گفتار 1
تغییر در مادهٔ وراثتی جانداران
نقش و اهمیت تغییرپذیری ژنتیکی
مقدمه
یکی از ویژگی‌های مهم سامانه‌های زنده، پایداری اطلاعات وراثتی است. با این حال، ماده وراثتی به‌طور محدود تغییرپذیر است. این تغییرپذیری، منجر به ایجاد گوناگونی در جمعیت‌های زیستی شده و نقش مهمی در تغییر گونه‌ها ایفا می‌کند.
تأثیر گوناگونی در جمعیت‌ها
گوناگونی ژنتیکی دو اثر مهم در جمعیت‌ها دارد:
باعث می‌شود جمعیت‌ها بتوانند در محیط‌های ناپایدار شانس بقاء بیشتری داشته باشند.
به گونه‌ها امکان می‌دهد که در گذر زمان تغییر و تکامل پیدا کنند.
در این فصل، به بررسی تغییرات در اطلاعات وراثتی جانداران و پیامدهای آن‌ها خواهیم پرداخت.
جهش و انواع آن
تغییرپذیری ماده وراثتی
تغییرپذیری ماده وراثتی می‌تواند پیامدهای متفاوتی داشته باشد:
مفید: در برخی موارد، این تغییرات به نفع جاندار بوده و سازگاری آن را با محیط افزایش می‌دهند و موجب بقای گونه‌ها می‌شوند.
مضر: در برخی جهش‌ها می‌توانند باعث بیماری‌ها و نقص‌های ژنتیکی شوند.
خنثی: در برخی موارد، تغییرات ایجادشده تأثیر خاصی بر جاندار ندارند و هیچ مزیت یا ضرری ایجاد نمی‌کنند.
جهش
جهش به تغییر ماندگار در توالی نوکلئوتیدهای ماده وراثتی گفته می‌شود. این تغییرات می‌توانند در سطح کوچک (یک یا چند نوکلئوتید) یا در سطح وسیع‌تر (تغییر در ساختار یا تعداد فام‌تن‌ها) رخ دهند.
یکی از نمونه‌های مهم جهش ژنتیکی، بیماری کم‌خونی داسی‌شکل است. در این بیماری، جهشی در ژن هموگلوبین رخ داده که باعث تغییر در ساختار پروتئین هموگلوبین و در نتیجه تغییر شکل گویچه‌های قرمز خون شده است.
کم‌خونی داسی شکل؛ نمونه‌ای از جهش ژنتیکی
دانشمندان با مقایسه آمینواسیدهای هموگلوبین‌های سالم و تغییر شکل یافته، دریافتند که این دو هموگلوبین فقط در ششمین آمینواسید از زنجیرۀ بتا متفاوت‌اند.
بیماری کم‌خونی داسی‌شکل، ناشی از تغییر در یک جفت نوکلئوتید در ژن هموگلوبین است. این تغییر باعث می‌شود ششمین آمینواسید در زنجیره بتای هموگلوبین، از گلوتامیک اسید (Glu) به والین (Val) تغییر کند. این نوع جهش، از نوع جهش جانشینی دگرمعنا است.
سازوکار تغییر در توالی ژن زنجیره بتای هموگلوبین:
در افراد سالم، رمز ژنتیکی مربوط به ششمین آمینواسید در ژن هموگلوبین، CTT (در رشته رمزگذار GAA) است که در نهایت گلوتامیک اسید را رمزگذاری می‌کند. اما در افراد مبتلا به کم‌خونی داسی شکل، این رمز به CAT (در رشته رمزگذار GTA) تغییر یافته و والین جایگزین گلوتامیک اسید می‌شود.
نکاتی که باید درباره کم‌خونی داسی‌شکل بدانید:
در این اختلال ژنتیکی، فقط زنجیره بتای هموگلوبین تحت تأثیر جهش قرار می‌گیرد و زنجیره آلفا بدون تغییر باقی می‌ماند.
رشته رمزگذار دچار تغییری در توالی نوکلئوتیدی شده و از GAA به GTA تغییر می‌یابد.
کدون موجود در RNA پیام‌رسان، از GAA به GUA تغییر یافته است که نشان‌دهنده بروز یک جهش است.
هموگلوبین سالم‌دارای الل Hbᴬ است، در حالی که نسخه دگرگون‌شده آن Hbˢ است.
این بیماری حاصل نوعی جهش جانشینی است که جایگزینی یک باز آلی منجر به تغییر در ساختار پروتئین هموگلوبین می‌شود.
به دنبال این جهش، شکل گویچه‌های قرمز از حالت طبیعی به فرم داسی‌شکل تغییر می‌کند،این گویچه‌ها انعطاف پذیری‌شان را از دست می‌دهند، در مویرگ‌ها گیر می‌کنند و مانع اکسیژن‌رسانی کافی می‌شوند.
شکل 1 - مقایسۀ ژن‌های هموگلوبین در افراد سالم و بیمار، در این شکل فقط بخشی از ژن نشان داده شده است. Glu: گلوتامیک‌اسید، Val: والین
انواع جهش
جهش‌ها بر اساس میزان تغییرات در ماده وراثتی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
جهش‌های کوچک: این جهش‌ها در سطح یک یا چند نوکلئوتید رخ می‌دهند.
جهش‌های بزرگ: این جهش‌ها گسترده‌تر بوده و بر کل ساختار کروموزوم‌ها (فام‌تن‌ها) اثر می‌گذارند.
جهش‌های کوچک
جهش‌های کوچک، یک یا چند نوکلئوتید را در بر می‌گیرند.این نوع جهش‌ها دارای سه نوع جانشینی، حذف و اضافه است. به علت تطابق دقیق میان دو رشته DNA، تغییر در یک باز آلی معمولاً باعث تغییر متناظر آن در رشته مکمل نیز می‌شود؛ بنابراین حذف، اضافه یا جانشینی در یک باز معمولاً به تغییری متقارن در جفت آن می‌انجامد.
جانشینی یک نوکلئوتید ← به جانشینی یک جفت نوکلئوتید می‌انجامد.
حذف یک نوکلئوتید ← به حذف یک جفت نوکلئوتید می‌انجامد.
اضافه شدن یک نوکلئوتید ← به اضافه شدن یک جفت نوکلئوتید می‌انجامد.
شکل 2 - انواع جهش‌های کوچک
جهش‌های جانشینی
در این نوع جهش، یک نوکلئوتید با نوکلئوتید دیگری جایگزین می‌شود. این جهش‌ها بر اساس تأثیر بر توالی آمینواسیدهای پروتئین به سه دسته تقسیم می‌شوند:
1. جهش دگرمعنا:
در این نوع جهش، رمز یک آمینواسید به رمز آمینواسید دیگری تبدیل می‌شود.
نمونه‌ای از این نوع جهش، بیماری کم‌خونی داسی شکل است که در آن، گلوتامیک اسید (Glu) به والین (Val) تبدیل می‌شود.
این جهش سبب تغییر در نوع آمینواسید در زنجیره پلی‌پپتیدی شده و ممکن است عملکرد پروتئین را تغییر دهد.
2. جهش خاموش:
گاهی جهش باعث تغییر رمز یک آمینواسید به رمز دیگری برای همان آمینواسید می‌شود.
این جهش تأثیری بر توالی آمینواسیدها نخواهد داشت؛ چون نوع آمینواسید عوض نمی‌شود.
این نوع جهش باعث تغییر در توالی DNA می‌شود اما تغییری در ساختار پروتئین نهایی ایجاد نمی‌کند.
3. جهش بی‌معنا:
در این جهش، رمز یک آمینواسید به رمز پایان تبدیل می‌شود.
این جهش موجب کوتاه شدن زنجیره پلی‌پپتیدی و یا عدم تولید پروتئین می‌شود.
دسته‌بندی جهش‌های جانشینی بر اساس تأثیر بر پروتئین
نوع جهش جانشینی | تأثیر بر کد آمینواسیدی | تأثیر بر پروتئین | مثال |
دگرمعنا | رمز یک آمینواسید به رمز آمینواسید دیگر تبدیل می‌شود. | تغییر در نوع آمینواسید، ممکن است عملکرد پروتئین را تغییر دهد. | کم‌خونی داسی‌شکل (گلوتامیک اسید به والین) |
خاموش | رمز یک آمینواسید به رمز دیگری برای همان آمینواسید تبدیل می‌شود. | عدم تأثیر بر توالی آمینواسیدها (نوع آمینواسید عوض نمی‌شود) | - |
بی‌معنا | رمز یک آمینواسید به رمز پایان تبدیل می‌شود. | کوتاه شدن زنجیره پلی‌پپتیدی یا عدم تولید پروتئین | - |
جهش‌های اضافه و حذف
در این جهش‌ها، یک یا چند نوکلئوتید به ماده وراثتی اضافه یا از آن حذف می‌شود. این تغییرات می‌توانند پیامدهای مختلفی بر ساختار و عملکرد پروتئین‌ها داشته باشند.
تأثیر جهش‌های اضافه و حذف بر خواندن کد ژنتیکی
کد ژنتیکی به صورت دسته‌های سه‌تایی از نوکلئوتیدها (کدون‌ها) خوانده می‌شود. اگر یک یا چند نوکلئوتید اضافه یا حذف شود، ممکن است پیامدهای جدی داشته باشد.
1. جهش تغییر چارچوب خواندن:
در این جهش، اضافه یا حذف نوکلئوتیدها باعث جابجایی چارچوب خواندن رمزهای ژنی در RNA پیام‌رسان (mRNA) می‌شود.
این تغییر باعث می‌شود تمام توالی آمینواسیدی بعد از نقطه جهش تغییر کند.
این نوع جهش معمولاً منجر به تولید پروتئین‌های معیوب و غیرفعال می‌شود.
2. حالتی که تغییر چارچوب رخ نمی‌دهد:
اگر تعداد نوکلئیدهای اضافه یا حذف‌شده مضربی از سه باشد، تغییری در چارچوب خواندن ایجاد نمی‌شود، اما ممکن است یک یا چند آمینواسید حذف یا اضافه شوند.
مثالی برای درک بهتر موضوع: در صورتی که جمله «این سیب سرخ است» را به صورت کلمات سه‌حرفی بخوانیم و یک حرف اضافه یا حذف کنیم، ساختار جمله به هم می‌ریزد:
اضافه: «این رس یب سر خا ست»
حذف: «این یب سرخ ست»
جهش‌های حذف و اضافه هم چنین تاثیری بر خواندن کد ژنتیکی می‌گذارند.
شکل 3 - تاثیر جهش بر پروتئین
نکات مهم:
جهش‌های اضافه و حذف همیشه منجر به تغییر چارچوب خواندن نمی‌شوند.
اگر تعداد نوکلئیدهای اضافه یا حذف‌شده مضربی از سه باشد، چارچوب خواندن حفظ می‌شود.
جهش‌های جانشینی همیشه باعث تغییر در توالی آمینواسیدها نمی‌شوند. در مواردی، جهش خاموش ممکن است هیچ تأثیری بر پروتئین نهایی نداشته باشد.
جهش‌های بزرگ (ناهنجاری‌های فام‌تنی)
جهش‌های بزرگ (ناهنجاری‌های فام‌تنی)، تغییراتی در ساختار یا تعداد کروموزوم‌ها (فام‌تن‌ها) هستند که ممکن است پیامدهای گسترده‌ای بر عملکرد یاخته‌ها و ویژگی‌های جاندار داشته باشند. این تغییرات را می‌توان به دو دسته ناهنجاری‌های عددی و ناهنجاری‌های ساختاری تقسیم کرد. زیست‌شناسان با مشاهده کاریوتیپ می‌توانند از وجود چنین ناهنجاری‌هایی آگاه شوند.
ناهنجاری‌های عددی فام‌تنی
در این نوع جهش، تعداد فام‌تن‌ها تغییر می‌کند و به دلیل اختلال در تقسیم یاخته‌ای (مانند عدم تفکیک صحیح فام‌تن‌ها در کاستمان) رخ می‌دهد.
تشخیص ناهنجاری‌های عددی: زیست‌شناسان با بررسی کاریوتیپ (تصویر آرایش فام‌تنی یاخته‌ها)، ناهنجاری‌های عددی را شناسایی می‌کنند.
مثال: نشانگان داون. در این بیماری، یک فام‌تن اضافی در جفت ۲۱ وجود دارد.
ناهنجاری‌های ساختاری فام‌تنی
در این نوع جهش، ساختار فام‌تن تغییر می‌کند بدون آنکه لزوماً تعداد فام‌تن‌ها دچار تغییر شود. این جهش‌ها به چهار نوع اصلی تقسیم می‌شوند:
۱. جهش حذف
تعریف: در این نوع جهش، قسمتی از فام‌تن از دست می‌رود.
پیامد: غالبا باعث مرگ می‌شوند.
۲. جهش جابه‌جایی
تعریف: در این جهش، بخشی از یک فام‌تن به فام‌تنی غیرهمتا یا به بخش دیگری از همان فام‌تن منتقل می‌شود.
انتقال قطعات بین فام‌تن‌های غیرهمتا می‌تواند باعث کاهش اندازه یک فام‌تن و افزایش اندازه دیگری شود.
در برخی موارد، تغییرات ناشی از جابه‌جایی فقط محدود به یک فام‌تن باقی می‌ماند.
پیامدها:
حتی در یاخته‌هایی که تنها یک نسخه از هر فام‌تن را دارند، امکان رخ دادن جابه‌جایی وجود دارد.
جهش‌های جابه‌جایی ممکن است منجر به تغییرات عملکردی در ژن‌های مجاور ناحیه جابه‌جا شده شوند.
۳. جهش مضاعف‌شدگی
تعریف: اگر بخشی از یک فام‌تن به فام‌تن همتای خود منتقل شود، در فام‌تن همتا دو نسخه از همان بخش دیده خواهد شد. می‌توان گفت این جهش ترکیبی از دو نوع دیگر است: حذف و انتقال قطعه ژنتیکی (جابه‌جایی)
پیامد: در این فرآیند، فام‌تنی که بخش را از دست داده کوتاه‌تر شده و فام‌تن گیرنده بلندتر خواهد شد.
۴. جهش واژگونی
تعریف: در این جهش، جهت قرارگیری بخشی از فام‌تن در جای خودش معکوس می‌شود.
در این نوع تغییر ساختاری، اندازه فام‌تن ثابت باقی می‌ماند.
این وارونگی درون همان فام‌تن اتفاق می‌افتد و ارتباطی با سایر فام‌تن‌ها ندارد.
نکته:
در جهش حذف و واژگونی، تنها ساختار یک فام‌تن تحت تأثیر قرار می‌گیرد.
در نوعی از جهش جابه‌جایی (در صورتی که در همان فام‌تن رخ دهد)، نیز فقط یک فام‌تن تغییر می‌کند.
مقایسه اثرات جهش‌های ساختاری بر تعداد فام‌تن‌های درگیر
نوع جهش | فام‌تن‌های درگیر | تغییر در اندازه فام‌تن | پیامد کلی |
حذف | یک فام‌تن | کوتاه‌تر شدن | اغلب کشنده |
جابه‌جایی (غیرهمتا) | دو فام‌تن | کاهش اندازه یکی، افزایش اندازه دیگری | تغییر عملکرد ژن‌های مجاور |
جابه‌جایی (همان فام‌تن) | یک فام‌تن | تغییر شکل | تغییر عملکرد ژن‌های مجاور |
مضاعف‌شدگی | دو فام‌تن (یک همتا) | فام‌تن از دست‌دهنده کوتاه‌تر، گیرنده بلندتر | افزایش تعداد نسخه‌های ژنی |
واژگونی | یک فام‌تن | بدون تغییر در اندازه | بدون ارتباط با سایر فام‌تن‌ها |
شکل 4 - انواع ناهنجاری‌های ساختاری در فام‌تن‌ها
خلاصه انواع ناهنجاری‌های فام‌تنی
نوع جهش | تعریف | پیامدها |
ناهنجاری عددی | تغییر در تعداد فام‌تن‌ها | مثال: نشانگان داون (وجود یک فام‌تن ۲۱ اضافی) |
حذف | از دست رفتن بخشی از فام‌تن | کاهش طول فام‌تن، احتمال کشنده بودن |
جابه‌جایی | انتقال بخشی از فام‌تن به فام‌تنی غیرهمتا یا همان فام‌تن | تغییر شکل فام‌تنی، احتمال کاهش یا افزایش طول فام‌تن‌ها |
مضاعف‌شدگی | انتقال بخشی از یک فام‌تن به فام‌تن همتای خود | افزایش نسخه از یک بخش در فام‌تن دریافت کننده، ترکیبی از جهش حذف و جابه‌جایی |
واژگونی | معکوس شدن جهت بخشی از فام‌تن | عدم تغییر طول فام‌تن |
پیامدهای جهش
تأثیر جهش بر ژنگان (ژنوم)
تأثیر جهش به عوامل مختلفی بستگی دارد. یکی از این عوامل، محل وقوع جهش در ژنگان (ژنوم) است.
تعریف ژنگان (ژنوم):
ژنگان به کل محتوای مادهٔ وراثتی یک جاندار گفته می‌شود که شامل مادهٔ وراثتی هسته‌ای و سیتوپلاسمی است.
اجزای ژنگان:
1. ژنگان هسته‌ای:
شامل ۲۲ فام‌تن غیرجنسی و فام‌تن‌های جنسی X و Y است.
طبق قرارداد، ژنگان هسته‌ای برابر با یک نسخه از هر یک از انواع فام‌تن‌ها در نظر گرفته می‌شود.
2. ژنگان سیتوپلاسمی:
در انسان شامل دنای راکیزه (میتوکندری) است.
در برخی جانداران (مثل گیاهان و جلبک‌ها)، دنای پلاست‌ها (دیسه‌ها) نیز بخشی از ژنگان سیتوپلاسمی را تشکیل می‌دهد.
ساختار ژنگان:
ژنگان از ژن‌ها و توالی‌های بین ژنی تشکیل شده است.
ژن‌ها تنها بخشی از ژنگان هستند و بسیاری از توالی‌های بین ژنی هیچ پروتئینی را کد نمی‌کنند.
جهش ممکن است در ژن‌ها یا توالی‌های بین ژنی رخ دهد.