر العمر والأمراض على سبيل المثال. داء السكري من النوع 2. [114] [115]

تحرير قواعد بيانات طفرة الميتوكوندريا

توجد العديد من قواعد البيانات المتخصصة التي تُبلغ عن تعدد الأشكال والطفرات في الحمض النووي للميتوكوندريا البشرية ، جنبًا إلى جنب مع تقييم قدرتها المرضية.


أسباب الطفرات الجينية

باختصار: الأنواع الرئيسية للطفرات

يمكن أن يخطئ بوليميراز الحمض النووي أثناء إضافة النيوكليوتيدات. يتم تصحيح معظم الأخطاء ، ولكن إذا لم يتم تصحيحها ، فقد تؤدي إلى حدوث طفرة تُعرّف على أنها تغيير دائم في تسلسل الحمض النووي. يمكن أن تكون الطفرات من أنواع عديدة ، مثل الاستبدال, حذف, إدراج، و النقل. قد تؤدي الطفرات في جينات الإصلاح إلى عواقب وخيمة مثل السرطان. يمكن أن تحدث الطفرات أو قد تحدث بشكل عفوي.


5.10 الطفرات النقطية تؤثر على التعبير الجيني

على الرغم من صدقه ، إذا لم يرتكب الحمض النووي أخطاءً مطلقًا ، فلن يكون لدينا قصة تطورية نرويها ، ولن يتسم عالمنا بمثل هذا التنوع البيولوجي الهائل. الطفرات هي أخطاء تظهر في الحمض النووي ، إما من خلال أخطاء عشوائية في تكرار الحمض النووي أو من خلال أي عامل من عدد من العوامل المسببة للطفرات - الأشعة فوق البنفسجية ، والمركبات السامة ، وما إلى ذلك. يمكن أن تؤثر الطفرات على الكروموسومات الكاملة ، أو أجزاء كبيرة من الكروموسومات ، أو مجرد عدد قليل من النيوكليوتيدات.

نوع من الطفرات هو طفرة نقطة- تغيير عشوائي لواحد أو عدة قواعد DNA. تتراوح هذه التغييرات من الطفرة "الصامتة" التي ليس لها تأثير ، إلى الطفرات التي تغير الأحماض الأمينية دون تغيير الطبيعة الأساسية للبروتين ، إلى الطفرات التي تجعل هذا الجين غير وظيفي ، وقد يكون لها تأثيرات ضارة على المستوى العضوي.

تتضمن الطفرات النقطية الاستبدالات الأساسية أو الحذف أو الإدخالات

أ طفرة الاستبدال ينطوي ببساطة على استبدال نوكليوتيد بآخر. قد لا تغير البدائل تسلسل الأحماض الأمينية لعديد ببتيد. على سبيل المثال ، فإن الطفرة في الحمض النووي التي تغير GAA إلى GAG ستغير كودون CUU إلى CUC في كلتا الحالتين ، والحمض الأميني المترجم هو الليوسين والبولي ببتيد لا يتغير. حتى بعض التغييرات في الأحماض الأمينية يمكن أن يكون لها تأثير ضئيل على البروتين المعبر عنه. ومع ذلك ، يمكن أن يكون للبدائل البسيطة عواقب وخيمة. على سبيل المثال ، يؤدي الاستبدال البسيط لقاعدة واحدة في الجين للهيموجلوبين إلى ظهور الأليل لفقر الدم المنجلي ، وهو اضطراب دم قاتل.

أ طفرة الحذف ناتج عن إزالة واحد أو أكثر من النيوكليوتيدات. عادةً ما يؤثر حذف ثلاث قواعد فقط على واحد أو اثنين من الأحماض الأمينية ، ولكن حذف قاعدة أو قاعدتين يعطل جميع الكودونات "المصبَّية" للطفرة ويؤثر على إطار القراءة المتبقي بأكمله للجين (أ طفرة انزياح الإطار).

الشكل 5.11 زوجان من الكروموسومات X. في كل زوج ، لا يتأثر الكروموسوم الموجود على اليسار ، والكروموسوم الموجود على اليمين له خاصية الطفرة المميزة لمتلازمة X الهشة. الهش X هو مثال على طفرة صبغية.

ترجع العديد من الأمثلة على مرض التليف الكيسي الوراثي إلى طفرات الحذف. أيضًا ، حذف 32 قاعدة في الترميز الجيني لبروتين مستقبلات الخلايا التائية (CCR5) يغير قدرة فيروسات HIV على اختراق الخلايا المضيفة. الأفراد المصابون بهذه الطفرة (CCR5-del32) قد قلل من قابليته للإصابة بفيروس نقص المناعة البشرية ، مما يوفر بعض الحماية ضد الإيدز.

طفرات الإدراج ناتج عن إضافة واحد أو أكثر من النيوكليوتيدات. مثل عمليات الحذف ، يمكن أن تؤثر عمليات الإدخال على إطار القراءة الكامل للجين ، أو يمكنها ببساطة إضافة واحد أو أكثر من الأحماض الأمينية إلى عديد الببتيد المترجم. ومع ذلك ، يوجد عدد من الأمراض المتكررة ثلاثية النوكليوتيدات (أو "ثلاثي النوكليوتيد") وتشمل مرض هنتنغتون ومتلازمة إكس الهش. في متلازمة X الهشة ، يتم إدخال عدة توائم CAG ثلاثية في الكروموسوم X. الأفراد الذين يرثون هذا الاضطراب (خاصة الذكور) قد يكون لديهم تخلف عقلي عميق.

الشكل 5.12 ملخص لأنواع الطفرات النقطية التي تمت مناقشتها أعلاه.


ملفات بيانات إضافية

تتوفر البيانات الإضافية التالية مع النسخة الموجودة على الإنترنت من هذه الورقة. يحتوي ملف البيانات الإضافية 1 على قياسات متكررة للفتك الجنيني وما يقابلها ص- قيم الفاعلية التركيبية. يحتوي ملف البيانات الإضافي 2 على بيانات تظهر أن RNAi المزدوج عن طريق نقع الديدان في dsRNA لجينين في وقت واحد هو وسيلة غير فعالة للتحليل الجيني التركيبي. يسرد ملف البيانات الإضافي 3 تسلسلات التمهيدي المستخدمة في هذه الدراسة لتضخيم تسلسل الترميز من cDNA لاستخدامها كقوالب لـ dsRNA.


6.5: الطفرات - علم الأحياء

الطفرات هي تغييرات في تسلسل الحمض النووي. يمكن أن تحدث هذه التغييرات بشكل عفوي أو يمكن أن تحدث بسبب التعرض لعوامل بيئية. يمكن وصف الطفرات بعدة طرق مختلفة: ما إذا كانت تغير تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين وكيفية حدوثها ، وما إذا كانت تحدث على مساحة صغيرة أو كبيرة من الحمض النووي ، وما إذا كانت تحدث في الخلايا الجسدية أو خلايا السلالة الجرثومية.

عواقب طفرات النقطة على المستوى الجزيئي

تسمى الطفرات التي تحدث عند نوكليوتيد مفرد الطفرات النقطية. عندما تحدث طفرات نقطية داخل الجينات ، يمكن أن تختلف العواقب في شدتها اعتمادًا على ما يحدث لتسلسل الأحماض الأمينية المشفرة. لا تغير الطفرة الصامتة هوية الأحماض الأمينية ولن يكون لها أي تأثير على الكائن الحي. تغير طفرة مغلوطة حمض أميني واحد ، وقد تكون التأثيرات خطيرة إذا أدى التغيير إلى تغيير وظيفة البروتين. تنتج طفرة غير منطقية كودون توقف يقطع البروتين ، مما يجعله على الأرجح غير وظيفي. تحدث طفرات انزياح الإطارات عندما يتم إدخال واحد أو أكثر من النيوكليوتيدات أو حذفها من تسلسل الحمض النووي المرمز للبروتين ، مما يؤثر على جميع الكودونات في اتجاه مجرى موقع الطفرة.

التعديلات الكروموسومية هي طفرات واسعة النطاق

إن أكثر أنواع الطفرات خطورة ، وهو تغيير الكروموسومات ، يغير البنية الفيزيائية للكروموسوم. يمكن أن تشمل التعديلات الكروموسومية الحذف أو التكرار أو الانعكاس لمسافات كبيرة من الحمض النووي داخل كروموسوم واحد ، أو دمج جزء من كروموسوم مختلف. عادة ما تكون هذه الطفرات أكثر خطورة من الطفرات النقطية لأنها تشمل العديد من الجينات والعناصر التنظيمية. يمكن الكشف عن التغيرات الكروموسومية عن طريق التنميط النووي للخلية المصابة.

يتم وراثة طفرات السلالة الجرثومية فقط

يمكن أن تحدث الطفرات في أي خلية ، ولكن يمكن أن تنتقل الطفرات الجرثومية فقط و mdashth التي توجد في خلايا البويضات والحيوانات المنوية و [مدشث] إلى النسل. على سبيل المثال ، الأمراض الوراثية هي نوع فرعي من الاضطرابات الوراثية التي تسببها طفرات السلالة الجرثومية الضارة. يمكن أن تكون وراثية ، تحدث على الكروموسومات من واحد إلى 22 ، أو مرتبطة بالجنس ، تحدث على الكروموسوم X أو Y. أحد الأمثلة على مرض وراثي هو التليف الكيسي (CF) ، وهو مرض يصيب الرئتين بشكل أساسي. إنه ناتج عن حذف داخل الجين CFTR يزيل حمض أميني واحد من بروتين CFTR. التليف الكيسي هو مرض وراثي جسمي متنحي ، مما يعني أن الشخص الذي لديه نسخة متحولة واحدة من الجين ونسخة واحدة طبيعية لن يصاب بالمرض ، مثل مرض هنتنغتون ورسكووس ، وهو اضطراب تنكسي عصبي ، هو وراثي جسمي سائد ، مما يعني أن نسخة واحدة فقط من الطفرة من الجين. الجين ضروري لتطور المرض.

تحدث بعض الطفرات بسبب عوامل بيئية

يمكن أن تنشأ الطفرات الجسدية والطفرات الجسدية التي تحدث خارج الخط الجرثومي و mdas و طفرات السلالة الجرثومية تلقائيًا أثناء تكرار الحمض النووي ، ولكن يمكن أيضًا أن تكون ناجمة عن التعرض للإشعاع أو المواد الكيميائية في البيئة. تسمى العوامل الخارجية التي تتلف الحمض النووي وتسبب الطفرات بالطفرات. يعتبر الإشعاع فوق البنفسجي (UV) أحد الطفرات البيئية المميزة. تحمل الأشعة فوق البنفسجية طاقة أكثر من الضوء المرئي وتضر بالحمض النووي عن طريق كسر الروابط بين أزواج القواعد ، مما يتسبب في ازدواج قواعد الثايمين الموجودة على نفس خيط الحمض النووي مع بعضها البعض في ثايمين مميز. الشمس مصدر طبيعي للأشعة فوق البنفسجية. يتم اعتراض أكثر الأطوال الموجية ضررًا ، الأشعة فوق البنفسجية - ج ، في الغلاف الجوي ، لكن الأشعة فوق البنفسجية - أ و الأشعة فوق البنفسجية - ب تصل إلى سطح الأرض. تشمل المصادر الاصطناعية للتعرض للأشعة فوق البنفسجية أسرّة التسمير ، التي تنقل بشكل أساسي الأشعة فوق البنفسجية - أ بكميات أقل من الأشعة فوق البنفسجية - ب. لحسن الحظ ، تمتلك الخلايا آليات لإصلاح الحمض النووي التالف ، ولكن في بعض الأحيان لا يتم إصلاح الضرر قبل انقسام الخلايا في الخلايا سريعة الانقسام ، مثل خلايا الجلد. إذا حدث تلف الحمض النووي في منطقة جينومية مهمة لتنظيم نمو الخلايا وانقسامها ، فقد يؤدي ذلك إلى الإصابة بالسرطان إذا لم يتم إصلاحه.


قد لا تكون طفرات الفسيفساء نادرة

آنا أزفولينسكي
5 يونيو 2015

WIKIMEDIA، DATABASE CENTER FOR LIFE SCIENCES يُعتقد أن معظم الطفرات الجديدة في الفرد تنشأ في السلالة الجرثومية. الطفرات الأخرى ، طفرات الفسيفساء الجسدية و mdash التي توجد فقط في مجموعة فرعية من خلايا الشخص و rsquos و mdash يمكن أن تنتقل من أحد الوالدين أو تنشأ أثناء التطور المبكر. كان يُعتقد أن مثل هذه الطفرات الفسيفسائية نادرة إلى حد ما ، ولكن وفقًا لدراسة نُشرت اليوم (5 يونيو) في المجلة الأمريكية لعلم الوراثة البشرية، قد يساهمون في ما يصل إلى 6.5 في المائة من التباين الجيني للفرد و rsquos. إذا تم تأكيد ذلك ، يمكن أن تؤثر النتائج على كيفية تقدير الباحثين لخطر الشخص و rsquos لتمرير الأليلات المرتبطة بالأمراض إلى أطفالهم.

أبرزت النتائج أن الفسيفساء قد تكون أكثر شيوعًا مما كنا قد قدرنا حتى الآن ، وكتبت عالمة الوراثة آن جوريلي من جامعة أكسفورد في رسالة بريد إلكتروني إلى العالم. & ldquo القيمة الرئيسية للدراسة الحالية هي محاولة للقياس الكمي.

يمكن أن تنتج الفسيفساء عندما تنشأ طفرة دي نوفو بعد تكوين الجنين. باستخدام تقنيات التسلسل الأحدث والأكثر حساسية ، بدأ الباحثون مؤخرًا في تحديد طفرات الفسيفساء. في هذه الدراسة ، استخدم ألكساندر هوشين من المركز الطبي بجامعة رادبود في نيميغن بهولندا وزملاؤه أربع طرق مختلفة للتسلسل لتقدير معدل تكرار هذه الظاهرة عند الأطفال.

التوسع في جهد التسلسل السابق لتحديد طفرات دي نوفو المسببة للأمراض في 50 طفلاً من ذوي الإعاقات الذهنية من خلال مقارنة جينوماتهم مع تلك الخاصة بوالديهم غير المتأثرين ، أنتج الفريق ثلاث مجموعات بيانات تسلسل عميق إضافية لتقييم النسب الأليلية لـ 107 ممثل. الطفرات. في حين أن طفرة de novo الموجودة في السلالة الجرثومية للطفل موجودة عادة بنسبة 50٪ الأليلات ، قد تشير النسبة الأقل إلى أن الطفرة نشأت أثناء التطور الجنيني.

من بين هذه الطفرات الـ 107 التي تم تحليلها ، لم يتم اكتشاف سبعة (6.5 بالمائة) في السلالات الجرثومية للوالدين. حدثت أربع طفرات دي نوفو - من إجمالي 4081 طفرة مشتبه بها في دي نوفو - بمعدل تكرار 50 في المائة في الطفل ولكن بتردد أقل بكثير (حوالي 3.5 تردد) في عينات دم أحد الوالدين. لاحظ الباحثون أنه على الرغم من الاختلاف في التكرار ، فمن المحتمل أن يكون الوالد قد نقل هذه الطفرة إلى الطفل من خلال السلالة الجرثومية.

قال فيليب عوضالا من معهد أونتاريو لأبحاث السرطان وجامعة تورنتو ، الذي يعمل في مجال السكان والطب علم الجينوم ولكن لم يشارك في الدراسة الحالية.

وافق Hoischen. وقال: "ربما يكون هذا تقديرًا متحفظًا لهذه الأحداث الطفرية". في حين أن النسبة الأليلية بين 20 في المائة و 40 في المائة تشير إلى حدوث طفرة فسيفساء ، فإن المقاربات على نطاق الجينوم حاليًا لا يمكنها التمييز بين الضوضاء وطفرة انتشار منخفضة لتلك الطفرات المكتشفة بنسبة 10 في المائة أو أقل ، أضاف.

استخدم الفريق أيضًا النمذجة لتحديد الحد الأدنى من نسبة الأليلات لكل من تقنيات التسلسل التي من المحتمل أن تعكس طفرة فسيفساء حقيقية بدلاً من الضوضاء المرتبطة بالتسلسل. في حين أن معيار التسلسل الجيني الحالي هو الحاجة إلى تغطية 30 ضعفًا على الأقل ، اقترح المؤلفون أن هناك حاجة إلى تغطية 100 ضعف على الأقل لتحديد الطفرات الفسيفسائية الحقيقية الموجودة بتردد أليلي أقل من 40 بالمائة.

وقال عوض الله إن هذه النتائج تثير تساؤلات حول مستوى الفسيفساء في الأنسجة الأخرى ، وتكرار انتقال هذه الطفرات إلى الجيل التالي ، وما إذا كانت قد تسهم في المرض.

قال Hoischen: "إن معرفة الكتاب المدرسي بأن الجينوم الخاص بنا متطابق في جميع خلايا أجسامنا ربما لا يكون صحيحًا". العالم.

قال غوريلي: "نحن نعتبر أنفسنا" أفرادًا "جزئيًا لأن تركيبتنا الجينية فريدة من نوعها. لكننا كائنات متعددة الخلايا ، تحتوي على العديد من مجموعات الخلايا المنظمة بدقة في أنسجة وأعضاء مختلفة. تقترح هذه الدراسة أن بعض خلايانا تحمل نسخًا مختلفة من جينوماتنا. . . . إن الآثار المترتبة على هذه النتيجة عميقة ، من وجهة نظر إكلينيكية وفلسفية ".


يرجى اتباع المقالة على الجينات المتحولة هنا.

طفره

انظر إلى المقال كله هنا (في الجزء العلوي من المقالة).

Earth-1007

على Earth-1007 ، منع X-Factor جهاز التعقيم من العمل على الطفرات ، وعكس نوع جنسهم بدلاً من ذلك. & # 9183 & # 93

فصائل الدم

على Earth-11052 ، ذكر ملف ولفرين أن فصيلة دمه كانت "D + متحور"، & # 9184 & # 93 بدلاً من فصائل الدم الكلاسيكية A أو B أو AB أو O (+ أو -).

الحصانات

لبعض الأسباب ، لا يمكن للطفرات الحصول على الإيدز ، & # 9185 & # 93 على عكس البشر الأساسيين.

هم أيضًا محصنون لأسباب لا حصر لها من الامتلاك من الكائنات الحية المبكرة الشبيهة بالبكتيريا مثل تلك التي تدوم ، & # 9186 & # 93 أعمال الحاصد & # 9187 & # 93 أو سامية. & # 91بحاجة لمصدر]

تكوين التربة

إن تكوين التريجين (استخدام ضباب Terrigen من أجل تنشيط قوى اللاإنسان) له تأثيرات متغيرة على المسوخ (بالطاقة أم لا). كانت سامة وتسببت في تطوير طفرات M-Pox.

لمزيد من المعلومات ، يرجى زيارة صفحة Terrigenesis ، والقسم المتعلق بآثارها على المسوخ.

الأرض 13270

على Earth-13270 ، لا يمكن أن تنمو طفرتان وتتطوران جنبًا إلى جنب: بيتر باركر تم قمع جيناته الطافرة خلال فترة المراهقة والبلوغ ، حتى فقد قواه الطافرة ، وكان ذلك عندما ظهرت حالته الطافرة. & # 917 & # 93


شاهد الفيديو: الطفرات الوراثية واسبابها (كانون الثاني 2022).