نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نناقش تركيب الجينوم. وسنتعلم ما يشير إليه كل من مصطلحي الجين والجينوم، وما يتكون منه جينوم حقيقيات النوى وبدائيات النوى. كما سنتعرف أكثر على وظيفة الحمض النووي (DNA) المشفر وغير المشفر، ونرى كيف يرتبط ذلك بجينوم حقيقيات النوى وبدائيات النوى.
نمتاز نحن البشر بسمات جيدة. إذ يمكننا المشي في وضع مستقيم، والإمساك بالأشياء باستخدام إبهامنا التي تقابل بقية الأصابع، كما أننا أذكياء أيضًا. ولم نكن لنصل إلى ما وصلنا إليه اليوم دون امتلاك هذه السمات. يرجع الأمر كله إلى DNA، وهو المادة الوراثية الموجودة في معظم خلايا الجسم، والتي تعطي التعليمات اللازمة لنصبح ما نحن عليه. الجينوم هو كل المادة الوراثية للكائن الحي. فهو دليل التعليمات لطبيعتنا الحيوية، ولا يجب أن يستهان به. إذ يمكن أن يمنحنا حياة طويلة وصحية، أو قد نتأثر بالأمراض. لذا، فمن بين أهم مساعي البشرية أن نفهم كل هذا بشكل أفضل، وهذا هو الهدف من مشروع الجينوم البشري.
كان مشروع الجينوم البشري مشروعًا دوليًّا يهدف إلى تحديد تتابع كل DNA الموجود داخل الخلية البشرية. بدأ المشروع في عام 1990، واكتملت المسودة النهائية عام 2003. وقدرت التكلفة إجمالًا بنحو 2.7 مليار دولار. وبحلول عام 2016، أمكن تحديد تتابع الجينوم البشري بأقل من 1500 دولار أمريكي، ويرجع ذلك في الغالب إلى تحسينات في تكنولوجيا تحديد التتابع. واعتبارًا من عام 2020، تم تحديد تتابع أكثر من 58000 جينوم. حسنًا، بعد كل هذا الحديث عن تحديد التتابعات، فماذا نعني بذلك تحديدًا؟ إذا أخذنا DNA من إحدى الخلايا، وفككناه ومددناه بالكامل، فسيبلغ طوله نحو مترين، وهو ما يعادل تقريبًا طول الإنسان الذي يقف هنا.
إذا كبرنا الصورة، فسيظهر DNA مرتبًا في صورة لولب مزدوج كما هو موضح هنا، مع الإشارة إلى النيوكليوتيدات أو أزواج القواعد بهذه المربعات الملونة. وإذا كبرنا الصورة أكثر، فيمكننا أن نرى التركيب الكيميائي لـ DNA. ويمكننا هنا رؤية شريطي DNA والنيوكليوتيدة، وهي الوحدة الفرعية الأساسية لـ DNA. تحتوي كل نيوكليوتيدة على قاعدة نيتروجينية — الجوانين، أو السيتوزين، أو الأدينين، أو الثايمين — يمكن أن تقترن بقاعدة متكاملة لتكوين زوج من القواعد. لذا، عندما نتحدث عن تحديد تتابع الجينوم، فإننا نعني تحديد تتابع أو ترتيب هذه النيوكليوتيدات. إذن، إذا أردنا تحديد تتابع هذا الشريط، فسنحصل على GAG، ثم CGT، ثم CAT. وهذا هو التتابع المكتوب هنا بالأسفل. وبما أننا نعرف تتابع أحد الشريطين، فبفضل أسس ازدواج القواعد المتكاملة في DNA، يمكننا تحديد التتابع في الشريط الآخر.
لدينا هنا زوج واحد من القواعد، ويبلغ طول هذا التتابع واحدًا، اثنين، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة، سبعة، ثمانية، تسعة أزواج من القواعد. ولدينا هنا نيوكليوتيدة واحدة. وإذا عددناها جميعًا، فسنجد أن هناك 18 نيوكليوتيدة في كلا الشريطين. لكن هذا محير لأنه يوجد تسعة أزواج من القواعد. لذا، عندما نتحدث عن طول تتابع ما من النيوكليوتيدات، فإننا نلقي نظرة على شريط واحد فقط. وبهذه الطريقة، يمكننا القول إن طول هذا التتابع يساوي تسع نيوكليوتيدات، وهو نفس عدد أزواج القواعد، ولا يوجد أي لبس. في مشروع الجينوم البشري، حددنا أن طول تتابع الجينوم البشري يتراوح بين ثلاثة و3.2 مليار نيوكليوتيدة. وهذا عدد هائل. لأنه إذا استغرق الأمر ثانية واحدة لقراءة نيوكليوتيدة واحدة، فستتطلب قراءة تتابع الجينوم البشري نحو 100 عام.
لعلنا أدركنا الآن لم استغرق العالم كله أكثر من 10 أعوام لتحديد تتابع الجينوم البشري. هذا لأن حجمه كبير جدًّا. بالإضافة إلى حجم الجينوم، تعرفنا أيضًا على عدد الجينات. باستخدام نفس الجزيء من DNA المماثل لطول الإنسان، الموضح على اليسار هنا، دعونا نكبر الصورة مرة أخرى. نلاحظ هنا قطعة من DNA تحتوي على جين في المنتصف. يمكن أن يؤدي هذا الجين الوظيفة التقليدية المتمثلة في التشفير لإنتاج بروتين من خلال إنتاج الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA). لكن يمكن استخدام الجين أيضًا لإنتاج جزيء من الحمض النووي الريبوزي (RNA) غير المشفر، الذي لا يترجم إلى بروتين. توجد أنواع مختلفة من RNA غير المشفر، وغالبًا ما تؤدي وظائف محددة، حيث يشارك بعضها في تنظيم التعبير الجيني، على سبيل المثال. وسنتطرق إلى هذا بالتفصيل في وقت لاحق.
لقد تغير تعريف الجين على مدار السنين، من شيء يشفر لإنتاج البروتين إلى تعريف أكثر عمومية لمراعاة جينات RNA غير المشفر. وأحد التعريفات المناسبة هو أن الجين عبارة عن جزء من DNA يحتوي على المعلومات اللازمة لإنتاج وحدة وظيفية مثل البروتين، أو جزيء من RNA غير المشفر يؤدي دورًا تنظيميًّا ما، على سبيل المثال. والآن بعد أن فهمنا المزيد عن مفهوم الجين والجينوم، سنناقش بعد ذلك صفات جينوم حقيقيات النوى وبدائيات النوى. لنبدأ بجينوم حقيقيات النوى.
ذكرنا سابقًا أنه يوجد نحو مترين من DNA داخل معظم خلايا الجسم البشري، ممثلة هنا بهذا الخط الأسود الرفيع. إذن، يبدو أن هذا جزيء واحد متصل من DNA، لكن هذا ليس صحيحًا. يوجد في الواقع 46 جزيئًا من DNA في معظم الخلايا، حيث تنضغط بإحكام في تراكيب تسمى الكروموسومات.
لدينا 46 كروموسومًا مرقمة بناء على الحجم، بحيث يكون الكروموسوم رقم واحد أكبر من الكروموسوم رقم اثنين، وهذا أكبر من الكروموسوم رقم ثلاثة، وهكذا. ويوجد أيضًا الكروموسومان الجنسيان، وهما X وY، اللذان يحددان جنسنا البيولوجي. كما سنلاحظ أيضًا وجود كروموسومين من كل كروموسوم مرقم، أحدهما باللون الأزرق والآخر باللون الوردي. حيث نحصل على نسختين من كل كروموسوم، إحداهما من الأم البيولوجية والأخرى من الأب البيولوجي. ولأن لدينا كروموسومين، نوصف بأننا كائنات ثنائية الصيغة الصبغية.
من الجدير بالذكر أن الجينومات غالبًا ما تمثل في صورة أحادية الصيغة الصبغية، أي تحتوي على مجموعة واحدة فقط من الكروموسومات. إذن، فالعدد الذي يتراوح من 3.0 إلى 3.2 مليار نيوكليوتيدة في الجينوم البشري هو في الواقع حجم الجينوم الأحادي الصيغة الصبغية. لكن معظم الخلايا في أجسامنا ثنائية الصيغة الصبغية. أي إنه من المفترض أن تحتوي هذه الخلايا على 6.0 إلى 6.4 مليار نيوكليوتيدة. لذا نختزل الجينوم إلى الصيغة الصبغية الأحادية لأنها تمثل المجموعة الكاملة من الجينات الموجودة عند البشر. بالإضافة إلى ذلك، فهي تساعد على تحقيق قدر من الاتساق؛ لأن العديد من حقيقيات النوى، لا سيما النباتات، تحتوي على نسخ متغيرة من الكروموسومات. فعلى سبيل المثال، نبات الفراولة ثماني الصيغة الصبغية، ويحمل ثماني نسخ من الكروموسومات.
كما ذكرنا، يجري تكثيف DNA لتكوين هذه الكروموسومات. فكيف يبدو هذا بالضبط؟ بتفكيك جزء من هذا الكروموسوم، نجد أن DNA يلتف بإحكام حول بروتينات خاصة تسمى الهستونات. وهي تساعد على ضغط ما يزيد عن ثلاثة مليارات نيوكليوتيدة موجودة في DNA البشر. كما يحتوي DNA على جينات. وفي الجينوم البشري، يوجد ما بين 20000 إلى 25000 جين يشفر لإنتاج بروتينات بمتوسط حجم يبلغ نحو 10000 نيوكليوتيدة. بضرب هذين العددين معًا، نحصل تقريبًا على ما بين 200 مليون إلى 250 مليون نيوكليوتيدة، وهو عدد أقل بكثير من ثلاثة مليارات نيوكليوتيدة في الجينوم. ويرجع ذلك في الغالب إلى وجود DNA غير المشفر.
إذا غيرنا اعتباراتنا قليلًا ونظرنا إلى DNA الممدد بهذا الشكل، فسنجد أن DNA لا يحتوي على الكثير من الجينات المشفرة لإنتاج البروتينات. في الواقع، يتكون نحو 99 بالمائة من الجينوم من DNA غير مشفر. وعندما اكتشف لأول مرة، اعتقد الكثيرون أنه لا يؤدي أي وظيفة، ولهذا السبب أطلق عليه اسم DNA غير الوظيفي. لكن هذا لا يعني أنه DNA غير مرغوب فيه. فنحن نعلم الآن أن DNA غير المشفر يؤدي وظائف متعددة، ويمكنه تكوين مجموعة متنوعة من جزيئات RNA غير المشفر، أحدها هو RNA التركيبي، وأحد أمثلة ذلك الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA)، الذي يعد مكونًا مهمًّا للريبوسوم، وهو العضية التي تترجم نسخة mRNA إلى بروتينات.
يمكن لـ DNA غير المشفر أيضًا أن يكون RNA منظمًا، مثل الحمض النووي الريبوزي الميكروي (microRNA)، الذي يلعب دورًا مهمًّا في تقليل وتيرة التعبير عن جينات معينة، أو إيقاف التعبير عنها. ويعتقد أن العديد من جزيئات microRNA مسئولة عن الإصابة بمرض ألزهايمر. كما يتكون ما يقرب من ثلثي الجينوم البشري من DNA متكرر، حيث تتكرر تتابعات النيوكليوتيدات مرارًا وتكرارًا. وأحد الأمثلة الصارخة على ذلك هو ذبابة الفاكهة، حيث يتكرر التتابع AGAAG نحو 100000 مرة.
بالحديث عن جينوم ذبابة الفاكهة، دعونا نتوقف لحظة لنلقي نظرة على بعض صفاته وعلى بعض حقيقيات النوى الأخرى أيضًا. يتكون جينوم ذبابة الفاكهة من نحو 170 مليون نيوكليوتيدة، ويحتوي على نحو 14000 جين مشفر لإنتاج البروتينات، في مقابل البشر، الذين يحملون جينومًا يتكون من نحو ثلاثة إلى 3.2 مليار نيوكليوتيدة، ومن 20000 إلى 25000 جين. وسنلاحظ أنه على الرغم من أن حجم جينوم البشر أكبر من حجم جينوم ذبابة الفاكهة بنحو 20 مرة، فإن عدد الجينات ليس أكبر 20 مرة. وإذا نظرنا إلى نبات الأرز، بحجم جينوم يبلغ 470 مليونًا، أي ما يقرب من 10 مرات أصغر من جينوم البشر، فإن عدد الجينات المشفرة لإنتاج البروتينات في الأرز يساوي تقريبًا ضعف تلك الموجودة في البشر.
إذن، لا يوجد ارتباط بين حجم الجينوم وعدد الجينات المشفرة لإنتاج البروتينات. وإذا كان الأمر كذلك، فقد نتوقع أن نحمل جينات أكثر من تلك الموجودة في جينوم الأرز؛ وذلك لأن حجم الجينوم لدى البشر أكبر. ثمة نقطة أخرى مثيرة للاهتمام عندما ننظر إلى الأوليات الحيوانية من نوع Trichomonas vaginalis. هذا الكائن الحي لديه جينوم صغير يمكن مقارنته بجينوم ذبابة الفاكهة، لكنه يحتوي على عدد مذهل من الجينات يبلغ 60000. يمكننا أن نلاحظ هنا أن مدى تعقيد الكائن الحي لا يرتبط بالضرورة بعدد الجينات المشفرة لإنتاج البروتينات، حيث إن هذه الأوليات البسيطة نسبيًّا تحمل نحو ثلاثة أمثال عدد الجينات مقارنة بالبشر.
والآن بعد أن ألقينا نظرة على جينوم حقيقيات النوى بقدر من التفصيل، دعونا ننتقل إلى جينوم بدائيات النوى. غالبًا ما تحتوي بدائيات النوى على DNA داخل كروموسوم حلقي مفرد. يبلغ حجم جينوم بكتيريا Escherichia coli نحو 4.6 مليون نيوكليوتيدة، وهو أصغر بنحو 100 مرة من حجم الجينوم لدى البشر. تحتوي بكتيريا Escherichia coli أيضًا على نحو 4400 جين مشفر لإنتاج البروتينات، وهو ما يمثل فقط خمس الجينوم الموجود لدى البشر. وهذا عدد كبير من الجينات في مساحة صغيرة. غالبًا ما تكون جينومات بدائيات النوى مكتظة بالجينات، مع وجود مسافات صغيرة جدًّا بين الجينات المتجاورة. وفي بعض الحالات، تكون الجينات في صورة شديدة الانضغاط بحيث لا يفصل بين الجينين سوى نيوكليوتيدة واحدة. إذن، على عكس حقيقيات النوى، التي تتكون إلى حد كبير من DNA غير مشفر، تتكون جينومات بدائيات النوى في معظمها من DNA مشفر.
والآن لنطبق ما تعلمناه ونتناول سؤالًا تدريبيًّا.
ما العلاقة بين درجة تعقيد كائن ما وعدد ما يحتويه من جينات تشفر لإنتاج بروتينات؟
قبل الإجابة عن هذا السؤال، لنلق نظرة على بعض المصطلحات الأساسية. الجين هو جزء من DNA ينتج وحدة وظيفية. لذا، إذا كان لدينا جزء من DNA به جينان، فقد ينتج أحدهما بروتينًا — مثل الإنسولين، الذي يشارك في تنظيم مستويات السكر في الدم — أو ينتج جزيئًا من RNA الوظيفي، مثل نوع خاص من RNA يسمى microRNA، الذي يشارك في تنظيم التعبير الجيني. إذن، يوجد نوعان من الجينات. تسمى الجينات التي تشفر لإنتاج بروتينات بالجينات المشفرة، بينما تسمى الجينات التي لا تشفر لإنتاج بروتينات، وتنتج بدلًا من ذلك جزيء RNA وظيفيًّا، بالجينات غير المشفرة.
الجينوم هو المجموعة الكاملة من المادة الوراثية للكائن الحي. ومن خلال دراسة جينومات الكائنات الحية المختلفة — على سبيل المثال، الأوليات الحيوانية من نوع Trichomonas vaginalis، وذبابة الفاكهة، والإنسان — حددنا عدد الجينات المشفرة لإنتاج البروتينات التي يحتوي عليها الكائن الحي. يحتوي نوع Trichomonas vaginalis على نحو 60 ألف جين مشفر لإنتاج بروتينات، بينما تحتوي ذبابة الفاكهة على نحو 14000 جين مشفر لإنتاج بروتينات، ولدى البشر ما بين 20000 و25000 جين مشفر لإنتاج بروتينات.
بما أن هذا السؤال يطلب منا معرفة مدى تعقيد الكائنات الحية بالنسبة إلى عدد الجينات المشفرة لإنتاج البروتينات، دعونا نرتبها إذن. يمكننا القول إن Trichomonas vaginalis هو الأقل تعقيدًا، لأنه مكون من خلية واحدة فقط، في حين أن البشر هم الأكثر تعقيدًا لأنهم من الكائنات المتعددة الخلايا التي تمتاز بأنواع متعددة من الأنسجة، وجهاز عصبي أكثر تطورًا مقارنة بذبابة الفاكهة. إذن، قد تبدو درجة التعقيد النسبية على هذا النحو. يدور هذا السؤال حول الارتباط أو العلاقة المتبادلة بين درجة تعقيد كائن حي ما وعدد ما يحتويه من جينات تشفر لإنتاج بروتينات. إذن، مع زيادة التعقيد، ماذا يمكننا أن نقول عن عدد الجينات المشفرة لإنتاج البروتينات؟
إذا نظرنا إلى ذبابة الفاكهة والإنسان، فسنلاحظ أنه مع زيادة التعقيد، يزداد عدد الجينات المشفرة لإنتاج البروتينات. لكن إذا نظرنا إلى نوع Trichomonas vaginalis وذبابة الفاكهة، فسنلاحظ أن العكس هو الصحيح. إذ إنه مع زيادة التعقيد، يقل عدد الجينات المشفرة لإنتاج البروتينات. لذا، فإننا لا نرى أي ارتباط ثابت بين الكائنات الحية، ما يعني أنه لا يوجد أي علاقة متبادلة بين درجة التعقيد وعدد الجينات المشفرة لإنتاج البروتينات.
الآن، لنستعرض بعض النقاط الأساسية التي تعلمناها في هذا الفيديو. الجينوم هو المجموعة الكاملة من المادة الوراثية في الكائن الحي. يحتوي الجينوم على جينات عديدة. الجين هو قطعة من DNA تنتج وحدة وظيفية، مثل البروتين أو RNA الوظيفي. تتكون جينومات حقيقيات النوى من DNA مشفر يتكون من جينات مشفرة لإنتاج البروتينات؛ وDNA غير مشفر لا يشفر لإنتاج البروتينات. معظم DNA في البشر غير مشفر ويتكون من تتابعات متكررة. تحتوي حقيقيات النوى عادة على جينومات أكبر مقارنة ببدائيات النوى، لكنها عادة ما تحمل الجينات في صورة أقل كثافة.
