ماجستير طرائق تدريس العلوم مادة الأحياء (الجينات) م13

الجينات
مدخل
لقد قام العالم Basteson في العام 1905م بصياغة اسم علم الوراثة كما استخدم كلمة Allelmorph والتي يقصد بها الحليل (الاليل) وذلك للتمييز بين زوجي العوامل التي تسيطر على الصفات وهذا يتفق مع ما قدمه مندل اذ أشار الى أن لكل صفة عاملان ينفصلان عن بعضهما عند تكوين الكميتات وفي نفس الاتجاه فقد أشار العالم الفرنسي Lucien Suenet الى أن لون فرو الفئران يخضع لسيطرة الجينات كما أشار الباحث Castle الى علاقة الجينات بلون الفرو في اللبائن والى ارتباط الجينات بالجنس، أما كلمة جين (مورثة) فقد استخدمت لأول مرة من قبل العالم الدنيماركي Johnson وهذه الكلمة هي جزء من المصطلح استخدمه العالم داروين وهو Pangene وهي تشير الى كلمة Factor أو Element التي استخدمها العالم مندل، اذ أثبت أن انتقال الصفات في نبات البزاليا يخضع لتأثير هذه العوامل. استطاع العلماء خلال الثلاثينات من القرن الماضي من وضع الاسس لفهم صفات ونشاط الجينات ومنهم Beadle و Haldane و Tatum و Ephrussi كما اقترحوا التوسع في مفهوم الجين اذ كان الجين في تلك الفترة يعني تركيب غير مرئي أو وحدة طافرة Mutation unit أو هو وحدة النشاط. أشار الباحث Garrod في العام 1902 الى أن الجينات في الانسان تعمل من خلال الانزيمات، كما قام علماء الوراثة في الاربعينات من القرن الماضي باستخدام الكائنات الدقيقة كالبكتريا لاجراء الدراسات حول نشاطات الجين، فقد تعرف العالم Avery وزملائه على الجزيئة الكبيرة التي تحمل المعلومات الوراثية في البكتريا، في حين تعرف العالمان Hershy و Chase على الجزيئة الكبيرة التي تحمل المعلومات الوراثية في الفايروس. وقد تبين من خلال تجربة Avery وزملائه أن الـ DNA هو الذي يسبب التحول البكتيري في بكتريا ذات الرئة، وهذا يطابق ما تعرف عليه العالمان Hershy و Chase في الفايروس حيث أن الـ DNA هو المادة الوراثية في العاثي البكتيري Bacteriophage وليس البروتين في حين اثبتت التجارب باستخدام فايروس تبرقش التبغ Tobacco mosaic virus والتي أجراها الباحثان Singer و Fraenkel Conratأن الـ RNA هو المادة الوراثية والذي يقوم بنفس عمل الـ DNA. ثم جاء في العام 1953م انجازاً كبيراً ومهماً للباحثين Watson و Crick حيث تم اقتراح نموذج الحلزون المزدوج Double helix لجزيئة الـ DNA حيث حل مشاكل عملية كثيرة في علم الوراثة.

المورثات (الجينات)
لقد عرف الباحث موركان Morgan عام 1910 المورثة Gene على انها الوحدة المسؤولة عن تحقيق وانتقال صفة او ميزة وراثية معينة وتكون موجودة على الكروموسوم تشغل عليه مكاناً ثابتاً لا يتغير.
كما تعرف الجينات بانها عبارة عن تتابعات معينة من النيوكلوتيدات الموجودة في جزيئة الـ DNA وهي تمثل الوحدات الوراثية في الكائنات الحية.
اما الجين التركيبي Structural Gene فهو يعرف على انه توال من النيوكلوتيدات يعين توالي الاحماض الامينية في سلسلة بروتينية ويرافق بداية ونهاية كل جين تركيبي توال من النيوكلوتيدات تعرف بـ (عناصر السيطرة) والتي تشارك في عملية الاستنساخ.
وهناك نوعين من عناصر السيطرة هما:
1- تواليات الحفاز Promotor
يعمل على تشغيل الجين ويحمل شفرة خاصة تسهل عملية تعرف انزيمات استنساخ الـ mRNA والاستقرار عليه لبدء عملية بناء الـ mRNA حيث يتألف الحفاز من مناطق الشفرة الخاصة بانزيم بلمرة وبناء الـ mRNA من ترددات 7 نيوكليوتيدات يتوالى فيها الثايمين مع الادنين وتدعى هذه الترددات بترددات TATA او صندوق بريبنو او صندوق هوجنكز كما يحتوي الحفاز على ترددات قصيرة تلعب دوراً في تنظيم عملية الاستنساخ.
2- تواليات المنهي Terminator
يقع في النهاية الثانية للجين والتي تعطي الاشارة بوجوب انحلال انزيم بلمرة الـRNA من الـDNA القالب template لغرض ايقاف عمل الجين والاستنساخ حصراً وهذه المنطقة تعمل بعدة آليات وفيها وجود شفرات الانتهاء وهي UAA او UAG أو UGA او ان هذه المنطقة تتألف من ترددات مؤلفة من الكوانين والسايتوسين متبوعة بالثايمين والادنين GCTA اما المنطقة المحصورة بين الحفاز والمنهي من الجين فانها تتألف من مناطق مشفرة تدعى اكسونات (محاور) Exons ومناطق غير مشفرة تدعى انترونات Introns وتترتب بطريقة متوالية وتكون الشفرات الوراثية القابلة للترجمة في الاكسونات (المحاور) بينما لا تحتوي الانترونات على اية شفرات ولا تترجم (حالياً لها اهمية كبيرة في موضوع البصمة الوراثية) وانها تزال اثناء عملية نضج الـ mRNA . يتم استنساخ جزيئات الـ mRNA بعد استقرار انزيم بلمرة الحامض النووي الرايبوزي RNA POL II على نهاية منطقة صندوق التاتا في الحفاز اذ يقوم الانزيم ببناء جزيئة الـ mRNA من الشريط الحساس Sense strand الحامل للمورث المطلوب استنساخه وذلك باضافة نيوكليوتيدات حسب قاعدة الازدواج القاعدي ويستمر في ذلك حتى يصل منطقة المنهي حيث تتوقف عملية الاستنساخ وينفصل شريط الـ mRNA ثم يتم التخلص من الانترونات بعدها تحور نهايات شريط الـ mRNA باضافة قبعة الكوانسين في النهاية 3- وبعد اكتمال تحوير mRNA يصل الى الرايبوسومات حيث تترجم الشفرات الوراثية وتبنى سلاسل متعدد الببتيد وهذه العملية تتم بمساعدة عدة عوامل منها الانزيمات وجزيئات الـ tRNA و rRNA (ان عملية استنساخ الـ DNA موضحة بالتفصيل في الفصل السادس).
وان الجينات التركيبة تمثل الغالبية العظمى من الجينات الموجودة على الكروموسومات، كما تحتوي خلايا الكائنات الحية على انواع اخرى من الجينات يكون ناتجها النهائي جزيئات RNA وليس بروتينات، حيث توجد جينات مسؤولة عن تخليق الـRNA الرايبوسومي rRNA وجينات مسؤولة عن تخليق الـ RNA الناقل tRNA واللذان يلعبان دوراً في عملية ترجمة الـRNA المراسل mRNA الناتج عن استنساخ الجينات البنائية وان هذه الجينات تحوي ايضا الحفاز والمنهي.
وقد يشترك اكثر من جين بنائي واحد بحفاز واحد ومنهي واحد وفي هذه الحالة يطلق على هذه الجينات البنائية اسم (الاوبرون Operon)، حيث تستنسخ جميع الجينات البنائية في الاوبرون مرة واحدة بشكل نسخة طويلة من الـRNA المراسل mRNA يطلق عليها الـRNA المراسل متعددة المواضع Polycistronic mRNA كما في البكتريا والفايروسات الشكل ادناه.

توزيع الجينات في الكروموسومات
يبلغ عدد الجينات في الإنسان نحو (30) الف جين ، حيث تتمركز كلها في نواة كل خلية بالاضافة الى جينات المايتوكوندريا ، ولأن حامض الـ DNA في الخلية الواحدة إذا ما تم مده يبلغ طوله 1.8متر فقد بين كل من واطسون وكريك Watson & Crick من جامعة كمبردج عام 1953 أن هذا الحامض يتمركز داخل النواة على شكل حلزون مزدوج double helix. ومن الصعب تصور وجود 1.8 متر من الـ DNA ملفوفة ضمن نواة يبلغ قطرها (6- 8 مايكرومتر). والوحدة القياسية للجين هي زوج قاعدي (bp) base pairs وتقدّر كمية المجين الاحادية haploid genome بثلاث مليارات زوج قاعدي موزعة على الكروموسومات والتي يبلغ عددها في الإنسان (23) زوجاً تحمل فيها الجينات التي تكون على شكل أزواج أيضاً كما في الجدول ادناه فضلاً عن وجود كميات كبيرة من الإنزيمات والبروتينات، يتألف أغلبها من عدة جزيئات صغيرة موجبة الشحنة الكهربائية تدعى الهستونات (كما أشرنا الى ذلك في الفصل السادس)، ويتألف بعضها الآخر من مئات آلاف الجزيئات. وعند انقسام الخلية تتضاعف replicate الكروموسومات بكل ما تحويه من جينات ويبقى كل زوجين صبغيين متصلين أحدهما بالآخر في نقطة قريبة من الوسط تدعى الجسيم المركزي centromere ويدعى كل واحد منهما في هذه الحالة كروماتيد chromatids حتى حدوث الانقسام .
توزيع الجينات في الكروموسومات البشرية
رقم الكروموسوم عدد المورثات مجموع القواعد قواعد معينة التسلسل
1 4.220 247.199.719 224.999.719
2 1.491 242.751.149 237.712.649
3 1.550 199.446.827 194.704.827
4 446 191.263.063 187.297.063
5 609 180.837.866 177.702.766
6 2.281 170.896.993 167.273.993
7 2.135 158.821.424 154.952.424
8 1.106 146.274.826 142.612.826
9 1.920 140.442.298 120.312.298
10 1.793 135.374.737 131.624.737
11 379 134.452.384 131.130.853
12 1.430 132.289.534 130.303.534
13 924 114.127.980 95.559.980
14 1.347 106.360.585 88.290.585
15 921 100.338.915 81.341.915
16 909 88.822.254 78.884.754
17 1.672 78.654.742 77.800.220
18 519 76.117.153 74.656.155
19 1.555 63.806.651 55.785.651
20 1.008 62.435.965 59.505.254
21 578 46.944.323 34.171.998
22 1.092 49.528.953 34.893.953
الكروموسوم الجنسي X 1.846 154.913.754 151.058.754
الكروموسوم الجنسي Y 454 57.741.652 25.121.652
المجموع الكلي 32.185 3.079.843.747 2.857.698.560

أنواع الجينات ووظائفها
تشير الدراسات إلى أن كل جين مسؤول عن بناء متعدد الببتيد polypeptide واحد. فعندما يحتاج الجسم إلى منتج جين معين فان شريطي الـ DNA الحاويان على هذه الجين ينفصلان عن بعضهما طولياً من خلال فك الاواصر الهيدروجينية بين القواعد المتقابلة ثم تبنى جديلة أو خيط مفرد من الـ RNA ويدعى هذا الخيط المفرد من الـ RNA بالحامض النووي الرايبوزي المِرسال mRNA لأنه ينتقل فيما بعد من النواة إلى السايتوبلازم ومن ثم إلى العُضيّات organelles المدعوة بالرايبوسومات ribosomes حيث ينقل المعلومات اللازمة لتصنيع البروتينات. وهناك نمط ثان من الـ RNA هو الحامض النووي الرايبوزي الناقل tRNA لأنه يتّحد مع أحد الأحماض الأمينية ليوصله إلى الرايبوسوم . وتنتظم مجموعة من النيوكليوتيدات مع سلسلة من الأحماض الأمينية لتشكل سلسلة من عديد الببتيد، وتتشكل البروتينات من سلسلة أو من سلاسل من متعدد الببتيد المترابطة. وتدعى فرضيّة تخصص الجين بفرضية «جين واحد لمتعدد ببتيد واحد». وأظهرت التجارب أن العديد من الجينات في خلية ما قد تبقى غير فعالة inactive معظم الوقت أو كلّه. كما أظهرت أن أي جين يمكن تشغيله أو تعطيله في أي لحظة. وقد درست هذه الظاهرة من تفعيله أو تعطيله في البكتريا. وقد ظهر أن في البكتريا ثلاثة أنماط من الجينات:
1- الجينات البنائية structural genes .
2- الجينات الفعالة operator genes .
3- الجينات المنظّمة regulator genes.
اذ تشفر الأولى لتصنيع بعض متعددات البيبتيد النوعية بينما تحتوي الثانية على الشفرات الضرورية لابتداء عملية الاستنساخ transcription (نسخ الـ DNA الى الـ mRNA) وهي مؤلفة من واحدة أو أكثر من الجينات البنائية . لذلك فالجينات التركيبية (البنائية) ترتبط مع الجينات المجاورة الفعّالة بوحدة وظيفية تدعى المَشْغَل operon. وان نشاطات هذا المشغل تبقى تحت سيطرة ورقابة الجينات المنظّمة التي تنتج بروتيناً صغير الجزيء يدعى بالكابت repressor. يرتبط هذا الكابت بالجين الفعال فيمنعه من تصنيع البروتين المطلوب من المشغل بايقاف النسخ . ولذلك فإن وجود بعض الجزيئات الكابتة أو غيابها هو الذي يحدد ما إذا كان مشغل ما عاطلاً أو فعّالاً. وينطبق هذا على البكتريا . وقد تحدُثُ بعضُ الطفرات في الجين او ترتيبه. فقد تحذف delete النيوكليوتيدات أو تتضاعف duplicate أو يتبدل ترتيبها أو يتغير موضعها، ولكل من هذه التغييرات أثره الخاص. وغالباً لا يكون لهذه الطفرات أي أثر أو ان يكون لها أثر طفيف. أما إذا احدثت الطفرة تغييراً ما فغالباً ما يكون هذا التغيير مميتاً. يمكن القول إن الجينات مسؤولة عن التحكم بكل وظيفة في الجسم، فعلى سبيل المثال لا يتم انقسام أي خلية في الجسم إلا بإشراف جينات دورة انقسام الخلية cell-division-cycle (cdc) genes، كما يتوجّب على الخلية المرور بنقطتي مراقبة في مرحلتين من الانقسام حيث يتم التأكد مما إذا تمّ إصلاح أي أذى قد يكون تعرّض له الـDNA . كذلك تتحكم جينات معينة بعمر الخلية، أي خلية في الجسم، وبتحديد موتها المبرمج programmed cell death (apoptosis)، ويتطلّب تحديد هذا الأجل تأثيراً معقداً تشترك فيه عدة جينات من بينها :cl-2,c-myc,p53,ced-9 . وبالمقابل فإن خلايا السرطان لا تستجيب إلى الإشارات الواردة لها التي تطلب منها التوقف عن التكاثر بل ولا تتعرّف عليها. ومن بين الجينات التي تشارك في تنظيم نمو الخلايا ووظائفها مولّدات الورم الابتدائية proto-oncogenes ومثبطات الورم tumor suppressor genes وتنضوي تحت كليهما أعداداً كبيرة من الجينات. تتأثر الجينات في أداء وظائفها بالكثير من الإشارات الآتية من خارج الخلية كعوامل النمو والهورمونات الستيرويدية والسيتوكينات، لقد أمكن كشف الكثير من التغيرات الجينية في أكثر أعضاء الجسم بما في ذلك التبدلات الورمية الحميدة والخبيثة وما قبل الخبيثة. لهذا فإن ظهور الطفرات في هذه الجينات قد يسهم في ظهور السرطان. تأخذ هذه الطفرات شكل التضخيم amplification أو شكل طفرات النهاية عندما تحدث تغيرات في التواليات المشفرة codon أو الحذف وتغيّرات الترتيب deletions & rearrangements حيث تحدث تغيرات هامة في مرصاف (قالب) template الـ DNA مما يؤدي إلى تغير في إنتاج البروتين. وغالباً ما تتطور وتتزايد هذه الشذوذات جيلاً بعد جيل مما يؤدي لظهور تغيرات إضافية. هذا ولا يوجد جين مفرد مسؤول عن حدوث السرطان بل إن تراكم الطفرات على مرّ الزمن هو الذي قد يسببه ، لاسيما عندما يتجاوز عددها حداً حرجاً ما.

اضطرابات الجينات وتأثيراتها في التشوهات والأمراض
قد تحدث شذوذات في عدد الكروموسومات في أثناء الانقسام الفتيلي mitosis أو الانقسام الاختزالي meiosis بسبب عدم انفصال كروماتيدي الكروموسوم مما ينتج منه aneuploidy التي تكون عادة ضُعف الصيغة الاحادية ، مثل متلازمة تيرنر 45X أو تثليث الصبغي 13 أو متلازمة باتيوس Patau syndrome، تثليث الصبغي 18 أو متلازمة إدوارد، تثليث الصبغي 21 أو متلازمة داون، ومتلازمة كلاينفلتر 47XXY Klinefelter أو أن تنتج منها حالة فسيفسائية mosaicism عندما توجد سلالات من الخلايا مختلفة في أعداد كروموسوماتها أو أن ينتج عنها التعدد الكروموسومي Polyploidy حيث تبلغ أضعاف الصيغة الاحادية وتكون سبباً للإسقاط التلقائي. أو أن تحصل شذوذات بنائية structural سببها تحطم أجزاء من الكروموسوم بسبب الإشعاع أو الأدوية أو الفايروسات، وقد ينتج عن ذلك حدوث الانتقالات translocation إذا حدث تبادل في المادة الوراثية ما بين كروموسومين غير متماثلين، ويدعى هذا الإنتقال متوازناً إذا لم يحدث ضياع في المادة الوراثية. كذلك هناك عيوباً جينية مفردة وهي غالباً ما تتبع حدوث طفرات في جين أو جينات معينة، وهي تنتقل بحسب قوانين مندل Mendelian laws الوراثية وكما يلي :
1- السائدة الجسمية : ومن الأمثلة عليها متلازمة هنتنغتون Huntington syndrome والورم الليفي العصبي neurofibromatosis ومتلازمة مارفان.
2- المتنحية الجسمية : ومن الأمثلة عليها التليف الكيسي وفقر الدم المنجلي sickle cell anemia.
3- المتنحية المرتبطة بكروموسوم X : ومن الأمثلة عليها عمى الألوان الأحمر والأخضر ونزف الدم الوراثي من النمط hemophilia A. (والتي ينقلها الأب المصاب إلى بناته فقط، ولا يظهر المرض إلا إذا كنّ متماثلات الزيجية homozygous)
4- السائدة المرتبطة بكروموسوم X : وهذه الحالة نادرة الحدوث.

دراسة الجينات ومعالجة اضطراباتها
ان ظهور علم الاحياء الجزيئي وعلم الوراثة الجزيئية قد ساهم في دراسة الجينات فقد اكتشف العلماء إنزيمات موجودة في العديد من البكتريا تكسر الـ DNA التابع للفايروسات (الرواشح) التي تحاول أن تغزو البكتريا وان البكتريا تقطّع أشرطة الـ DNA الغازي إلى قطع أو أشداف وبذلك تحمي نفسها من أذى هذه الفايروسات وتدعى هذه الإنزيمات بالانزيمات المحددة Restriction enzymes or endonucleases وقد سميت هذه الإنزيمات حسب البكتريا التي اكتشفت فيها وهكذا. كما وتمكن العلماء من إدخال هذه القطع أو الأشداف في بكتريا اخرى عن طريق ناقل vector لغرض اكثارها حتى تتوافر كميات كبيرة منها للدراسة وللاستعمال العلاجي. ومن أمثلة هذه الإنزيمات انزيمات بلمرة الـ DNA DNA polymerase التي ترصف النيوكليوتيدات لتكوّن منها حامض الـ DNA ، وكذلك انزيمات بلمرة الـ RNA وانزيمات DNAase التي تزيل النيوكليوتيدات، وباستخدام هذين الإنزيمين تمكن العلماء من إدخال نيوكليوتيدات معلمة شعاعياً (تعرف بالمجس Probe) في تركيب جزيء الـ DNA ، وهو الذي يكشف متوالية محددة من الـ DNA كما في المعايرات المناعية. وهناك أيضاً إنزيمات الاستنساخ العكسي reverse transcriptase تعكس اتجاه العملية تتمكن من نسخ أي جزيء RNA إلى جزيء DNA وحيد الشريط ويدعى بالـ DNA المتمّم وبما أن كلاً من الـ DNA و الـ RNA مشحون كهربائياً فإنهما يهاجران عند وجودهما في حقل كهربائي .

استعمالات الجينات
انطلق مشروع دراسة الخارطة الجينية للإنسان ولبعض الاحياء الأخرى للمقارنة، مثل الفئران والدروسوفيلا وبكتريا القولون، وكان من اهدافه تحديد موضع كل جين على الكروموسومات وتحليل البناء الكيميائي لها وبيان وظائفها في حالتي الصحة والمرض. وقد ظهر من مقارنة بنية الجينات فيما بين الإنسان وغير الإنسان أن هناك تشابهاً كبيراً فيما بينها مما يشير إلى وحدانية منشأ الحياة على الأرض (وحدانية الخالق سبحانه وتعالى). هذا وسيكون لهذا المشروع فوائد كبيرة في كل مجالات الحياة وإن كان هناك تخوف من أن يساء استعماله إذا ارتكز على أسس غير أخلاقية من تمييز ما بين الألوان والأجناس والمعتقدات ومن احتمال تدخل الانسان في خصوصيات الأفراد وحرياتهم، وربما استنساخ أنماط محددة من البشر. ومن نتائج هذا المشروع تحديد جنس الجنين وتحسين مواصفات الإنسان . هذا وتستعمل كل وسائل التشخيص الجيني حالياً في مراكز الإخصاب المساعد ، كما مكّنت الهندسة الوراثية من تصنيع كميات كبيرة من علاجات مهمة (كانت سابقاً تستخلص من الحيوانات) وذلك باتحادات الجديلة recombination للـ DNA ثم نقله الى بكتيريا تقوم بتصنيع الهورمون الإنساني مثل الأنسولين وهورمون النمو والكلوبيولين المضاد للناعور. وان الاتحادات الجديدة للاشرطة recombination تعديل طبيعي أو صناعي يطرأ على توزيع الجينات ويؤدي إلى ظهور أنماط جينية جديدة.
كما ويمكن استخدام الجينات في موضوع العلاج الجيني من خلال استبدال جينات معطوبة بجينات سليمة او اضافة نسخ سليمة من الجين لغرض الحصول على منتجات ذلك الجين السليم.