شارح الدرس: الجينات المُتكامِلة الأحياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف تأثير الجينات المتكامِلة على التعبير الجيني، ونطبِّق ذلك على أمثلة مُعطاة.

الجينات المتكاملة هي أحد أنواع تداخل فعل الجينات بين جينين مختلفين يعملان معًا لتكوين نمط ظاهري أو صفة ظاهرية معيَّنة. ويرتبط استخدام كلمة «مُتكامِلة» بالعلاقة بين الجينين اللذين يكوِّنان النمط الظاهري. فكلمة «مُتكامِلة» مشتقة من «التكامل»، و«تكامُل» الأشياء يعني أنها «يكمِّل» بعضها بعضًا. إذن يمكننا التفكير في الجينات المتكاملة على أنها جينات «يكمِّل» بعضها بعضًا لتكوين ناتج ظاهري.

الجينات المتكاملة مثالٌ على تداخل فعل الجينات اللامندلي. والأنماط الوراثية لتداخل فعل الجينات هذا معقَّدة؛ لأنها تتطلَّب عادةً أكثر من جين واحد لصفة معيَّنة. على سبيل المثال، تساعد الجينات المتكاملة على التحكُّم في لون الزهور في نبات البازلاء الحلوة. هذا يعني أن هذا اللون يعتمد على تفاعل جينين مختلفين من أجل «إكمال مسار» معيَّن وإظهار لون معيَّن للزهرة.

لعلك تتذكَّر أن الجين يتكوَّن عادةً من أليلين أو نسختين جينيتين يتحكَّم كلٌّ منهما في سمة مختلفة لصفة معيَّنة. والنمط الجيني للفرد هو مزيج من الأليلين اللذين يساهمان في النمط الظاهري. وعلى الرغم من أن النمط الجيني قد يوضِّح لنا ما هو ممكن وراثيًّا، يظل النمط الظاهري هو الناتج الظاهري الفعلي.

تخالف تداخلات فعل الجينات من نوع الجينات المتكاملة الأنماط المندلية المعروفة للوراثة، وتؤكِّد حقيقة أن ليس كل الجينات تفرض نمطًا ظاهريًّا فريدًا واحدًا.

في النمط الجيني، يساعد عادةً أليل واحد في تحديد النمط الظاهري. ويعتمد الأليل الذي يساعد في تحديد النمط الظاهري على كون الأليلات سائدة أو متنحية. فيساعد الأليل السائد في تحديد الناتج الظاهري للصفة. والصفة المرتبطة بالأليلات المتنحية يخفيها عادةً الأليل السائد، ولا تساعد في تحديد النمط الظاهري. وعند اقتران أليل متنحٍّ بأليل متنحٍّ آخر، يُعبَّر عن الصفة المتنحية.

عند كتابة النمط الجيني، نرمز إلى الأليل السائد بحرف كبير، في حين نرمز إلى الأليل المتنحي بحرف صغير. على سبيل المثال، في حالة الجين B، نكتب الأليل السائد في صورة B، ونكتب الأليل المتنحي في صورة b. والنمط الجيني B، الذي يحتوي على أليل سائد واحد وأليل متنحٍّ واحد، يُرمَز إليه بالرمز Bb.

أثناء عمل الجينات المتكاملة، تعمل الأليلات السائدة للجينين معًا للمساهمة في النمط الظاهري. أما إذا كان أيٌّ من الجينين لا يتضمَّن الأليل السائد، فلن يمكن ملاحظته في النمط الظاهري. فالأليلات السائدة لكلا الجينين ضرورية «لإكمال» المسار وإنتاج الصفة المحدَّدة.

لتوضيح هذا العمل المتكامل بين الجينات، هيا نُلقِ نظرة فاحصة على تجربة زهور نبات البازلاء الحلوة التي أجراها ويليام بيتسون وريجينالد بونت لاكتشاف الجينات المتكاملة.

أجرى بيتسون وبونت تجاربهما على نبات Lathyrus odoratus، وهو نبات بازلاء حلوة يحتوي عادةً على زهور أرجوانية. وفي تجاربهما، استخدما نوعين مختلفين من هذا النبات لهما زهور بيضاء. في الخطوة الأولى من تجاربهما، هجَّن العالمان نوعين مختلفين من الزهور البيضاء للبازلاء الحلوة، وأنتجا جيلًا أول من الزهور الأرجوانية اللون. يوضِّح الشكل 1 مثالًا للنباتين الأبوين المستخدَمين في التهجين الأول، والجيل الأول من الزهور.

أما في الجيل الثاني، هجَّن بيتسون وبونت زهرتين أرجوانيتين من الجيل الأول. وفي الجيل الثاني من الزهور، بلغ إجمالي ما عدَّه العالمان من النباتات ذات الزهور الأرجوانية 382 نباتًا، ومن النباتات ذات الزهور البيضاء 269 نباتًا. يوضِّح الشكل 2 مربع بونت يُظهِر الفرق بين النمط الجيني والأنماط الظاهرية الملحوظة.

كانت نسبة النمط الظاهري للزهور الأرجوانية إلى الزهور البيضاء . بوجهٍ عام، تساعد نسبة النمط الظاهري في تقدير احتمالية تكوُّن النمط الظاهري في النسل. أدهشت هذه النتيجة المتمثِّلة في 9 زهور أرجوانية إلى 7 زهور بيضاء بيتسون وبونت. فكانا يتوقعان نسبة النمط الظاهري التي تظهر في التهجين الثنائي ()، وهي النسبة التي نراها عادةً عند تهجين جينين مختلفين يتحكَّمان في صفتين مختلفتين. لكن النمط الظاهري الفعلي لزهور البازلاء الحلوة أشار إلى أن ما لاحظه العالمان كان نوعًا جديدًا من الوراثة مختلفًا عما يظهر في التهجين الثنائي.

نُلقي نظرة فاحصة على سبب وجود تغيُّر في نسب النمط الظاهري لنباتات البازلاء الحلوة، وكيف لا يُرَى هذا التعديل سوى في نسب النمط الظاهري، وليس في نسب النمط الجيني.

بعد سنوات من ملاحظة بيتسون وبونت لأول مرة نسبة للزهور الأرجوانية إلى البيضاء، تمكَّن العلماء من اكتشاف سبب التغيُّر في نسبة النمط الظاهري في زهور البازلاء الحلوة. في نباتات البازلاء الحلوة، لا بد أن يحدث مسار كيميائي حيوي مكوَّن من خطوتين لإنتاج الزهور الأرجوانية.

في زهور البازلاء الحلوة، يعمل معًا جينان مختلفان؛ وهما الجين C والجين P، في مسار مكوَّن من خطوتين لإنتاج صبغة أرجوانية. يمكن التعبير عن ذلك أيضًا بقولنا إن نواتج الجين C تكمِّل نواتج الجين P لإنتاج الصبغة الأرجوانية.

يتحكَّم الجين C في الخطوة الأولى من التفاعل الكيميائي الحيوي، ويشفر لإنتاج الإنزيم الذي يُحفِّز التفاعل في الخطوة الأولى من المسار. ويُستخدَم الناتج النهائي لهذا التفاعل لبدء الخطوة الثانية. والخطوة الثانية في التفاعل الكيميائي الحيوي يتحكَّم بها الجين P الذي يشفر لإنتاج الإنزيم P الذي يُحفِّز بدوره التفاعل الثاني. يوضِّح الشكل 3 مخططًا لهذه العملية.

لكي يعمل المسار الكيميائي الحيوي بشكل طبيعي، لا بد من وجود أليل سائد لكلا الجينين C وP في النمط الجيني لتشفير إنتاج إنزيمات فعالة. وكلا الجينين C وP لهما أليل سائد (C وP) وأليل متنحٍّ (c وp). يشفر الأليلان السائدان C وP إنتاج الإنزيمات الفعالة اللازمة لإنتاج الصبغة الأرجوانية، ويشفر الأليلان المتنحيان c وp لإنتاج الإنزيمات المُعطلة وظيفيًّا.

إذا كانت أيُّ خطوة من خطوتَي المسار الكيميائي الحيوي، اللتين يتحكَّم بهما الجينان C وP، تتضمَّن أليلين متنحيين مع عدم وجود أليل سائد، فلن تتمكَّن كلتا الخطوتين من إنتاج الإنزيمات الفعالة. ودون إنزيمات فعالة في الخطوة 1 أو 2، لا يمكن للمسار الكيميائي الحيوي إنتاج الصبغة الأرجوانية، ولن ينتج سوى الزهور البيضاء. هذا يعني أن وجود أي أليلات متنحية متماثلة الزيجوت (متطابقة) وغياب أيٍّ من الأليلين السائدين يؤدي إلى إنتاج زهور بيضاء. ومن ثَمَّ، في الأنماط الجينية مثل ccPP، وCCpp، وccPp، وCcpp، لا تُظهِر الصبغة الأرجوانية.

مثال ٣: تحديد ناتج الجينات المُعطلة وظيفيًّا في عمل الجينات المتكاملة

يمكن أن تكون زهور نباتات البازلاء الحلوة أرجوانية أو بيضاء اللون. يوضِّح المخطط المسار الكيميائي الحيوي الذي يسمح بإنتاج الزهور الأرجوانية في نباتات البازلاء الحلوة.

إذا حدثت طفرة في الجين (B) جعلت الإنزيم الذي يشفره الجين معطلًا وظيفيًّا، فماذا سيكون ناتج ذلك؟

1. سيكون للنبات زهور بيضاء.
2. سيكون للنبات زهور أرجوانية.
3. لن يكون للنبات أي زهور.
4. سيذبل النبات ويموت.

الحل

في المخطط الموضَّح، نرى عملية كيميائية حيوية مكوَّنة من خطوتين تنتهي بإنتاج صبغة أرجوانية في نباتات البازلاء الحلوة. يوضِّح لنا المخطط أن بروتينًا بدائيًّا عديم اللون يتأثَّر بالإنزيم (A) (ويُعبِّر عنه بواسطة الجين (A))، الذي يحفِّز الخطوة الأولى من التفاعل.

ثم بعد ذلك، تُستخدَم نواتج الخطوة الأولى من هذا المسار الكيميائي الحيوي في الخطوة الثانية من المسار لإنتاج صبغة أرجوانية في زهور نباتات البازلاء الحلوة. ويشفر الجين (B) لإنتاج الإنزيم (B) الذي يحفِّز الخطوة الثانية من التفاعل.

نواتج كلا الجينين (A) و(B) ضرورية لإنتاج الصبغة الأرجوانية. وإذا كانت أيُّ خطوة من الخطوتين مُعطلة وظيفيًّا، فلن تنتج صبغة أرجوانية، ولن يُنتِج نبات البازلاء المتأثِّر بها سوى زهور عديمة اللون/بيضاء.

ومن ثَمَّ، إذا أدت طفرة في الجين (B) إلى جعل الإنزيم الذي يشفره معطلًا وظيفيًّا، فستكون النتيجة هي الخيار أ. سيكون للنبات زهور بيضاء.

بما أن الزهور البيضاء لنبات البازلاء الحلوة تنتج عن الأليلات المتنحية المتماثلة الزيجوت لجين واحد على الأقل من الجينين، فلاحظ أن نسبة الصفة الظاهرية أو نسبة النمط الظاهري تتغيَّر. هذا يعني أنه في أي نمط جيني يتضمَّن أليلًا سائدًا واحدًا على الأقل للجين C والجين P، يمكن إنتاج زهرة أرجوانية. يوضِّح المخطط في الشكل 4 كيف يؤدِّي غياب أليل سائد في أحد الجينين إلى جعل النمط الجيني يُنتج إما نمطًا ظاهريًّا أبيض أو أرجوانيًّا.

يوضِّح الشكل 4 التهجين الجيني الذي ينتج زهور بازلاء حلوة أرجوانية وبيضاء من خلال الجينات المتكاملة. تُوجَد تسع مجموعات من الأليلات في الجيل الثاني تتضمَّن أليل C سائدًا واحدًا أو أليل P سائدًا واحدًا على الأقل؛ ما ينتج عنه النمط الظاهري للزهور الأرجوانية. وتُوجَد سبع مجموعات ينتج عنها إما cc وإما pp؛ ممَّا يؤدِّي إلى إنتاج النمط الظاهري للزهور البيضاء.

وهذا يُعطينا نسبة نمط ظاهري للزهور الأرجوانية إلى الزهور البيضاء تساوي 9 إلى 7؛ لأن الأنماط الجينية المتغايرة الزيجوت لكلا الجينين يظل لها لون أرجواني. ومن ثَمَّ، فإن عمل الجينات المتكاملة بين الأليلين السائدين هو المسئول عن التغيُّر في نسبة النمط الظاهري دون تغيُّر في نسبة النمط الجيني.

نلخِّص الآن ما تعلَّمناه في هذا الشارح.