فصل سوم ژنتیک: ژنتیک

مقدمه

هر موجود زنده ای نقشه ای کامل از ویژگی­های حیات را از والدین خود به ارث می‌برند. وراثت ژن‌ها از الگوهای مشخصی پیروی می‌کند. کروموزوم‌ها حاوی ژن‌هایی به صورت توالی‌های خطی هستند که این توالی‌ها در میان اعضای یک گونه مشترک است. جدایی الل­ها در میوز، ترکیبات ژنتیکی جدیدی را در زمان لقاح گامت‌ها ایجاد می‌کند. زیست‌شناسان تکنیک‌هایی برای دستکاری مصنوعی DNA، سلول‌ها و ارگانیسم‌ها ابداع کرده‌اند.

3.1ژنتیک

مفاهیم

  • ژن در حقیقت یک عامل وراثتی است که از یک طول DNA تشکیل می‌شود و روی یک ویژگی خاص تأثیر می­گذارد.
  • هر ژن روی کروموزوم، جایگاه مشخصی دارد.
  • به شکل­های متفاوت یک ژن، الل گفته می­شود.
  • تفاوت الل­ها به خاطر داشتن یک یا چند باز متفاوت است.
  • الل‌های جدید، توسط جهش به وجود می‌آیند.
  • به تمام اطلاعات ژنتیکی یک ارگانیسم، ژنوم گفته می­شود.
  • در پروژه ژنوم انسان، کل توالی بازی ژن‌های انسان، توالی‌یابی شد.

کاربرد علم

  • عامل بیماری کم خونی داسی شکل، یک جهش جانشینی بازی[1] است که با ایجاد تغییر در توالی کدکننده mRNA رونویسی شده باعث تغییر توالی‌ پلی‌پتیدی هموگلوبین نیز می­شود.
  • مقایسه تعداد ژن‌ها در انسان و سایر گونه‌ها.

مهارت آموزی

  • استفاده از پایگاه­های داده برای تشخیص تفاوت‌ توالی­های بازی یک ژن میان دو گونه.

 

ماهیت علم

  • پیشرفت در تحقیقات علمی به پیشرفت فناوری­ها وابسته است: از نمایانگرهای لیزری و نوری[2]، برای توالی‌یابی ژن‌ها استفاده می­شود.

ژن چیست؟

ژن در حقیقت یک عامل وراثتی است که از یک طول   DNA تشکیل می‌شود و روی یک ویژگی  خاص تأثیر می­گذارد ژنتیک شاخه‌ای از زیست‌شناسی است؛ که روی ذخیره‌سازی اطلاعات ژنی در موجودات زنده و نحوه انتقال این اطلاعات از والدین به فرزندان تمرکز دارد. مدت‌ها پیش از آنکه نحوه ذخیره‌سازی اطلاعات در موجودات زنده کشف شود، توسط زیست‌شناسان از واژه ژنتیک، استفاده می­کردند. این واژه از ریشه کلمه genesis به معنای منشأ (اصل و نسب) برگرفته شده است. زیست‌شناسان به منشأ شکل‌گیری صفاتی مانند کچلی یا رنگ آبی چشم و ….. علاقه‌مند بوده‌اند. آن­ها می­دانستند که قطعاً به وجود آمدن این ویژگی‌ها و انتقال آن­ به نسل‌های بعدی، دلیل مشخصی دارد.

در قرن 19میلادی آزمایش­های متعددی انجام شد که نشان داد عواملی در موجودات زنده وجود دارد که روی ویژگی‌های خاصی اثر می­گذارد و همچنین به نسل بعدی منتقل می­شود. مثال­هایی از این عوامل تاثیر­گذار در گیاه نخود فرنگی[3]، مگس سرکه[4] و سایر ارگانیسم‌ها از والدین به فرزندان منتقل می‌شوند بررسی شد. مطالعات در زمینه کشف عامل وراثتی از اوایل قرن بیستم به بعد شدت گرفتو در حین تحقیقات در این زمینه کلمه “ژن” برای بیان عوامل وراثتی ابداع شد.

یکی از مهمترین سوالات در این تحقیقات، شناسایی ترکیب شیمیایی ژن‌ها بوده است. در اواسط قرن 20 میلادی، شواهد محکمی به دست آمد که نشان می‌داد ژن‌ها از DNA ساخته شده‌اند. تعداد کمی مولکول DNA در یک سلول وجود دارد؛ برای مثال  سلول­های انسانی،46 مولکول DNA دارند ولی در همان سلول هزاران ژن وجود دارد. بنابراین می­توان نتیجه گرفت که هر ژن، طول کوتاه‌تری نسبت به یک کروموزوم و یک مولکول کامل DNA دارد؛ بنابراین هر کروموزوم می­تواندژن‌های بسیاری را حمل می‌کند.

مقایسه تعداد ژن‌ها

 مقایسه تعداد ژن‌ها در انسان و سایر گونه‌ها.

برای ایجاد باکتری، گیاه موز، خفاش و انسان، چه تعداد ژن مورد نیاز است؟ انتظار می­رود که برای ایجاد انسان‌ به عنوان یک موجود فوق‌العاده پیچیده از جنبه‌های فیزیولوژیکی و رفتاری ژن‌های بیشتری مورد نیاز باشد. جدول زیر درست یا اشتباه بودن این تصور را مورد بررسی قرار می­دهد. در این جدول تعداد تقریبی ژن‌های هر گونه بیان شده­است. اطلاعات زیر، ماحصل شواهدی است که  از DNA این موجودات جمع آوری شده است؛ ولی باید توجه داشت که نشان­دهنده تعداد دقیق ژن‌ها نیست. زیرا تعداد دقیق ژن‌ها در تمام موجودات همچنان ناشناخته است.

گروه اسم گونه­ها توضیحات تعداد ژن­ها
پروکاریوت­ها هموفیلوس آنفولانزا[5] باکتری بیماری­زا 1700
اشریشیای کلای[6] باکتری دستگاه گوارش 3200
آغاز­یان تریکوموناس واژینالیس[7] انگل تک سلولی 60000
قارچ­ها ساکارومیسس سرویزیه[8] قارچ تک سلولی 6000
گیاهان برنج آسیایی[9] گیاه زراعی 41000
آرابیدوپسیس تالیانا[10](رشادی گوش موشی) علف گوچک یک ساله 26000
صنوبر کالیفرنیایی(Black cottonwood) درخت بزرگ 46000
جانوران دروزوفیلا ملانوگاستر[11](مگس سرکه) لارو تغذیه کننده از گیاهان 14000
کرم الگانس[12] کرم حلقوی کوچک 19000
انسان[13] دوپای همه چیزخوار 23000
دافنی[14] سخت پوست کوچک 31000

 

ژن‌ها کجا قرار دارند؟

فعالیت

تخمین تعداد ژن‌های انسان

در اکتبر سال 1970 مجله scientific american ، مقاله‌ای درباره تعداد ژن‌های انسان منتشر کرد. در آن مقاله تخمین زده شده بود که انسان حدود 10 میلیون جفت باز ژن دارد. این مقدار تخمین­زده­شده چقدر از تخمین  تعداد فعلی ژن‌های انسانی بیشتر است؟ به نظر شما دلیل این تخمین بیش از حد بزرگ، در سال 1970 چه چیزی است؟

 

هر ژن روی کروموزوم، جایگاه مشخصی دارد.

آزمایش روی طیف وسیعی از جانوران و گیاهان، نشان داد که ژن‌ها به صورت پیوسته در گروه­های ژنی  دسته­بندی می­شوند که جایگاه قرارگیری کروموزومی هر گروه با یک نوع کروموزوم خاص در یک گونه همبستگی دارد. برای مثال 4 گروه از ژن‌های پیوسته و 4 عدد کروموزوم در مگس سرکه وجود دارد. ذرت دارای 10 گروه ژن پیوسته و 10 عدد کروموزوم است. تعداد کروموزوم در انسان 23 است.

هر ژن جایگاه مشخصی روی کروموزم دارد. به این مکان لوکوس ژنی[15] می‌گویند. نقشه‌های نشان دهنده توالی ژن‌ها بر روی کروموزوم‌های مگس سرکه و سایر موجودات طی انجام آزمایش­های متقاطع[16] به دست آمده است ولی اکنون با استفاده از توالی­یابی ژنومی می­توان نقشه‌های بسیار جزئی‌تری را به دست آورد.

شکل شماره 1. کروموزوم شماره 7 به عنوان مثالی از یک کروموزوم انسانی . این کروموزوم از یک مولکول DNA به طول تقریبی 170 میلیون جفت باز تشکیل شده است ( چیزی نزدیک به 5 % ازکل ژنوم انسان ) . الگوی نواری رنگ آمیزی¬شده کروموزوم با الگوی نواری سایر کروموزوم¬های انسانی متفاوت است. هزاران ژن روی کروموزوم شماره 7 قرار دارند ( اکثراً در نوارهای روشن) که هر کدام کد شناسایی خاص خود را دارند. در شکل، لوکوس تعدادی از ژن¬های کروموزوم شماره 7 نشان داده شده است.

 

 

 

 

 

 

 

شکل شماره 2. رنگهای مختلف پوست در موشها.

الل چیست؟

به شکل­های متفاوت یک ژن، الل گفته می­شود.

عموماً گرگوری مندل[17] را به عنوان پدر علم ژنتیک می‌شناسند. او گونه­هایی از گیاه نخود فرنگی را با یکدیگر آمیزش داد. برای مثال نخود فرنگی با طول بلند را با نخود فرنگی با طول کوتاه و همچنین نخودفرنگی با گل سفید را با نخودفرنگی با گل بنفش آمیزش داد. او نتیجه گرفت که تفاوت میان انواع مختلف گیاه نخود فرنگی به دلیل فاکتورهای وراثتی متفاوت در آن‌ها است. اکنون مشخص شده است که این عوامل وراثتی، شکل­های متفاوتی از یک ژن یکسان هستند. برای مثال دو شکل ژن تأثیرگذار روی طول گیاه وجود دارد که باعث می­شود یک گیاه ساقه بلندتری داشته باشد و گیاه دیگر ساقه کوتاه­تر.

به این اشکال مختلف، الل می‌گویند. یک ژن می‌تواند بیش از دو نوع الل داشته باشد. یکی از اولین مثال‌ها درباره وجود الل‌های متعدد برای یک ژن، در موش‌ها کشف شد. یک ژن مؤثر روی رنگ بدن موش، دارای سه الل است که هر کدام از این الل­ها موش را زرد، خاکستری یا سیاه می‌کنند. در انسان سه الل ABO برای ژن تعیین کننده گروه خونی وجود دارد. در برخی موارد، تعداد فراوانی از الل‌های متفاوت برای یک ژن وجود دارد، مانند ژن اثرگذار روی رنگ چشم در مگس سرکه.

از آنجایی که الل‌ها شکل­های متفاوتی از یک ژن منفرد هستند، بنابراین یک جایگاه مشخص روی کروموزوم دارد. پس یعنی لوکوس یکسانی دارند. روی هر لوکوس ژنی روی کروموزوم فقط یک الل وجود دارد. اکثر جانوران و گیاهان دو نسخه از هر کروموزوم‌ را در محتوای ژنومی خود دارند؛ در نتیجه می‌توان انتظار داشت که از هر ژن دو نسخه در سلول وجود داشته باشد. در این دو نسخه ژن الل‌های یکسان یا متفاوتی نسبت به یکدیگر می تواند وجود داشته­باشد.

تفاوت‌ میان الل‌ها

تفاوت الل­ها به خاطر داشتن یک یا چند باز متفاوت است.

یک ژن بخشی از DNA است که می­تواند توالی به بزرگی صدها هزار جفت باز داشته باشد. الل‌های متفاوت یک ژن تفاوت اندکی در توالی بازی خود نسبت به یکدیگر دارند. معمولاً در توالی دقیق الل­ها یک یاتعداد اندکی باز با هم متفاوت است. برای مثال  در نقطه‌ای مشخص از توالی یک الل ممکن است باز آدنین وجود داشته باشد درحالیکه در الل دیگر از همان ژن و در همان نقطه باز سیتوزین قرار دارد.

به جایگاه‌هایی در لوکوس یک ژن که در جانداران مختلف در آن ناحیهاحتمال دارد بیش از یک نوع تفاوت باز وجود داشته باشد، پلی‌مورفیسم تک نوکلئوتیدی[18] یا SNP گفته می­شود و Snips تلفظ می‌شود. چندینsnips  می‌تواند در یک ژن وجود داشته باشد ولی با این وجود، الل‌های مختلف یک ژن در تعداد کمی باز با یکدیگر تفاوت دارند.

مقایسه ژن‌ها

استفاده از پایگاه­های داده برای تشخیص تفاوت‌ توالی­های بازی یک ژن میان دو گونه.

یکی از دستاوردهای پروژه ژنوم انسان، توسعه تکنیکی بود که باعث توالی‌یابی سایر ژنوم‌ها شد. این تکنیک امکان مقایسه بین توالی ژن‌ها را فراهم می‌کند. از نتایج بدست­آمده از این مقایسه برای فهم ارتباطات تکاملی استفاده می­شود. همچنین کشف توالی‌های حفاظت شده بین گونه‌ها امکان مطالعات بیشتری روی عملکرد این توالی‌ها را فراهم می‌کند.

  • به وبسایت Gen Bank بروید. (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)
  • از منوی جستجو، گزینه “ژن” را انتخاب کنید.
  • اسم یک ژن به همراه نام ارگانیسم مورد نظر خود را وارد کنید؛ مثلا سیتوکروم اکسیداز 1 ( COX1 ) برای شامپانزه.
  • نشانگر ماوس خود را روی بخش ” نواحی ژنومیک، رونوشت‌ها و محصولات[19]” ببرید تا “لینک‌های نوکلئوتیدی[20]” ظاهر شود.
  • گزینه ‘FASTA’ را انتخاب کنید. سپس توالی بصورت پشت سرم هم نشان داده می‌شود. توالی را کپی کنید و آن را در یک فایل با فرمت .txt و یا فایل notepad جایگذاری[21] کنید.
  • همین کار را برای سایر گونه‌هایی که می‌خواهید مقایسه کنید، انجام دهید.
  • برای اینکه کامپیوتر این توالی‌ها را با هم تراز[22] کند ، نرم‌افزار Clustal X را دانلود و اجرا کنید.
  • در منوی فایل، گزینه ” load sequence” را انتخاب کنید.
  • فایل خود را انتخاب کنید. حالا توالی شما باید در پنجره X Clustal نمایش داده شود.

شکل شماره 3
  • ذیل منوی Alignment گزینه “Do complete Alignment” را انتخاب کنید. شکل زیر نشان‌دهنده بررسی هم­ترازی توالی‌های 9 ارگانیسم مختلف است.

طرح سوال مبتنی بر داده : COX-2، استعمال سیگار و سرطان معده

COX-2 ژن کدکننده آنزیم سیکلواکسیژناز است که از 6 هزار نوکلئوتید تشکیل شده است. تا کنون بین بروز بیماری گاستریک آدنوکارسینوما[23] ، که نوعی سرطان معده است و 3 پلی‌مورفیسم تک نوکلئوتیدی در این ژن ارتباط مستقیمی کشف شده است. یکی  از این SNPها در نوکلئوتید شماره 1195 دیده­شده است. آدنین یا گوانین بازهای احتمالی این نوکلئوتید در این جایگاه هستند. در چین، مطالعه گسترده­ای روی ژن COX-2 در 357 نفر مبتلا به بیماری گاستریک آدنوکارسینوما و 985 فرد سالم، انجام شد. پرسش مشترکی که از تمام افراد حاضر در این مطالعه، پرسیده شد این بود که آیا در طول زندگی‌شان سیگار مصرف کرده‌اند. جدول شماره 1، 357 بیمار مبتلا به گاستریک آدنوکارسینوما را در دو گروه افراد سیگاری و غیر سیگاری تقسیم­بندی کرده­است. همچنین در گروه­بندی دیگری آن­ها را با توجه به اینکه اینکه آیا آن­ها دو نسخه از COX-2 با نوکلئوتید Gدر ژن 1195 (GG) یا حداقل یک نسخه از ژن Aدر همان موقعیت را دارند(AA یاAG)؟. نتایج در جدول به صورت درصدی نمایش داده شده است. در جدول شماره 2 نیز همین دسته‌بندی برای 985 نفر سالم انجام شده است.

  • با استفاده از داده‌ها، حدس بزنید که کدام یک از بازهای G یا A در نوکلئوتید 1195 در افراد گروه کنترل‌ رایج‌تر است؟[2]
  • الف) مجموع درصد بیمارانی که سیگاری هستند و مجموع درصد افراد گروه کنترل که سیگاری هستند را محاسبه کنید.[2]

ب) از تفاوت مشاهده شده در این درصدها چه نتیجه‌ای گرفته می­شود؟ توضیح دهید.[2]

  • وجود کدام یک از بازهای A یا G در نوکلئوتید 1195 با افزایش ریسک ابتلا به سرطان مرتبط است؟ با دلیل توضیح دهید.[2]
  • با استفاده از جدول داده‌ها توضیح دهید که آیا ریسک ابتلا به سرطان معده در همه سیگاری‌ها یکسان است؟[2]
  GG AG یاAA
افراد سیگاری 8%.9 7%.43
افراد غیر سیگاری 5%.9 40%

 

 

 

جدول شماره1. بیماران سرطانی

 

  GG AG یاAA
افراد سیگاری 9.4% 35.6%
افراد غیر سیگاری 12.6% 42.4%

 

 

جدول شماره2. بیماران غیرسرطانی

 

 

 

جهش

الل‌های جدید توسط جهش بوجود می‌آیند.

الل‌های جدید در اثر جهش در سایر الل­های ژنی به وجود می­آیند. جهش‌ها تغییرات تصادفی هستند که مکانیسم مشخصی برای رخ دادن یک جهش ویژه وجود ندارد. یکی از انوع قابل توجه جهش­ها جهش جانشینی باز است. در این جهش، یک باز با یک نوع باز دیگر جایگزین می‌شود. برای مثال اگر آدنین در نقطه‌ای مشخص از یک توالی بازی وجود داشته باشد؛ سیتوزین، گوانین یا تیمین جایگزین آن می­شوند.

فعالیت

الل‌های جدید

امروزه تحقیقات در مورد جهش، شامل یافتن توالی بازی ژن‌ها در والدین و نوادگانشان می‌شود. این تحقیقات نشان داده است که نرخ جهش حدود یک جهش بازی به ازای هر 108×1.2 باز است. یک کودک به نظر می‌رسد چه تعداد الل جدید در اثر جهش در والدینش خواهد داشت؟ فرض کنید که انسان 25000 ژن و هر ژن به طور میانگین 2000 باز طول دارد .

Source: Campbell, CD, et al. (2012) “Estimating the human mutation rate using autozygosity in a founder population.” Nature Genetics, 44: 1277-1281. doi: 10.1038/ng.2418

 

بسیار بعید است که یک تغییر تصادفی روی یک الل که میلیون‌ها سال در طی تکامل توسعه پیدا کرده است، تغییر مفیدی باشد. تقریباً تمامی جهش‌ها، خنثی[24]یا مضر هستند. برخی از جهش‌ها نیز کشنده‌اند– در صورت وقوع، می‌توانند باعث مرگ سلول شوند. اثر جهش در ژن­های سلول‌های پیکری با مرگ فرد از بین می‌روند ولی جهش در ژن­های سلول‌های زاینده و گامت­ها به نسل‌های بعدی منتقل می­شود و باعث ایجاد بیماری­های وراثتی می­شود.

 

کم خونی داسی شکل

عامل بیماری کم خونی داسی شکل، یک جهش جانشینی بازی است که با تغییر در توالی کدکننده mRNA رونویسی شده  باعث تغییر توالی‌ پلی‌پتیدی هموگلوبین نیز می­شود.

کم خونی داسی شکل یکی از شایع‌ترین بیماری­های ژنتیکی در جهان است. این بیماری به علت جهش در ژن رمزگذار پلی‌پپتید آلفا-گلوبین در هموگلوبین به وجود می‌آید. نماد این ژن Hb است. اکثر انسان‌ها الل HbA را دارند. اگر جهش جانشینی بازی، کدون ششم این ژن را از توالی GAG به GTG تغییر دهد، الل جدیدی به نام Hbs ایجاد می‌شود. جهش تنها زمانی به نسل بعد منتقل می‌شود که در سلول‌های زایای تخمدان یا بیضه که تولید کننده تخمک یا اسپرم هستند، اتفاق بیافتد.

زمانی که الل Hbs رونویسی شد، در توالی mRNA تولید شده به جای GAG به عنوان کدون ششم ، GUG دیده می­شودو زمانی‌که mRNA ترجمه شود، آمینواسید ششم در پلی‌پپتید به جای گلوتامیک اسید، والین خواهد بود. این تغییر باعث می­شود مولکول‌های هموگلوبین در بافت‌هایی که غلظت اکسیژن در آن­ها پایین است، به یکدیگر بچسبند و دسته‌ای از مولکول‌های هموگلوبین سفت و سخت به وجود آیند که گلبول قرمز را به شکل داس درمی‌آورد.

این سلول‌های داسی شکل با به دام افتادن در عروق خونی، مسدود کردن آن‌ها و کاهش جریان خون به بافت‌ها باعث ایجاد آسیب­های جدی در اندام­ها می شوند. زمانی که سلول‌های داسی شکل به محیطی با میزان بالای اکسیژن مانند ریه وارد می‌شوند، دسته‌های هموگلوبینی از هم باز می‌شوند و سلول‌ها به شکل طبیعی خود برمی‌گردند. این تغییرات هر از چندگاهی در اثر گردش گلبول‌های قرمز خون رخ می­دهد. طی این تغییرات، هموگلوبین و غشای سلول، هر دو آسیب می‌بینند به‌گونه‌ای که  طول عمر  یک گلبول قرمز از 120 روز به 4 روز کاهش می­یابد. بدن با این سرعتی

شکل شماره 5 . میکروگرافی از گلبول­های سالم و گلبول­های قرمز داسی شکل

که گلبول قرمز از بین می‌رود نمی‌تواند آن‌ها را جایگزین کند و در نتیجه کم خونی ایجاد می‌شود.

بنابراین یک تغییر کوچک در ژن می‌تواند عواقب بسیار مخربی برای افرادی که این ژن را به ارث می‌برند، به دنبال داشته باشد. مشخص نیست که این جهش چند بار اتفاق افتاده است اما در بعضی از نقاط جهان آلل Hbs به طور چشمگیری شایع­تر است. در بخش‌هایی از شرق آفریقا، 5% از کودکان تازه متولد شده دو نسخه از این الل را دارند و شکل شدیدی از این کم خونی را نشان می­دهند. 35% دیگر از کودکان تازه متولد شده فقط یک نسخه از الل را دارند در نتیجه هم هموگلوبین عادی و هم هموگلوبین جهش یافته را تولید می­کنند. این افراد از کم خونی خفیف رنج می‌برند.

نظریه علم

چه شاخصی می‌تواند برای بررسی ارتباط همبستگی یا تمایز بین، علت و معلول به کار گرفته شود؟

میان فراوانی بالای الل کم خونی داسی شکل در جمعیت‌های انسانی و ریسک بالای عفونت در اثر با انگل پلاسمودیوم فالسیپاریوم  همبستگی وجود دارد. همبستگی ممکن است به یک پیوند علی منجر شود. با توجه به اطلاعات شکل شماره 4، آیا کم خونی داسی شکل عامل عفونت پلاسمودیوم فالسی پاروم ( که توسط گزیدگی پشه آنوفل بعنوان عامل بیماری  مالاریا منتقل می شود) است؟

 

شکل شماره 4. ( a ) نقشه نشان دهنده فراوانی الل گلبول قرمز داسی شکل ( b ) . نقشه نشان دهنده مناطق تحت تأثیر مالاریا در آفریقا و غرب آسیا.



 

 

ژنوم چیست ؟

به تمام اطلاعات ژنتیکی یک ارگانیسم، ژنوم گفته می­شود.

امروزه در میان زیست‌شناسان، کلمه ژنوم به معنای کل اطلاعات ژنتیکی یک ارگانیسم، شناخته می­شود. اطلاعات ژنتیکی در مولکول DNA ذخیره می‌شود؛ پس در حقیقت، ژنوم در یک ارگانیسم زنده کل توالی بازی هرکدام از مولکول‌های DNA است.

  • در انسان‌ ژنوم از کروموزوم‌های هسته که شامل 46 مولکول DNA است و و کروموزوم میتوکندری­ها که یک DNAحلقوی‌ است تشکیل شده است.
  • در گونه‌های گیاهی ژنوم از مولکول‌های DNA کروموزوم‌های هسته و مولکول‌ DNA میتوکندری‌ها و کلروپلاست‌ها تشکیل می‌شود.
  • ژنوم در پروکاریوت‌ها بسیار کوچک‌تر است. از کروموزوم حلقوی و هر پلاسمیدی که در سلول وجود داشته باشد، تشکیل می‌شود.

 

 

 

پروژه ژنوم انسان

در پروژه ژنوم انسان، کل توالی بازی ژن‌های انسان، توالی‌یابی شد.

پروژه ژنوم انسان در سال 1990 آغاز شد. هدف از این پروژه کشف توالی بازی کل ژنوم انسان بود. این پروژه منجر به پیشرفت‌های چشمگیری در تکنیک‌های توالی‌یابی شد به گونه‌ای که این پیشرفت‌ها امکان انتشار توالی اولیه ژنوم را در زمانی بسیار کمتر از آنچه انتظار میرفت در سال 2000 فراهم کرد و نهایتاً توالی کامل ژنوم در سال 2003 منتشر شد.

اگرچه کشف کل توالی ژنوم منجر به فهم کامل و سریع ژنتیک انسان نمی‌شود، ولی اطلاعات فراوانی را در اختیار محققان قرار می‌دهد که بررسی تمام جنبه های ژنومی موجود در  این اطلاعات می تواند محققان را،  تا سال‌های بسیاری درگیر کند. برای مثال در حال حاضر پیش بینی توالی­های کدکننده پروتئین، کاملاً امکان پذیر است. تقریباً  23 هزار ژن‌ در ژنوم انسان وجود دارد. قبل از توالی­یابی ژنوم تصور می­شد تعداد ژن‌ها بسیار بیشتر باشد.

فعالیت

مباحث اخلاقی پیرامون پژوهش‌های ژنوم

سوال در مورد جنبه های اخلاقی پژوهش‌های ژنوم ارزش بررسی کردن دارند.

آیا نمونه­گیری DNA از گروه‌های نژادی در سراسر دنیا و توالی‌یابی ژنوم آن­ها بدون اجازه خودشان، کار اخلاقی­ای است؟

آیا این که یک شرکت زیست‌فناوری توالی بازی یک ژن را برای خودش انحصاری کند تا سایر شرکت‌ها نتوانند از آن آزادانه برای مقاصد تحقیقاتی خود استفاده کنند، اخلاقی است؟

چه کسانی اجازه دارند که به این اطلاعات ژنتیکی دسترسی داشته باشند؟ آیا دانستن ترکیب ژنتیکی انسان برای کارفرمایان، شرکت‌های بیمه و  نهادهای مجری قانون، مفید است؟

 

یکی دیگر از کشف­های این پروژه، این بود که اکثر ژنوم رونویسی نمی‌شود. در ابتدا به این بخش‌ها “دی ان ای بی­رمز[25]”  می‌گفتند. بعد‌ها مشخص شد که در میان این نواحی بی­رمز، عناصری با توالی‌های تکراری وجود دارد که روی ترجمه ژن‌ها تأثیر می‌گذارند. به این نواحی DNA­های ماهواره‌ای[26] می‌گویند.

ژنوم توالی‌یابی شده شامل یک سری کروموزوم بود و در حقیقت فقط ژنوم یک شخص بود و به صورت عام نمی­شد آن­چه بدست آمده بود را ژنوم انسانی نامید. این مطالعه برای یافتن تفاوت‌ها در توالی­های افراد مختلف ادامه پیدا کرد. اکثریت توالی ژنوم میان همه انسان‌ها مشترک است و نشان­دهنده یکپارچگی ژنتیکی میان انسان‌ها است اما پلی‌‌مورفیسم­های تک نوکلئوتیدی موجود در هر فرد باعث ایجاد تنوع در جمعیت انسانی است.

از زمان انتشار توالی ژنوم انسان، توالی ژنوم بسیاری دیگر از گونه‌ها نیز تعیین شد. مقایسه میان این ژنوم‌ها، جنبه‌های تکاملی تاریخ ارگانیسم‌های زنده را که تا پیش از این ناشناخته بود، آشکار می‌سازد. پژوهش پیرامون ژنوم، یک زمینه رو به رشد از زیست‌شناسی در قرن 21 خواهد بود.

 

تکنیک‌های مورد استفاده در توالی‌یابی ژنوم

پیشرفت در تحقیقات علمی به پیشرفت فناوری وابسته است: از نمایانگرهای لیزری و نوری[27]، برای توالی‌یابی ژن‌ها استفاده می­شود.

زمانی ایده توالی‌یابی کل ژنوم بسیار ناممکن به نظر می‌رسید ولی با پیشرفت تکنولوژی در اواخر قرن بیستم این مساله امکان پذیر شد. هرچند که در آن زمان نیز همچنان ایده‌ای بلند پروازانه بود. پیشرفت‌ها در تکنولوژی توالی یابی همزمان با پروژه ژنوم انسان ادامه پیدا کرد و توالی‌های اولیه بسیار سریعتر از آن چیزی که انتظار می‌رفت کامل ‌شدند. در ادامه پیشرفت‌های بیشتر باعث شد که ژنوم سایر گونه‌ها نیز با سرعت بسیار بالایی توالی‌یابی شود.

برای توالی‌یابی یک ژنوم، ابتدا باید مولکول DNA در هر کروموزوم به قطعات کوچکتری از DNA شکسته شود. برای یافتن توالی بازی یک قطعه DNA باید به وسیله آنزیم DNA پلیمراز، کپی‌های تک رشته‌ای به تعداد تمام توالی بازهای پشت سر هم در آن مولکول از روی آن ساخته شود؛ برای این که چنین اتفاقی بیفتد باید پلیمریزاسون مولکول DNA در روی توالی ها متقف شود این فرآیند با اضافه کردن نوکلئوتید‌های غیر استاندار به مخلوط واکنش پیش از آنکه کل توالی بازی کپی شود اجرا می شود. نوکلئوتیدهای غیر استاندارد حامل هر یک از چهار باز آلی ممکن برای DNA هستند. به این شکل چهار نمونه کپی DNA با چهار طول متفاوت تولید می‌شود که در انتهای هر کدام، یکی از چهار باز ممکن برای DNA وجود دارد. این چهار نمونه را می‌توان بر اساس طول به وسیله ژل الکتروفورز از هم جدا کرد. برای هر تعداد نوکلئوتید در کپیDNA، یک باند در یکی از چهار شیار ژل وجود خواهد داشت که از روی این‌ها می‌توان توالی DNA را فهمید.

پیشرفت‌های چشمگیر تکنولوژی که منجر به افزایش در سرعت توالی‌یابی به وسیله اتوماتیک کردن آن هستند، شامل موارد زیر است:

  • اسنفاده از نشانگرهای رنگی فلوئورسنت برای نشانه­گذاری کپی‌های DNA. در این فناوری، از یک رنگ فلوئورسنت مشخص و متفاوت برای هر کدام از چهار باز انتهایی استفاده می‌شود.
  • تمامی نمونه‌ها با هم مخلوط می‌شوند و همه کپی‌های DNA در یک خط از ژل با توجه به تعداد نوکلئوتیدهایشان جدا می‌شوند.
  • انجام اسکن لیزری از روی خط ژل منجر به تابش نشانگرهای فلوئورسنتی می‌شود.
  • از یک نمایانگر نوری برای تشخیص رنگ‌های فلوئورسنت تابیده شده از روی خط استفاده می‌شود. با توجه به تعداد نوکلئوتیدها، مجموعه‌ای از پیک‌های فلوئورسنس به دست می‌آید.
  • یک کامپیوتر، توالی بازی را از روی توالی رنگ‌های فلوئورنست تشخیص می‌دهد.

 

شکل شماره 6 . خوانش توالی DNA گونه Pinor Noir انگور

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[1] base substitution mutation

[2] lasers and optical detectors

[3] Pea plants

[4] fruit flies

[5] Haemophilus infeuenzae

[6] Escherichia coli

[7] Trichomonas vaginalis

[8] Saccharomyces cerevisiae

[9] Oryza sativa

[10] Arabidopsis thaliana

[11] Black cottonwood

[12] Caenorhabditis elegans

[13] Homo sapiens

[14] Daphnia pulex

 

[15] locus of the gene

[16] crossing experiments

[17] Gregor Mendel

[18] single nucleotide polymorphisms

[19] Genomic regions, transcripts, and products

[20] Nucleotide Links

[21] paste

[22] align

[23] gastric adenocarcinoma

[24] neutral

[25] Junk DNA

[26] satellite DNA

[27] lasers and optical detectors

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید