شارح الدرس: تركيب الجينوم الأحياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف تركيب جينوم حقيقيات النوى وبدائيات النوى.

كان مشروع الجينوم البشري مشروعًا عالميًّا لتحديد تتابع الحمض النووي (DNA) كاملًا داخل الخلية البشرية. وقد بدأ المشروع في عام 1990 ونُشرت النسخة الأوَّلية في عام 2001 (حيث حُدِّد تتابع حوالي تقريبًا من إجمالي 3.0 إلى 3.2 مليارات نيوكليوتيدة في الجينوم). اكتملت النسخة النهائية في عام 2003. قُدِّرت التكلفة إجمالًا بـ 2.7 مليارًا دولار أمريكي تقريبًا.

في عام 2016، أصبح من المُمكِن تحديد تتابع الجينوم البشري بأقلَّ من $ 1‎ ‎500.

يتعلَّق جزء كبير من هذا التناقض بتطوير تقنية جديدة لتحديد تتابع الحمض النووي. إن تحديد تتابع DNA عملية يُحدَّد فيها ترتيب النيوكليوتيدات في DNA (الجوانين، السيتوزين، الثايمين، الأدينين). وكانت التقنية الأقدم تقتصر على تحديد تتابع قِطَع قصيرة من DNA (200–250 نيوكليوتيدة) وتجميعها من خلال البحث عن تتابعات مُتراكِبة. استمرَّ التطوُّر التكنولوجي، وفي عام 2008: أصبح من المُمكِن تحديد تتابع ملايين النيوكليوتيدات في المرَّة الواحدة. ونظرًا لهذا التقدُّم، اعتبارًا من عام 2020، حُدِّد تتابع الجينوم لأكثر من 58‎ ‎000 كائن حي.

إذن ما الذي تعلَّمناه بعد تحديد تتابع كلِّ هذه الجينومات؟ نَصِف أولًا ما تُشير إليه كلمة «جين»، وكلمة «علم الجينوم».

الجين مقطعٌ من DNA يحمل شفرة ناتج جيني محدَّد. وقد يكون هذا الناتج بروتينًا له وظيفة محدَّدة، مثل الإنسولين الذي يعمل على تنظيم مستويات السُّكَّر في الدم، أو يُمكن أن يكون حمضًا نوويًّا ريبوزيًّا (RNA) له وظيفة محدَّدة، مثل الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي الذي يشارك في تجميع الريبوسوم، وهو موقع تخليق البروتينات.

الجينوم كلُّ الحمض النووي (DNA) لكائن حي، على الرغم من وجود فروق دقيقة في استخدامات هذه الكلمة. ففي بعض الحالات، يُمكن أن نُشير إلى جينوم عُضيات محدَّدة، مثل الميتوكوندريا أو البلاستيدة الخضراء، وكلتاهما لها DNA الخاصُّ بها، أو يُمكن أن نُشير إلى جينوم خلية محدَّدة، مثل خلية وَرَم، وهو ما قد يكون مختلفًا عن جينوم الخلايا الموجودة في النسيج المُحيط بها. وجينوم الفيروس قد يتكوَّن من RNA بدلًا من DNA. بوجهٍ عامٍّ، وفي سياق هذا الشارح، يُشير الجينوم إلى كلِّ المادة الوراثية لكائن حي.

إذن، ما بعض خواص الجينوم؟

يعتمد هذا على كَوْن ما تنظر إليه من بدائيات النوى أو حقيقيات النوى. لعلك تتذكَّر أن بدائيات النوى كائناتٌ حيةٌ تَفتقر إلى العُضيات المُحاطة بالأغشية والنواة داخل خلاياها، أمَّا حقيقيات النوى فتحتوي على عُضيات مُحاطة بأغشية ونواة داخل خلاياها. تتشابه جينومات هذه الكائنات في نواحٍ عديدة، لكن هناك بعض الاختلافات المُهِمَّة. لننظر أولًا إلى جينوم حقيقيات النوى.

لدى حقيقيات النوى DNA مقسَّم إلى كروموسومات منفردة. يحتوي كلُّ كروموسوم على قطعة خطية واحدة من DNA. في البشر، يُوجَد 46 كروموسومًا بمجموع ما يَصِل إلى 6.4–6.0 مليارات نيوكليوتيدة تقريبًا. هذا يساوي ضِعْف العدد الأصلي الذي يساوي 3.2–3.0 مليارات؛ لأن معظم الخلايا في أجسامنا تحتوي على مجموعتين من الكروموسومات. يُمكنك رؤية هذه الكروموسومات البشرية التي يبلغ عددها 46 في شكل 1. لاحِظ أن لدينا 22 زوجًا من الكروموسومات، وكروموسومَيْ X (للأنثى)، أو كروموسوم Y وكروموسوم X (للذكر).

إذن ما عدد الجينات الموجودة في هذا الجينوم العملاق؟

في أوائل تسعينيات القرن العشرين، اعتقد العلماء أن الجينوم البشري يحتوي على ما يَصِل إلى 100‎ ‎000 جين مُشفِّر للبروتين. وكان هذا مقبولًا بسهولة بالنظر إلى مدى تعقيد جسم الإنسان. ولكن بعد نشر مشروع الجينوم البشري، انخفض هذا العدد إلى حوالي 40‎ ‎000. ومع تنقيح البيانات وتحليلها، في عام 2010، انخفض هذا العدد إلى 20‎ ‎000–25‎ ‎000 تقريبًا. متوسط حجم الجين المشفِّر للبروتين في الإنسان يساوي 10‎ ‎000 نيوكليوتيدة تقريبًا.

مثال ١: تعريف الكروموسومات والجينات

أيُّ العبارتين الآتيتين توضِّح العلاقة بين الجينات والحمض النووي (DNA)؟

1. يحتوي الجزيء الواحد من DNA (الكروموسوم) على عدَّة جينات.
2. يحتوي الجين الواحد على عدَّة جزيئات مختلفة من DNA (كروموسومات).

الحل

الكروموسوم جزيء DNA مفرد مضغوط بشدَّة، ويحتوي على العديد من الجينات. والجين مقطعٌ من DNA يحتوي على المعلومات اللازمة لإنتاج بروتين محدَّد أو RNA. على سبيل المثال، الجين الخاصُّ بالإنسولين يحمل شفرة هرمون الإنسولين الذي يعمل على تنظيم مستويات السُّكَّر في الدم. يُوجَد العديد من الجينات الموجودة على كروموسوم واحد. يُمكنك أن ترى ذلك في الصورة الآتية.

هيَّا نلقِ نظرةً على الإجابتين المختلفتين لتحديد أيُّ إجابة منهما توضِّح العلاقة بين الجينات والحمض النووي (DNA).

في الخيار (أ)، العبارة «يحتوي الجزيء الواحد من DNA (الكروموسوم) على عدَّة جينات» دقيقة. يُمكن لجزيء واحد من DNA أن يحتوي على عدَّة جينات تُوجَد على امتداد تتابع DNA.

أمَّا في الخيار (ب)، فإن العبارة «يحتوي الجين الواحد على عدَّة جزيئات مختلفة من DNA (كروموسومات)» غير دقيقة. الجين تتابعٌ من DNA، ويُمكن أن يُوجَد العديد من الجينات في جزيء واحد من DNA. يُمكن ضغط DNA لتكوين كروموسوم.

وعليه فإن الإجابة التي توضِّح العلاقة بين الجينات والحمض النووي (DNA) هي «يحتوي الجزيء الواحد من DNA (الكروموسوم) على عدَّة جينات».

نعلم أن هناك 20‎ ‎000–25‎ ‎000 جين مشفِّر للبروتين في الجينوم البشري بمتوسط حجم يبلغ 10‎ ‎000 نيوكليوتيدة؛ وهذا يمثِّل 200 مليون نيوكليوتيدة. إذا كان طول الجينوم البشري يساوي 3.2–3.0 مليارات نيوكليوتيدة، فما العنصر الذي يمثِّل 3.0–2.8 مليارات نيوكليوتيدة أخرى؟

الإجابة هي DNA غير المشفِّر. وهو DNA الذي لا يحمل شفرة بروتينات. في الواقع، يتكوَّن تقريبًا من الجينوم البشري من DNA غير مشفِّر. في الفترات السابقة، كان يُسمَّى أحيانًا «DNA غير وظيفي»؛ لأنه لا يبدو أن له أيَّ وظيفة. في بعض الحالات، قد يكون هذا صحيحًا، لكن في كثير من الأحيان، لا يكون «DNA غير وظيفي» غير وظيفي على الإطلاق.

ويُمكن أن يَتواجَد DNA غير المشفِّر بالعديد من الأشكال.

يُمكن أن يصنع DNA غير المشفِّر RNA له وظيفة محدَّدة، لكنه لا يحمل شفرة بروتين. وبعضه يُمكن أن يكون تركيبيًّا، على سبيل المثال، RNA الريبوسومي، الذي يُمكن استخدامه لتكوين الريبوسومات من أجل تخليق البروتينات، بينما يُمكن أن يكون لبعضه دَوْر تنظيمي، مثل الأحماض النووية الريبوزية الدقيقة (microRNAs) التي يُمكنها التحكُّم في كيفية التعبير عن الجينات. تؤدِّي هذه الأحماض النووية الريبوزية دَوْرًا مُهِمًّا في الخلية، وعلى الرغم من أنها لا تُشفِّر البروتينات، فإن DNA المُشتقَّة منه ما زال يُعتبَر جينات. اعتبارًا من عام 2018 هناك 17‎ ‎000–22‎ ‎000 جين غير مشفِّر متوقَّع.

ويتكوَّن ثلثا الجينوم البشري تقريبًا من DNA متكرِّر، حيث تتكرَّر تتابعات النيوكليوتيدات مرَّات عديدة. وهذا أحيانًا ما يُسمَّى «الحمض النووي (DNA) التابع». إلى جانب الإنسان، يُوجَد DNA المتكرِّر لدى كائنات حية أخرى؛ على سبيل المثال، يتكرَّر التتابع «AGAAG» 100‎ ‎000 مرَّة تقريبًا في أحد كروموسومات ذبابة الفاكهة. هناك العديد من الأسباب المحتملة لذلك، مثل حدوث تكرار عن طريق الخطأ لجزء من كروموسوم أثناء عملية تضاعُف DNA.

يختلف حجم الجينوم بين حقيقيات النوى. ويُلخَّص ذلك في جدول 1 الآتي. أصغر جينوم في حقيقيات النوى يتكوَّن من أقلَّ من 2.5 مليون نيوكليوتيدة، بينما يتكوَّن أكبر جينوم من أكثر من 150 مليار نيوكليوتيدة. لا تُوجَد علاقة واضحة بين حجم الجينوم ودرجة تعقيد الكائن الحي. إذا كانت هناك علاقة واضحة لكان الجينوم البشري أكبر بكثير من جينوم الزهرة اليابانية Paris japonica، الذي يبلغ حجمه 50 مثلًا من الجينوم البشري.

ولا تُوجَد أيضًا علاقة بين عدد الجينات المشفِّرة للبروتينات ودرجة تعقيد الكائن الحي. يحتوي Triticum aestivum (أحد أنواع القمح) على 107‎ ‎000 جين مشفِّر للبروتين تقريبًا، وهو ما يساوي خمسة أمثال عدد الجينات المشفِّرة للبروتينات في الإنسان تقريبًا. ويُلخَّص ذلك أيضًا في جدول 1 الآتي.

من المُهِمِّ ملاحَظة أن الجينوم يَتشابَه جدًّا بين أفراد نفس النوع، لكنه لا يكون متماثِلًا. هناك اختلافات طفيفة في تتابع DNA.

كما هو موضَّح في جدول 1، لا تُوجَد بالضرورة علاقة بين حجم الجينوم وعدد الجينات المشفِّرة للبروتينات. تكون بعض الجينومات مُكدَّسة بالجينات مقارنة بالجينومات الأخرى. انظر شكل 2 للمقارنة بين مقطع من DNA الخميرة وآخَر للإنسان يتكوَّنان من 50‎ ‎000 نيوكليوتيدة. يُمكنك أن ترى أن هناك عددًا أقلَّ بكثير من الجينات في مقطع DNA الخاصِّ بالإنسان. النسبة المئوية للجينات في الجينوم البشري أقلُّ من تلك الموجودة في جينوم الخميرة؛ لأن هناك كمية أكبر من DNA غير المشفِّر في الجينوم البشري.

جينومات بدائيات النوى أكثر تكدُّسًا!

عادة، وليس دائمًا، ما تكون جينومات بدائيات النوى أصغر وأكثر تكدُّسًا بالجينات مقارنةً بجينومات حقيقيات النوى. لدى معظم بدائيات النوى جينوم يتمثَّل في جزيء DNA واحد دائري. لدى بكتيريا E. coli جينوم يتكوَّن من حوالي 4.6 ملايين نيوكليوتيدة و4‎ ‎400 جين مشفِّر للبروتين. هذه الجينات مُكدَّسة للغاية، وفي بعض الحالات لا يَفصلها بعضها عن بعض سوى نيوكليوتيدة واحدة. يُوجَد عدد قليل جدًّا من تتابُعات DNA المتكرِّرة في بدائيات النوى مقارنة بحقيقيات النوى.

لنلخِّص بعض النقاط الأساسية التي تناولناها في هذا الشارح.