پاورپوینت زیست سلولی و ملکولی

ژن

پس از آنکه اسیدهای نوکلئیک بوجود آمدند، احتمال می رود که پیدایش جانداران جدید با سرعت بسیار زیادتری انجام گرفته باشد. این شتاب عظیم را ژنها ، که القاب کنونی اسیدهای نوکلئیک هستند امکان پذیر ساخته اند. اکنون جانداران بر طبق دستورالعمل هایی که ژنهایشان فراهم می آورند، به تولید مثل می پردازند و به سبب اینکه نسلهای متوالی جانداران ، ژنها را به ارث می برند. پدید آمدن یک جاندار جدید به صورت فرایندی کنترل شده و غیر تصادفی درآمده است. آنچه جاندار به ارث می برد تا حد زیادی بقای او را تعیین می کند، بنابراین وراثت از نظر سازگاری جانداران حائز اهمیت است. اما چیزی که جانداران به ارث می برند، ماهیچه نیرومند ، برگ سبز ، خون قرمز یا مانند آن نیست، بلکه ژنها و دیگر محتویات سلولهای زاینده است. سپس در فردی که از این سلولها ناشی می شود، صفات قابل رویت تحت نظارت ژنهایی که به ارث برده است، پدید می آید. محصول این گونه وراثت موجود زنده منحصر به فردی است که در بعضی از صفات کلی خود به والدینش شباهت دارد و در بسیاری از صفات جزئی با آنها تفاوت دارد. اگر این تفاوتها کشنده نباشند یا سبب عدم باروری نشوند، جاندار حاصل می تواند

زنده بماند و ژنهای خود را به نسلهای بعدی انتقال دهد.
ویلیام هاروی ، در سال 1651 ، این نظریه را بیان کرد که تمام موجودات زنده از جمله ، انسان ، از تخم بوجود آمده اند و اسپرم فقط فرایند تولید مثل نقش دارد. هاروی همچنین تئوری اپی ژنز را ارئه داد که طبق این تئوری در مرحله رشد جنینی ، ارگانها و ساختمانهای جدیدی از ماده زنده تمایز نیافته ، بوجود می آید. پژوهشهای جدید درباره وراثت بوسیله گرگور مندل که کشیشی اتریشی بود، در نیمه دوم قرن 19 آغاز شد. وی دو قانون مهم را کشف کرد که همه پیشرفتهای بعدی علم وراثت بر پایه آنها بنا نهاده شده است.

ژن به عنوان یک واحد عملکردی

تمام نوکلئوتیدها درDNA ، گهگاه دستخوش دگرگونی هایی می شوند که جهش (Mutation) نام دارد. پس از هر جهش ، ژن جهش یافته (Mutant) به جای ژن اولیه به سلولهای فرزند انتقال می یابد و به ارث برده می شود. DNA جهش یافته ، آنگاه صفات تازه ای بوجود می آورد که ارثی هستند. ژنهایی که جز ژنهای ساختمانی هستند، مسئول ساختن زنجیره های پلی پپتیدی هستند. اگر جهشی در یکی از این ژنها ، روی دهد، مجموعه صفات و ویژگی هایی که ژن جهش یافته مسئول بخش کوچکی از آن می باشد، بطور مستقیم یا غیر مستقیم ، تحت تاثیر قرار خواهند گرفت و از آنجایی که بیشتر پروتئین ها نقش آنزیمی بر عهده دارند، این جهش بر واکنشهایی که آنزیم مربوطه در آن دخالت دارد، اثر می گذارد. ژنهای دیگر که نقش تنظیم کننده دارند، فعالیت ژنهای دیگری را کنترل می کنند و جهش در این ژنها بر کنترل ژنهای ساختمانی اثر می گذارد. DNA هر موجود از تعدادی ژنهای مختلف تشکیل شده است.

در هنگام رشد ، هر ژن دقیقا ژن همانند خود را پدید می آورد. هنگامی که یک ژن جهش می یابد، ژن جهش یافته در تقسیمات بعدی سلول ، ژنهای جهش یافته همانند خود را بوجود می آورد و اگر این ژن یک ژن ساختمانی باشد، جهش منجر به تولید پروتئین جهش یافته می گردد. ژن جهش یافته و ژن اولیه نسبت بهم آللومورف (Allelomorph) نامیده می شوند.

ژن و کروموزوم

یاخته های یک گیاه یا یک جانور دارای تعداد معینی کروموزوم است که ویژه آن گونه گیاهی یا جانوری می باشد و تعداد این کروموزومها در همه یاخته های آن فرد پایدار و یکسان است. بنابراین همه یاخته های یک فرد دارای مجموعه های ژنی یکسانی می باشند، مثلا در مگس سرکه در حدود 10 هزار ژن شناخته شده است. افراد مختلف یک گونه دارای آللهای متفاوت یک ژن در سلولهای خود می باشند. در هر کروموزوم ، ژنها بطور خطی قرار گرفته اند و نظام آنها پایدار و ثابت است. جایگاه ثابت هر ژن در کروموزوم که ویژه آن ژن است، لوکوس (Locus) نامیده می شود. دو ژن آلل نمی توانند بطور همزمان در یک جایگاه وجود داشته باشند و در یک زمان هر جایگاه می تواند پذیرایی تنها یکی از ژنهای آلل باشد. برخی از ژنها به ویژه ژنهایی که در ساختن RNA دخالت دارند، چندین بار در یک مجموعه کروموزومی تکرار می شوند. در پدیده میتوز، پیش از تقسیم هسته ، ژنها و در نتیجه کرومزوم ها، دو برابر شده اند و هر یک از دو یاخته حاصل از تقسیم ، یکی از مجموعه های کروموزومی را دریافت می کند و از این رو مجموعه های کروموزومی دو سلول دقیقا یکسان خواهد بود.

ژن و گوناگونی افراد

در یاخته های بدنی گیاهان و جانوران کروموزوم ها بصورت جفت وجود دارند و از نظر ظاهری یکسان می باشند (به جز کروموزوم های جنسی). در هر لنگه از یک جفت کروموزوم ، نظام جایگاههای ژنی ، همانند
نظام جایگاههای لنگه دیگر می باشد و ژنهایی که در جایگاههایی همانند قرار دارند، ممکن است یکسان بوده و یا آلل یکدیگر باشند. در حالت نخست فرد از نظر دو ژن هموزیگوت و در حالت دوم هتروزیگوت می باشد. شماره کروموزوم ها در یاخته های حاصل از تقسیم میوز یا گامتها ، 2/1 تعداد کروموزوم ها در سلولهای پیکری است و در هر یک از گامتها ، تنها یک لنگه از یک جفت کروموزوم همانند ، در برخی از جایگاهها باهم متفاوت هستند. در نتیجه گامتها نیز با هم متفاوت خواهند بود و چون توزیع کروموزومها در هر گامت از قانون احتمالات پیروی می کند، در نتیجه احتمال تولید گامتهای مختلف در صورتی که تعداد کروموزوم ها را xدر نظر بگیریم، 2x خواهد بود. این حالت ، تفکیک مستقل نامیده می شود. تقاطع کروموزومی (Crossing-Over) نیز به ایجاد تفاوتهای بیشتر بین گامتها ، کمک می کند.

سازمان یابی و ساختمان ژن

در ساده ترین حالت ، یک ژن را می توان به صورت قطعه ای از یک مولکول DNA و حاوی رمز برای توالی اسید آمینه ای یک رشته پلی پپتیدی و توالی های تنظیم کننده لازم برای بروز آن در نظر گرفت. به هر حال این توصیف برای ژنهای موجود در ژنوم انسان ، ناکافی است، زیرا تعداد ناچیزی ژن به صورت توالی های رمزدار پیوسته وجود دارد. بلکه در عوض در بین اکثریت ژنها ، یک یا بیش از یک ناحیه فاقد رمز موجود است. این توالی های حد فاصل که اینترون (intron) نامیده می شوند، ابتدا در هسته به RNA رونویسی می شوند، اما در RNA پیامبر بالغ در سیتوپلاسم وجود ندارند. لذا اطلاعات توالی های اینترونی ، بطور طبیعی در فرآورده پروتئینی نهائی نمایانده نمی شود. اینترونها یک در میان با توالی های رمزدار یا اگزون (exon) که نهایتا توالی اسید آمینه ای پروتئین را رمز گردانی می کنند، قرار دارند. اگرچه تعداد کمی از ژنها در ژنوم انسان فاقد اینترون می باشند، اکثر ژنها حداقل یک و معمولا چندین اینترون دارند. ژن دیستروفین وابسته به جنس که حاوی 2 میلیون جفت باز است، کمتر از یک درصد آن حاوی اگزونهای رمزدار است. اینترونها در ساختار ژنها ، نقش حفاظت از اگزونها را در برابر جهشها بر عهده دارند..

خصوصیات ساختمانی یک ژن معمولی انسان

ژن نه تنها توالی های رمزدار واقعی است، بلکه دارای توالی های نوکلئوتیدی مجاور لازم برای بروز مناسب ژن ، یعنی برای تولید یک مولکول RNA پیامبر طبیعی ، به مقدار صحیح ، در محل درست و در زمان صحیح حین تکامل و یا در طی چرخه سلولی نیز می باشد. توالی های نوکلئوتیدی مجاور ، پیامهای مولکولی شروع و پایان را برای ساخت RNA پیامبر رونویسی شده از ژن فراهم می کنند. ژن دارای دو انتهای 5 / به 3 /است. در انتهای 5 / ژن ، یک ناحیه پیشبر وجود دارد که شامل توالی های مسئول شروع مناسب رونویسی است. پیشبرها و نیز عناصر تنظیم کننده می توانند محلهایی برای جهش در بیماریهای ژنتیکی که قادرند مانع بروز طبیعی ژن شوند، باشند. این عناصر تنظیم کننده شامل تقویت کننده ها ، خاموش کننده ها و نواحی کنترل کننده جایگاه ژنی هستند. در انتهای 3 / ژن ، یک ناحیه ترجمه نشده مهم یافت می شود که حاوی پیامی برای اضافه شدن یک توالی از واحدهای آدنوزین به اصطلاح دم پلی A به انتهای RNA پیامبر بالغ است.

مبانی بروز ژن

جریان اطلاعات از ژن به پلی پپتید ، شامل چندین مرحله است.
رونویسی یک ژن در محل شروع رونویسی روی RNA کروموزومی ، بلافاصله از توالی های رمزدار آغاز می شود و در طول کروموزوم ادامه یافته، از چند صد جفت باز تا بیش از یک میلیون جفت باز و در هر دو گروه اینترونها و اگزونها و ناحیه بعد از پایان توالی های رمزدار را رونویسی می کند.
پس از تغییر یافتن در هر دو انتهای 5و 3رونوشت اولیه RNA ، بخشهای مربوط به اینترونها برداشته می شوند و قطعات مربوط به اگزونها به یکدیگر چسبانده می شوند.
پس از برش و چسباندن RNA ، RNA پیامبر حاصل که اینک فقط حاوی بخشهای رمزدار ژن است، از هسته به سیتوپلاسم سلول برده می شود و در آنجا نهایتا به توالی اسید آمینه ای پلی پپتید رمزگردانی شده ، ترجمه می گردد. هر یک از این مراحل ، در معرض بروز خطا هستند و جهشهایی که در هر یک از این مراحل مداخله می کنند، در ایجاد تعدادی از اختلالات ژنتیکی دخیل دانسته شده اند.

مقدار اطلاعات موجود در یاخته های یوکاریوتی خیلی بیشتر از پروکاریوتهاست. فرصت عمل در جایگاه های متفاوت از هسته سلول تا سیتوپلاسم برای تنظیم کننده ها نیز بیش از پروکاریوتهاست. اطلاعات ژنتیکی در یوکاریوتها در ساختارهای کروموزومی که اغلب پیچیدگی زیادی دارند نهفته است و رونویسی و بروز ژنها در آنها کاهش تراکم قبلی این ساختار را ایجاب می کند. بنابراین در یوکاریوتها سیستمهای تنظیم کننده بیشتر ، دقیقتر و بویژه پیاپی هستند. این سیستمها در جایگاهها و در حد ساختارهای متفاوت سلولی عمل می کنند و می توانند وابسته به یکدیگر باشند. به عنوان مثال تنظیم بیان ژن مالتوز در بسیاری از یوکاریوتها نیز دیده می شود.پروموترهای یوکاریوت اغلب شامل چندین جایگاه اتصال برای فعال کننده ها هستند و در بسیاری از موارد ، فعال سازی به توالیهایی نیاز دارد که از نقطه شروع نسخه برداری فاصله زیادی دارند. فقط تعداد کمی از ژنهای یوکاریوتی بوسیله رپرسور کنترل می شوند و نسخه برداری اکثر ژنهای یوکاریوتی ، در عدم حضور یک فعال کننده انجام پذیر نیست. در پروکاریوتها معمولا پروتئینهای تنظیمی و جایگاههای اتصال آنها هر دو شناخته شده است. در حالی که در یوکاریوتها در بسیاری از موارد فقط توالیهای تنظیم کننده DNA مورد شناسایی قرار گرفته است. تنها در موارد معدودی ، پروتئینهای تنظیمی یوکاریوتی و مکانیسم تنظیم نسخه برداری ، مورد بررسی قرار گرفته است.

توالیهای شناسایی شونده بوسیله فعال کننده ها

تاکنون دو نوع معمول از توالیهای DNA یوکاریوتی که بوسیله فعال کننده ها باند می شود، شناخته شده است. یک نوع توالی فعال (Upstream Activating Sequenc) یا UAS می باشد که در ناحیه Upstream بسیاری از ژنهایی که فعال کننده آنزیمهای متابولیک در یوکاریوتهای تک سلولی ، مانند مخمر یافت شده است. این توالیها بوسیله فعال کننده هایی که سرعت شروع نسخه برداری از پروموتوهای مربوطه را به شدت افزایش می دهند، باند می شوند. نوع دیگری از توالیهای فعال ، Enhancer می باشد که در یوکاریوتهای چند سلولی یافت می شود. برخلاف UAS ، Enhancerها می توانند در '5 یا '3 یک ژن قرار گیرند و حتی در صورت فاصله زیاد از جایگاه شروع نسخه برداری قادرند نسخه برداری را تحت تاثیر قرار دهند.

تنظیم متابولیسم گالاکتوز در مخمرها

یکی از ژنهای یوکاریوتیک که توالی UAS و پروتئینهای باند شونده به آن ، هر دو مورد شناسایی قرار گرفته است، ژنی است که توسط پروتئین GAL4 در ساکارومایسین سروزیه کنترل می شود. پروتئین GAL4 مونومری است با وزن مولکولی 99000 که نسخه برداری حداقل 5 ژن را کنترل می نماید. از آن جمله می توان ژنهای GAL10 و گالاکتوز پرمه آز را کد می نمایند. در ژنوم مخمر ، این ژنها در دو طرف UAS قرار دارند و در دو جهت مخالف نسخه برداری می شوند. پروموترهای این دو ژن در یک ناحیه 680 جفت بازی که دو ژن را از یکدیگر جدا می نمایند، قرار گرفته اند. همچنین در ناحیه بین دو پروموتر، یک UAS جای گرفته است. با اتصال پروتئین GAL4 به UAS ، UAS نسخه برداری هر دو ژن GAL1 و GAL10 را 1000 برابر افزایش می دهد.

قسمتهای تشکیل دهنده UAS

UAS گالاکتوز از چهار جایگاه جداگانه مخصوص اتصال GAL4 تشکیل یافته است که به ترتیب از شماره I تا IV شماره گذاری شده است. هر یک از این جایگاه های اتصال ، از یک توالی 17 جفت بازی مشابه تشکیل یافته است و دارای تقارن دو طرفی است. میل ترکیبی GAL4 برای پیوند با هر یک از جایگاههای اتصال یکسان نیست و اتصال بین حداقل دو جایگاه (IV,III) به صورت همکاری انجام می گیرد. هر چند آزمایشات نشان می دهند که سرعت نسخه برداری ژنهای GAL1 و GAL10 ، با تعداد مولکولهای GAL4 باند شده به UAS ارتباط مستقیم دارد، فعالیت نسخه برداری به اشغال هر چهار جایگاه اتصال بوسیله GAL4 نیازی ندارد. بنابراین اثر GAL4 یک اثر اضافی است به این صورت که هر مولکول GAL4 بطور مستقل در تحریک نسخه برداری شرکت دارد.

قسمتهای تشکیل دهنده GAL4

GAL4از دو domain تشکیل شده است، یکی مسئول باند شدن بهDNA و دیگری مسئول تحریک نسخه برداری ژنهای ناحیه down stream می باشد. همانند اپرونهای کد کننده آنزیمهای متابولیک در پروکاریوتها ، ژنهای GAL10 , GAL4 تنها در حضور سوبسترا که در این مورد گالاکتوز می باشد، نسخه برداری می شوند. در عدم حضور گالاکتوز ، GAL4 از طریق domain مسئول باند به DNA به UAS گالاکتوز متصل می شود ولی domain مسئول تحریک نسخه برداری آن ، بوسیله یک پروتئین تنظیم کننده منفی به نام GAL80 باند می شود. اتصال Gal80 به GAL4 از فعال سازی نسخه برداری GAL10 , GAL1 توسط GAL4 جلوگیری به عمل می آورد. با این حال در حضور گالاکتوز ، گالاکتوز به GAL80 باند سبب جدا شدن آن از GAL4 می شوند. در این حالت GAL4 قادر است نسخه برداری GAL10 , GAL1 را فعال نماید.

ممانعت از نسخه برداری بوسیله گلوکز

هر چند، هر دو ژن GAL10 , GAL1 در حضور گلوکز نیز به صورت منفی تنظیم می شوند، کنترل این ژنها پیچیده تر از اینهاست این ممانعت از نسخه برداری بوسیله گلوکز ، مشابه جلوگیری کاتابولیتی در پروکاریوتهاست و در صورت حضور هر دو نوع قند گلوکزو گالاکتوز GAL10 , GAL1 در سرعتهای پایین ، نسخه برداری می شوند. گلوکز ، نسخه برداری GAL10 , GAL1 را از طریق جلوگیری از باند شدن GAL4 به UAS گالاکتوز بلوکه می کند. اینکه آیا گلوکز عملا به GAL4 باند می شود یا GAL10 , GAL1 بوسیله یک متابولیسمی از گلوکز تحریک می شوند، هنوز نامشخص است. بطور کلی domainهای فعالیت پروتئینهای یوکاریوتیک ، مانند GAL4 خیلی کم مورد شناسایی قرار گرفته ولی آنها را در سه طبقه تقسیم می نمایند. تعدادی از domoianهای فعالیت ، شامل نواحی طویلی هستند که یک آلفا هلیکس آمفی پاتیک با بار منفی را تشکیل می دهند. یک مثال از این نوع پروتئینها GAL4 می باشد. برای فعال سازی نسخه برداری ، domain فعالیت GAL4 لازم و ضروری است.
تعدادی از domainهای فعالیت ، پروتئینهای غنی از گلوتامین هستند. پروتئین SP1 دارای domain از این نوع است قدرت فعال کردن نسخه برداری SP1 با برداشتن دو domain غنی از گلوتامین آن ، به شدت کاهش می یابد.

تعدادی از domainهای فعالیت ، پروتئینهایی غنی از پرولین هستند. پروتئین CTF شامل domainای از این نوع است چگونگی تحریک نسخه برداری توسط domainهای فعالیت ، هنوز ناشناخته است ولی ممکن است، از طریق درگیر کردن پروتئینهای دیگر نزدیک RNA پلی مراز П ، اثر خود را اعمال نمایند. به عنوان مثال آزمایشات انجام شده در مخمرها نشان می دهند که GAL4 مستقیما با RNA پلی مراز П وارد واکنش نمی شود بلکه اثر خود را از طریق پروتئین دیگری اعمال می کند.

کنترل بیان ژن توسط توالیهای افزایش دهنده یا (Enhancers)

Enhancer نوع دوم از توالیهای فعال می باشد که در ارتباط با بسیاری از ژنهای کلاس П یافت شده اند. این توالیهای DNA بوسیله سه خصوصیت مشخص می گردند: Enhancerها اغلب در هر جهتی فعال هستند.
Enhancer قادرند نسخه برداری را حتی در صورتی که از نقطه شروع آن هزاران جفت باز فاصله داشته باشند، تحت تاثیر قرار دهند. آنها بعضی اوقات در یک انترون یا در انتهای '3 یک ژن قرار دارند.
Enhancer ها، نسخه برداری هر ژنی در مجاورشان را تحت تاثیر قرار می دهند.
بررسیها نشان می دهند که Enhancerها ، بسیاری از ژنهای ویروسی را نیز فعال می نمایند. این نوع Enhancerها که تحت عنوان ، Enhancerهای ویروسی شناخته می شوند، برای انجام عمل خود به فعال کننده های خاصی نیاز دارند. این ، خودش توجیهی است بر این سوال که چرا بعضی از ویروسها ، تنها در میزبانهای خاصی قادر به رشد هستند.

روشهای عمل Enhancer

به نظر می رسد که Enhancerها در 4 روش متفاوت عمل می کنند. ممکن است، یک فعال کننده به یک Enhancer متصل و تحریک نسخه برداری را سبب شود، یا اینکه به جذب RNA پلی مراز به پروموتر ، کمک نماید. Enhancerهایی که به عنوان عناصر حساس به هورمون شناخته شده اند، به این روش عمل می نمایند.
حضور Enhancerها ممکن است ساختمان DNA را در مجاورت ژنی که نسخه برداری می شود، تحت تاثیر قرار دهد. بنابراین این ناحیه از DNA را بیشتر در دسترس RNA پلی مراز قرار می دهند. مشاهده نسبتهای متفاوتی از پیریمیدین/ پورین در بسیاری از این Enhancerها که پذیرش ترکیب ساختمانی غیر طبیعی را در Invivo سبب می شود، این تئوری را حمایت می کند.
Enhancerها ممکن است در جایی از DNA که به ماتریکس هسته ، متصل می باشد، قرار داشته باشند. بنابراین نگهداری DNA در این قسمت و افزایش غلظت موثر RNA پلی مراز را سبب می شوند.
Enhancerها ممکن است، یک جایگاه بزرگ هدف ایجاد نمایند که RNA پلی مراز یا تعداد دیگری از پروتئینهای ضروری ، قبل از مهاجرت به پزوموتر ، در آن ناحیه با DNA باند می شوند.

بر اساس این نوع مکانیسم ، مشاهده شده است. زمانی که یک جایگاه به پروتئین متصل شوند، در بین بعضی از Enhancerها و پروموترها قرار می گیرند، از عمل Enhancer جلوگیری به عمل می آید. به نظر می رسد که پروتئین باند شده ، مهاجرت پروتئین دیگر را Enhancer به پروموتر بلوکه می کند.
آزمایشات نشان می دهد که بعضی از Enhancerها تنها در یک بافت خاص هستند. به عنوان مثال در موش Enhancerهای ژنهای ایمونوگلولین ، تنها در سلولهای لمفوئید موثر می باشند. اینگونه مشاهدات ، موید این موضوع است که Enhancerهای خاص ، ممکن است بوسیله یک پروتئین تنظیم کننده باند شده به DNA که تنها در گلبولهای سفید خون یافت می شوند، تشخیص داده شوند.

ساختمان DNA

کشف ماده ای که بعدها DNA نام گرفت در سال 1869 بوسیله فردیک میشر انجام شد. این دانشمند هنگام مطالعه بر روی گویچه های سفید خون ، هسته سلولهارا استخراج کرد و سپس بر روی آن محلول قلیایی ریخت. حاصل این آزمایش ، رسوب لزجی بود که بررسیهای شیمیایی آن نشان داد، ترکیبی از کربن ، هیدروژن، اکسیژن ، نیتروژن و درصد بالایی از فسفر می باشد. میشر این ماده را نوکلئین نامید. زمانی که ماهیت اسیدی این ماده مشخص گردید، نام آن به اسید دزاکسی ریبونوکلئیک تغییر یافت.

ساختمان رشته ای DNA

سرعت پیشرفت تعیین ساختمان DNA بسیار کند بوده است. در سال 1930 کاسل و لوین دریافتند که نوکلئین در واقع اسید دزوکسی ریبونوکلئیک است. برسیهای شیمیایی آن مشخص کرد که زیر واحد تکرار شونده اصلی DNA ، نوکلئوتیدمی باشد که از سه قسمت تشکل شده است. یک قند پنتوز – دزوکسی D- ریبوز) ، یک گروه(2 5-فسفات و از یکی چهار باز آلی نیتروژن دار حلقوی آدنین (A) ، گوانین (G) ، سیتوزین (C) و تیمین (T) تشکیل شده است. از این چهار باز دو باز آدنین و گوانین از بازهای پورینی و دو باز سیتوزین و تیمین از بازهای پیریمیدینی می باشند. به مجموعه قند و باز آلی نوکلئوزید متصل شود.و یا5گفته می شود. گروه فسفات می تواند به کربن3 به مجموع نوکلئوزید و گروه فسفات متصل به آن نوکلئوتید می گویند. متصل شود.و هم به کربن5با توجه به اینکه یون فسفات می تواند هم به کربن 3 پس دو نوکلئوتید از طریق یک پیوند فسفودی استر بهم متصل می شوند. به این صورت که گروه هیدروکسیل یک نوکلئوتید با گروه فسفات نوکلئوتید دیگر واکنش داده و پیوند فسفودی استر را بوجود می آورد. از آنجایی که پیوند فسفودی دو قند مجاور را بهم متصل می کند، این پیوند راو5استر ، کربنهای3 فسفودی استر نیز می نامند. یک زنجیره در اثر اتصال پشت سر هم-3پیوند5 -دزوکسی ریبونوکلئوتید بوسیله پیوندهای دزوکسی ریبونوکلئوتیدتعدادی2

تشکیل می شود. تمامی نوکلئوتیدها در یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی دارای جهت یکسان می باشند. به این صورت که نوکلئوتید انتهایی در یک سمت آزادونوکلئوتیدانتهایی درسمت دیگر زنجیرهزنجیره دارای یک گروه5 آزاد می باشد. بنابراین زنجیره پلی نوکلئوتیدی دارای جهتدارای یک گروه3 بوده و این جهت را به صورت5> نشان می دهند. بنابراین اگر در3 در زیر آن باشد،در بالای حلقه پنتوز و کربن3نوکلئوتید ابتدایی کربن5 درتمامی نوکلئوتیدهای بعدی زنجیره کربن 5 در بالای حلقه پنتوز جای خواهد داشت.

نتایج حاصل تا سال 1950

به هم متصل شده اند.-3- دزوکسی اسید ریبونوکلئیک می باشد که بوسیله پیوندهای فسفودی استر5DNA یک پلیمر رشته ای متشکل از واحدهای2
DNA حاوی چهار زیر واحد dc و dG و dT و dA می باشد.
مقادیر متوالی dT و dA با یکدیگر و dc و dG نیز با یکدیگر مساوی می باشند.
مارپیچ دو رشته ای DNA
در سال 1953 در ساختمان سه بعدی DNA ، بوسیله واتسون و کریک کشف شد. واتسون و کریک با استفاده از مطالعات تفرق اشعه ایکس ، رشته های DNA که بوسیله فرانکلین و ویلکینز تهیه شده بود و همچنین ساختن مدلها و استنباطهای مشخصی ، مدل فضایی خود را ارائه دادند و در سال 1962 واتسون و کریک و ویلکینز به خاطر اهمیت کشف ساختمان DNA به صورت مشترک جایزه نوبل دریافت کردند. مدل پیشنهادی آنان چنین بود. DNA یک مارپیچ دو رشته ای است که رشته های آن به دور یک محور مرکزی ، معمولا به صورت راست گرد پیچ می خورند. طبق مدل واتسون و کریک ، ستونهای قند – فسفات همانند نرده های پلکان به دو قسمت خارجی بازهای آلی پیچیده و به این ترتیب در معرض محیط آبکی داخل سلول هستند و بازهای آلی که خاصیت آبگریزی دارند، در داخل مارپیچ قرار می گیرند. هنگام تشکیل مارپیچ رشته ها به صورت موازی متقابل

قرار می گیرند. یعنی اگر جهت یک رشته3<باشد، رشته دیگر 5–5<–3 خواهد بود. پیوندهای هیدروژنی بین آدنین از یک رشته با باز تیمین رشته مقابل و باز گوانین یک رشته با سیتوزین رشته مقابل بوجود می آیند. گر چه از نظر اندازه هر باز پورینی می تواند در مقابل یک باز پیریمیدین قرار بگیرد. ولی به دلیل وجود گروههای شیمیایی روی بازهای G و C و T و A پیوندهای هیدروژنی مناسب فقط بین C – G و T – A برقرار می شود و ایجاد پیوند بین T – G و C- A ممکن نیست.
واکنشهای توتومریزاسیون
اتم هیدروژن در بازهای آلی می تواند روی اتمهای نیتروژن و یا اکسیژن حلقه جابجا شود. این تغییر موقعیت هیدروژن روی حلقه باز را توتومریزاسیون می گویند. توتومریزاسیون در بازهای آدنین سیتوزین باعث تبدیل فرم آمینی به فرم ایمنی و در مورد بازهای تیمین و گوانین باعث تبدیل فرم کتونی به فرم انولی می شود. در شرایط فیزیولوژیکی ثابت تعادل واکنش توتومریزاسیون بیشتر به سمت اشکال آمینی و کتونی می باشد. این حالت پایدار پروتونی ، الگوی تشکل پیوندهای هیدروژنی بین بازها را تعیین می نماید، بطوری که بازهای T و A با تشکیل دو پیوند هیدروژنی و بازهای G و C با سه

پیوند هیدروژنی با هم جفت می شوند. C و A و همچنین T و G نمی توانند با هم جفت شوند. زیرا در این بازها اتمهای هیدروژن هر دو در یک موقعیت قرار دارند و امکان ایجاد پیوند هیدروژنی وجود ندارد. به دلیل اینکه در رشته های DNA همواره باز A مقابل T و باز G مقابل C قرار دارد، این دو رشته را مکمل می نامند. بنابراین توالی موجود در یک رشته DNA ، توالی رشته مقابل را تعیین می کند. مکمل بودن دو رشته DNA ، اساس عمل همانند سازیDNAاست.

ساختمان RNA

صرف نظر از انواعی که دارای ساختمان خاصی است. برخلاف DNA که ساختمان مارپیچ دو رشته ای دارد RNA معمولا یک رشته ای و تقریبا صاف و بدون تاخوردگی و یا به صورت کلاف است. علت اصلی عدم تشکیل مارپیچ دو رشته ای RNA مزاحمت فضایی گروه OH متصل به کربن شماره 2- قند ریبوز است که مانع پیچش لازم می شود. زیرا گروه OH به طرف داخل محور مارپیچ قرار می گیرد و مانع فرم پایدار می گردد.
بنابراین حتی در مقابل DNA الگو که دقیقا مکمل RNA است، RNA نمی تواند به شکل مارپیچی به آن متصل شود. همین خاصیت RNA باعث عدم پایداری آن در محیط قلیایی می شود، بطوری که در محیط قلیایی ، RNA به مونونوکلئوتیدها تجزیه می شود، در حالی که DNA در محیط قلیایی فقط به صورت تک رشته ای درمی آید ولی تجزیه نمی شود.

انواع RNA

mRNA

mRNA یا RNA پیک به صورت تک رشته ای است. وظیفه اصلی پروتئین سازی را به عهده دارد و حاوی کدهای ژنتیکی برای ساخت پروتئین می باشد. پایداری آن کم است بطوری که گاهی پس از دو دقیقه بوسیله RNAase تجزیه می شود و به همین دلیل استخراج mRNA مشکل می باشد. گاهی هنوز ترجمه قسمت انتهایی mRNA تمام شده است که ابتدای mRNA تجزیه می شود. ولی در یوکاریوتها با مکانیسمهای خاص پایداری mRNA افزایش یافته است بطوری که گاهی پایداری mRNA در سلولهای یوکاریوت به 10 ساعت می رسد.

rRNA

rRNAها یا RNA های ریبوزومی اصلی ترین اجزای تشکیل دهنده ریبوزومها می باشند و نام ریبوزوم نیز از ریبونوکلوئیک اسید (RNA) گرفته شده است. RNAهای ریبوزومی نسبت به mRNAها پایدارترند. همچنین پروتئینهای ریبوزومی نیز به آنها متصل می شوند و باعث پایداری و عدم تجزیه rRNAها در مقابل RNase ها می شوند. rRNAهای پروکاریوتی شامل 16s ، 23s و 5.8s و rRNAهای یوکاریوتی شامل 18s ، 28s ، 5s و 5.8s می باشند

tRNA

tRNAها یا RNA های ناقل مولکولهای RNA کوچک به طول 75 تا 85 نوکلوئید هستند که وظیفه آنها انتقال اسید آمینه ها به داخل جایگاه خاص ریبوزوم می باشد. در واقع عمل اصلی ترجمه در پروتئین سازی را tRNA به عهده دارد، زیرا از یک طرف یک کد سه تایی روی mRNA را تشخیص می دهد و از طرف دیگر نیز اسید آمینه خاص مربوط به این کد سه تایی را حمل می کند که به زنجیره پلی پپتیدی اضافه می شود. در داخل سلولهای مختلف ، تعداد متفاوتی از tRNA یافت می شود، ولی حداقل 20 خانواده از tRNA ها وجود دارد که هر خانواده یک اسید آمینه را حمل می کند. شکل کلی tRNA به صورت برگ شبدر می باشد. اتصال اسید آمینه به tRNA بوسیله آنزیم خاصی به نام آمینو اسیل – tRNA سنتتار انجام می شود.

hnRNA

این نوع RNA مخصوص سلولهای یوکاریوت می باشد که در آنها مواد ژنتیکی در داخل هسته قرار دارند در داخل هسته ، RNA در ابتدا به صورت رشته های حاوی نواحی کد کننده و غیر کد کننده ساخته می شود. به نواحی کدکننده اگزون و به نواحی غیر کد کننده ، انترون گفته می شود. این RNA برای تبدیل شدن به mRNA باید فرآیندهای خاصی را پشت سر بگذارد و قسمتهای انترون آن حذف شود به این RNA حاوی نواحی اضافی hnRNA گفته می شود که پس از اتمام فرآیند اصلاح تبدیل به mRNA می شود.

snRNA

snRNA قطعات کوچک RNA هستند که در داخل هسته وجود دارند و وظایف مختلفی را به آنها نسبت می دهند. گروهی معتقدند که این RNA ها همان پرایمرهای شروع همانند سازی RNA در سلول هستند و گروهی دیگر عمل دخالت در فرآیند اصلاح RNA را به آنها نسبت می دهند. گروهی نیز این قطعات را حاصل از اینترونها می دانند.

scRNA

scRNAها قطعات کوچک RNA موجود در سیتوپلاسم سلول می باشند که مانند scRNA عمل اصلی آنها هنوز مشخص نیست، ولی گروهی از دانشمندان معتقدند که scRNAها به عنوان قسمتی از بعضی آنزیمها عمل می کنند. برای مثال در پروتئین S.R.P وجود دارند.

ساختمان RNA پلی مراز

عمل نسخه برداری نیاز به آنزیم خاصی دارد. از آنجایی که سنتز RNA به صورت متصل کردن نوکلوئیدهای مختلف به یکدیگر یا به عبارتی ، پلی مریزه کردن آنها می باشد ، به این آنزیم خاص RNA پلی مراز می گویند. ساختار این آنزیم در موجودات مختلف نسبت متفاوت است، ولی اصول کلی ساختار آن ثابت می باشد. شناخته شده ترین RNA پلی مراز مطالعه شده ، RNA پلی مراز E.Coli است. این آنزیم دارای چهار زیر واحد اصلی و تعدادی زیر واحد فرعی می باشد. زیر واحدهای اصلی آن شامل دو عدد زیر واحد α ، یک زیر واحد β و یک زیر واحد β نشان داده می شود،می باشد. به مجموع این چهار زیر واحد که به صورتα²ββ قسمت تنه آنزیم گفته می شود. دو زیر واحد فرعی مربوط به RNA پلی مراز ، زیر واحد σ و زیر واحد NuSA می باشند. این زیر واحدها در مواقع خاصی به RNA پلی مراز متصل می شوند و سپس از آن جدا می شوند وزن مولکولی آنزیم RNA پلی مراز در باکتریهای مختلف متفاوت است ولی تعداد زیر واحدها و نوع آنها مشابه RNA پلی مراز E.Coli می باشد.

انواع RNA پلی مراز در یوکاریوتها

RNAپلی مراز I ، وظیفه آن ساخت rRNA می باشد.
RNA پلی مراز II ، وظیفه آن ساخت mRNA و تعداد کمی RNA های کوچک مانند SnRNA می باشد.
RNA پلی مراز III ، وظیفه آن ساخت tRNA و rRNA های کوچک می باشد.
ساختمان RNA پلی مراز E.Coli به صورت α²ββ می باشد که این ساختمان نسبت به ساختمان DNAپلی مراز ساده است و بسیاری از قسمتهای مربوط به DNA پلی مراز را ندارد و بنابراین باید تمامی اعمال خودش را به تنهایی انجام دهد. به همین دلیل عمل نسخه برداری در مقایسه با عمل همانند سازی کندتر صورت می گیرد.
واژه کروموزم به مفهوم جسم رنگی ، که در سال 1888 بوسیله والدیر بکار گرفته شد. هم اکنون این واژه برای نامیدن رشته های رنگ پذیر و قابل مشاهده با میکروسکوپهای نوری بکار می رود که از همانندسازی و نیز بهم پیچیدگی و تابیدگی هر رشته کروماتین اینترفازی در سلولهای یوکاریوتی تا رسیدن به ضخامت 1000 تا 1400 نانومتر ایجاد می شود. در پروکاریوتها نیز ماده ژنتیکی اغلب به حالت یک کروموزوم متراکم می شود. در برخی باکتریها علاوه بر کروموزوم اصلی که اغلب ژنها را شامل می شود کروموزوم کوچک دیگری که بطور معمول آن را پلاسمید می نامند، قابل تشخیص است گر چه تعداد کمی از ژنها بر روی

پلاسمید قرار دارند. اما از آنجا که در بیشتر موارد ژنهای مقاومت به آنتی بیوتیکها بر روی آن جایگزین شده اند، از نظر پایداری و بقای نسل باکتری اهمیت زیادی دارد. کروماتین در ساختمان کروموزوم به شکل لوپ دیده می شود. لوپها توسط پروتئینهای اتصالی بهDNA که مناطق خاصی از DNA را تشخیص می دهند پابرجا می ماند. سپس مراحل پیچ خوردگی نهایتا نوارهایی را که در کروموزومهای متافازی دیده می شود ایجاد می کند. هر تیپ کروموزومی یک نوع نواربندی اختصاصی را در ارتباط با نوع رنگ آمیزی نشان می دهد. این رنگ آمیزیها منجر به مشخص شدن تعداد و خصوصیات کروموزومهای هر گونه از موجودات زنده می گردد. که این خصوصیات تعدادی و مورفولوژیک کروموزومها را کاریوتیپ می نامند.

مراحل تبدیل رشته کروماتین به کروموزوم

برای تبدیل یک رشته کروماتینی 10 تا 30 نانومتری به یک کروموزوم ، علاوه بر لزوم همانندسازی رشته کروماتین سطوح سازمان یافتگی ای را در نظر می گیرند که ضمن آن با دخالت H3 ، H1 و پروتئین های غیر هیستونی پیچیدگیها و تابیدگیهای رشته کروماتین افزایش می یابد، طول آن کم ، ضخامت و تراکمش زیاد می شود و به کروموزوم تبدیل می گردد. این سطوح سازمان یافتگی و اغلب به صورت رسیدن از رشته 10 تا 30 نانومتری به رشته 90 تا 100 نانومتری تشکیل رشته 30 تا 400 نانومتری و در مراحل بعد با افزایش پیچیدگیها و تابیدگیها ، ایجاد رشته 700 نانومتری و بالاخره تشکیل کروموزوم دارای دو کروماتید و با ضخامت تا 1400 نانومتر در نظر می گیرند. اولین مرحله پیچیدگی و تراکم رشته کروماتین برای تبدیل به کروموزوم با فسفریلاسیون شدید هیستونهای H3 ، H1 همراه است. پس از رها شدن DNA از اکتامر هیستونی ، با دخالت آنزیمهای مسئول همانندسازی، پیوندهای هیدروژنی بین دو زنجیره گسسته می شود، هر زنجیره مکممل خود را می سازد و به تدریج با ادامه همانندسازی ، دو مولکول DNA بوجود می آید که در هر مولکول یک زنجیره قدیمی و زنجیره دیگر نوساخت است.

بخشهای مختلف این دو مولکول DNA که نظیر همدیگر هستند به تدریج که همانندسازیشان پایان می پذیرد، با اکتامرهای هیستونی که نیمی از آنها اکتامرهای والدی و نیمی جدید هستند ترکیب می شوند. بعد از تشکیل ساختمان نوکلئوزومی ، دو رشته کروماتین 10 نانومتری و سپس رشته های 30 نانومتری ایجاد می شوند. هر رشته کروماتین 30 نانومتر سطوح سازمان یافتگی را می گذارند، با مجموعه ای از پروتئینهای غیر هیستونی زمینه ای یا اسکلتی آمیخته می شود و به یک کروماتید تبدیل می شود. مجموعه دو کروماتید نظیر هم که از محل سانترومر بهم متصل اند کروموزوم متافازی را ایجاد می کنند

اجزای ساختمانی کروموزوم

در متافاز که کروموزومها سازمان یافتگی بیشتری دارند، برای هر کروموزوم بخشهای زیر در نظر گرفته می شود.

کروماتید

کروماتید بخشی از کروموزوم متافازی است که نیمی از سراسر طول کروموزوم را می سازد. دو کروماتید هر کروموزوم از ناحیه سانترومر بهم متصل اند. هر کروماتید از ابر پیچیدگیهای رشته کروماتین و آمیختگی آن با پروتئینهای غیر هیستونی اسکلتی یا زمینه ای بوجود آمده است. دو کروماتید هر کروموزوم متافازی را که در حکم تصویر آینه ای یکدیگر هستند، کروماتیدهای خواهر یا کروماتیدهای نظیر می نامند. در پروفاز و گاهی در اینترفاز ، کروموزوم به صورت رشته های بسیار نازکی است که آنها را کرومونما می نامند این رشته ها مراحل مقدماتی تراکم کروماتید را نشان می دهند. کروماتید و کرومونما ، نامی برای مشخص کردن دو ساختمان یکسان اما با دو درجه سازمان یافتگی است. کرومومر نیز از تجمع ماده کروماتینی به صورت دانه های کروی ایجاد می شود.

سانترومر

محل اتصال دو کروماتید خواهر هر کروموزوم متافازی را سانترومر نامند. سانترومر بخش نازکی از کروموزوم که جایگاه آنرا فرورفتگی اولیه نیز می نامند. ناحیه سانترومر ناحیه بسیار هتروکروماتینی است و بویژه در بخشهای کناری خود دارای ژنها یا ترتیب های نوکلوتیدی تکراری است. این بخشهای هتروکروماتین با رنگهای بازی شدت رنگ می گیرند. هر کروموزوم علاوه بر سانترومر اصلی ممکن است دارای سانترومر یا سانترومرهای فرعی در محل فشردگیهای ثانویه باشد. فشردگیهای ثانویه با داشتن پیچیدگیهای کمتر از فشردگی اولیه قابل تشخیص اند.

کینه توکور

طرفین سانترمر هر کروموزوم را دو بخش پروتئینی پیاله مانند و متراکم به اسم کینه توکور می پوشاند. هر کینه توکور دارای سه بخش بیرونی و میانی و درونی است. در ساختمان هر بخش پروتئینهای رشته ای با تراکم متفاوتی قابل تشخیص هستند بخش بیرونی متراکم و بخش میانی کم تراکم است. بخش درونی بطور فشرده ای با سانترومر اتصال دارد. کینه توکورها از مراکز سازماندهی میکروتوبولها و رشته های دوک میتوزی هستند.

تلومر

این اصطلاح برای بخشهای انتهایی کروماتید بکار گرفته می شود. تلومرها دارای ویژگیهای سلول شناسی خاصی هستند. در مگس سرکه ترتیب های DNAای تلومری که در انتهای همه کروموزومها وجود دارد جدا سازی و بررسی شده است. تلومرها انتهاهای مولکولهای طویل و خطی DNAای هستند که در هر کروماتید وجود دارد. از سوی دیگر وقتی کروموزومها بوسیله عواملی مثل پرتوهای xیا اثر آلکالوئیدها شکسته شوند، انتهاهای آزاد بدون تلومر آنها چسبنده می شود و با سایر کروموزومها ادغام می شود. علاوه بر نقشی که تلومرها در پایداری کروموزومها دارند، در برخی گونه ها به حالت مهیا و بعضی بین دو کروموزوم عمل کرده و نوک به نوک اتصال موقتی پیدا می کنند.

فرورفتگی ثانویه

یکی دیگر از ویژگیهای ریخت شناسی کروموزومها هستند که از نظر موقعیت و فواصلشان بر حسب گونه ها جای ثابتی دارند. وجود آنها از نظر تشخیص کروموزومها بویژه در یک مجموعه کروموزومی مفید است فرورفتگیهای ثانویه به دلیل عدم ایجاد انحرافهای زاویه دار در قطعات کروموزومی از فرورفتگیهای اولیه شناخته می شوند.

سازمان دهندگان هستکی

این نواحی فرورفتگیهای ثانویه ای هستند که دارای ژنهای رمزدار کننده RNAهای ریبوزومی جز rRNA5S می باشند و در تشکیل هستک دخالت دارند. پدیدار شدن فرورفتگی ثانویه به دلیل رونویسی بسیار فعال ژنهای rRNAای است که آنها را از فرورفتگی های اولیه مشخص می سازد. در انسان سازمان دهندگان هستکی در فرورفتگیهای ثانویه کروموزومهای 13 و 14 و 15 و 21 و22 قرار دارند که همه از کروموزمهای آکروسانتریک و دارای ماهواره هستند.

ماهواره

جسم کوچکی کروی است که از بقیه کروموزوم بوسیله یک فرورفتگی ثانویه جدا می شود. ماهواره و فرورفتگی ثانویه از نظر شکل و بزرگی برای هر کروموزوم ویژه ، ثابت هستند. ماهواره های کروموزومی بخشهایی از کروموزوم از دیدگاه ریخت شناسی هستند و نبایستی آنها را با ماهواره های DNAای که دارای ترتیب های DNAای بسیار تکراری می باشند اشتباه کرد.

انواع کروموزمها از نظر تعداد سانترومر

کروموزومها را از نظر تعداد سانترومرهایشان به کروموزمهای یک سانترومری ، دو سانترومری و چند سانترومری تقسیم می کنند وقتی تحت تاثیر عواملی مثل پرتوهایX کروموزمها خرد شوند و قطعاتشان ادغام شود، کروموزومهای به اصطلاح بدون سانترومر ایجاد می کنند. این کروموزومها هنگام تقسیم سلولی رفتار عادی مثل سایر کروموزومها را ندارند

انواع کروموزوم از نظر محل سانترومر

کروموزمهای تلوسانتریک: سانترومر در یکی از دو انتهای کروموزومها قرار گرفته است.
کروموزومهای آکروسانتریک: سانترومر آنها نزدیک به یکی از دو انتهای کروموزوم قرار گرفته در نتیجه یکی از بازوها نسبتا به دیگری بسیار کوچک است از قطعات کروموزومی از محل قرار گرفتن سانترومر از بازوهای کروموزومی می نامند.
کروموزمهای متاسانتریک: سانترومر آنها در وسط کروموزوم قرار گرفته و در نتیجه بازوهای کروموزم هم اندازه هستند اکثر کروموزمها دارای یک سانترومر هستند. برخی گونه ها سانترومرهای بخش شده ای دارند در رشته های دوکی به تمامی طول کروموزوم متصلند این کروموزومها را هولوسانتریک گویند.

نقشه برداری ژنتیکی ژنهای انسان

پیوستگی را می توان به صورت تمایل اللهای نزدیک هم ، روی یک کروموزوم در انتقال با یکدیگر به صورت یک واحد دست نخورده در طی میوزتعریف کرد. تجزیه و تحلیل پیوستگی ژنتیکی ، شیوه ای از نقشه برداری ژنهاست که از مطالعات روی خانواده ها برای تعیین اینکه آیا دو ژن هنگام انتقال از یک نسل به نسل بعدی پیوستگی نشان می دهند (یعنی پیوسته اند) یا خیر ، استفاده می کند. نقشه برداری با تجزیه و تحلیل پیوستگی ژنتیکی با نقشه برداری به کمک شیوه های فیزیکی تفاوت دارد. از این جهت که نقشه برداری فیزیکی متکی بر داشتن یک روش آزمایشگاهی جهت تعیین محل یک ژن توسط FISH یا به کمک هیبریدسازی سلولهای پیکری است. در مقابل ، تجزیه و تحلیل پیوستگی ، روش بسیار مهم و پر قدرتی در ژنتیک پزشکی می باشد. زیرا تنها شیوه ای است که نقشه بردای از ژنهای صرفا قابل شناسایی به صورت صفات فنوتیپی (شامل ژنهای بیماری) را مقدور می سازد. اکثریت ژنهای زمینه ای بیماریهای ژنتیکی در این گروه قرار می گیرند، زیرا نه اساس بیوشیمیایی و نه پایه مولکولی آنها هیچ یک هنوز روشن نشده است.

نوترکیبی هومولوگ در میوز

برای درک کامل مفاهیم تجزیه و تحلیل پیوستگی ژنتیکی ، مرور مختصر رفتار کروموزومها و ژنها در طی میوز لازم است. کروموزومهای همولوگ در طی میوز I جفت می شوند و این جفتها در طول دوک میوزی قرار می گیرند. همولوگهای پدری و مادری از طریق تبادل متقاطع ، قطعات کروموزومی را معاوضه می کنند و کروموزومهای جدیدی را که وصله وصله (Patch work) می باشند، یکی در میان شامل بخشهایی از کروموزومهای مادر بزرگ و کروموزومهای پدربزرگ هستند، ایجاد می کنند. ایجاد این کروموزومها به مفهوم منحصر به فرد بودن ژنتیکی انسان تاکید دارد، هر کروموزوم به ارث رسیده در فرزند یک والد ، اساسا هرگز با هیچ یک از دو نسخه کروموزوم در والد یکسان نیست. اگر کروموزومهای همولوگ در زیر میکروسکوپ یکسان به نظر برسند باید راهی برای افتراق همولوگ از هم داشته باشیم تا معین کنیم آیا وقایع نوترکیبی در طول کروموزومهای همولوگ رخ داده اند و در کجا؟ برای این منظور ازنشانگرهای ژنتیکی استفاده می شود. در گذشته، ژنهایی که انواع آنزیمهای الکتروفورزی یا آنتی ژنهای سطح سلولی را رمز گردانی می کردند، به عنوان نشانگر محسوب می شدند. به هر حال در مورد پروژه ژنوم انسانی ، شاخصهای ژنتیکی اکثرا چند شکلیهای توالی DNA هستند که با تکثیر قطعه DNA حاوی نشانگر به روش PCR می توان آنها را شناسایی کرد.

نشانگرهای ژنتیکی چگونه برای نقشه برداری پیوستگی ژنتیکی استفاده میشوند؟

فرض کنید دو جایگاه نشانگر ژنتیکی 1 و 2 با اللهای D و M روی کروموزوم پدری و اللهای m و d روی کروموزوم مادری در یک فرد وجود دارند. اگر دو جایگاه روی کروموزومهای متفاوتی واقع باشند، درمیوز مستقلا مرتب می شوند. بنابراین 4 نوع فرزند با نسبتهای مساوی وجود خواهند داشت. DM و dm که غیر نوترکیب نامیده می شوند با کروموزوم والدی اولیه تطبیق می کنند و ژنوتیپهای Dm و dM که نوترکیب نام دارند نمایانگر ترکیب جدیدی از اللها هستند که با کروموزومهای والدی تفاوت دارند. وقتی تعداد ژنوتیپهای نوترکیب و غیر نوترکیب مساوی باشد، گفته می شود که این جایگاه ها غیر پیوسته هستند.

جایگاههای روی یک کروموزوم، پیوسته نیستند

فرض کنید جایگاههای 2 و 1 روی یک کروموزوم قرار دارند. ژنهای واقع روی یک کروموزوم را (Syntenic) می نامند بدون توجه به این که با چه فاصله از هم روی کروموزوم قرار گرفته باشند. می دانیم تبادل متقاطع در مرحله چهار رشته ای میوز صورت می گیرد. اگر هیچ تبادل متقاطعی بین جایگاهها روی ندهد، صرفا ژنوتیپهای غیر نوترکیب dm و DM در فرزند دیده می شوند. یک ، دو یا بیش از دو نوترکیبی روی دهنده بین دو جایگاه ژن ، فرزندانی ایجاد می کند که 50 درصد نوترکیب و 50 درصد غیر نوترکیب هستند. اگر دو جایگاه syntenic روی یک کروموزوم آن قدر از هم دور باشند که در هر میوز حداقل یک تبادل متقاطع بین آنها صورت گیرد، ژنوتیپهای نوترکیب و غیر نوترکیب به نسبتهای مساوی در فرزندان روی خواهد داد و دو جایگاه ظاهرا غیرپیوسته به نظر می رسند، انگار که این جایگاهها روی کروموزومهای مجزا قرار دارند.

اندازه گیری فاصله ژنتیکی

فاصله ژنتیکی را بر حسب واحدهایی به نامسانتی مورگان (CM) اندازه می گیرند و به صورت فاصله ژنتیکی که بطور متوسط در یک درصد موارد نوترکیبی روی آن رخ می دهد، تعریف می شود (سانتی مورگان 100/1 مورگان است وجه تسمیه آن نام توماس هانت مورگان است که برای اولین بار تبادل متقاطع ژنتیکی را در مگس سرکه به نام دروزوفیلا مشاهده کرد.). برای مثال اگر در یک خانواده ای در بین فرزندان در دو جایگاه ژنی 80 درصد غیر نوترکیبی و 20 درصد نوترکیبی وجود داشته باشد، می توان تخمین زد که فاصله بین این دو جایگاه از نظر ژنتیکی ، تقریبا 20 سانتی مورگان می باشد.

نقشه های پیوستگی ژنتیکی

نقشه های پیوستگی تعداد زیادی از جایگاههای ژنی ، حتی نقشه های پیوستگی کروموزومهای کامل ، از طریق ترکیب کردن اندازه گیریهای فاصله ژنتیکی دو جایگاه ژنی دارای پیوستگی نزدیک ایجاد شده اند. فرض کنید دو جایگاه ژنی B و A با فاصله ای حدود 10 سانتی مورگان پیوسته هستند. با این اطلاعات اینک می توانیم شروع به ساختن یک نقشه ژنتیکی برای کروموزومی که جایگاههای B و A روی آن هستند کنیم. می توان جایگاههای دیگری را به نقشه پیوستگی اضافه کرد، به شرطی که فواصل آنها از جایگاههای B و A قابل اندازه گیری باشد. به عنوان مثال ، جایگاه سوم C را در نظر بگیرید که از جایگاه A به اندازه 12 سانتی مورگان و از جایگاه B به اندازه 5 سانتی مورگان فاصله دارد. فقط با همین اطلاعات دو نقطه ای ، می توان از طریق مشاهده ترتیب سه جایگاه ژنی را نسبت به یکدیگر تعیین کرد. توجه داشته باشید فاصله A-C که از روی فراوانی نوترکیبی اندازه گیری می شود، کمتر از مجموع فواصل A-B و B-C است. این عدم همخوانی به علت این واقعیت است که تبادلات متقاطع مضاعف (یکی در فاصله A-B و دیگری در فاصله B-C) موجب نوترکیبی بین C و A نمی شوند و لذا باعث برآورد کمتر از حد واقعی فاصله بین آنها می گردند.

تجزیه و تحلیل پیوستگی چند نقطه ای

روش دیگر برای تعیین ترتیب سه جایگاه ، در نظر گرفتن تمام داده ها با هم است نه هر یک از تبادلات دو نقطه ای بطور جداگانه که به این روند تجزیه و تحلیل چند نقطه ای می گویند. اصل تجزیه و تحلیل چند نقطه ای ، تعیین ترتیب نشانگرها با به حداقل رساندن تعداد تبادلات متعدد آشکار است. به ویژه در مطالعات نقشه برداری بسیار پیچیده ، شامل دهها جایگاه نشانگر ، تجزیه و تحلیل چند نقطه ای می تواند حمایت آماری قوی در مورد صحیح بودن ترتیب خاصی از نشانگرها فراهم کند. آنگاه می توان نقشه های ایجاد شده از طریق تجزیه و تحلیل چند نقطه ای را به عنوان چارچوبهایی برای ایجاد اطلاعات تشخیصی جهت استفاده در مشاوره ژنتیکی استفاده کرد. با افزایش توجه متمرکز روی نقشه برداری ژنی به عنوان بخشی از پروژه ژنوم انسانی ، نقشه های پیوستگی ژنتیکی جزئی از کل ژنوم انسان با استفاده از تعدادی خانواده بزرگ سه نسلی ایجاد شده است تا فراوانی نوترکیبی در بین هزاران نشانگر جامع اقماری بسیار ریز DNA با حداکثر دقت و ظرافت ممکن اندازه گیری شود. دیگر هیچ رمز ناشناخته ژنتیکی وجود ندارد و هر هفته ژنهای جدیدی از جمله بسیاری از ژنهای مهم در پزشکی روی نقشه ژنتیکی انسان جای داده می شوند.

رابطه بین فواصل ژنتیکی و فیزیکی

در ابتدا براساس تعداد کیاسماهای مشاهده شده در میوز I اسپرم سازی ، کل طول ژنتیکی 23 کروموزوم در ژنوم هاپلوئید انسان حدود 3000 سانتی مورگان برآورد شد. اندازه گیری اخیر و دقیقتر حدود 4300 سانتی مورگانی ، از طریق جمع زدن تمام فواصل بین هزاران نشانگر ژنتیکی که توسط مرکز همکاری پیوستگی انسانی روی نقشه ژنتیکی انسان قرار داده شده اند، صورت گرفته است. اگر ژنوم با طول فیزیکی هاپلوئید حدود 3×109 جفت باز فاصله ژنتیکی تقریبا 4300 سانتی مورگان داشته باشد، یک سانتی مورگان حدودا معادل 700 هزار جفت باز خواهد بود. جدول زیر روابط بین علامتهای ژنتیکی سلولی ، فواصل فیزیکی و فواصل ژنتیکی را خلاصه می کند و آنها را با محتوای تقریبی ژنی ارتباط می دهد. به هر حال فراوانی نوترکیبی در طول یک کروموزوم یا سرتاسر ژنوم ثابت نیست. ضمنا نوترکیبی بین دو جایگاه نیز همیشه در میوز افراد مونث و مذکر یکسان نیست. در نتیجه فاصله ژنتیکی (که به صورت درصد نوترکیبی در میوز اندازه گیری می شود) و فاصله فیزیکی (که به صورت جفت بازها یا نوارهای کروموزومی اندازه گیری می شود) صرفا قابل مقایسه به عنوان برآورد تقریبی ابتدایی می باشند و می توانند سنجشهای بسیار متفاوت از فاصله بین ژنها فراهم کنند.

چشم انداز بحث

نقشه برداری از ژنهای انسان ، یکی از سریع الرشدترین حوزه های مطالعه در ژنتیک پزشکی امروزی است. داشتن نقشه ژنی کامل انسان ، به معنای دانستن جایگاه تقریبا 50000 ژن روی 24 کروموزوم ، محلهای آنها در ارتباط با یکدیگر و فواصل بین آنهاست. این اطلاعات نقشه ای بسیار باارزش هستند. نه تنها از این جهت که می توان از آن برای تشخیص بیماریها و مشاوره ژنتیکی استفاده کرد. بلکه به این علت که روش مستقیمی برای شناسایی ژنهای مسئول بیماریهای ژنتیکی نیز فراهم می کند.

نقشه برداری فیزیکی ژنها

در ابتدا تعیین کروموزومها منحصرا با مطالعات روی خانواده ها در شجره های بزرگ جمعیت و مشخص کردن شیوه توارث صورت می گرفت. به این طریق ژنهای مربوط به صفات وابسته به جنس را می توانستیم به محلی در کروموزوم جنسی نسبت دهیم. زیرا این صفات طرح انتقال منحصر به فردی نشان می دادند. به علاوه تعداد کمی از صفات اتوزومی غالب یا هم تراز را به هر یک از اتوزومها نسبت می دادند، زیرا خوشبختانه کشف شده بود که فنوتیپ صفات ، از طریق نسلهای متمادی همراه با یک گروه خونی خاص یا یک کروموزوم ، به ارث می رسد.به هر حال نمی توانستیم اکثریت ژنهای انسانی را به این روش یا روشهای دیگر نقشه برداری کنیم تا اینکه شیوه نقشه برداری فیزیکی و نقشه برداری ژنتیکی ، ابداع شد. دو روش اساسا متفاوت برای جمع بندی نقشه های ژنی کروموزومهای انسان وجود دارد. نقشه برداری فیزیکی و نقشه برداری ژنتیکی. در نقشه برداری فیزیکی ، با استفاده از سنجشهایی که نمایانگر فاصله فیزیکی بین ژنهاست، محل ژنها را در جایگاههای خاص در کروموزوم تعیین می کنند. در قدرت تفکیک کم ، نقشه های فیزیکی بر حسب نوارهای ژنتیک سلولی در کروموزومهای متافازی، محل ژن را مشخص می کنند و در قدرت تفکیک حداکثر ، نقشه برداری فیزیکی ، جایگاهها و فواصل بین ژنها را در سنجشهای فیزیکی واقعی مانند طول DNA در واحد جفت باز تعیین می کنند.

ژنتیک سلولهای پیکری

ژنتیک سلولهای پیکری ، مطالعه سازمان یابی ، بروز و تنظیم بیان ژن در سلولهای کشت داده شده بدست آمده از بافتهای پیکری (در مقابل رده زاینده) است. ژنتیک سلولهای پیکری از توانایی رشدی تعدادی از انواع مختلف سلولها در کشت سلولی بهره می برد. حفظ موفقیت آمیز کشتها برای زمانی طولانی مستلزم ایجاد محیطهایی است که نیازهای تغذیه ای سلولها را برآورده کنند. کشت سلولی در بسیاری از شرایط مفید بوده است. این روش ، تزاید یک سلول منفرد با ساختار ژنتیکی معین را جهت ایجاد تعداد زیادی سلول که از نظر ژنتیکی با سلول اولیه یکسان باشند، مقدور می سازد. فیبروبلاستها که معمولا از نمونه های پوستی کوچک تکثیر داده می شوند از مفیدترین انواع سلول برای مطالعات ژنتیک سلولهای پیکری می باشند.

نقشه برداری از طریق انتقال کروموزوم

انتقال کروموزوم ، شیوه آزمایشگاهی پرقدرتی است که انتقال کروموزومهای کامل یا قطعاتی از کروموزومها را از یک سلول دهنده به یک سلول پذیرنده در کشت مقدور می سازد. به محض آنکه مشخص شد انسان و سلولهای سایر پستانداران را می توان در محیط کشت حفظ کرد متخصصان ژنتیک شروع به انتقال کروموزومها از سلولهای یک گونه به سلولهای گونه دیگر کردند تا ژنهای مختلف و اللهای آنها را به صورت دودمانهای مجزای سلولی جدا کنند. با تعیین اینکه پس از انتقال کروموز ومها یا قطعات کروموزومی خاص ، کدام ژنها در یک سلول گیرنده وجود دارند، می توان جایگاه کروموزومی ژنهای انتقال یافته را تعیین کرد.

هیبرید سازی سلول پیکری

رایج ترین روش انتقال کروموزم ، ادغام کردن سلولهای پیکری از گونه های مختلف جهت ایجاد هیبریدهای سلولی پیکری است. وقتی آمیخته ای از سلولهای پیکری انسان و جوندگان را که به صورت تک لایه یا در سوسپانسیون رشد می کند، در معرض ترکیباتی قرار دهیم که ادغام غشای پلاسمایی سلولهارا پیش می برند، ممکن است دو سلول در هم ادغام شوند و یک سلول هیبرید منفرد ایجاد کنند. بلافاصله پس از ادغام ، دو هسته در داخل سیتوپلاسم یکسانی مجزا نگه داشته می شوند. اگر هیبرید تازه تشکیل شده حاوی هسته هایی از دو گونه متفاوت مانند انسان و جونده باشد، به آن هسته هتروکاریون گفته می شودپس از آنکه یک هتروکاریون ، تحت میتوزقرار گرفت، محتوای دو هسته به صورت یک هسته هیبرید منفرد ، در هم ادغام می شوند و با تقسیم سلولی بیشتر ، تعداد متغیری از کروموزومهای انسانی را بطور تصادفی از هیبریدهای انسان- جونده از دست می دهند که علل آن ناشناخته است. در نتیجه از دست رفتن تصادفی کروموزومهای انسانی ، سلولهای هیبریدی دختر مختلف حاوی تعداد و ترکیبات متفاوتی از کروموزومهای انسانی می باشند. با استفاده از تعدادی روش تعیین کاریوتیپ که کروموزومهای جوندگان و انسان را از هم افتراق می دهند، می توان هر دودمان مستقل از سلولهای هیبریدی را مجزا کرد و از نظر محتوای کروموزوم انسانی تجزیه و تحلیل نمود.

پانلهای نقشه برداری هیبریدسلولهای پیکری

از دست دادن یا حفظ تصادفی کروموزومها در هیبریدهای هتروکاریون ، دودمانهایی حاوی زیر گروههای مختلفی از کروموزومهای انسانی را ایجاد می کند. می توان گروهی از دودمانهای هیبرید سلولهای پیکری مستقل را که پانل (Panel) نامیده می شود، برای نقشه برداری یک ژن یا قطعه DNA انسانی روی کروموزوم انسانی خاص استفاده کرد که این کار با آزمایش ساده هیبریدها در پانل صورت می گیرد و هر یک از آنها حامل کروموزومهای انسانی متفاوتی از نظر وجود یا فقدان یک ژن خاص است. نتایج را با کروموزومهای انسانی باقیمانده در هر هیبرید تطبیق می دهند تا میزان همبستگی بین وجود یک کروموزم خاص و وجود ژن را تعیین کنند.به این طریق ، مثلا وجود یا فقدان ژن آنزیم هگزوز آمینیداز A که جهشهای آن موجب بیماری تی ساکس می شوند، مرتبط با وجود کروموزم انسانی 15 در پانلی از هیبریدهای سلول پیکری نشان داده شده است. تمام هیبریدهایی که کروموزوم انسانی 15 را حفظ کرده اند، حاوی ژن این آنزیم بودند. هیچ یک از هیبریدهای فاقد کروموزوم 15 واجد ژن این آنزیم نبودند. این همبستگی کامل ، صرفا برای کروموزوم 15 و نه برای کروموزوم دیگری از انسان مشاهده شده، لذا می توان ژن آنزیم هگزوز آمینیداز A را به کروموزوم 15 نسبت داد. این نوع تجزیه تحلیل همبستگی در پانلی از هیبریدهای هتروکاریون ، ما را قادر به انتساب هزاران ژن به هر یک از کروموزومهای انسانی کرده است.
.

تعیین محل ژن روی ناحیه خاصی ازیک کروموزوم

مطالعات با استفاده از هیبریدهای انسان – جونده ، انتساب یک ژن به کروموزوم خاصی را مقدور می سازند. با جداسازی کروموزومهای انسانی دارای ساختمان غیر طبیعی ، در هیبریدهای سلولهای پیکری می توان قدرت تفکیک را بالا برد. اگر ژن خاصی فقط در آن دسته از هیبریدهایی که کروموزوم حذف شده یا جابجا شده دارند موجود باشد، می توان محل ژن را در بخش از کروموزوم حفظ شده در هیبریدها تعیین کرد. از طرف دیگر ، اگر محل ژنی روی یک کروموزوم خاص معلوم باشد، اما این ژن در هیبریدی حاوی یک نسخه حذف شده یا جابجا شده از آن کروموزوم وجود نداشته باشد، محل ژن را می توان به بخش کروموزوم غایب منتسب کرد.

نقشه برداری هیبرید پرتویی

اگر چه هیبریدسازی سلولهای پیکری با کروموزومهای واجد ساختمان غیر طبیعی می تواند محل یک ژن را روی بخش خاصی از یک کروموزوم تعیین کند، نواحی کروموزومی مشخص شده هنوز در مقایسه با اندازه یک ژن متوسط ، کاملا بزرگ محسوب می شوند. با نقشه برداری هیبرید پرتویی ، می توان نقشه برداری ژنی را با قدرت تفکیک به مراتب بالاتر انجام داد. در این روش ، سلولهای انسانی را تا حد کشنده ای تحت اشعه ایکس قرار می دهند تا کروموزومها قطعه قطعه شوند وسپس آنها را با سلولهای پیکری یک جونده که فاقد آنزیم هیپوگزانتین گوانین فسفوریبوزیل ترانسفراز است، هیبرید می کنند. هیبریدهای حاوی قطعات کروموزومی انسانی را می توان به کمک انتخاب در محیط کشت HAT از هم جدا کرد، زیرا هیبریدهای حاوی قطعه کروموزوم حامل هیپوگزانتین گوانین فسفوریبوزیل ترانسفراز (HPRT) ، همیشه واجد نوعی آرایش تصادفی قطعات کروموزومی انسانی دیگر نیز می باشند. سلولهای انسانی ادغام نشده ، بر اثر صدمه کروموزومی شدید می میرند. در حالی که سلول های ادغام نشده سلول جونده فاقد (HPRT) در محیط کشت HAT می میرند.

هر چه دو ژن انسانی روی کروموزوم به هم نزدیکتر باشند، احتمال بروز شکستگی ناشی از پرتو ایکس بین آنها کمتر است. در نتیجه دو ژن مجاور هم از نظر فیزیکی ، در بسیاری از هیبریدهای یکسان حفظ می شوند. اما ژنهایی که نزدیک یکدیگر نیستند، معمولا روی قطعات کروموزومی مختلف قرار دارند و در هیبریدهای یکسان موجود نیستند. نوعی تجزیه و تحلیل آماری در مورد اینکه میزان همبستگی دو ژن در دودمانهای هیبرید پرتویی چقدر است، سنجشی از فاصله بین دو ژن فراهم می کند. با استفاده از مقادیر کمتر یا بیشتر پرتوهای ایکس جهت ایجاد فراوانیهای مختلف شکست و در نتیجه قطعات با اندازه های متغیر می توان قدرت تفکیک نقشه برداری هیبرید پرتویی را تنظیم کرد.

نقشه برداری ژنی با استفاده از هیبریدسازی فلورسانس درجا

با استفاده از شیوه هیبریدسازی درجا که شامل هیبرید کردن مستقیم کاوشگرهای DNA یا RNA نشاندار با کروموزومهای متافازی است، می توان محل ژن را مستقیما مشاهده کرد. دو رشته DNA کروموزوم متافازی را در روی لام از هم جدا می کنند تا هیبرید کردن با یک کاوشگر نشاندار مقدور شود. سپس محل علامت هیبرید سازی و در نتیجه جایگاه ژنی که کاوشگر با آن هیبرید می شود، در زیر میکروسکوپ تعیین می گردد. شیوه هایی برای نقشه برداری توالیهای ژنی تک نسخه ای به روش هیبریدسازی درجا ایجاد شده اند که شناسایی سریع کاوشگرهای هیبرید شده نشاندار غیر رادیواکتیو با ترکیبات قابل مشاهده در زیر میکروسکوپ فلوروسانس را امکان پذیر می سازند. حتی در یک گسترش متافازی منفرد می توان محل ژن مورد نقشه برداری را به راحتی دید. هیبریدسازی فلوروسانس درجا (FISH) ، همراه با شیوه های نوار بندی برای شناسایی کروموزومها ، برای تعیین محل ژنها در ناحیه ای به اندازه 2 – 1 میلیون جفت باز در طول کروماتین بسیار متراکم شده یک کروموزوم متافازی یا پرومتافازی ، بکار می رود.نقشه برداری با قدرت تفکیک تا حدی بیشتر ، از طریق نقشه برداری FISH ، قطعات DNA با استفاده از رشته های کروماتینی اینترفازی (FISH رشته ای) که تراکم به مراتب کمتری نسبت به کروموزومهای متافازی دارند، قابل انجام است. از طریق نشاندار کردن با رنگهای مختلف ،

نشانگرهایی به نزدیکی چند صد کیلو باز از هم ، جداسازی شده اند و ترتیب آنها در رابطه با یکدیگر تعیین شده است. FISH رشته ای در تحقیقات پیرامون شناسایی ژنهای بیماریهای انسانی بسیار کمک کننده بوده است. زیرا این روش اطلاعات جزء به جزء در مورد ترتیب و فاصله بین هر یک از ژنها در مجاورت یک ژن بیماری فراهم می سازد.

چشم انداز بحث

نقشه برداری از ژنهای انسان یکی از سریع الرشد ترین حوزه های مطالعه در ژنتیک پزشکی امروزی است. داشتن نقشه ژنی کامل انسان ، به معنای دانستن جایگاه تقریبا 5 هزار ژن روی 24 کروموزوم ، محلهای آنها در ارتباط با یکدیگر و فواصل بین آنهاست. این اطلاعات نقشه ای بسیار با ارزش است. نه تنها از این جهت که می توان از آن برای تشخیص بیماریها و مشاوره ژنتیکی استفاده کرد بلکه به این علت که روش مستقیمی برای شناسایی ژنهای مسئول بیماریهای ژنتیکی فراهم می کند.

همانند سازی ژنتیکی

پیشرفتهایی که در سده اخیر نصیب علم ژنتیک شده است، تا حدود زیادی مرهون مطالعه و بررسی وراثت در باکتریها است. امروزه ثابت شده است که مکانیسمها ژنتیکی در باکتریها از نظر واکنشهای شیمیایی مشابه یاخته های یوکاریوت است. پروکاریوتها موجودات ساده و مناسبی برای بررسیهای ژنتیکی هستند. زیرا در آنها تنها یک مولکول DNA در هر یاخته وجود دارد و این DNA دارای ساختار کروموزمی پیچیده ای نیست. استفاده از میکروارگانیسمها به عنوان ابزار مطالعه ژنتیکی دارای نقاط ضعفی نیز است. اول آنکه کوچکی اندازه این موجودات بررسی ویژگیهای ظاهری هر یاخته را دشوار می سازد. دوم آنکه تولید مثل جنسی در این موجودات وجود ندارد و یا بطور ناقص دیده می شود. پس از اینکه ساختار مولکولی DNA که نخستین بار بوسیله واتسون و کریک معرفی و ارائه شد، نحوه بیوسنتز آن را نیز در یاخته مشخص کردند. در اواخر سالهای 1950 ، کریک اصل بنیادی را مطرح کرد. این اصل بیان کننده چگونگی انتقال اطلاعات ژنتیکی از مولکول DNA به RNAو ترجمه آن در پروتئینهااست.

همانندسازی DNA

در مطالعات اولیه برای همانندسازی سه الگو مطرح شد که شامل الگوهای حفاظتی ، نیمه حفاظتی و پراکنده است. در الگوی حفاظتی از روی مارپیچ دو رشته ای DNA ، یک مولکول کامل DNA ساخته می شود. در الگوی نیمه حفاظتی ابتدا دو رشته DNA از هم باز شده و در مقابل هر یک از رشته ها ، رشته مکمل ساخته می شود. در الگوی پراکنده ابتدا مولکول DNA به قطعاتی تقسیم می گردد و هر یک از قطعه رشته مکمل خود را سنتز می کند. واتسون و کریک با پژوهشهای خود بر روی مولکول DNA ، الگوی نیمه حفاظتی را منطقی و تنها راه همانند سازی می دانستند. سپس مزلسون و استال با انجام آزمایشهای بسیار ظریف و مهم ، درستی چنین الگویی را به اثبات رساندند.

آزمایش مزلسون و استال

مزلسون و استال برای اثبات فرآیند همانند سازی آزمایشی انجام دادند که به شرح زیر می باشد. آنها ابتدا یاخته های باکتری اشرشیاکلی را در محیط کشت ویژه ای که نیتروژن آن از نوع سنگین (N15) بود، برای زمان معین کشت دادند و سپس یاخته ها را به محیط کشت عادی که نیتروژن آن از نوع سبک (N14) بود، انتقال دادند و در محدوده های زمانی معین از یاخته های نسلهای اول ، دوم و سوم حاصل از محیط کشت جدید ، نمونه برداری کرده و DNA آنها را به روشهای اختصاصی جدا ساختند. نمونه های DNA بر روی گرادیان (شیب) چگالی کلرور منیزیم سانتریفوژ شده و در این روش ترکیبات مختلف بر اساس چگالی آنها جدا سازی می شوند.
بدین ترتیب DNA واجد وزنهای متفاوت از یکدیگر جدا می شوند. DNA معمولی که N14 دارد DNA سبک به علت داشتن چگالی کمتر در بالای لوله قرار می گیرد. در حالی که مولکول DNA با N15 سنگیندر محلی پایین تر از DNA سبک واقع می شود. DNA های واجد مقادیر متفاوت N15 و N14 نیز در بینابین این دو حد جای می گیرند.

با کشت یاخته های دارای DNA واجد نیتروژن سنگین در محیط کشت حاوی نیتروژن سبک مشاهده می شود که مولکول DNA ماهیت سبک – سنگین پیدا می کند. یعنی دو رشته DNA کاملا از هم باز شده و رشته هایی در تکمیل هر یک از دو رشته قبل ساخته می شود. این رشته های جدید همگی دارای نیتروژن سبکمحیط کشت جدید هستند. با ادامه کشت در نسلهای دوم و سوم ملاحظه می شود که از میزان DNA سبک – سنگین کم شده و به DNA سبک افزوده می شود.

نتیجه آزمایش مزلسون و استال

مزلسون و استال با چنین مشاهداتی نتیجه گرفتند که همانند سازی در مولکول DNA به طریق نیمه حفاظتی صورت می گیرد که مستلزم باز شدن دو رشته از هم و سنتز مولکول DNA جدید در مقابل هر رشته قدیم است. این پدیده به نام همانند سازی مشهور است.

آنزیمهای لازم در همانند سازی

آنزیمهای پلیمراز

آنزیمهایی هستند که پلیمر شدن زنجیره های پلی نوکلئوتیدی را کاتالیز می کنند. تا کنون سه نوع آنزیم پلیمراز به نامهای Ι و ΙΙ و ΙΙΙ جداسازی و مشخصات آنها ارائه شده اند. از بین آنها آنزیم پلیمراز ΙΙΙ نقش اصلی را در سنتز DNA دارد. از خصوصیات مهم آن ، این است که منحصرا نوکلئوتیدها را در جهت '5 به '3 بهم متصل می کنند و در جهت عکس نمی تواند عمل کند. آنزیم پلیمراز ΙΙ نیز در مرحله ای از سنتز DNA وارد شده و سنتز را در جهت '3 به '5 پیش می برد. و آنزیم پلیمراز I عمل ترمیم همانند سازی را انجام می دهد.

آنزیم هلیکاز

این آنزیم به مولکول DNA دو رشته ای متصل شده و با عمل خود موجب باز شدن دو رشته از یکدیگر می شود

آنزیم لیگاز

در مرحله ای از سنتز DNA وارد عمل شده و دو رشته DNA را بهم پیوند می دهد.

آنزیم پریماز

آنزیمی است که در ساختن قطعه کوچک RNA پرایمر ، هنگام همانند سازی وارد عمل شده و نوکلئوتیدهایی از نوع اسید ریبونوکلئوتید را به یکدیگر متصل می کند. تعدادی پروتئینهای ویژه وجود دارند که پس از باز شدن دو رشته DNA از یکدیگر به محلهای باز شده متصل شده و مانع اتصال مجدد دو رشته به یکدیگر می شوند.

همانند سازی متوالی

در روی مولکول DNA نقاطی وجود دارند که همانند سازی از آنها آغاز می شود. این نقاط مبدا همانند سازی خوانده می شوند. در DNA باکتریها ، یک مبدا همانند سازی و در DNA موجودات عالی ، تعدادی زیادی از این مبدا وجود دارند. هنگام همانند سازی ابتدا آنزیم هلیکاز به مارپیچ دو رشته ای DNA متصل شده و پیچش DNA را در آن نقطه باز می کند. پرتئینهای DBP به ناحیه باز شده هجوم آورده و با اتصال به DNA تک رشته ای مانع از جفت شدن بعدی DNA می شوند. ناحیه ای را که هلیکاز به آن متصل می شود، چنگال همانند سازی می نامند. همانند سازی به صورت دو سویه است. آنزیم پلیمراز ΙΙΙ که اتصال نوکلئوتیدها را به یکدیگر به عهده دارد، فقط می تواند همانند سازی را در جهت 3 به 5 پیش ببرد. در این حالت دو رشته مولکول DNA در خلاف جهت یکدیگر هستند. در نتیحه رشته ای که در جهت '5 به '3 سنتز می شود، به راحتی سنتز DNA را آغاز کرده و پیش می برد. این رشته به نام رشته راهنما معروف است. در همانند سازی این رشته را متوالی می نامند.

همانند سازی نامتوالی

در مولکول DNA رشته ای که '5 آزاد دارد، سنتز DNA طبق آنچه درباره رشته راهنما ذکر شد، انجام نمی گیرد. دلیل آن این است که آنزیم پلیمراز ΙΙΙ نمی تواند نوکلئوتیدها را در جهت 3 به 5 کاتالیز کند. لذا می بایست مکانیسم دیگری برای سنتز این رشته از DNA وجود داشته باشد. این رشته DNA به نام رشته عمل کننده یا پیرو معروف است. در این حالت ابتدا دو رشته DNA در فواصل معینی از یکدیگر باز شده و آنزیم پریماز در آن محل قرار می گیرد و با استفاده از ریبونوکلئوتیدها ، RNA کوچکی ساخته می شود که RNA پرایمر نام دارد. انتهای 3 این RNA کوچک که از روی الگوی DNA ساخته شده است، می تواند به آنزیم پلیمراز III امکان دهد تا دزاکسی ریبونوکلئوتیدها را به انتهای آن متصل کند. لذا در این رشته از مولکول DNA قطعاتی از DNA سنتز می شوند که قطعات اوکازاکی نام دارد. اوکازاکی نخستین کسی بود که این قطعات سنتز شده DNA را با میکروسکوپ الکترونی مشاهده کرد در این حالت آنزیم پلیمراز I وارد عمل شده و به ترتیب یکی یکی ریبونوکلئوتیدها را در جهت 5 به 3 برداشته و به جای آنها نوکلئوتیدهای از انواع دزاکسی جایگزین می کند تا این که قطعات همه از نوع دزاوکسی شوند. سپس انتهای قطعات ساخته شده بوسیله آنزیم لیگاز به هم متصل شده و یک رشته ممتد DNA حاصل می شود. اندازه هر قطعه اوکازاکی حدود 1000 تا 2000 نوکلئوتید است.

زیست سلولی و مولکولی
استاد مربوطه:
تهیه و تنظیم: