معلومة

عندما يكون الحمض النووي في شكله غير المكثف ، فماذا يمكنه أن يفعل؟


أعتقد أنه يمكن أن يفعل شيئين:

  • قد تقوم الخلية بتكرار الجينوم أثناء المرحلة S.
  • قد تقوم الخلية بنسخ الحمض النووي إلى mRNA.

سؤال: هل يمكن أن يحدث النشاطان في نفس الوقت أو نشاط واحد في وقت واحد؟ بمعنى آخر ، هل الخلايا فعالة متعددة المهام؟


يمكنهم على الأقل في البكتيريا. في الظروف المثلى ، بكتريا قولونية يقسم نفسه مرة كل 20-30 دقيقة. والأهم من ذلك ، أن وقت تكرار جينومها حوالي 40-50 دقيقة. هذا يعني أنه في المرحلة الأسية ، بكتريا قولونية لديه ما لا يقل عن اثنين من فقاعات النسخ النشط. نظرًا لأن كثافة الريبوسومات يجب أن تكون ثابتة إلى حد ما ، وكذلك أن الخلايا الجديدة تحتاج إلى تصنيع الببتيدوغليكان ومكونات الخلية الأخرى ، فهذا يعني أن التكرار والنسخ يحدثان في وقت واحد. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فسيتم تخفيف الريبوسومات والإنزيمات والـ tRNAs و mRNAs في كل حدث تكرار.

في حقيقيات النوى ، لا أرى سببًا لعدم إمكانية حدوث ذلك. إن تكوين الكروماتين ليس حدثًا عشوائيًا ، وهناك حاجة لبعض البروتينات المحددة خلال فترات زمنية قصيرة أثناء بعض خطوات الانقسام الفتيلي ، لذلك فمن المنطقي أن نفترض أن بعض الأجزاء المحددة غير مضغوطة أو أن نشاط النسخ يمكن أن يحدث حتى في الكروماتين.

من المحتمل ألا تتمكن المنطقة المحددة التي تكرر نفسها في وقت معين من النسخ ، لأن مركب البوليميراز كبير جدًا ويحتاجون إلى فتح اللولب المزدوج ، وهذا. لكن هذا يشبه إلى حد ما الأطفال الذين يلعبون في مسارات القطارات. بمجرد أن يقترب القطار ، يظل الأطفال منفصلين ، ويستمرون مرة أخرى عندما ينطلق القطار.


هل الحمض النووي مكثف في g2؟

المزدوج تقطعت بهم السبل الحمض النووي حلقات حول 8 هيستون مرتين ، مكونة النواة النووية ، وهي اللبنة الأساسية لتعبئة الكروماتين. الحمض النووي يمكن تعبئتها بشكل أكبر عن طريق تشكيل ملفات من النيوكليوسومات ، تسمى ألياف الكروماتين. هذه الألياف تكثف في الكروموسومات أثناء الانقسام ، أو عملية انقسام الخلايا.

ماذا يسمى الحمض النووي المكثف؟ الحمض النووي بنية. قبل أن نناقش الانقسام الفتيلي ، دعنا نراجع هيكل الحمض النووي. يتم حزم الكروموسومات بواسطة بروتينات هيستون في a تكثف بنية مسمى الكروماتينية. اثنين من الكروموسومات متطابقة التي تنتج من الحمض النووي يشار إلى النسخ المتماثل بالكروماتيدات الشقيقة.

قد يتساءل المرء أيضًا ، ما هو جزء دورة الخلية الذي يتكثف فيه الحمض النووي؟

خلال الطور البيني (1) ، يكون الكروماتين في أقل مستوياته تكثف الحالة وتبدو موزعة بشكل فضفاض في جميع أنحاء النواة. الكروماتينية تركيز يبدأ خلال الطور (2) وتصبح الكروموسومات مرئية. تبقى الكروموسومات تكثف في جميع مراحل الانقسام المختلفة (2-5).

ما هي المرحلة G2 من دورة الخلية؟

جي2 مرحلة، أو الفجوة 2 مرحلة، هي المرحلة الفرعية الثالثة من الطور البيني في دورة الخلية مباشرة قبل الانقسام. يتبع ذلك الانتهاء بنجاح من S. مرحلة، وخلالها خلية يتم نسخ الحمض النووي. جي2 مرحلة هي فترة سريعة زنزانة النمو وتخليق البروتين الذي يتم خلاله زنزانة تستعد للانقسام.


أشكال الحمض النووي

يتكون الحمض النووي (المادة الوراثية للخلية) من سلسلة طويلة من النوكليوتيدات ويظهر التنوع الهيكلي من خلال تغيير تكوينه الهيكلي ، بناءً على عوامل مختلفة مثل:

  • مستوى الماء
  • تركيز الملح
  • تسلسل الحمض النووي
  • كمية واتجاه الالتفاف الفائق
  • وجود قواعد معدلة
  • وجود أيونات معدنية ، بولي أمينات في المحلول

النماذج المشتركة

من بين ستة أشكال مختلفة من الحمض النووي ، فإن أشكال B و A و Z هي الأكثر شيوعًا:

شكل ب

إنه الشكل الأكثر شيوعًا للحمض النووي ، والذي يوجد كملف أيمن DNA مزدوج الحلزونية. كان رائدها واتسون وكريك. تتشكل بنية B-DNA في ظل الظروف الفسيولوجية العادية مثل الرطوبة النسبية 92٪ والقوة الأيونية المنخفضة.

استنادًا إلى دراسات حيود الأشعة السينية ، يمثل B-DNA متوسط ​​التشكل للحمض النووي. تتألف غالبية الخلية من نوع B-DNA ، ويكون لف الشكل B في نمط اليد اليمنى.

تحتل قواعد النيوكليوتيدات جوهر، في حين يحتل عظم فوسفات السكر مساحة المنطقة المحيطية من حلزون الحمض النووي. في المذيب ، القواعد الموجودة في حواف من النموذج ب يتعرض. يتشابه عرض كل زوج قاعدي في كل من سلاسل الحمض النووي متعدد النوكليوتيدات.

قطر اللولب شكل ب هو 20Å ، ويشتمل دور واحد في شكل ب 10 أزواج أساسية (عمودي على المحور الحلزوني). تُظهر القواعد اقترانًا تكميليًا للقاعدة بطريقة مثل A = T و G≡C. يوجد ملف فكتوني في الشكل B ، حيث يتشابك الخيطان عند نفس الحلزون.

هيكل الشكل B "غير متماثل" ، حيث توجد الأخاديد الرئيسية والثانوية بالتناوب. الأخاديد الرئيسية والصغرى أوسع وضيقة ، على التوالي. في النوع B ، يكون تجعيد السكر عند 2"endoform.

عرض وعمق الأخاديد الرئيسية من النوع B. 12Å و 8.5 درجة، على التوالى. على العكس من ذلك ، فإن عرض وعمق الأخاديد الصغيرة من النوع B. و 7.5 درجة، على التوالى.

شكل

إنه ثاني أكثر أشكال الحمض النووي شيوعًا ، ويسمى أيضًا A-DNA. لديها DNA من إحساس حلزوني يميني. تتشكل بنية A-DNA في ظل ظروف فسيولوجية طبيعية مثل الرطوبة النسبية 75٪ ووجود أيونات الصوديوم والبوتاسيوم والسيزيوم.

يتم لف A-DNA بطريقة اليد اليمنى. إنه غير مستقر ، أي يتحول بسهولة إلى شكل D. يتم إزاحة قواعد النوكليوتيدات بعيدًا عن اللب وتوجد بالقرب من الأخدود الرئيسي.

يؤدي تشكيل القواعد في الشكل A إلى ظهور مثل الشريط هيكل مع قلب أسطواني مفتوح. يعتبر A-DNA أن يكون أكثر استقرارًا بسبب مجموعة –OH إضافية. يتشابه عرض كل زوج قاعدي في كل من سلاسل الحمض النووي متعدد النوكليوتيدات بقطر 23Å.

في النموذج A ، يكون ميل الزوج الأساسي أعلى من النموذج B. يتألف دور واحد في شكل ب 11 زوجًا أساسيًا (عمودي على المحور الحلزوني). في الشكل A أيضًا ، يكون كلا الجدلين مضادًا للتوازي ، أو يكون لهما ملف plectonemic.

في الشكل A ، يصبح الأخدود الرئيسي أضيق وأكثر عمقًا ، في حين أن الأخدود الصغير يتسع ويتسطح. تجعد السكر أو حلقة الديوكسيريبوز موجودة في ج3 معلومات داخلية. عرض الأخدود الرئيسي من النوع B & # 8217s هو 2.7Å، في حين أن عرض الأخدود الصغير من النوع A هو 11.0Å.

شكل Z

إنه شكل آخر من أشكال الحمض النووي ، يختلف عن الحمض النووي B و A-DNA. إنه موجود كـ يساري DNA مزدوج الحلزونية. يتكون هذا الهيكل تحت تركيز ملح عالي جدًا. تتكون بعض الخلايا من نوع Z-DNA ، وقد تم تقديمه لأول مرة من قبل العلماء الثلاثة ثري, نورثيم و وانغ في عام 1984.

يتم لف النموذج Z في اليد اليسرى و متعرج نمط. تشكيل Z-DNA هو طويل و نحيف مقارنة بـ B-DNA. يُظهر تكوينًا هيكليًا غير متماثل ، مما يؤدي إلى تكوين هيكل حلزوني متعرج بدون مساحة داخلية.

يتشكل Z-DNA عن طريق التمدد المتناوب لقواعد البيورينات والبيريميدين. قطر الحلزون على شكل حرف Z & # 8217s هو 18Å ، وميل زوج القاعدة هو 7 Å، وهو أقل من النموذجين B و A. يتألف دور واحد في شكل ب 12 زوجًا أساسيًا، وهي عمودية على المحور الحلزوني.

في شكل Z أيضًا ، يوجد لف متعرج plectonemic coiling. تمتلك خيوطًا مضادة للتوازي مثل B-DNA. في النوع Z ، يوجد تجعد السكر أو حلقة deoxyribose في "C3"endoform لقواعد البيورين و" C2"endoform لقواعد بيريميدين. عرض الأخدود الرئيسي من النوع Z & # 8217s هو ، في حين أن عرض الأخدود الصغير من النوع Z هو 8.8Å.

أشكال أخرى

إلى جانب أشكال A و B و Z من الحمض النووي ، نادرًا ما تحدث بعض الأنواع الأخرى:

شكل C

يوجد C-DNA بكميات قليلة ، وتكوينه موجود عند 66٪ رطوبة نسبية مع قوة أيونية منخفضة. يتم لف حلزون C-DNA بطريقة اليد اليمنى مع درجة حلزونية 30.97Å. إنها تتكون من 9.33 أزواج قاعدية في كل دور.

كل من خيوط C-DNA متضادان مع بعضهما البعض ، على عكس Z-DNA. يبلغ قطر C-DNA الحلزوني 19.0 Å. الدوران لكل زوج أساسي هو 38.6 درجات ، مع إمالة زوج القاعدة بمقدار 7.8 درجات. حجم وشكل C-DNA أصغر من B-DNA و A-DNA.

شكل D

في الخلية ، يوجد D-DNA نادرًا جدًا. يتم لف حلزون D-DNA بطريقة اليد اليمنى ويسمى شكل بولي (dA-dT) وبولي (dG-dC). يتكون شكل D من 8 أزواج أساسية في كل دور ، والتي يتم تهجيرها للخلف فيما يتعلق بحلزون الحمض النووي. كل من خيوط D-DNA متضادان مع بعضهما البعض. يُظهر ميل زوج القاعدة لـ D-DNA ميلًا سلبيًا لـ -16.7 درجات مع ارتفاع محوري قدره 3.03Å لكل زوج أساسي.

النموذج الإلكتروني

في الخلية ، يوجد E-DNA نادرًا جدًا ويتمدد أو يمتد DNA غريب الأطوار. حلزون E-DNA طويل ، والقواعد متعامدة مع المحور الحلزوني. يتكون E-DNA من محور رئيسي عميق ومحور ثانوي ضحل. بعد دراسة التصوير البلوري بالأشعة السينية ، تم العثور على E-DNA متوسط بين B-DNA و A-DNA.

الخصائصA- DNAب- DNAZ-DNAج- DNAD-DNAE-DNA
حاسة حلزونيةلف اليد اليمنىاللف الأيمنلف اليد اليسرىاللف الأيمناللف الأيمن-
شروط الحدوثرطوبة نسبية 75٪ مع وجود أيونات مثل الصوديوم والبوتاسيوم والسيزيوم.92٪ رطوبة نسبية مع تركيز أيون منخفضتحدث بتركيز عالٍ جدًا من الملح مع تناوب قاعدة البيورين والبيريميدينرطوبة نسبية 66٪ مع وجود أيونات الليثيوم والمغنيسيوم.--
طائرة القاعدةعمودي على المحور الحلزونيعمودي على المحور الحلزونيعمودي على المحور الحلزونيعمودي على المحور الحلزونيعمودي على المحور الحلزوني-
الدوران لكل زوج أساسي33 درجة36 درجة30 درجة38.6 درجة--
ارتفاع محوري لكل زوج أساسي2.56 Å3.38 Å3.71 Å3.32 Å3.03 Å-
قطر اللولب25.5 Å2018 Å19.0 Å--
أزواج القاعدة في كل دور11bp10 بي بي12 نقطة أساس9.33 نقطة أساس8bp7.5 نقطة أساس
سكر الفوسفات الأساسيطبيعيطبيعيمتعرجطبيعيطبيعي-
إمالة زوج القاعدة19 درجة6.3 درجات7 درجات-7.8 درجات-16.7 درجة-
الملعب الحلزوني25.5 Å35.5 Å45.6 Å30.9 Å--
الأخدود الرئيسيأخدود رئيسي ضيق وعميقأخدود رئيسي واسع وعميقأخدود رئيسي مسطح---
أخدود طفيفأخدود طفيف واسع وعميقأخدود طفيف ضيق وعميقأخدود طفيف ضيق وعميق---
تجعيد السكرC3 - المعلومات الداخليةC2 - معلومات داخليةC3 - المعلومات الداخلية للبيورينات و C2 - المعلومات الداخلية للبيريميدينات---

العوامل المؤثرة في التغيير التوافقي

يعتمد التغيير التوافقي للحمض النووي الحلزوني المزدوج إلى أشكال مختلفة بشكل أساسي على العوامل الثلاثة التالية:

  1. الظروف الفسيولوجية: تفضل الرطوبة والبيئة الأيونية أو المائية تغيير التشكل في الحمض النووي.
  2. تسلسل قاعدة الحمض النووي: هو العامل الأكثر أهمية الذي يقرر الشكل والحجم واللف والخصائص الهيكلية الأخرى للحمض النووي.
  3. وجود البروتين وربطه: يرتبط البروتين بالتشكيل الحلزوني الوحيد للحمض النووي ويغير هيكله إلى أشكال مختلفة. على سبيل المثال ، يمكن للبروتين أن يرتبط بـ B-DNA ويغير التشكل إلى أشكال A أو Z.

العوامل الثلاثة المذكورة أعلاه تؤثر بشكل أساسي على الحمض النووي وتصنعه متغير هيكليًا. لذلك ، يمكننا أن نستنتج أن البنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي ليست موحدة ويمكن أن تختلف في ظل الظروف الفسيولوجية المختلفة المتوفرة.


A & # 8209form الأحماض النووية و Z & # 8209DNA

تم وصف ثلاثة أشكال مختلفة من الحمض النووي المزدوج. الشكل الأكثر شيوعًا ، الموجود في معظم الحمض النووي عند درجة الحموضة المحايدة وتركيزات الملح الفسيولوجية ، هو الشكل B. هذا هو الهيكل الحلزوني المزدوج الأيمن الكلاسيكي الذي كنا نناقشه. تم وصف وحدة طباعة مزدوجة أكثر سمكا في اليد اليمنى بمسافة أقصر بين أزواج القاعدة من أجل ازدواج RNA-DNA و RNA-RNA المزدوجة. وهذا ما يسمى بالحمض النووي A-form.

الشكل الثالث من الحمض النووي المزدوج له بنية حلزونية أعسر مختلفة بشكل لافت للنظر. يتكون هذا الحمض النووي Z من امتدادات من البيورينات المتناوبة والبيريميدينات ، على سبيل المثال GCGCGC ، خاصة في الحمض النووي فائق الالتفاف سلبيًا. توجد كمية صغيرة من الحمض النووي في الخلية في شكل Z. لقد كان محيرًا اقتراح أن هذا الهيكل المختلف متورط بطريقة ما في تنظيم بعض الوظائف الخلوية ، مثل النسخ أو التنظيم ، لكن الأدلة القاطعة المؤيدة أو المعارضة لهذا الاقتراح ليست متاحة حتى الآن.

الاختلافات بين الحمض النووي شكل A و B

يكمن الاختلاف الرئيسي بين الحمض النووي على شكل A و B في تشكيل حلقة سكر الديوكسيريبوز. إنه موجود في المعلومات الداخلية لـ C2 للنموذج B ، بينما هو في المعلومات الداخلية C3 في النموذج A. كما هو موضح في الشكل ( PageIndex <4> ) ، إذا كنت تفكر في المستوى المحدد بواسطة ذرات C4'-O-C1 'من deoxyribose ، في C2' endoconformation ، تكون ذرة C2 فوق المستوى ، بينما ذرة C3 فوق المستوى في المعلومات الداخلية C3. يجلب التشكل الأخير الهيدروكسيل 5 'و 3' (كلاهما أسترة إلى الفوسفات الذي يربط بالنيوكليوتيدات التالية) أقرب معًا مما يظهر في C2 'الداخلي (الشكل 2.16). وبالتالي يتم تقليل المسافة بين النيوكليوتيدات المجاورة بحوالي 1 أنجستروم في شكل أ بالنسبة للحمض النووي على شكل ب (الشكل ( فهرس الصفحة <4> )).

الشكل ( PageIndex <4> ): مزامنة ومقاومة القاعدة بالنسبة للسكر في النيوكليوتيدات.

يتمثل الاختلاف الرئيسي الثاني بين الحمض النووي على الشكل A والشكل B في وضع أزواج القاعدة داخل الازدواج. في النموذج B ، تتمركز أزواج القاعدة تقريبًا فوق المحور الحلزوني (الشكل ( فهرس الصفحة <4> )) ، ولكن في النموذج A ، يتم إزاحتها بعيدًا عن المحور المركزي وأقرب إلى الأخدود الرئيسي. والنتيجة هي حلزون يشبه الشريط مع قلب أسطواني أكثر انفتاحًا في شكل A.


عندما يكون الحمض النووي في شكله غير المكثف ، فماذا يمكنه أن يفعل؟ - مادة الاحياء

سيراجع محررونا ما قدمته ويحددون ما إذا كان ينبغي مراجعة المقالة أم لا.

الحمض النووي، اختصار حمض النووي الريبي منقوص الأكسجين، مادة كيميائية عضوية ذات بنية جزيئية معقدة توجد في جميع الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة وفي العديد من الفيروسات. رموز الحمض النووي المعلومات الجينية لنقل الصفات الموروثة.

ماذا يفعل الحمض النووي؟

حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) هو مادة كيميائية عضوية تحتوي على معلومات وراثية وتعليمات لتخليق البروتين. يوجد في معظم خلايا كل كائن حي. الحمض النووي هو جزء أساسي من التكاثر حيث تحدث الوراثة الجينية من خلال انتقال الحمض النووي من الوالدين أو الوالدين إلى النسل.

مما يتكون الحمض النووي؟

يتكون الحمض النووي من النيوكليوتيدات. يحتوي النوكليوتيد على مكونين: العمود الفقري ، المصنوع من مجموعات سكر الديوكسيريبوز والفوسفات ، والقواعد النيتروجينية ، والمعروفة باسم السيتوزين ، والثايمين ، والأدينين ، والجوانين. يتكون الكود الجيني من خلال ترتيبات مختلفة للقواعد.

من اكتشف بنية الحمض النووي؟

يُنسب اكتشاف بنية الحلزون المزدوج للحمض النووي للباحثين جيمس واتسون وفرانسيس كريك ، اللذين حصلوا مع زميلهم الباحث موريس ويلكينز على جائزة نوبل في عام 1962 عن عملهم. يعتقد الكثيرون أن روزاليند فرانكلين يجب أن يُنسب لها الفضل أيضًا ، لأنها قدمت الصورة الثورية لهيكل الحلزون المزدوج للحمض النووي ، والذي تم استخدامه كدليل دون إذنها.

هل يمكنك تعديل الحمض النووي؟

يتم إجراء التحرير الجيني اليوم في الغالب من خلال تقنية تسمى التكرارات المتناظرة القصيرة المنتظمة المتباعدة بشكل منتظم (CRISPR) ، والتي تم تبنيها من آلية بكتيرية يمكنها قطع أقسام معينة في الحمض النووي. أحد استخدامات كريسبر هو إنشاء محاصيل معدلة وراثيًا (GMO).

ما هو كمبيوتر DNA؟

حوسبة الحمض النووي هي بنية حاسوبية مقترحة تستخدم طبيعة الارتباط الذاتي للحمض النووي لإجراء العمليات الحسابية. على عكس الحوسبة الكلاسيكية ، فإن حوسبة الحمض النووي ستسمح بإجراء عمليات وحسابات متوازية متعددة في نفس الوقت.

يتبع علاج موجز للحمض النووي. للعلاج الكامل ، ارى علم الوراثة: الحمض النووي والشفرة الجينية.

تم اكتشاف الحمض النووي الكيميائي لأول مرة في عام 1869 ، ولكن دوره في الوراثة الجينية لم يتم إثباته حتى عام 1943. في عام 1953 ، قرر جيمس واتسون وفرانسيس كريك ، بمساعدة عمل الفيزيائيين الحيوية روزاليند فرانكلين وموريس ويلكنز ، أن بنية الحمض النووي مزدوجة - حلزوني بوليمر ، حلزوني يتكون من شريطين DNA ملفوفين حول بعضهما البعض. أدى هذا الاختراق إلى تقدم كبير في فهم العلماء لتكرار الحمض النووي والتحكم الوراثي في ​​الأنشطة الخلوية.

يتكون كل خيط من جزيء الحمض النووي من سلسلة طويلة من نيوكليوتيدات المونومر. تتكون نيوكليوتيدات الحمض النووي من جزيء سكر ديوكسيريبوز متصل به مجموعة فوسفات وواحدة من أربع قواعد نيتروجينية: اثنان من البيورينات (الأدينين والجوانين) واثنين من البيريميدين (السيتوزين والثايمين). ترتبط النيوكليوتيدات ببعضها البعض عن طريق روابط تساهمية بين فوسفات أحد النوكليوتيدات والسكر في النوكليوتيد التالي ، مما يشكل العمود الفقري للفوسفات والسكر الذي تبرز منه القواعد النيتروجينية. يتم تثبيت خيط واحد على الآخر بواسطة روابط هيدروجينية بين القواعد ويكون تسلسل هذا الترابط محددًا - أي روابط الأدينين فقط مع الثايمين ، والسيتوزين فقط مع الجوانين.

إن تكوين جزيء الحمض النووي مستقر للغاية ، مما يسمح له بالعمل كقالب لتكرار جزيئات الحمض النووي الجديدة ، وكذلك لإنتاج (نسخ) جزيء الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) ذي الصلة. يسمى جزء من الحمض النووي الذي يرمز لتخليق الخلية لبروتين معين الجين.

يتكاثر الحمض النووي عن طريق الفصل إلى خيطين منفردتين ، يعمل كل منهما كقالب لخيط جديد. يتم نسخ الخيوط الجديدة بنفس مبدأ اقتران الروابط الهيدروجينية بين القواعد الموجودة في الحلزون المزدوج. يتم إنتاج جزيئين جديدين مزدوجي الشريطة من الحمض النووي ، يحتوي كل منهما على أحد الخيوط الأصلية وجزء جديد. هذا النسخ المتماثل "شبه المحافظ" هو مفتاح الوراثة المستقرة للصفات الجينية.

داخل الخلية ، يتم تنظيم الحمض النووي في مجمعات بروتينية-دنا كثيفة تسمى الكروموسومات. في حقيقيات النوى ، توجد الكروموسومات في النواة ، على الرغم من وجود الحمض النووي أيضًا في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء. في بدائيات النوى ، التي لا تحتوي على نواة مرتبطة بالغشاء ، يوجد الحمض النووي ككروموسوم دائري واحد في السيتوبلازم. تحتوي بعض بدائيات النوى ، مثل البكتيريا ، وعدد قليل من حقيقيات النوى على دنا خارج الصبغيات يُعرف بالبلازميدات ، وهي مادة وراثية ذاتية التكاثر. تم استخدام البلازميدات على نطاق واسع في تكنولوجيا الحمض النووي المؤتلف لدراسة التعبير الجيني.

قد تكون المادة الوراثية للفيروسات عبارة عن DNA أو RNA أحادي أو مزدوج الشريطة. تحمل الفيروسات القهقرية مادتها الجينية على شكل رنا أحادي الجديلة وتنتج إنزيم النسخ العكسي للإنزيم ، والذي يمكن أن يولد الحمض النووي من حبلا الحمض النووي الريبي. وقد لوحظت معقدات الحمض النووي الأربعة التي تقطعت بها السبل والمعروفة باسم G-quadruplexes في المناطق الغنية بالجوانين في الجينوم البشري.

محررو Encyclopaedia Britannica تمت مراجعة هذه المقالة وتحديثها مؤخرًا بواسطة Adam Augustyn ، مدير التحرير ، المحتوى المرجعي.


متواليات الحمض النووي القصيرة هي مكونات أساسية للمفاتيح الجينية

لقد رأينا كيف يمكن اكتشاف تسلسل نوكليوتيد معين كنمط من السمات الهيكلية على سطح الحلزون المزدوج للحمض النووي. تعمل سلاسل النوكليوتيدات المعينة ، التي يقل طول كل منها عادةً عن 20 زوجًا من النوكليوتيدات ، كمكونات أساسية للمفاتيح الجينية من خلال العمل كمواقع تمييز لربط بروتينات تنظيم جينية معينة. تم تحديد الآلاف من تسلسلات الحمض النووي هذه ، كل منها تم التعرف عليه بواسطة بروتين تنظيم جيني مختلف (أو بواسطة مجموعة من البروتينات المنظمة للجينات ذات الصلة). يتم سرد بعض البروتينات المنظمة للجينات التي تمت مناقشتها في سياق هذا الفصل في الجدول 7-1 ، جنبًا إلى جنب مع تسلسل الحمض النووي التي يتعرفون عليها.

الجدول 7-1

بعض البروتينات المنظمة للجينات وتسلسلات الحمض النووي التي يتعرفون عليها.

ننتقل الآن إلى البروتينات المنظمة للجينات نفسها ، وهي المكون الأساسي الثاني للمفاتيح الجينية. نبدأ بالسمات الهيكلية التي تسمح لهذه البروتينات بالتعرف على تسلسلات الحمض النووي القصيرة والمحددة الموجودة في حلزون مزدوج أطول بكثير.


مثال تسلسل الحمض النووي

على الرغم من أن تسلسل الحمض النووي كان يستغرق سنوات ، إلا أنه يمكن إجراؤه الآن في غضون ساعات. علاوة على ذلك ، استغرق التسلسل الكامل الأول للحمض النووي البشري حوالي 3 مليارات دولار. الآن ، ستقوم بعض الشركات بتسلسل الجينوم بأكمله بأقل من 1000 دولار. ستحلل الاختبارات الأكثر تقدمًا كل نوكليوتيد داخل الجينوم الخاص بك. ومع ذلك ، تقدم العديد من الشركات الآن تعدد الأشكال النوكليوتيدات واحد الاختبارات.

هناك نوعان رئيسيان من تسلسل الحمض النووي. تسمى الطريقة الكلاسيكية القديمة لإنهاء السلسلة أيضًا طريقة سانجر. الطرق الأحدث التي يمكنها معالجة عدد كبير من جزيئات الحمض النووي بسرعة تسمى بشكل جماعي تقنيات التسلسل عالي الإنتاجية (HTS) أو أساليب تسلسل الجيل التالي (NGS).

تسلسل سانجر

تعتمد طريقة سانجر على أ التمهيدي الذي يرتبط بجزيء DNA مشوه ويبدأ في تصنيع بولي نيوكليوتيد أحادي الخيط في وجود إنزيم بوليميريز DNA ، باستخدام الحمض النووي المشوه كقالب. في معظم الظروف ، يحفز الإنزيم إضافة نوكليوتيد. لذلك ، تتشكل الرابطة التساهمية بين ذرة الكربون 3 & # 8242 لجزيء سكر الديوكسيريبوز في نيوكليوتيد واحد وذرة كربون 5 & # 8242 التالية. توضح هذه الصورة أدناه كيف تتشكل هذه الرابطة.

ومع ذلك ، فإن خليط التفاعل المتسلسل يحتوي على نسبة صغيرة من النيوكليوتيدات المعدلة التي لا يمكن أن تشكل هذه الرابطة التساهمية بسبب عدم وجود مجموعة هيدروكسيل تفاعلية ، مما يؤدي إلى ظهور مصطلح `` ثنائي أوكسي ريبونوكليوتيدات '' ، أي أنها لا تحتوي على 2 'أو 3 ذرة أكسجين بالمقارنة مع الريبونوكليوتيد المقابل. سيؤدي هذا إلى إنهاء تفاعل بلمرة الحمض النووي قبل الأوان. في نهاية الجولات المتعددة من هذه البلمرة ، سيتم تكوين خليط من الجزيئات ذات الأطوال المختلفة.

في المحاولات الأولى لاستخدام طريقة سانجر ، تم تضخيم جزيء الحمض النووي أولاً باستخدام برايمر مُسمى ثم تقسيمه إلى أربعة أنابيب اختبار ، كل منها يحتوي على نوع واحد فقط من ddNTP. أي أن كل خليط تفاعل يحتوي على نوع واحد فقط من النيوكليوتيدات المعدلة التي يمكن أن تسبب إنهاء السلسلة. بعد اكتمال التفاعلات الأربعة ، سيخضع خليط جزيئات الحمض النووي التي تم إنشاؤها بواسطة إنهاء السلسلة لرحلان كهربائي على هلام بولي أكريلاميد ، ويتم فصلها وفقًا لطولها.

/>
في الصورة أعلاه ، تم تفريد تفاعل تسلسلي مع ddATP من خلال العمود الأول. يمثل كل سطر جزيء DNA بطول معين ، نتيجة تفاعل البلمرة الذي تم إنهاؤه بإضافة نيوكليوتيد ddATP. احتوت الأعمدة الثاني والثالث والرابع على ddTTP و ddGTP و ddCTP على التوالي.

مع مرور الوقت ، تم تعديل هذه الطريقة بحيث يكون لكل ddNTP تسمية فلورية مختلفة. لم يعد التمهيدي مصدر العلامة الإشعاعية أو العلامة الفلورية. تُعرف هذه الطريقة أيضًا باسم تسلسل فاصل الصبغة ، وتستخدم أربعة أصباغ ذات أطياف انبعاث غير متداخلة ، واحدة لكل ddNTP.


تُظهر الصورة الفرق بين البادئات المسمى ، dNTPs المسمى و NTPs المنهي المصبوغ.


توضح الصورة أعلاه تمثيلًا تخطيطيًا لتسلسل فاصل الصبغة. يوجد خليط تفاعل واحد يحمل جميع العناصر اللازمة لاستطالة الحمض النووي. يحتوي خليط التفاعل أيضًا على تركيزات صغيرة من أربعة ddNTPs ، لكل منها علامة فلورية مختلفة. يتم تشغيل التفاعل المكتمل على هلام شعري. يتم الحصول على النتائج من خلال تحليل أطياف الانبعاث من كل شريط DNA على الجل. ثم يقوم برنامج برمجي بتحليل الأطياف ويعرض تسلسل جزيء الحمض النووي.

تسلسل عالي الإنتاجية

لا يزال تسلسل سانجر مفيدًا في تحديد تسلسل امتدادات طويلة نسبيًا من الحمض النووي ، خاصة في الأحجام المنخفضة. ومع ذلك ، يمكن أن يصبح مكلفًا وشاقًا عندما يحتاج عدد كبير من الجزيئات إلى التسلسل بسرعة. ومن المفارقات ، على الرغم من أن طريقة إنهاء الصبغة التقليدية مفيدة عندما يكون جزيء الحمض النووي أطول ، فقد أصبحت الطرق عالية الإنتاجية مستخدمة على نطاق واسع ، خاصة عندما تحتاج الجينومات بأكملها إلى التسلسل.

هناك ثلاثة تغييرات رئيسية مقارنة بطريقة سانجر. الأول كان تطوير نظام خالٍ من الخلايا لاستنساخ شظايا الحمض النووي. تقليديا ، تم استنساخ امتداد الحمض النووي المطلوب تسلسله لأول مرة في بلازميد بدائية النواة وتضخيمه داخل البكتيريا قبل استخراجه وتنقيته. لم تعد تقنيات التسلسل عالي الإنتاجية أو الجيل التالي من تقنيات التسلسل تعتمد على هذا الإجراء كثيف العمالة والذي يستغرق وقتًا طويلاً.

ثانيًا ، خلقت هذه الأساليب مساحة لتشغيل ملايين التفاعلات المتسلسلة بالتوازي. كانت هذه خطوة كبيرة إلى الأمام من الطرق الأولية حيث كانت هناك حاجة إلى ثمانية مخاليط تفاعل مختلفة لإنتاج تسلسل نوكليوتيد واحد موثوق. أخيرًا ، لا يوجد فصل بين خطوات الاستطالة والكشف. يتم تحديد القواعد مع استمرار تفاعل التسلسل. بينما خفضت HTS التكلفة والوقت ، كانت "قراءاتهم" قصيرة نسبيًا. وهذا يعني أنه من أجل تجميع جينوم كامل ، فإن الحساب المكثف ضروري.

أدى ظهور HTS إلى توسيع نطاق تطبيقات علم الجينوم. أصبح تسلسل الحمض النووي الآن جزءًا لا يتجزأ من العلوم الأساسية ، والبحوث الانتقالية ، والتشخيصات الطبية ، والطب الشرعي.


محتويات

يحدث تلف الحمض النووي ، بسبب العوامل البيئية وعمليات التمثيل الغذائي الطبيعية داخل الخلية ، بمعدل 10000 إلى 1000000 آفة جزيئية لكل خلية يوميًا. [2] في حين أن هذا يشكل 0.000165٪ فقط من قواعد الجينوم البشري البالغ عددها 6 مليارات ، فإن الآفات غير المعالجة في الجينات الحرجة (مثل الجينات الكابتة للورم) يمكن أن تعوق قدرة الخلية على أداء وظيفتها وتزيد بشكل ملحوظ من احتمالية تكوين الورم والمساهمة في ذلك. إلى عدم تجانس الورم.

تؤثر الغالبية العظمى من تلف الحمض النووي على البنية الأساسية للحلزون المزدوج ، أي أن القواعد نفسها معدلة كيميائيًا. يمكن أن تؤدي هذه التعديلات بدورها إلى تعطيل البنية الحلزونية المنتظمة للجزيئات عن طريق إدخال روابط كيميائية غير أصلية أو مقاربات ضخمة لا تتناسب مع الحلزون المزدوج القياسي. على عكس البروتينات والحمض النووي الريبي ، يفتقر الحمض النووي عادةً إلى البنية الثلاثية وبالتالي لا يحدث التلف أو الاضطراب عند هذا المستوى. ومع ذلك ، فإن الحمض النووي ملفوف للغاية وملفوف حول "حزم" بروتينات تسمى الهستونات (في حقيقيات النوى) ، وكلا التركيبتين الفوقيتين عرضة لتأثيرات تلف الحمض النووي.

تحرير المصادر

يمكن تقسيم تلف الحمض النووي إلى نوعين رئيسيين:

    ضرر مثل هجوم من قبل أنواع الأكسجين التفاعلية الناتجة عن المنتجات الثانوية الأيضية العادية (طفرة تلقائية) ، وخاصة عملية نزع الأمين التأكسدي
    1. يتضمن أيضًا أخطاء النسخ المتماثل
    1. الأشعة فوق البنفسجية [UV 200–400 nm] من الشمس أو مصادر الضوء الاصطناعي الأخرى
    2. ترددات إشعاعية أخرى ، بما في ذلك الأشعة السينية وأشعة جاما أو الاضطراب الحراري
    3. بعض السموم النباتية
    4. المواد الكيميائية المسببة للطفرات من صنع الإنسان ، وخاصة المركبات العطرية التي تعمل كعوامل تداخل الحمض النووي [8]

    يمكن أن يؤدي تكرار الحمض النووي التالف قبل انقسام الخلية إلى دمج قواعد خاطئة مقابل القواعد التالفة. تحمل خلايا الابنة التي ترث هذه القواعد الخاطئة طفرات لا يمكن استرداد تسلسل الحمض النووي الأصلي منها (إلا في حالة نادرة لطفرة عكسية ، على سبيل المثال ، من خلال التحويل الجيني).

    أنواع تحرير

    هناك عدة أنواع من الأضرار التي تلحق بالحمض النووي بسبب العمليات الخلوية الداخلية:

    1. أكسدة القواعد [على سبيل المثال 8-oxo-7،8-dihydroguanine (8-oxoG)] وتوليد انقطاعات شرائط DNA من أنواع الأكسجين التفاعلية ،
    2. الألكلة القواعد (عادة الميثيل) ، مثل تكوين 7-ميثيل جوانوزين ، 1-ميثيل أدينين ، 6-O-Methylguanine
    3. التحلل المائي من القواعد ، مثل نزع الآلام ، ونزع الرطوبة ، وإزالة الإثارة. (على سبيل المثال ، benzo [a] pyrene diol epoxide-dG adduct، aristolactam I-dA adduct)
    4. عدم تطابق من القواعد ، بسبب أخطاء في تكرار الحمض النووي ، حيث يتم خياطة قاعدة الحمض النووي الخاطئة في مكانها في حبلا مكونًا حديثًا من الحمض النووي ، أو يتم تخطي قاعدة الحمض النووي أو إدخالها عن طريق الخطأ.
    5. يتسبب تلف القناة الأحادية في التغيير في القاعدة النيتروجينية المفردة للحمض النووي
    6. تلف الأنبوب

    يأتي الضرر الذي تسببه العوامل الخارجية بأشكال عديدة. بعض الأمثلة هي:

    1. ضوء UV-B يسبب تشابكًا بين قواعد السيتوزين والثايمين المجاورة ديمر بيريميدين. وهذا ما يسمى الضرر المباشر للحمض النووي.
    2. ضوء الأشعة فوق البنفسجية يخلق في الغالب الجذور الحرة. يسمى الضرر الذي تسببه الجذور الحرة الضرر غير المباشر للحمض النووي.
    3. إشعاعات أيونية مثل تلك الناتجة عن الاضمحلال الإشعاعي أو في الأشعة الكونية يسبب فواصل في خيوط الحمض النووي. قد يؤدي الإشعاع المؤين ذو المستوى المتوسط ​​إلى تلف الحمض النووي الذي لا يمكن إصلاحه (مما يؤدي إلى حدوث أخطاء في النسخ والنسخ اللازمة للأورام أو قد يؤدي إلى تفاعلات فيروسية) مما يؤدي إلى الشيخوخة المبكرة والسرطان.
    4. اضطراب حراري في درجات الحرارة المرتفعة ، يزيد معدل التنقية (فقدان قواعد البيورين من العمود الفقري للحمض النووي) والكسر أحادي الجديلة. على سبيل المثال ، يُلاحظ التنقية المائي في البكتيريا المحبة للحرارة ، التي تنمو في الينابيع الساخنة عند 40-80 درجة مئوية. [9] [10] معدل التنقية (300 من بقايا البيورين لكل جينوم لكل جيل) مرتفع جدًا في هذه الأنواع بحيث لا يمكن إصلاحه بآلات الإصلاح العادية ، وبالتالي لا يمكن استبعاد إمكانية الاستجابة التكيفية.
    5. المواد الكيميائية الصناعية مثل كلوريد الفينيل وبيروكسيد الهيدروجين ، والمواد الكيميائية البيئية مثل الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات الموجودة في الدخان والسخام والقطران تخلق تنوعًا هائلاً من قواعد الحمض النووي المقربة- قواعد الإيثينوالقواعد المؤكسدة ، الفوسفوتريسترات المؤلكلة والتشابك للحمض النووي ، على سبيل المثال لا الحصر.

    يعد التلف الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية والألكلة / المثيلة وتلف الأشعة السينية والأضرار التأكسدية أمثلة على الضرر المستحث. يمكن أن يشمل الضرر العفوي فقدان القاعدة ، نزع الأمين ، تجعيد حلقة السكر والتحول التوتوميري. يمكن الكشف عن تلف الحمض النووي (العفوي) الناجم عن المؤكسدات الداخلية على أنه مستوى منخفض من فسفرة هيستون H2AX في الخلايا غير المعالجة. [11]

    التحرير النووي مقابل الميتوكوندريا

    في الخلايا البشرية ، والخلايا حقيقية النواة بشكل عام ، يوجد الحمض النووي في موقعين خلويين - داخل النواة وداخل الميتوكوندريا. يوجد الحمض النووي (nDNA) كروماتين خلال المراحل غير التكاثرية لدورة الخلية ويتم تكثيفه في هياكل مجمعة تعرف باسم الكروموسومات أثناء انقسام الخلية. في كلتا الحالتين ، يتم ضغط الحمض النووي بشدة وينتهي حول بروتينات تشبه حبة تسمى الهستونات. كلما احتاجت الخلية إلى التعبير عن المعلومات الجينية المشفرة في nDNA الخاص بها ، يتم تفكيك منطقة الكروموسومات المطلوبة ، ويتم التعبير عن الجينات الموجودة فيها ، ثم يتم تكثيف المنطقة مرة أخرى إلى شكلها الساكن. يقع الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA) داخل عضيات الميتوكوندريا ، وهو موجود في نسخ متعددة ، كما أنه يرتبط ارتباطًا وثيقًا بعدد من البروتينات لتشكيل معقد يعرف باسم النيوكليويد. داخل الميتوكوندريا ، أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) ، أو الجذور الحرة ، المنتجات الثانوية للإنتاج المستمر للأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) عن طريق الفسفرة المؤكسدة ، تخلق بيئة مؤكسدة للغاية معروفة بتلف mtDNA. إن الإنزيم المهم في مواجهة سمية هذه الأنواع هو ديسموتاز الفائق ، الموجود في كل من الميتوكوندريا والسيتوبلازم للخلايا حقيقية النواة.

    شيخوخة وموت الخلايا المبرمج تحرير

    الشيخوخة ، وهي عملية لا رجوع فيها لا تنقسم فيها الخلية بعد الآن ، هي استجابة وقائية لتقصير نهايات الكروموسوم. التيلوميرات عبارة عن مناطق طويلة من الحمض النووي المتكرر غير المشفر والذي يغطي الكروموسومات ويتعرض للتدهور الجزئي في كل مرة تخضع فيها الخلية للانقسام (انظر حد Hayflick). [12] في المقابل ، الهدوء هو حالة قابلة للعكس من السكون الخلوي الذي لا علاقة له بتلف الجينوم (انظر دورة الخلية). قد يعمل الشيخوخة في الخلايا كبديل وظيفي لموت الخلايا المبرمج في الحالات التي يكون فيها الوجود المادي للخلية لأسباب مكانية مطلوبًا من قبل الكائن الحي ، [13] والذي يعمل كآلية "الملاذ الأخير" لمنع الخلية ذات الحمض النووي التالف من التكاثر بشكل غير لائق في غياب الإشارات الخلوية المؤيدة للنمو. يمكن أن يؤدي الانقسام الخلوي غير المنظم إلى تكوين ورم (انظر السرطان) ، والذي من المحتمل أن يكون مميتًا للكائن الحي. لذلك ، يعتبر تحريض الشيخوخة والاستماتة جزءًا من استراتيجية الحماية من السرطان. [14]

    تحرير الطفرة

    من المهم التمييز بين تلف الحمض النووي والطفرة ، وهما النوعان الرئيسيان من أخطاء الحمض النووي. يختلف تلف الحمض النووي والطفرة اختلافًا جوهريًا. ينتج عن الضرر تشوهات فيزيائية في الحمض النووي ، مثل الانكسارات الأحادية والمزدوجة ، ومخلفات 8 هيدروكسي ديوكسي جوانوزين ، ومقاربات هيدروكربونية عطرية متعددة الحلقات. يمكن التعرف على تلف الحمض النووي بواسطة الإنزيمات ، وبالتالي يمكن إصلاحه بشكل صحيح إذا كانت المعلومات الزائدة عن الحاجة ، مثل التسلسل غير التالف في خيط الحمض النووي التكميلي أو في كروموسوم متماثل ، متاحًا للنسخ. إذا احتفظت الخلية بتلف الحمض النووي ، فيمكن منع نسخ الجين ، وبالتالي سيتم أيضًا حظر الترجمة إلى بروتين. يمكن أيضًا حظر النسخ المتماثل أو قد تموت الخلية.

    على عكس تلف الحمض النووي ، فإن الطفرة هي تغيير في التسلسل الأساسي للحمض النووي. لا يمكن التعرف على الطفرة بواسطة الإنزيمات بمجرد أن يكون التغيير الأساسي موجودًا في كل من خيوط الحمض النووي ، وبالتالي لا يمكن إصلاح الطفرة. على المستوى الخلوي ، يمكن أن تسبب الطفرات تغيرات في وظيفة البروتين وتنظيمه. يتم تكرار الطفرات عندما تتكاثر الخلية. في مجموعة من الخلايا ، تزداد الخلايا الطافرة أو تنقص في التردد وفقًا لتأثير الطفرة على قدرة الخلية على البقاء والتكاثر.

    على الرغم من اختلافهما بشكل واضح عن بعضهما البعض ، فإن تلف الحمض النووي والطفرة مرتبطان لأن تلف الحمض النووي غالبًا ما يتسبب في حدوث أخطاء في تخليق الحمض النووي أثناء النسخ المتماثل أو إصلاح هذه الأخطاء التي تعد مصدرًا رئيسيًا للطفرة.

    نظرًا لخصائص تلف الحمض النووي والطفرة هذه ، يمكن ملاحظة أن تلف الحمض النووي يمثل مشكلة خاصة في الخلايا غير المنقسمة أو التي تنقسم ببطء ، حيث يميل الضرر غير المُصلح إلى التراكم بمرور الوقت. من ناحية أخرى ، في الخلايا سريعة الانقسام ، فإن تلف الحمض النووي غير المصلح الذي لا يقتل الخلية عن طريق منع التكاثر سيؤدي إلى حدوث أخطاء في النسخ وبالتالي حدوث طفرة. الغالبية العظمى من الطفرات غير الحيادية في تأثيرها ضارة ببقاء الخلية. وهكذا ، تميل الخلايا الطافرة إلى الضياع في مجموعة من الخلايا التي تتكون منها الأنسجة ذات الخلايا المتكاثرة. ومع ذلك ، فإن الطفرات النادرة التي توفر ميزة البقاء تميل إلى التوسع نسبيًا على حساب الخلايا المجاورة في الأنسجة. هذه الميزة للخلية غير مواتية للكائن الحي بأكمله ، لأن مثل هذه الخلايا الطافرة يمكن أن تؤدي إلى الإصابة بالسرطان. وبالتالي ، فإن تلف الحمض النووي في الخلايا التي تنقسم بشكل متكرر ، لأنه يؤدي إلى حدوث طفرات ، يعد سببًا بارزًا للسرطان. في المقابل ، من المحتمل أن يكون تلف الحمض النووي في الخلايا التي لا تنقسم بشكل متكرر سببًا بارزًا للشيخوخة. [15]

    لا يمكن للخلايا أن تعمل إذا كان تلف الحمض النووي يفسد سلامة وإمكانية الوصول إلى المعلومات الأساسية في الجينوم (لكن الخلايا تظل تعمل بشكل سطحي عندما تكون الجينات غير الأساسية مفقودة أو تالفة). اعتمادًا على نوع الضرر الذي لحق بالبنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي ، تطورت مجموعة متنوعة من استراتيجيات الإصلاح لاستعادة المعلومات المفقودة. إذا أمكن ، تستخدم الخلايا الشريط التكميلي غير المعدل للحمض النووي أو الكروماتيد الشقيق كقالب لاستعادة المعلومات الأصلية. بدون الوصول إلى قالب ، تستخدم الخلايا آلية استرداد عرضة للخطأ تُعرف باسم توليف translesion كملاذ أخير.

    يؤدي الضرر الذي يلحق بالحمض النووي إلى تغيير التكوين المكاني للحلزون ، ويمكن للخلية اكتشاف مثل هذه التغييرات. بمجرد تحديد الضرر ، ترتبط جزيئات إصلاح الحمض النووي المحددة في موقع الضرر أو بالقرب منه ، مما يحفز الجزيئات الأخرى على الارتباط وتشكيل معقد يمكّن الإصلاح الفعلي من الحدوث.

    تحرير الانعكاس المباشر

    من المعروف أن الخلايا تقضي على ثلاثة أنواع من الضرر الذي يصيب حمضها النووي عن طريق عكسه كيميائيًا. لا تتطلب هذه الآليات قالبًا ، نظرًا لأن أنواع الضرر التي تواجهها يمكن أن تحدث في قاعدة واحدة فقط من القواعد الأربع. آليات الانعكاس المباشر هذه خاصة بنوع الضرر المتكبّد ولا تنطوي على كسر العمود الفقري للفوسفوديستر. ينتج عن تكوين ثنائيات البيريميدين عند التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية رابطة تساهمية غير طبيعية بين قواعد بيريميدين المجاورة. تعكس عملية التنشيط الضوئي مباشرة هذا الضرر بفعل عمل إنزيم فوتولياز ، الذي يعتمد تنشيطه بشكل إلزامي على الطاقة الممتصة من الضوء الأزرق / الأشعة فوق البنفسجية (الطول الموجي 300-500 نانومتر) لتعزيز التحفيز. [١٦] إنزيم فوتولياز ، وهو إنزيم قديم موجود في البكتيريا والفطريات ومعظم الحيوانات ، لم يعد يعمل لدى البشر ، [17] الذين يستخدمون بدلاً من ذلك إصلاح استئصال النوكليوتيدات لإصلاح الضرر الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية. نوع آخر من الضرر ، هو ميثيل قواعد الجوانين ، يتم عكسه مباشرة بواسطة بروتين ميثيل جوانين ميثيل ترانسفيراز (MGMT) ، المكافئ البكتيري منه يسمى ogt. هذه عملية مكلفة لأنه لا يمكن استخدام كل جزيء MGMT إلا مرة واحدة ، يكون التفاعل مقياسًا متكافئًا وليس تحفيزيًا. [18] تُعرف الاستجابة العامة لعوامل الميثلة في البكتيريا بالاستجابة التكيفية وتعطي مستوى من المقاومة لعوامل الألكلة عند التعرض المستمر عن طريق تنظيم إنزيمات إصلاح الألكلة. [19] النوع الثالث من تلف الحمض النووي الذي تعكسه الخلايا هو مثيلة معينة لقاعدتي السيتوزين والأدينين.

    تحرير تلف الخيط الفردي

    عندما يكون هناك عيب في واحد فقط من خيطي اللولب المزدوج ، يمكن استخدام الخيط الآخر كقالب لتوجيه تصحيح الخيط التالف. من أجل إصلاح الضرر الذي لحق بأحد جزيئي الحمض النووي المقترنين ، يوجد عدد من آليات إصلاح الختان التي تزيل النيوكليوتيدات التالفة وتستبدلها بنكليوتيد غير تالف مكمل لتلك الموجودة في شريط الحمض النووي غير التالف. [18]

      (BER): يتم إصلاح القواعد المفردة أو النيوكليوتيدات التالفة بشكل شائع عن طريق إزالة القاعدة أو النيوكليوتيدات المعنية ثم إدخال القاعدة الصحيحة أو النيوكليوتيدات. في إصلاح استئصال القاعدة ، يقوم إنزيم الجليكوزيلاز [20] بإزالة القاعدة التالفة من الحمض النووي عن طريق شق الرابطة بين القاعدة و deoxyribose. تزيل هذه الإنزيمات قاعدة واحدة لإنشاء موقع أبوريني أو أبيرميدين (موقع AP). [20] إنزيمات تسمى نوكليازيس AP تلتصق بالعمود الفقري للحمض النووي التالف في موقع AP. ثم يزيل بوليميراز الحمض النووي المنطقة التالفة باستخدام نشاط نوكليازه الخارجي من 5 "إلى 3" ويقوم بتوليف الخيط الجديد بشكل صحيح باستخدام الخيط التكميلي كقالب. [20] ثم يتم سد الفجوة بواسطة إنزيم ليجاسى الدنا. [21] (NER): الضرر الضخم المشوه للحلزون ، مثل ثنائي بيريميدين الناجم عن ضوء الأشعة فوق البنفسجية يتم إصلاحه عادة من خلال عملية من ثلاث خطوات. أولاً ، يتم التعرف على الضرر ، ثم تتم إزالة 12-24 خيوطًا طويلة من النوكليوتيد من الحمض النووي في كل من المنبع والمصب في موقع الضرر بواسطة نوكليازات داخلية ، ثم يتم إعادة تركيب منطقة الحمض النووي التي تمت إزالتها. [22] NER هي آلية إصلاح محفوظة تطوريًا للغاية وتستخدم في جميع الخلايا حقيقية النواة وبدائية النواة تقريبًا. [22] في بدائيات النوى ، يتم التوسط في NER بواسطة بروتينات Uvr. [22] في حقيقيات النوى ، تشارك العديد من البروتينات ، على الرغم من أن الإستراتيجية العامة هي نفسها. [22] أنظمة موجودة بشكل أساسي في جميع الخلايا لتصحيح الأخطاء التي لم يتم تصحيحها عن طريق التدقيق اللغوي. تتكون هذه الأنظمة من بروتينين على الأقل. يكتشف أحدهما عدم التطابق ، والآخر يجند نوكليازًا داخليًا يشق خيط الحمض النووي المركب حديثًا بالقرب من منطقة التلف. في بكتريا قولونية ، البروتينات المعنية هي بروتينات فئة Mut: MutS ، MutL ، و MutH. في معظم حقيقيات النوى ، يكون التناظرية لـ MutS هو MSH والنظير لـ MutL هو MLH. MH موجود فقط في البكتيريا. يتبع ذلك إزالة المنطقة التالفة بواسطة نوكلياز خارجي ، وإعادة التركيب بواسطة بوليميريز الحمض النووي ، وختم النيك بواسطة ليجاز الحمض النووي. [23]

    مزدوج حبلا فواصل تحرير

    تعتبر الكسور المزدوجة ، حيث يتم قطع كل من خيوط اللولب المزدوج ، خطيرة بشكل خاص على الخلية لأنها يمكن أن تؤدي إلى إعادة ترتيب الجينوم. في الواقع ، عندما يكون كسر الخيط المزدوج مصحوبًا بربط متقاطع ينضم إلى الخيطين في نفس النقطة ، فلا يمكن استخدام أي من الخيطين كقالب لآليات الإصلاح ، بحيث لا تكون الخلية قادرة على إكمال الانقسام عندما ينقسم بعد ذلك ، ويموت أو ، في حالات نادرة ، يخضع لطفرة. [3] [4] توجد ثلاث آليات لإصلاح الانقطاعات المزدوجة (DSBs): الانضمام إلى النهاية غير المتجانسة (NHEJ) ، والانضمام النهائي بوساطة علم الأحياء الدقيقة (MMEJ) ، وإعادة التركيب المتماثل (HR). [18] [24] في في المختبر النظام ، حدث MMEJ في خلايا الثدييات عند مستويات 10-20 ٪ من الموارد البشرية عندما كانت آليات كل من HR و NHEJ متاحة أيضًا. [25]

    في NHEJ ، ينضم DNA Ligase IV ، وهو عبارة عن ليجاز DNA متخصص يشكل معقدًا مع العامل المساعد XRCC4 ، مباشرة إلى الطرفين. [26] لتوجيه الإصلاح الدقيق ، يعتمد NHEJ على تسلسلات متجانسة قصيرة تسمى الميكروهومولوجيات الموجودة على ذيول أحادية الجديلة لنهايات الحمض النووي المراد ربطها. إذا كانت هذه الأجزاء المتدلية متوافقة ، فعادة ما يكون الإصلاح دقيقًا. [27] [28] [29] [30] يمكن أن تقدم NHEJ أيضًا طفرات أثناء الإصلاح. يمكن أن يؤدي فقدان النيوكليوتيدات التالفة في موقع الفاصل إلى عمليات الحذف ، والانضمام إلى أشكال نهائية غير متطابقة لإدراج أو نقل مواضع. يعتبر NHEJ مهمًا بشكل خاص قبل أن تقوم الخلية بتكرار الحمض النووي الخاص بها ، حيث لا يوجد قالب متاح للإصلاح عن طريق إعادة التركيب المتماثل. هناك مسارات "احتياطية" NHEJ في حقيقيات النوى الأعلى. [31] إلى جانب دوره كراعٍ للجينوم ، فإن NHEJ مطلوب للانضمام إلى فواصل الشرائط المزدوجة المغطاة بدبابيس الشعر التي تحدث أثناء إعادة التركيب V (D) J ، وهي العملية التي تولد التنوع في مستقبلات الخلايا البائية والخلايا التائية في مناعة الفقاريات النظام. [32]

    تتطلب إعادة التركيب المتماثل وجود تسلسل متطابق أو متطابق تقريبًا لاستخدامه كقالب لإصلاح الكسر. الآلية الأنزيمية المسؤولة عن عملية الإصلاح هذه مطابقة تقريبًا للآلة المسؤولة عن تقاطع الكروموسومات أثناء الانقسام الاختزالي. يسمح هذا المسار بإصلاح الكروموسوم التالف باستخدام كروماتيد أخت (متوفر في G2 بعد تكرار الحمض النووي) أو كروموسوم متماثل كقالب. تسبب DSBs الناتجة عن آلية النسخ التي تحاول التخليق عبر كسر أحادي الخيط أو الآفة غير المعالجة انهيار شوكة النسخ ويتم إصلاحها عادةً عن طريق إعادة التركيب.

    يبدأ MMEJ باستئصال نهاية قصيرة المدى بواسطة نوكلياز MRE11 على جانبي فاصل الخيط المزدوج للكشف عن مناطق الميكروهومولوجيا. [25] في خطوات أخرى ، [33] بولي (ADP-ribose) بوليميريز 1 (PARP1) مطلوب وقد يكون خطوة مبكرة في MMEJ. يوجد اقتران بين مناطق علم الميكروهومولوجي متبوعًا بتوظيف نوكلياز داخلي 1 خاص بهيكل الرفرف (FEN1) لإزالة اللوحات المتدلية. يتبع ذلك توظيف XRCC1 – LIG3 في الموقع لربط نهايات الحمض النووي ، مما يؤدي إلى DNA سليم. دائمًا ما يكون MMEJ مصحوبًا بحذف ، بحيث يكون MMEJ مسارًا مطفرًا لإصلاح الحمض النووي. [34]

    المتطرف Deinococcus radiodurans لديه قدرة ملحوظة على النجاة من تلف الحمض النووي من الإشعاع المؤين ومصادر أخرى. يمكن لنسختين على الأقل من الجينوم ، مع فواصل عشوائية للحمض النووي ، تكوين شظايا الحمض النووي من خلال التلدين. ثم تُستخدم الأجزاء المتداخلة جزئيًا لتركيب مناطق متجانسة من خلال حلقة D متحركة يمكنها الاستمرار في التمدد حتى تجد خيوطًا شريكة مكملة. في الخطوة الأخيرة ، هناك تقاطع عن طريق إعادة التركيب المتماثل المعتمد على RecA. [35]

    تقدم Topoisomerases فواصل أحادية ومزدوجة الجدائل في سياق تغيير حالة الحمض النووي من الالتفاف الفائق ، وهو أمر شائع بشكل خاص في المناطق القريبة من شوكة النسخ المتماثل المفتوحة. لا تعتبر مثل هذه الفواصل ضررًا للحمض النووي لأنها وسيط طبيعي في الآلية الكيميائية الحيوية للتوبويزوميراز ويتم إصلاحها على الفور بواسطة الإنزيمات التي خلقتها.

    تحرير توليف Translesion

    توليف التحويل (TLS) هو عملية تحمل تلف الحمض النووي التي تسمح لآلة تكرار الحمض النووي بتكرار آفات الحمض النووي السابقة مثل ثايمين الثايمر أو مواقع AP. [36] وهي تنطوي على تبديل بوليميراز الحمض النووي المنتظم لبوليميرات الترانزيت المتخصصة (مثل بوليميريز الحمض النووي IV أو V ، من عائلة Y Polymerase) ، غالبًا مع المواقع النشطة الأكبر التي يمكن أن تسهل إدخال القواعد المقابلة للنيوكليوتيدات التالفة. يُعتقد أن تبديل البوليميراز يتم بوساطة ، من بين عوامل أخرى ، التعديل اللاحق للترجمة لعامل معالجة النسخ المتماثل PCNA. غالبًا ما يكون للبوليميرات التخليقية التحويلية دقة منخفضة (ميل مرتفع لإدخال قواعد خاطئة) على قوالب غير تالفة بالنسبة إلى البوليميرات العادية. ومع ذلك ، فإن العديد منها فعال للغاية في إدخال القواعد الصحيحة مقابل أنواع محددة من الضرر. على سبيل المثال ، يتوسط Pol - تجاوز خالي من الأخطاء للآفات التي يسببها تشعيع الأشعة فوق البنفسجية ، في حين أن Pol - يقدم طفرات في هذه المواقع. من المعروف أن Pol يضيف الأدينين الأول عبر T ^ T photodimer باستخدام الاقتران الأساسي Watson-Crick وستتم إضافة الأدينين الثاني في شكله المتزامن باستخدام الاقتران الأساسي Hoogsteen. من المنظور الخلوي ، قد يكون المخاطرة بإدخال طفرات نقطية أثناء تخليق الترانزيت أفضل من اللجوء إلى آليات أكثر جذرية لإصلاح الحمض النووي ، والتي قد تسبب انحرافات الكروموسومات الإجمالية أو موت الخلايا. باختصار ، تتضمن العملية بوليميرات متخصصة إما لتجاوز أو إصلاح الآفات في مواقع تكاثر الحمض النووي المتوقف. على سبيل المثال ، يمكن لبوليميراز DNA البشري eta تجاوز آفات الحمض النووي المعقدة مثل الارتباط المتشابك بين الجوانين والثايمين ، G [8،5-Me] T ، على الرغم من أنه يمكن أن يتسبب في حدوث طفرات مستهدفة وشبه مستهدفة. [37] درس باروميتا رايشودري وآشيس باسو [38] السمية والطفرات من نفس الآفة في الإشريكية القولونية عن طريق تكرار G [8،5-Me] البلازميد المعدل T في بكتريا قولونية مع الضربات القاضية محددة DNA polymerase. كانت قابلية البقاء منخفضة جدًا في سلالة تفتقر إلى pol II و pol IV و pol V ، وهي بوليميرات الحمض النووي الثلاثة التي تحفز SOS ، مما يشير إلى أن توليف translesion يتم إجراؤه بشكل أساسي بواسطة بوليميرات الحمض النووي المتخصصة هذه. يتم توفير منصة الالتفاف لهذه البوليميرات عن طريق تكاثر مستضد الخلية النووية (PCNA). في ظل الظروف العادية ، يكرر PCNA المرتبط بالبوليميرات الحمض النووي. في موقع الآفة ، ينتشر PCNA في كل مكان ، أو يتم تعديله بواسطة بروتينات RAD6 / RAD18 لتوفير منصة للبوليميرات المتخصصة لتجاوز الآفة واستئناف تكرار الحمض النووي. [39] [40] بعد توليف translesion ، يلزم التمديد. يمكن تنفيذ هذا التمديد بواسطة بوليميراز مكرر إذا كان TLS خاليًا من الأخطاء ، كما في حالة Pol ، ولكن إذا نتج عن TLS عدم تطابق ، يلزم وجود بوليميراز متخصص لتمديده Pol. يعتبر Pol فريدًا من حيث أنه يمكن أن يمد عدم التطابق الطرفي ، في حين أن البوليميرات الأكثر معالجة لا يمكنها ذلك. لذلك عند مواجهة الآفة ، ستتوقف شوكة النسخ المتماثل ، وسيتحول PCNA من بوليميراز معالج إلى بوليميراز TLS مثل Pol لإصلاح الآفة ، ثم قد يتحول PCNA إلى Pol لتمديد عدم التطابق ، وسيتحول PCNA الأخير إلى البوليميراز المعالج لمواصلة النسخ المتماثل.

    الخلايا المعرضة للإشعاع المؤين أو الأشعة فوق البنفسجية أو المواد الكيميائية معرضة لاكتساب مواقع متعددة من آفات الحمض النووي الضخمة وفواصل الشرائط المزدوجة. علاوة على ذلك ، يمكن للعوامل الضارة بالحمض النووي أن تدمر الجزيئات الحيوية الأخرى مثل البروتينات والكربوهيدرات والدهون والحمض النووي الريبي. يعد تراكم الضرر ، ليكون محددًا ، فواصل أو تقريب مزدوج يوقف شوكات النسخ المتماثل ، من بين إشارات التحفيز المعروفة للاستجابة العالمية لتلف الحمض النووي. [41] الاستجابة العالمية للضرر هي فعل موجه نحو الحفاظ على الخلايا ويطلق مسارات متعددة لإصلاح الجزيئات الكبيرة ، أو تجاوز الآفة ، أو التحمل ، أو موت الخلايا المبرمج. السمات المشتركة للاستجابة العالمية هي تحريض جينات متعددة ، وتوقف دورة الخلية ، وتثبيط انقسام الخلايا.

    الخطوات الأولية تحرير

    يمثل تغليف الحمض النووي حقيقيات النوى في كروماتين حاجزًا أمام جميع العمليات القائمة على الحمض النووي التي تتطلب توظيف الإنزيمات في مواقع عملها. للسماح بإصلاح الحمض النووي ، يجب إعادة تشكيل الكروماتين. في حقيقيات النوى ، تعتبر مجمعات إعادة تشكيل الكروماتين المعتمدة على ATP والإنزيمات المعدلة للهيستون عاملين سائدين يستخدمان لإنجاز عملية إعادة التشكيل هذه. [42]

    يحدث استرخاء الكروماتين بسرعة في موقع تلف الحمض النووي. [43] [44] في واحدة من الخطوات الأولى ، بروتين كيناز المنشط بالإجهاد ، c-Jun N-terminal kinase (JNK) ، فسفوريلات SIRT6 على سيرين 10 استجابةً لانكسار الشريط المزدوج أو أي تلف آخر في الحمض النووي. [45] هذا التعديل اللاحق للترجمة يسهل تحريك SIRT6 إلى مواقع تلف الحمض النووي ، وهو مطلوب للتوظيف الفعال للبوليميراز 1 (ADP-ribose) (PARP1) في مواقع كسر الحمض النووي ولإصلاح أجهزة DSBs بكفاءة. [45] يبدأ بروتين PARP1 في الظهور في مواقع تلف الحمض النووي في أقل من ثانية ، مع تراكم نصف أقصى خلال 1.6 ثانية بعد حدوث الضرر. [46] يصنع PARP1 سلاسل بوليمرية أدينوزين ثنائي فوسفات ريبوز (بولي (ADP-ريبوز) أو PAR) على نفسه. بعد ذلك ، يتم ربط جهاز إعادة تشكيل الكروماتين ALC1 بسرعة بمنتج إجراء PARP1 ، وهو عبارة عن سلسلة ريبوز متعددة ADP ، ويكمل ALC1 الوصول إلى تلف الحمض النووي في غضون 10 ثوانٍ من حدوث الضرر. [44] حوالي نصف الحد الأقصى من استرخاء الكروماتين ، الذي يُفترض أنه بسبب عمل ALC1 ، يحدث بمقدار 10 ثوانٍ. [44] هذا يسمح بعد ذلك بتوظيف إنزيم إصلاح الحمض النووي MRE11 ، لبدء إصلاح الحمض النووي ، في غضون 13 ثانية. [46]

    γH2AX ، الشكل الفسفوري لـ H2AX متورط أيضًا في الخطوات المبكرة التي تؤدي إلى فك تكثف الكروماتين بعد فواصل الحمض النووي المزدوج. يشكل متغير هيستون H2AX حوالي 10٪ من هيستون H2A في الكروماتين البشري. [47] يمكن الكشف عن γH2AX (H2AX فسفرته على سيرين 139) في أقرب وقت بعد 20 ثانية من تشعيع الخلايا (مع تشكيل كسر مزدوج للحمض النووي) ، ويحدث نصف الحد الأقصى لتراكم γH2AX في دقيقة واحدة. [47] مدى الكروماتين مع γH2AX الفسفوري هو حوالي مليوني زوج قاعدي في موقع كسر الحمض النووي المزدوج. [47] لا يسبب γH2AX في حد ذاته تفكك الكروماتين ، ولكن في غضون 30 ثانية من التشعيع ، يمكن اكتشاف بروتين RNF8 بالاقتران مع γH2AX. [48] ​​يتوسط RNF8 تفكيك كروماتين واسع النطاق ، من خلال تفاعله اللاحق مع CHD4 ، [49] أحد مكونات إعادة تشكيل الجسيم النووي ومركب ديستيلاز NuRD.

    يحدث DDB2 في مجمع غير متجانس مع DDB1. يتضافر هذا المركب مع بروتين ubiquitin ligase CUL4A [50] ومع PARP1. [51] يرتبط هذا المركب الأكبر بسرعة بالضرر الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية داخل الكروماتين ، مع اكتمال نصف الحد الأقصى للارتباط في 40 ثانية. [50] بروتين PARP1 ، مرتبط بكل من DDB1 و DDB2 ، ثم PARylates (ينشئ سلسلة ريبوز متعددة ADP) على DDB2 الذي يجذب بروتين إعادة تشكيل الحمض النووي ALC1. [51] يعمل عمل ALC1 على إرخاء الكروماتين في موقع تلف الحمض النووي للأشعة فوق البنفسجية. يسمح هذا الاسترخاء للبروتينات الأخرى في مسار إصلاح استئصال النوكليوتيدات بالدخول إلى الكروماتين وإصلاح الأضرار التي تسببها الأشعة فوق البنفسجية السيكلوبوتان بيريميدين.

    بعد إعادة تشكيل الكروماتين السريع ، يتم تنشيط نقاط فحص دورة الخلية للسماح بإصلاح الحمض النووي قبل أن تتقدم دورة الخلية. أولاً ، يتم تنشيط اثنين من كينازات ، أجهزة الصراف الآلي و ATR في غضون 5 أو 6 دقائق بعد تلف الحمض النووي. يتبع ذلك فسفرة بروتين نقطة تفتيش دورة الخلية Chk1 ، لبدء وظيفتها ، بعد حوالي 10 دقائق من تلف الحمض النووي. [52]

    نقاط تفتيش تلف الحمض النووي تحرير

    بعد تلف الحمض النووي ، يتم تنشيط نقاط تفتيش دورة الخلية. يعمل تنشيط نقطة التفتيش على إيقاف دورة الخلية مؤقتًا ويمنح الخلية وقتًا لإصلاح الضرر قبل الاستمرار في الانقسام. تحدث نقاط فحص تلف الحمض النووي عند حدود G1 / S و G2 / M. توجد أيضًا نقطة تفتيش داخل المنطقة الجنوبية. يتم التحكم في تنشيط نقاط التفتيش بواسطة حركتين رئيسيتين ، أجهزة الصراف الآلي و ATR. يستجيب ATM لانكسارات الحمض النووي المزدوجة واضطرابات بنية الكروماتين ، [53] بينما يستجيب ATR بشكل أساسي لشوكات النسخ المتماثل المتوقفة. تعمل هذه الكينازات على فسفوريلات أهداف المصب في سلسلة تحويل الإشارة ، مما يؤدي في النهاية إلى إيقاف دورة الخلية. تم تحديد فئة من بروتينات وسيط نقاط التفتيش بما في ذلك BRCA1 و MDC1 و 53BP1. [54] يبدو أن هذه البروتينات مطلوبة لنقل إشارة تنشيط نقطة التفتيش إلى بروتينات المصب.

    نقطة تفتيش تلف الحمض النووي هو مسار تحويل الإشارة الذي يمنع تقدم دورة الخلية في G1 و G2 و metaphase ويبطئ معدل تقدم المرحلة S عند تلف الحمض النووي. يؤدي إلى توقف مؤقت في دورة الخلية مما يتيح للخلية وقتًا لإصلاح الضرر قبل الاستمرار في الانقسام.

    يمكن فصل بروتينات نقاط التفتيش إلى أربع مجموعات: فوسفاتيديلينوسيتول 3-كيناز (PI3K) - مثل بروتين كيناز ، مجموعة تشبه مستضد الخلية النووية (PCNA) ، واثنين من كينازات سيرين / ثريونين (S / T) ومحولاتها. هناك زوج من كينازات البروتين الكبيرة التي تنتمي إلى المجموعة الأولى من كينازات البروتين الشبيهة بـ PI3K-the ATM (Ataxia telangiectasia mutated) و ATR (Ataxia- and Rad-related) ، والتي يكون تسلسلها ووظائفها أمرًا أساسيًا لجميع استجابات نقاط التفتيش التي يسببها تلف الحمض النووي. تم حفظها جيدًا في التطور. تتطلب جميع استجابة تلف الحمض النووي إما ATM أو ATR لأن لديهم القدرة على الارتباط بالكروموسومات في موقع تلف الحمض النووي ، جنبًا إلى جنب مع البروتينات الملحقة التي تعد منصات يمكن تجميع مكونات استجابة تلف الحمض النووي ومجمعات إصلاح الحمض النووي عليها.

    هدف مهم في المصب لـ ATM و ATR هو p53 ، حيث إنه مطلوب للحث على موت الخلايا المبرمج بعد تلف الحمض النووي. [55] يتم تحفيز مثبط الكيناز المعتمد على السيكلين p21 بواسطة كل من الآليات المعتمدة على p53 والمستقلة عن p53 ويمكنه إيقاف دورة الخلية عند نقطتي تفتيش G1 / S و G2 / M عن طريق إلغاء تنشيط مجمعات كيناز المعتمدة على السيكلين / السيكلين. [56]

    تحرير استجابة SOS بدائية النواة

    استجابة SOS هي التغييرات في التعبير الجيني في الإشريكية القولونية والبكتيريا الأخرى استجابة لتلف الحمض النووي الواسع. يتم تنظيم نظام SOS بدائية النواة بواسطة نوعين من البروتينات الرئيسية: LexA و RecA. جهاز LexA homodimer عبارة عن مثبط نسخي يرتبط بتسلسلات المشغل التي يشار إليها عادةً باسم مربعات SOS. في الإشريكية القولونية من المعروف أن LexA ينظم نسخ ما يقرب من 48 جينًا بما في ذلك جينات lexA و recA. [57] من المعروف أن استجابة SOS منتشرة على نطاق واسع في مجال البكتيريا ، ولكنها غالبًا ما تكون غائبة في بعض الشعب البكتيرية ، مثل Spirochetes. [58] الإشارات الخلوية الأكثر شيوعًا التي تنشط استجابة SOS هي مناطق الحمض النووي أحادي الجديلة (ssDNA) ، والتي تنشأ من تعطل شوكات النسخ المتماثل أو فواصل الخيط المزدوج ، والتي تتم معالجتها بواسطة هليكاز الحمض النووي لفصل خيوط الحمض النووي. [41] في خطوة البدء ، يرتبط بروتين RecA بـ ssDNA في تفاعل مدفوع بالتحلل المائي ATP مكونًا خيوط RecA-ssDNA. تعمل خيوط RecA-ssDNA على تنشيط نشاط LexA autoprotease ، والذي يؤدي في النهاية إلى انشقاق ثنائيات LexA وتدهور LexA اللاحق. يؤدي فقدان مثبط LexA إلى نسخ جينات SOS ويسمح بمزيد من تحريض الإشارة وتثبيط انقسام الخلايا وزيادة مستويات البروتينات المسؤولة عن معالجة التلف.

    في الإشريكية القولونية، مربعات SOS عبارة عن تسلسل طويل من 20 نيوكليوتيد بالقرب من محفزات ذات بنية متجانسة ودرجة عالية من حفظ التسلسل. في الفئات والشعب الأخرى ، يختلف تسلسل مربعات SOS اختلافًا كبيرًا ، باختلاف الطول والتركيب ، لكنها دائمًا ما تكون محفوظة بدرجة عالية وإحدى أقوى الإشارات القصيرة في الجينوم. [58] محتوى المعلومات العالي في صناديق SOS يسمح بالربط التفاضلي لـ LexA بمروجين مختلفين ويسمح بتوقيت استجابة SOS. يتم تحفيز جينات إصلاح الآفة في بداية استجابة SOS. يتم تحفيز بوليميرات الترانزستور المعرضة للخطأ ، على سبيل المثال ، UmuCD'2 (وتسمى أيضًا DNA polymerase V) ، لاحقًا كملاذ أخير. [59] بمجرد إصلاح تلف الحمض النووي أو تجاوزه باستخدام البوليميراز أو من خلال إعادة التركيب ، تقل كمية الحمض النووي أحادي الجديلة في الخلايا ، ويقلل خفض كميات خيوط RecA من نشاط الانقسام لـ LexA homodimer ، والذي يرتبط بعد ذلك بصناديق SOS القريبة المروجين ويعيد التعبير الجيني الطبيعي.

    تحرير الاستجابات النسخية حقيقية النواة لتلف الحمض النووي

    الخلايا حقيقية النواة المعرضة لعوامل ضارة بالحمض النووي تنشط أيضًا مسارات دفاعية مهمة عن طريق تحفيز بروتينات متعددة تشارك في إصلاح الحمض النووي ، والتحكم في نقطة تفتيش دورة الخلية ، والاتجار بالبروتينات وتدهورها. هذه الاستجابة النسخية على نطاق الجينوم معقدة للغاية ومنظمة بإحكام ، مما يسمح بالاستجابة العالمية المنسقة للضرر. التعرض للخميرة خميرة الخميرة إلى العوامل المدمرة للحمض النووي يؤدي إلى تشكيلات نسخ متداخلة ولكنها مميزة. تشير أوجه التشابه مع استجابة الصدمة البيئية إلى وجود مسار استجابة عالمي عام للإجهاد على مستوى التنشيط النسخي.في المقابل ، تستجيب أنواع مختلفة من الخلايا البشرية للضرر بشكل مختلف مما يشير إلى عدم وجود استجابة عالمية مشتركة. قد يكون التفسير المحتمل لهذا الاختلاف بين الخميرة والخلايا البشرية في عدم تجانس خلايا الثدييات. في الحيوان ، تتوزع أنواع مختلفة من الخلايا بين أعضاء مختلفة طورت حساسيات مختلفة لتلف الحمض النووي. [60]

    بشكل عام ، تتضمن الاستجابة العالمية لتلف الحمض النووي التعبير عن جينات متعددة مسؤولة عن إصلاح ما بعد النسخ ، وإعادة التركيب المتماثل ، وإصلاح ختان النيوكليوتيدات ، ونقطة تفتيش تلف الحمض النووي ، وتنشيط النسخ العالمي ، والجينات التي تتحكم في تحلل الرنا المرسال ، وغيرها الكثير. يترك قدر كبير من الضرر الذي يلحق بالخلية قرارًا مهمًا: الخضوع لموت الخلايا المبرمج والموت ، أو البقاء على قيد الحياة على حساب العيش مع جينوم معدل. يمكن أن تؤدي زيادة تحمل الضرر إلى زيادة معدل البقاء على قيد الحياة مما يسمح بتراكم أكبر للطفرات. الخميرة Rev1 والبوليميراز البشري η هما عضوان في [بوليميراز الحمض النووي لترانزستور الأسرة Y الموجود أثناء الاستجابة العالمية لتلف الحمض النووي وهما مسؤولان عن الطفرات المعززة أثناء الاستجابة العالمية لتلف الحمض النووي في حقيقيات النوى. [41]

    الآثار المرضية لضعف إصلاح الحمض النووي

    غالبًا ما تُظهر الحيوانات التجريبية التي تعاني من قصور جيني في إصلاح الحمض النووي انخفاضًا في العمر الافتراضي وزيادة الإصابة بالسرطان. [15] على سبيل المثال ، الفئران التي تعاني من نقص في مسار NHEJ المهيمن وفي آليات صيانة التيلومير تصاب بسرطان الغدد الليمفاوية والالتهابات في كثير من الأحيان ، ونتيجة لذلك ، يكون لها عمر أقصر من الفئران البرية. [61] وبطريقة مماثلة ، فإن الفئران التي تعاني من نقص في بروتين الإصلاح والنسخ الرئيسي الذي يحل حلزونات الحمض النووي لديها بداية مبكرة للأمراض المرتبطة بالشيخوخة وبالتالي تقصير العمر. [62] ومع ذلك ، ليس كل نقص في إصلاح الحمض النووي يخلق بالضبط التأثيرات المتوقعة التي تعاني منها الفئران التي تعاني من نقص في مسار NER والتي تظهر تقصير فترة الحياة دون معدلات طفرة أعلى. [63]

    إذا تجاوز معدل تلف الحمض النووي قدرة الخلية على إصلاحه ، فإن تراكم الأخطاء يمكن أن يطغى على الخلية ويؤدي إلى الشيخوخة المبكرة أو موت الخلايا المبرمج أو السرطان. تؤدي الأمراض الوراثية المرتبطة بأداء إصلاح الحمض النووي الخاطئ إلى الشيخوخة المبكرة ، [15] وزيادة الحساسية للمواد المسرطنة ، وبالتالي زيادة خطر الإصابة بالسرطان (انظر أدناه). من ناحية أخرى ، فإن الكائنات الحية ذات أنظمة إصلاح الحمض النووي المحسنة ، مثل Deinococcus radiodurans، أكثر الكائنات الحية المعروفة مقاومة للإشعاع ، يُظهر مقاومة ملحوظة للتأثيرات المحفزة للكسر المزدوج للنشاط الإشعاعي ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى تحسين كفاءة إصلاح الحمض النووي وخاصة NHEJ. [64]

    طول العمر وتقييد السعرات الحرارية

    تم تحديد عدد من الجينات الفردية على أنها تؤثر على التغيرات في مدى الحياة داخل مجموعة من الكائنات الحية. تأثير هذه الجينات يعتمد بشدة على البيئة ، على وجه الخصوص ، على النظام الغذائي للكائن الحي. يؤدي تقييد السعرات الحرارية بشكل متكاثر إلى إطالة العمر الافتراضي لمجموعة متنوعة من الكائنات الحية ، على الأرجح عبر مسارات استشعار المغذيات وانخفاض معدل الأيض. الآليات الجزيئية التي يؤدي بها هذا التقييد إلى إطالة عمر ما زالت غير واضحة حتى الآن (انظر [65] للاطلاع على بعض المناقشات) ومع ذلك ، فإن سلوك العديد من الجينات المعروفة بالمشاركة في إصلاح الحمض النووي يتم تغييره في ظل ظروف تقييد السعرات الحرارية. تم إثبات أن العديد من العوامل التي تم الإبلاغ عن امتلاكها لخصائص مضادة للشيخوخة تخفف من المستوى التكويني لإشارات mTOR ، وهو دليل على تقليل النشاط الأيضي ، وفي نفس الوقت تقلل المستوى التكويني لتلف الحمض النووي الناجم عن أنواع الأكسجين التفاعلية المتولدة داخليًا. [66]

    على سبيل المثال ، زيادة جرعة الجين من الجين SIR-2 ، الذي ينظم تغليف الحمض النووي في دودة الديدان الخيطية أنواع معينة انيقة، يمكن أن يطيل بشكل كبير من العمر الافتراضي. [67] من المعروف أن متماثل الثدييات لـ SIR-2 يحفز عوامل إصلاح الحمض النووي المتضمنة في NHEJ ، وهو نشاط يتم تعزيزه بشكل خاص في ظل ظروف تقييد السعرات الحرارية. [68] تم تقييد السعرات الحرارية مرتبطًا ارتباطًا وثيقًا بمعدل إصلاح استئصال القاعدة في الحمض النووي النووي للقوارض ، [69] على الرغم من عدم ملاحظة تأثيرات مماثلة في الحمض النووي للميتوكوندريا. [70]

    ال C. ايليجانس الجين AGE-1 ، المستجيب الأولي لمسارات إصلاح الحمض النووي ، يمنح عمرًا ممتدًا بشكل كبير في ظل ظروف التغذية الحرة ولكنه يؤدي إلى انخفاض في اللياقة الإنجابية في ظل ظروف تقييد السعرات الحرارية. [71] تدعم هذه الملاحظة نظرية تعدد الأشكال للأصول البيولوجية للشيخوخة ، والتي تشير إلى أن الجينات التي تمنح ميزة بقاء كبيرة في وقت مبكر من الحياة سيتم اختيارها حتى لو كانت تحمل عيبًا مماثلًا في وقت متأخر من الحياة.

    تعديل اضطرابات إصلاح الحمض النووي الوراثي

    عيوب آلية NER مسؤولة عن العديد من الاضطرابات الوراثية ، بما في ذلك:

      : فرط الحساسية لأشعة الشمس / الأشعة فوق البنفسجية ، مما يؤدي إلى زيادة الإصابة بسرطان الجلد والشيخوخة المبكرة: فرط الحساسية للأشعة فوق البنفسجية والعوامل الكيميائية: البشرة الحساسة ، والشعر الهش والأظافر.

    غالبًا ما يصاحب التخلف العقلي الاضطرابين الأخيرين ، مما يشير إلى زيادة ضعف الخلايا العصبية التنموية.

    تشمل اضطرابات إصلاح الحمض النووي الأخرى:

      : الشيخوخة المبكرة والنمو المتخلف: فرط الحساسية لأشعة الشمس ، ارتفاع معدل الإصابة بالأورام الخبيثة (خاصة اللوكيميا). : الحساسية للأشعة المؤينة وبعض العوامل الكيميائية

    غالبًا ما يطلق على جميع الأمراض المذكورة أعلاه اسم "الشيخوخة القطاعية" ("أمراض الشيخوخة المتسارعة") لأن ضحاياها يظهرون من كبار السن ويعانون من أمراض مرتبطة بالشيخوخة في سن مبكرة بشكل غير طبيعي ، بينما لا تظهر جميع أعراض الشيخوخة.

    تشمل الأمراض الأخرى المرتبطة بوظيفة إصلاح الحمض النووي المنخفضة فقر الدم فانكوني وسرطان الثدي الوراثي وسرطان القولون الوراثي.

    بسبب القيود المتأصلة في آليات إصلاح الحمض النووي ، إذا عاش البشر لفترة كافية ، فإنهم جميعًا سيصابون بالسرطان في النهاية. [72] [73] هناك ما لا يقل عن 34 طفرة جينية وراثية لإصلاح الحمض النووي البشري تزيد من خطر الإصابة بالسرطان. يتسبب العديد من هذه الطفرات في أن يكون إصلاح الحمض النووي أقل فعالية من الطبيعي. على وجه الخصوص ، يرتبط سرطان القولون والمستقيم الوراثي (HNPCC) ارتباطًا وثيقًا بطفرات معينة في مسار إصلاح عدم تطابق الحمض النووي. BRCA1 و BRCA2، وهما جينان مهمان تمنح طفراتهما خطرًا متزايدًا للإصابة بسرطان الثدي لدى حاملات المرض ، [74] كلاهما مرتبطان بعدد كبير من مسارات إصلاح الحمض النووي ، وخاصة NHEJ وإعادة التركيب المتماثل.

    تعمل إجراءات علاج السرطان مثل العلاج الكيميائي والعلاج الإشعاعي على زيادة قدرة الخلية على إصلاح تلف الحمض النووي ، مما يؤدي إلى موت الخلايا. تتأثر الخلايا التي تنقسم بسرعة أكبر - الخلايا السرطانية في الغالب - بشكل تفضيلي. التأثير الجانبي هو أن الخلايا الأخرى غير السرطانية ولكن سريعة الانقسام مثل الخلايا السلفية في الأمعاء والجلد والجهاز المكون للدم تتأثر أيضًا. تحاول علاجات السرطان الحديثة تحديد موقع تلف الحمض النووي للخلايا والأنسجة المرتبطة بالسرطان فقط ، إما بالوسائل الفيزيائية (تركيز العامل العلاجي في منطقة الورم) أو بالوسائل الكيميائية الحيوية (استغلال ميزة فريدة للخلايا السرطانية في الجسم) . في سياق العلاجات التي تستهدف جينات الاستجابة لتلف الحمض النووي ، يُطلق على النهج الأخير اسم "الفتك الاصطناعي". [75]

    ولعل أشهر هذه الأدوية المميتة الاصطناعية هو مثبط بوليميريز 1 (PARP1) بوليميراز 1 (PARP1) ، والذي تمت الموافقة عليه من قبل إدارة الغذاء والدواء في عام 2015 لعلاج النساء من المبيض المعيب BRCA. سرطان. تعتمد الخلايا السرطانية ذات الفقد الجزئي لاستجابة تلف الحمض النووي (على وجه التحديد ، إصلاح إعادة التركيب المتماثل) على آلية أخرى - إصلاح كسر الخيط المفرد - وهي آلية تتكون جزئيًا من منتج الجين PARP1. [76] يتم دمج Olaparib مع العلاجات الكيميائية لتثبيط إصلاح كسر الخيط المفرد الناجم عن تلف الحمض النووي الناجم عن العلاج الكيميائي المشترك. الخلايا السرطانية التي تعتمد على آلية إصلاح الحمض النووي المتبقية غير قادرة على إصلاح الضرر وبالتالي فهي غير قادرة على البقاء والتكاثر ، في حين أن الخلايا الطبيعية يمكنها إصلاح الضرر بآلية إعادة التركيب المتجانسة العاملة.

    العديد من الأدوية الأخرى المستخدمة ضد آليات إصلاح الحمض النووي المتبقية الشائعة في السرطان قيد التحقيق حاليًا. ومع ذلك ، فقد تم التشكيك في الأساليب العلاجية المميتة الاصطناعية بسبب الأدلة الناشئة على المقاومة المكتسبة ، والتي تم تحقيقها من خلال إعادة توصيل مسارات الاستجابة لتلف الحمض النووي وعكس العيوب التي تم تثبيتها سابقًا. [77]

    عيوب إصلاح الحمض النووي في السرطان تحرير

    لقد أصبح من الواضح على مدى السنوات العديدة الماضية أن استجابة تلف الحمض النووي تعمل كحاجز للتحول الخبيث للخلايا السابقة للأورام. [78] أظهرت الدراسات السابقة استجابة مرتفعة لتلف الحمض النووي في نماذج زراعة الخلايا مع تنشيط الجينات الورمية [79] وأورام القولون الغدية السابقة للورم. [80] تؤدي آليات الاستجابة لتلف الحمض النووي إلى توقف دورة الخلية ومحاولة إصلاح آفات الحمض النووي أو تعزيز موت الخلايا / الشيخوخة إذا لم يكن الإصلاح ممكنًا. لوحظ إجهاد النسخ المتماثل في الخلايا السابقة للأورام بسبب زيادة إشارات الانتشار من الطفرات السرطانية. يتميز إجهاد النسخ المتماثل بـ: زيادة بدء النسخ المتماثل / إطلاق النار الأصلي زيادة النسخ وتصادمات معقدات النسخ المتماثل زيادة نقص النوكليوتيدات في أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). [81]

    إجهاد التكرار ، جنبًا إلى جنب مع اختيار تعطيل الطفرات في جينات الاستجابة لتلف الحمض النووي في تطور الورم ، [82] يؤدي إلى تقليل التنظيم و / أو فقدان بعض آليات الاستجابة لتلف الحمض النووي ، وبالتالي فقدان إصلاح الحمض النووي و / أو الشيخوخة / موت الخلية المبرمج. في نماذج الفئران التجريبية ، لوحظ فقدان شيخوخة الخلايا الناتجة عن استجابة الحمض النووي بعد استخدام RNA قصير الشعر (shRNA) لتثبيط استجابة الانكسار المزدوج للكيناز ، ترنح الشعيرات الدموية (ATM) ، مما يؤدي إلى زيادة حجم الورم والغزو. [80] إن البشر الذين يولدون بعيوب وراثية في آليات إصلاح الحمض النووي (على سبيل المثال ، متلازمة Li-Fraumeni) يكونون أكثر عرضة للإصابة بالسرطان. [83]

    يختلف انتشار طفرات الاستجابة لتلف الحمض النووي باختلاف أنواع السرطان ، على سبيل المثال ، 30٪ من سرطانات الثدي الغازية بها طفرات في الجينات المشاركة في إعادة التركيب المتماثل. [78] في السرطان ، لوحظ انخفاض التنظيم في جميع آليات الاستجابة لتلف الحمض النووي (إصلاح استئصال القاعدة (BER) ، وإصلاح ختان النيوكليوتيدات (NER) ، وإصلاح عدم تطابق الحمض النووي (MMR) ، وإصلاح إعادة التركيب المتماثل (HR) ، والانضمام غير المتماثل للطرف ( NHEJ) وتخليق DNA translesion (TLS). بالإضافة إلى الطفرات في جينات إصلاح تلف الحمض النووي ، تظهر الطفرات أيضًا في الجينات المسؤولة عن إيقاف دورة الخلية لإتاحة الوقت الكافي لحدوث إصلاح الحمض النووي ، وتشارك بعض الجينات في كل من إصلاح تلف الحمض النووي والتحكم في نقطة تفتيش دورة الخلية ، على سبيل المثال أجهزة الصراف الآلي ونقطة التفتيش كيناز 2 (CHEK2) - مثبط للورم غالبًا ما يكون غائبًا أو خاضعًا للتنظيم في سرطان الرئة ذو الخلايا غير الصغيرة.

    الموارد البشرية NHEJ SSA FA BER NER معدل وفيات الأمهات
    ماكينة الصراف الآلي x x x
    ATR x x x
    باكسيب x x
    RPA x x x
    BRCA1 x x
    BRCA2 x x
    RAD51 x x
    RFC x x x
    XRCC1 x x
    PCNA x x x
    PARP1 x x
    ERCC1 x x x x
    MSH3 x x x

    الجدول: الجينات المشاركة في مسارات الاستجابة لتلف الحمض النووي والمتحورة بشكل متكرر في السرطان (HR = إعادة التركيب المتماثل NHEJ = نهاية غير متجانسة الانضمام إلى SSA = التلدين أحادي الخيط FA = مسار فقر الدم fanconi BER = إصلاح الختان الأساسي NER = إصلاح استئصال النوكليوتيدات MMR = عدم التطابق يصلح)

    عيوب إصلاح الحمض النووي الوراثي في ​​السرطان تحرير

    تقليديًا ، يُنظر إلى السرطان على أنه مجموعة من الأمراض التي تحركها تشوهات وراثية تقدمية تشمل طفرات في الجينات الكابتة للورم والجينات المسرطنة ، والزيغ الصبغي. ومع ذلك ، فقد أصبح من الواضح أن السرطان مدفوع أيضًا بالتغيرات اللاجينية. [86]

    تشير التعديلات اللاجينية إلى التعديلات الوظيفية ذات الصلة بالجينوم والتي لا تنطوي على تغيير في تسلسل النيوكليوتيدات. ومن الأمثلة على هذه التعديلات التغييرات في مثيلة الحمض النووي (فرط الميثيل ونقص الميثيل) وتعديل الهيستون ، [87] والتغيرات في بنية الكروموسومات (الناتجة عن التعبير غير المناسب للبروتينات مثل HMGA2 أو HMGA1) والتغيرات التي تسببها الرنا الميكروي. يعمل كل من هذه التعديلات اللاجينية على تنظيم التعبير الجيني دون تغيير تسلسل الحمض النووي الأساسي. عادة ما تظل هذه التغييرات من خلال الانقسامات الخلوية ، وتستمر لأجيال خلايا متعددة ، ويمكن اعتبارها بمثابة تداعيات (مكافئة للطفرات).

    بينما توجد أعداد كبيرة من التغيرات اللاجينية في السرطانات ، يبدو أن التغيرات اللاجينية في جينات إصلاح الحمض النووي ، والتي تسبب انخفاض التعبير عن بروتينات إصلاح الحمض النووي ، مهمة بشكل خاص. يُعتقد أن مثل هذه التغييرات تحدث في وقت مبكر من التقدم إلى السرطان وتكون سببًا محتملًا لخاصية عدم الاستقرار الجيني التي تتميز بها السرطانات. [89] [90] [91]

    انخفاض التعبير عن جينات إصلاح الحمض النووي يسبب نقصًا في إصلاح الحمض النووي. عندما يكون إصلاح الحمض النووي ناقصًا ، تظل أضرار الحمض النووي في الخلايا أعلى من المستوى المعتاد وتؤدي هذه الأضرار الزائدة إلى زيادة تواتر الطفرات أو الطفرات. تزداد معدلات الطفرات بشكل كبير في الخلايا المعيبة في إصلاح عدم تطابق الحمض النووي [92] [93] أو في الإصلاح التأشبي المتماثل (HRR). [94] إعادة ترتيب الكروموسومات واختلال الصيغة الصبغية يزيدان أيضًا في الخلايا المعيبة HRR. [95]

    لا تؤدي المستويات المرتفعة من تلف الحمض النووي إلى زيادة الطفرات فحسب ، بل تؤدي أيضًا إلى زيادة الإصابة بالدم. أثناء إصلاح فواصل حبلا مزدوجة للحمض النووي ، أو إصلاح أضرار أخرى للحمض النووي ، يمكن أن تتسبب مواقع الإصلاح التي تم تطهيرها بشكل غير كامل في إسكات الجينات اللاجينية. [96] [97]

    يمكن أن يتسبب التعبير الناقص لبروتينات إصلاح الحمض النووي بسبب طفرة موروثة في زيادة خطر الإصابة بالسرطان. الأفراد الذين يعانون من ضعف وراثي في ​​أي من الجينات الـ 34 لإصلاح الحمض النووي (انظر مقالة اضطراب نقص إصلاح الحمض النووي) لديهم مخاطر متزايدة للإصابة بالسرطان ، مع بعض العيوب التي تتسبب في الإصابة بالسرطان بنسبة تصل إلى 100٪ (مثل طفرات p53). [98] ومع ذلك ، فإن مثل هذه الطفرات الجرثومية (التي تسبب متلازمات سرطانية شديدة الاختراق) هي سبب حوالي 1٪ فقط من السرطانات. [99]

    تواتر epimutations في جينات إصلاح الحمض النووي تحرير

    تحدث أوجه القصور في إنزيمات إصلاح الحمض النووي أحيانًا بسبب طفرة جسدية ناشئة حديثًا في جين إصلاح الحمض النووي ، ولكنها تحدث في كثير من الأحيان بسبب التغيرات اللاجينية التي تقلل أو تكتم التعبير عن جينات إصلاح الحمض النووي. على سبيل المثال ، عندما تم فحص 113 سرطان القولون والمستقيم بالتسلسل ، كان لأربعة منهم فقط طفرة مغلوطة في جين إصلاح الحمض النووي MGMT ، في حين أن الغالبية قللت من تعبير MGMT بسبب مثيلة منطقة المروج MGMT (تغيير فوق جيني). [100] وجدت خمس دراسات مختلفة أن ما بين 40٪ و 90٪ من سرطانات القولون والمستقيم قللت من تعبير MGMT بسبب مثيلة منطقة المروج MGMT. [101] [102] [103] [104] [105]

    وبالمثل ، من بين 119 حالة من حالات سرطان القولون والمستقيم التي تعاني من قصور في الإصلاح والتي تفتقر إلى التعبير الجيني لإصلاح الحمض النووي PMS2 ، كان PMS2 ناقصًا في 6 حالات بسبب الطفرات في جين PMS2 ، بينما في 103 حالات كان تعبير PMS2 ناقصًا لأن شريكه في الاقتران MLH1 تم قمعه بسبب لتحفيز المثيلة (بروتين PMS2 غير مستقر في غياب MLH1). [106] في الحالات العشر الأخرى ، من المحتمل أن يكون فقدان التعبير PMS2 ناتجًا عن فرط التعبير اللاجيني للـ microRNA ، miR-155 ، الذي ينظم MLH1. [107]

    في مثال آخر ، تم العثور على عيوب جينية في أنواع مختلفة من السرطان (مثل الثدي والمبيض والقولون والمستقيم والرأس والرقبة). اثنين أو ثلاثة من أوجه القصور في التعبير عن ERCC1 ، XPF أو PMS2 تحدث في وقت واحد في غالبية 49 سرطان القولون تقييمها Facista وآخرون. [108]

    يوضح الرسم البياني في هذا القسم بعض العوامل التي تتسبب في تلف الحمض النووي بشكل متكرر ، وأمثلة على آفات الحمض النووي التي تسببها ، والمسارات التي تتعامل مع أضرار الحمض النووي هذه. يتم استخدام 169 إنزيمًا على الأقل بشكل مباشر في إصلاح الحمض النووي أو التأثير على عمليات إصلاح الحمض النووي. [109] من بين هؤلاء ، 83 منهم يعملون بشكل مباشر في إصلاح الأنواع الخمسة لأضرار الحمض النووي الموضحة في الرسم البياني.

    يتم عرض بعض الجينات المدروسة جيدًا والمركزة لعمليات الإصلاح هذه في الرسم البياني. تشير تسميات الجينات الموضحة باللون الأحمر أو الرمادي أو السماوي إلى أن الجينات تتغير بشكل متوالي في أنواع مختلفة من السرطانات. تصف مقالات ويكيبيديا حول كل من الجينات التي تم تمييزها باللون الأحمر أو الرمادي أو السماوي التغيير (التغييرات) اللاجينية والسرطان (السرطانات) التي توجد فيها هذه التقرحات. مقالات المراجعة ، [110] ومقالات المسح التجريبية الواسعة [111] [112] توثق أيضًا معظم أوجه القصور اللاجينية في إصلاح الحمض النووي في السرطانات.

    كثيرًا ما يتم تقليل أو إسكات الجينات المظللة باللون الأحمر بواسطة آليات الوراثة اللاجينية في أنواع السرطان المختلفة. عندما يكون لهذه الجينات تعبير منخفض أو غائب ، يمكن أن تتراكم أضرار الحمض النووي. يمكن أن تؤدي أخطاء النسخ بعد هذه الأضرار (انظر التوليف التحولي) إلى زيادة الطفرات ، وفي النهاية السرطان. قمع جيني لجينات إصلاح الحمض النووي في دقيق يبدو أن مسارات إصلاح الحمض النووي مركزية في التسرطن.

    الجينات ذات اللون الرمادي RAD51 و BRCA2، مطلوبة للإصلاح التأشبي المتماثل. في بعض الأحيان يتم التعبير عنها بشكل مفرط جينيًا وفي بعض الأحيان يتم التعبير عنها بشكل ناقص في بعض أنواع السرطان. كما هو مبين في مقالات ويكيبيديا على RAD51 و BRCA2 ، فإن مثل هذه السرطانات عادة ما يكون لها عيوب جينية في جينات إصلاح الحمض النووي الأخرى. من المحتمل أن تتسبب أوجه القصور في الإصلاح هذه في زيادة أضرار الحمض النووي التي لم يتم إصلاحها. الإفراط في التعبير عن RAD51 و BRCA2 الملحوظة في هذه السرطانات قد تعكس ضغوطًا انتقائية للتعويض RAD51 أو BRCA2 الإفراط في التعبير وزيادة الإصلاح التأشبي المتماثل للتعامل جزئيًا على الأقل مع مثل هذه الأضرار الزائدة للحمض النووي. في تلك الحالات حيث RAD51 أو BRCA2 يتم التعبير عنها بشكل ناقص ، وهذا من شأنه أن يؤدي في حد ذاته إلى زيادة أضرار الحمض النووي التي لم يتم إصلاحها. يمكن أن تتسبب أخطاء النسخ التي تجاوزت هذه الأضرار (انظر التخليق translesion) في زيادة الطفرات والسرطان ، بحيث ينقص التعبير عن RAD51 أو BRCA2 ستكون مسرطنة في حد ذاتها.

    الجينات المظللة باللون السماوي موجودة في مسار الانضمام إلى النهاية بوساطة علم الأحياء الدقيقة (MMEJ) ويتم تنظيمها في السرطان. MMEJ هو أكثر عرضة للخطأ غير دقيق مسار الإصلاح لفواصل الشريط المزدوج. في إصلاح MMEJ للكسر المزدوج ، يكون التماثل من 5-25 زوجًا أساسيًا مكملًا بين كلا الجدائل المزدوجة كافيًا لمحاذاة الخيوط ، ولكن عادةً ما تكون النهايات غير المتطابقة (اللوحات) موجودة. يقوم MMEJ بإزالة النيوكليوتيدات الإضافية (اللوحات) حيث يتم ربط الخيوط ، ثم يقوم بربط الخيوط لإنشاء حلزون مزدوج للحمض النووي سليم. غالبًا ما يتضمن MMEJ حذفًا صغيرًا على الأقل ، بحيث يكون مسارًا مطفرًا. [24] FEN1 ، نوكلياز السديلة في MMEJ ، يتم زيادته فوق الجينات عن طريق المحفز hypomethylation ويتم التعبير عنه بشكل مفرط في غالبية سرطانات الثدي ، [113] البروستاتا ، [114] المعدة ، [115] [116] الأورام الأرومية العصبية ، [ 117] البنكرياس ، [118] والرئة.[119] يتم أيضًا التعبير عن PARP1 بشكل مفرط عندما يكون موقع ETS الخاص بالمنطقة المحفزة ناقص الميثيل جينيًا ، وهذا يساهم في تطور سرطان بطانة الرحم [120] وسرطان المبيض المصلي المتحول إلى سرطان الثدي BRCA. [121] الجينات الأخرى في مسار MMEJ يتم التعبير عنها أيضًا بشكل مفرط في عدد من السرطانات (انظر MMEJ للحصول على الملخص) ، وتظهر أيضًا باللون السماوي.

    تحرير توزيع الجينوم على نطاق واسع لإصلاح الحمض النووي في الخلايا الجسدية البشرية

    يتسبب النشاط التفاضلي لمسارات إصلاح الحمض النووي عبر مناطق مختلفة من الجينوم البشري في توزيع الطفرات بشكل غير متساوٍ داخل جينومات الورم. [122] [123] على وجه الخصوص ، تُظهر المناطق الغنية بالجينات ، والتي تتكاثر مبكرًا في الجينوم البشري ترددات طفرة أقل من تلك التي تفتقر إلى الجينات ، وتتأخر في التكاثر. تتضمن إحدى الآليات الكامنة وراء ذلك تعديل H3K36me3 للهيستون ، والذي يمكنه تجنيد بروتينات إصلاح عدم التطابق ، [124] وبالتالي خفض معدلات الطفرات في المناطق ذات العلامات H3K36me3. [125] هناك آلية مهمة أخرى تتعلق بإصلاح ختان النوكليوتيدات ، والذي يمكن تجنيده بواسطة آلية النسخ ، مما يقلل من معدلات الطفرات الجسدية في الجينات النشطة [123] ومناطق الكروماتين الأخرى المفتوحة. [126]

    يتم الحفاظ على العمليات الأساسية لإصلاح الحمض النووي بشكل كبير بين كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى وحتى بين العاثيات (الفيروسات التي تصيب البكتيريا) ، ومع ذلك ، فإن الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا التي تحتوي على جينومات أكثر تعقيدًا لها آليات إصلاح أكثر تعقيدًا. [127] لقد لعبت قدرة عدد كبير من الأشكال البنيوية للبروتين على تحفيز التفاعلات الكيميائية ذات الصلة دورًا مهمًا في تطوير آليات الإصلاح أثناء التطور. للحصول على مراجعة مفصلة للغاية للفرضيات المتعلقة بتطور إصلاح الحمض النووي ، انظر. [128]

    يشير السجل الأحفوري إلى أن حياة الخلية المفردة بدأت في التكاثر على الكوكب في مرحلة ما خلال فترة ما قبل الكمبري ، على الرغم من عدم وضوح وقت ظهور الحياة الحديثة بشكل واضح. أصبحت الأحماض النووية الوسيلة الوحيدة والعالمية لتشفير المعلومات الجينية ، مما يتطلب آليات إصلاح الحمض النووي التي ورثتها جميع أشكال الحياة الموجودة في شكلها الأساسي من سلفها المشترك. استلزم ظهور الغلاف الجوي الغني بالأكسجين للأرض (المعروف باسم "كارثة الأكسجين") بسبب كائنات التمثيل الضوئي ، فضلاً عن وجود الجذور الحرة التي قد تكون ضارة في الخلية بسبب الفسفرة المؤكسدة ، تطوير آليات إصلاح الحمض النووي التي تعمل على وجه التحديد لمواجهة أنواع الأضرار الناجمة عن الإجهاد التأكسدي.

    معدل التغيير التطوري تحرير

    في بعض الحالات ، لا يتم إصلاح تلف الحمض النووي ، أو يتم إصلاحه بواسطة آلية عرضة للخطأ تؤدي إلى تغيير التسلسل الأصلي. عندما يحدث هذا ، قد تنتشر الطفرات في جينومات ذرية الخلية. في حالة حدوث مثل هذا الحدث في خلية خط جرثومية ستنتج في النهاية مشيجًا ، فإن الطفرة لديها القدرة على الانتقال إلى نسل الكائن الحي. معدل التطور في نوع معين (أو ، في جين معين) هو دالة على معدل الطفرة. نتيجة لذلك ، فإن معدل ودقة آليات إصلاح الحمض النووي لهما تأثير على عملية التغيير التطوري. [129] حماية وإصلاح تلف الحمض النووي لا يؤثر على معدل التكيف من خلال تنظيم الجينات وإعادة التركيب واختيار الأليلات. من ناحية أخرى ، يؤثر إصلاح تلف الحمض النووي وحمايته على معدل تراكم الطفرات غير القابلة للإصلاح ، والمفيدة ، وتوسيع الشفرة ، والوراثة ، ويبطئ الآلية التطورية لتوسيع جينوم الكائنات بوظائف جديدة. يحتاج التوتر بين قابلية التطور وإصلاح الطفرات والحماية إلى مزيد من التحقيق.

    تم اكتشاف تقنية تسمى التكرار المتناوب القصير المتناوب بانتظام (اختصار إلى CRISPR-Cas9) في عام 2012. تسمح التكنولوجيا الجديدة لأي شخص لديه تدريب في البيولوجيا الجزيئية بتغيير جينات أي نوع بدقة ، عن طريق إحداث تلف في الحمض النووي عند نقطة معينة ثم تغيير آليات إصلاح الحمض النووي لإدخال جينات جديدة. [130] إنه أرخص وأكثر كفاءة وأكثر دقة من التقنيات الأخرى. بمساعدة تقنية CRISPR-Cas9 ، يمكن للعلماء تحرير أجزاء من الجينوم عن طريق إزالة أو إضافة أو تغيير أجزاء في تسلسل الحمض النووي.


    الحمض النووي: الهيكل والوظيفة والتعبئة والخصائص (مع رسم بياني)

    دعونا نجري دراسة متعمقة لـ دحمض eoxyribonucleic. بعد قراءة هذا المقال سوف تتعرف على: 1. حمض ديوكسي ريبونوكلييك (دنا) 2. هيكل الحمض النووي 3. وظائف الحمض النووي 4. تغليف الحمض النووي و 5. الخصائص الفيزيائية للحمض النووي.

    حمض ديوكسي ريبونوكلييك (دنا):

    حمض ديوكسي ريبونوكلييك ، والمختصر أيضًا باسم DNA ، هو الجزيء المعلوماتي الرئيسي للخلية ، والذي يقوم بتخزين المعلومات الجينية وترجمتها ونقلها. في بدائيات النوى ، يوجد الحمض النووي في الغالب في المنطقة النووية. في حقيقيات النوى يوجد في النواة والميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء. يعتمد الفهم الحالي لتخزين واستخدام المعلومات الوراثية للخلية على اكتشاف بنية الحمض النووي بواسطة واتسون وكريك في عام 1953.

    هيكل الحمض النووي:

    هيكل حلزوني مزدوج للحمض النووي (نموذج واتسون وكريك):

    يتم تلخيص التركيب ثلاثي الأبعاد للحمض النووي كما اقترحه واطسون وكريك والتطورات الأخيرة فيه:

    1. يتكون الحمض النووي من سلسلتين حلزونيتين ملفوفتين حول نفس المحور ، لتشكيل حلزون مزدوج لليد اليمنى.

    2. السلاسل الموجودة في اللولب غير متوازيتين ، أي أن الطرف 5 & # 8242 لسلسلة بولي نيوكليوتيد واحدة والنهاية 3 & # 8242 من سلسلة عديد النوكليوتيد الأخرى على نفس الجانب وقريبة من بعضها البعض.

    هيكل حلزوني مزدوج للحمض النووي

    3. المسافة بين كل دور 3.6 نانومتر (3.4 نانومتر سابقًا).

    4. يوجد 10.5 نيوكليوتيدات لكل دور (10 نيوكليوتيدات سابقًا).

    5. العلاقة المكانية بين الجدائل تخلق أخاديد كبيرة وصغيرة بين الجدائل. في هذه الأخاديد تتفاعل بعض البروتينات.

    6. توجد العمود الفقري المحبة للماء لمجموعات الفوسفات سالبة الشحنة بالتناوب على السطح الخارجي للحلزون المزدوج.

    7. قواعد البيريميدين والبيورين الكارهة للماء موجودة داخل اللولب المزدوج ، والذي يعمل على استقرار الحلزون المزدوج للحمض النووي.

    8. يتم أيضًا تثبيت اللولب المزدوج بواسطة رابطة هيدروجينية بين سلسلة مكونة بين قاعدة البيورين والبيريميدين.

    9. قاعدة بورين معينة ، أزواج بواسطة روابط هيدروجينية ، فقط مع قاعدة بيريميدين معينة ، أي أزواج Adenine (A) مع Thymine (T) و Guanine (G) مع Cytosine (C) فقط.

    10. زوجان من روابط الهيدروجين الأدينين والثايمين (A = T) ، في حين أن ثلاثة أزواج من الروابط الهيدروجينية تجمع الجوانين والسيتوزين (G ≡ C).

    11. أزواج القاعدة A = T و G C تعرف بأزواج القاعدة التكميلية.

    12. بسبب وجود الاقتران الأساسي التكميلي ، فإن سلسلتي الحلزون المزدوج للحمض النووي مكملان لبعضهما البعض.

    ومن ثم فإن عدد قواعد A & # 8217 يساوي عدد قواعد T & # 8217 (أو & # 8216G & # 8217 تساوي & # 8216C) في DNA مزدوج تقطعت به السبل.

    13. يُعرف أحد الخيوط الموجودة في الحلزون المزدوج باسم حبلا الحس ، أي الذي يرمز إلى الحمض النووي الريبي / البروتينات ، ويعرف الشريط الآخر بالخيط المضاد.

    الأشكال الهيكلية المختلفة للحمض النووي:

    توجد جزيئات الحمض النووي في أربعة أشكال أو منظمات هيكلية مختلفة في ظل ظروف فسيولوجية مختلفة أو في خلايا مختلفة أو في نقاط مختلفة في نفس الحمض النووي.

    وظائف الحمض النووي:

    يشكل التسلسل الأساسي للحمض النووي إشارة إعلامية تسمى المادة الجينية. يمكّن تسلسل قاعدة النوكليوتيدات هذا الحمض النووي من العمل ، وتخزين ، والتعبير عن المعلومات الجينية ونقلها. ومن ثم فهو يبرمج ويتحكم في جميع أنشطة الكائن الحي بشكل مباشر أو غير مباشر طوال دورة حياته.

    (أ) يخزن DNA المعلومات الجينية الكاملة المطلوبة لتحديد (شكل) بنية جميع البروتينات و RNA & # 8217s لكل كائن حي.

    (ب) الحمض النووي هو مصدر المعلومات لتخليق جميع بروتينات الجسم الخلوية. بعض البروتينات عبارة عن بروتينات هيكلية وبعضها عبارة عن إنزيمات. تقوم هذه الإنزيمات بترتيب الجزيئات الدقيقة لتشكيل الجزيئات الكبيرة. يتم ترتيب هذه الجزيئات لتشكيل مجمعات فوق الجزيئية أو عضيات الخلية التي ترتبط لتشكيل الخلايا. تتجمع هذه الخلايا لتشكل أنسجة تشكل بدورها أعضاء مختلفة من الجسم ، خاصةً خاصة بذلك الكائن الحي أثناء نمو الجنين وخجله ونموه وإصلاحه. ومن ثم فإن برامج الحمض النووي في الزمان والمكان هي التخليق الحيوي المنظم للخلايا ومكونات الأنسجة.

    (ج) يحدد أنشطة الكائن الحي طوال دورة حياته ، أي فترة الحمل والولادة والنضج والشيخوخة والموت.

    (د) تحدد شخصية وهوية كائن حي معين.

    (هـ) يكرر (يتكاثر ليشكل دنا ابنتان) نفسه وينقل إحدى النسخ إلى الخلية الوليدة أثناء انقسام الخلية ، وبالتالي الحفاظ على المادة الجينية من جيل إلى جيل.

    تغليف الحمض النووي:

    تغليف الحمض النووي داخل الخلايا:

    طول جزيئات الحمض النووي الموجودة في خلية معينة أطول بكثير من الأبعاد الطويلة للخلية أو العضية حيث توجد. يمكن حساب طول الكفاف (أي طول اللولب) للحمض النووي المزدوج المجدول من الوزن الجزيئي ، بافتراض أن متوسط ​​الوزن الجزيئي لكل زوج نيوكليوتيد يبلغ حوالي 650 دا ويوجد زوج واحد من النوكليوتيدات لكل 0.36 نانومتر من الازدواج .

    وفقًا لذلك ، يبلغ طول أصغر DNA 1938.96 نانومتر ، وينتمي إلى ɸفيروس X174 (في شكل مزدوج) ، الذي يبلغ بعده الجسيمي الطويل 25 نانومتر. من ناحية أخرى ، يبلغ طول الكفاف الإجمالي للحمض النووي بأكمله في خلية بشرية واحدة حوالي مترين ويبلغ قطر نواة الخلية 5-10 نانومتر فقط. يتم ضغط جزيئات الحمض النووي الطويلة هذه بإحكام شديد ، بحيث تتناسب مع الخلية.

    هذه التعبئة ممكنة بسبب الحصول على مزيد من الدنا في الموضات المختلفة. الحمض النووي الحلزوني الخطي المزدوج المسمى بالحمض النووي المريح ، ينحني أو يلتف على محوره ، وهو ما يسمى بلف الحمض النووي. يلف هذا الحمض النووي الملفوف على نفسه لتشكيل ملف الحمض النووي الفائق ، تمامًا مثل سلك سلك الهاتف من قاعدة الهاتف إلى جهاز الاستقبال.

    تعتمد درجة الالتفاف الفائق للحمض النووي على نوع الخلية / العضية المراد تعبئتها ويتم لفها بطريقة يمكن الوصول إليها بسهولة من خلال الإنزيمات / البروتينات لجميع وظائفها مثل النسخ والنسخ.

    هناك احتمالات لنوعين من الالتفاف الفائق للحمض النووي:

    (أ) الملف اللولبي ، حيث يلتف الحمض النووي بطريقة كروية على نفسه و

    (ب) Plectonemic ، حيث يلف الحمض النووي على طوله العكسي في شكل طيات. علاوة على ذلك ، يختلف الالتفاف الفائق والتعبئة للحمض النووي في بدائيات النوى (أي تلك التي تفتقر إلى غلاف نووي حقيقي) وفي حقيقيات النوى (أي تلك التي لديها غشاء نووي).

    (أ) تغليف الحمض النووي الفيروسي:

    على الرغم من أن الحمض النووي الفيروسي أصغر بكثير من الحمض النووي البكتيري أو حقيقيات النوى ، إلا أن طول محيطه أكبر بكثير من الأبعاد الطويلة للجسيم الفيروسي الذي يوجد فيه. يبلغ قطر الجسيم في الحمض النووي للعاثية T2 3500 مرة. الأبعاد الطويلة للجسيمات الفيروسية المختلفة / طول كفاف الحمض النووي الخاص بها على التوالي بالنانومتر هو T2-210 / 65520 Lamdaphage-190/17460 Ti-78/14376 و φX174 (في شكل مزدوج) -25 / 1938. من أجل تجميع نفسها داخل الجسيم ، ترتبط معظم هذه الحمض النووي الفيروسي تساهميًا بالنهايات ، وبالتالي تشكل حزامًا لا نهاية له وبالتالي تصبح دائرية. يصبح بعض الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل (φX174) مزدوجًا تقطعت به السبل ودائرية.

    (ب) تغليف الحمض النووي البكتيري:

    يبلغ طول خلية الإشريكية القولونية مترين ميكرو وجزيء الحمض النووي الكامل (يسمى جزيء الحمض النووي الكامل للكائن الحي بالكروموسوم) يبلغ 1.7 مم ، وهو موجود كجزيء دائري مزدوج مغلق بشكل تساهمي وملفوف وملفوف. معبأة داخل نواة الخلية.

    يتم تنظيم هذا الكروموسوم الدائري في بنية تشبه السقالة ، والتي تطوي الكروموسوم في مجالات حلقية. يتم لف هذه المجالات بشكل أكبر حول بعض البروتينات الأساسية ، تسمى بروتينات Hu (M = 10000). بالإضافة إلى DNA nucleosomal ، تحتوي البكتيريا على بعض الدنا الصغيرة غير الصبغية الدائرية فائقة الالتفاف تسمى البلازميدات.

    (ج) تنظيم وتعبئة الحمض النووي حقيقية النواة:

    يتم تضمين كل الحمض النووي الصبغي لخلية حقيقية النواة في عضية خلوية غشائية تسمى النواة. الحمض النووي حقيقي النواة ، في النواة خطي وليس دائري. في خلية الراحة غير المنقسمة ، يشكل كل الحمض النووي للخلية شبكة خيطية دقيقة في النواة تسمى الكروماتين. أثناء انقسام الخلية ، تنقسم شبكة الكروماتين إلى عدد محدد وشكل كروموسومات ، ويعتمد عددهم ثنائي الصيغة الصبغية (أزواج) على أنواع الكائن الحي.

    عدد الكروموسوم الطبيعي في البشر هو 46 (23 زوجًا). يحتوي كل كروموسوم على محور مركزي يسمى centromere ، حيث يتم إخراج ذراعي DNA ويشار إلى كل منهما على أنه كروماتيد. يختلف كل كروموسوم في الحجم والشكل داخل كائن حي معين.

    يتم تعبئة الحمض النووي للخلايا البشرية حقيقية النواة بطول مترين في خلية يبلغ قطرها حوالي 5-10 ميكرومتر. من أجل تسهيل حزمته ، يرتبط جزيء الحمض النووي الحلزوني بإحكام حول حبيبات البروتينات الأساسية المسماة الهيستونات ، والتي يتم تباعدها على فترات منتظمة. تسمى مجمعات الهستونات والحمض النووي nucleosomes. يحتوي كل نيوكليوسوم على ثمانية جزيئات هيستون ، نسختين من كل من H2آه2ب ، ح3 و ح4 لف 146 زوجًا أساسيًا من الحمض النووي.

    يوجد بين النيوكليوسومات دنا فاصل يتكون من 54 زوجًا قاعديًا مع جزيء هيستون واحد (H1). إن التفاف الحمض النووي حول جسيم نووي يضغطه إلى حوالي سبعة أضعاف. يتم تنظيم هذه النيوكليوسومات بالقرب من بعضها البعض لتشكيل بنية تسمى ببساطة ألياف 30 نانومتر. هذا يوفر 100 ضعف ضغط الحمض النووي. ثم تشكل الألياف 30 نانومتر طيات plectonemic ، تسمى الحلقات.

    ست حلقات من هذا القبيل يحدها ارتباط سقالة بالبروتينات (هيستون- H1/ topoisomerase-II) لإحداث مجموعة من الحلقات تسمى الوردة. 30 من هذه الوريدات تتجمع معًا لتشكل ملفًا واحدًا ، و 10 من هذه الملفات (مثل سلك الهاتف) تشكل كروماتيدًا ، ويرتبط الكروماتيدان معًا بواسطة تسلسل أساسي متكرر للغاية غني بأزواج قاعدة AT تسمى DNA الساتلي ، وهو السنترومير. اثنان من الكروماتيدات مع السنترومير يشكلان كروموسومًا.

    الخصائص الفيزيائية للحمض النووي:

    (أ) التمسخ:

    عندما يتعرض الحمض النووي لدرجات حرارة قصوى من درجة الحموضة أو درجات حرارة أعلى من 80 إلى 90 درجة مئوية ، فإنه يتحول إلى طبيعته ويتكشف الهيكل الحلزوني المزدوج بسبب تعطل الروابط الهيدروجينية بين القواعد والتفاعلات الكارهة للماء للقواعد. أخيرًا ، ينفصل الخيطان تمامًا عن بعضهما البعض. هذا هو ذوبان الحمض النووي. تُعرف درجة الحرارة التي يتم فيها تغيير طبيعة الحمض النووي إلى حوالي 50٪ باسم T.م.

    يذوب الحمض النووي المختلف في درجات حرارة مختلفة ، والتي تعتمد على محتوى G-C لهذا الحمض النووي. كلما زاد محتوى G-C ، زادت درجة حرارة الانصهار (T.م) والعكس صحيح. عندما يتم إرجاع درجة الحرارة أو الأس الهيدروجيني ببطء إلى النطاق البيولوجي الطبيعي ، فإن الخيطين سيرجعان أو يصلبان تلقائيًا وسيشكلان مرة أخرى نفس الهيكل الحلزوني المزدوج. إذا تم تبريد درجة الحرارة فجأة ، فإن الشريطين يظلان منفصلين ويوجدان كخيوط مفردة.

    (ب) كثافة الطفو:

    عندما يتم الطرد المركزي للحمض النووي بسرعات عالية في محلول مركز من كلوريد السيزيوم (CsCI) ، فإن CsCl سيشكل تدرج كثافة (تصاعديًا) وسيظل الحمض النووي ثابتًا أو طافيًا عند نقطة في الأنبوب حيث تكون كثافته مساوية لـ كثافة CsCI في تلك المرحلة. سيكون للحمض النووي المختلف كثافات مختلفة ، والتي تعتمد مرة أخرى على محتوى GsC لهذا الحمض النووي. كلما زاد محتوى G = C ، زادت كثافة الطفو لهذا الحمض النووي والعكس صحيح.

    سيمكننا قياس هذين الحرفين ، أي درجة حرارة الانصهار وكثافة الطفو ، من حساب نسب أزواج G C و A = T في ذلك الحمض النووي ، مما يساعد بشكل غير مباشر في خصم تسلسل الجين.


    DNA: أنواع وهيكل ووظيفة الحمض النووي

    تم عزل الأحماض النووية لأول مرة بواسطة فريدريش ميشر (1869) من خلايا القيح.

    تم تسميتهم nuclein. اقترح هيرتويج (1884) أن تكون النوكلين حاملة لصفات وراثية. بسبب طبيعتها الحمضية تم تسميتها بالأحماض النووية ثم الأحماض النووية (Altmann ، 1899).

    اكتشف فيشر (1880) وجود قواعد البيورين والبيريميدين في الأحماض النووية. وجد Levene (1910) أن الحمض النووي deoxyribose يحتوي على حمض الفوسفوريك وكذلك سكر deoxyribose.

    قام بتمييز أربعة أنواع من النيوكليوتيدات الموجودة في الحمض النووي. في عام 1950 ، وجد Chargaff أن محتوى البيورين والبيريميدين من الحمض النووي كان متساويًا. بحلول هذا الوقت ، وجد W.T. Astbury من خلال حيود الأشعة السينية أن الحمض النووي عبارة عن بولينيوكليوتيد مع نيوكليوتيدات مرتبة بشكل عمودي على المحور الطويل للجزيء ومنفصلة عن بعضها البعض بمسافة 0.34 نانومتر.

    في عام 1953 ، حصل ويلكينز وفرانكلين على صور أشعة سينية جيدة جدًا للحمض النووي. أظهرت الصور أن الحمض النووي كان عبارة عن حلزون بعرض 2.0 نانومتر. كانت دورة واحدة من اللولب 3.4 نانومتر مع 10 طبقات من القواعد مكدسة فيه. قام Watson and Crick (1953) بوضع أول نموذج حلزون مزدوج صحيح من صور الأشعة السينية لويلكينز وفرانكلين. حصل ويلكينز وواتسون وكريك على جائزة نوبل لنفسه في عام 1962.

    قام Watson and Crick (1953) ببناء نموذج جزيئي ثلاثي الأبعاد للحمض النووي الذي استوفى جميع التفاصيل التي تم الحصول عليها من صور الأشعة السينية. اقترحوا أن الحمض النووي يتكون من حلزون مزدوج مع سلسلتين بهما فوسفات السكر في الخارج وقواعد النيتروجين على الجانب الداخلي.

    شكلت قواعد النيتروجين في السلسلتين أزواجًا مكملة مع البيورين لأحدهما وبيريميدين من الآخر متماسكين معًا بواسطة روابط هيدروجينية (A-T ، C-G). يعتبر الاقتران الأساسي التكميلي بين سلسلتي عديد النوكليوتيد علامة مميزة لاقتراحهما. يعتمد بالطبع على الاكتشاف المبكر لـ Chargaff أن A = T و С = G كان اقتراحهم الكبير الثاني هو أن السلسلتين متضادتان مع اتجاه 5 & # 8217 → 3 & # 8242 لواحد و У → 5 & # 8217 اتجاه الآخر.

    السلسلتان ملتويتان حلزونيًا تمامًا مثل سلم حبل مع خطوات صلبة ملتوية في دوامة. يحتوي كل منعطف من اللولب على 10 نيوكليوتيدات. هذا النموذج الحلزوني المزدوج أو المزدوج للحمض النووي مع سلاسل متعددة النوكليوتيد المضادة للتوازي لها قواعد تكميلية لها آلية ضمنية لتكرارها ونسخها.

    هنا تعمل كلتا السلاسل متعددة النوكليوتيد كقوالب تشكل حلزونين مزدوجين ، كل منهما بسلسلة رئيسية واحدة وخيط واحد جديد ولكنه مكمل. هذه الظاهرة تسمى النسخ شبه المحافظ. تم إجراء تخليق الحمض النووي في المختبر بواسطة Kornberg في عام 1959.

    أنواع الحمض النووي:

    نموذج DNA المزدوج الذي اقترحه Watson and Crick هو حلزوني لليد اليمنى ويسمى B-DNA (DNA متوازن). في النموذج ، تقع أزواج القاعدة في زوايا قائمة تقريبًا على محور اللولب (الشكل 6.5 د). نموذج آخر على الوجهين الأيمن هو A-DNA (Alternate DNA). هنا ، دورة واحدة من الحلزون بها 11 زوجًا أساسيًا.

    تقع أزواج القاعدة على بعد 20 درجة من العمودية على المحور. يحتوي C-DNA على 9 أزواج قاعدية لكل دورة لولبية بينما في D-DNA يكون الرقم 8 أزواج قاعدية فقط. كلاهما أيمن.Z-DNA (Zigzag DNA) هو حلزون مزدوج أعسر مع عظم خلفي متعرج ، وقواعد بيورين وبيريميدين بديلة ، دورة واحدة بطول 45 ألف مع 12 زوجًا قاعديًا وأخدودًا واحدًا.

    يعتبر B-DNA أكثر ترطيبًا ويوجد في الغالب الحمض النووي في الخلايا الحية. إنه شكل نشط من الناحية الفسيولوجية والبيولوجية. ومع ذلك ، يمكن تغييرها إلى أشكال أخرى. من المعروف أن الحمض النووي لليد اليمنى يتغير مؤقتًا إلى شكل اليد اليسرى على الأقل لمسافة قصيرة. قد تسبب هذه التغييرات تغييرات في التعبير الجيني.

    دائري و الحمض النووي الخطي:

    في العديد من بدائيات النوى ، يتم ربط طرفي DNA مزدوج الاتجاه تساهميًا في تكوين DNA دائري. الدنا الدائري عاري ، أي بدون ارتباط ببروتينات الهيستون ، على الرغم من وجود البولي أمينات. في الحمض النووي الخطي ، يكون الطرفان أحرارًا. يوجد في نوى حقيقية النواة حيث يرتبط ببروتينات هيستون.

    يحدث الحمض النووي الخطي ، دون ارتباطه ببروتينات هيستون ، في بعض بدائيات النوى ، على سبيل المثال ، الميكوبلازما. في عضيات الخلية شبه المستقلة (الميتوكوندريا ، البلاستيدات) يكون الحمض النووي دائريًا ، وهو أقل شيوعًا خطيًا. انها دائما عارية.

    قواعد القائم بأعمال:

    قام Chargaff (1950) بعمل ملاحظات على القواعد والمكونات الأخرى للحمض النووي. تسمى هذه الملاحظات أو التعميمات قاعدة التكافؤ الأساسية لـ Chargaff.

    (ط) تتساوى أزواج قاعدة البيورين والبيريميدين ، أي الأدينين + الجوانين = الثايمين + السيتوزين. [A + G] = [T + C] ، أي [A + G] / [T + C] = 1

    (2) الكمية المولية من الأدينين تساوي دائمًا الكمية المولية من الثايمين. وبالمثل ، فإن التركيز المولي للجوانين يعادل التركيز المولي للسيتوزين.

    [A] = [T] ، أي [A] / [T] = 1 [G] = [C] ، أي [G] / [C] = 1

    (3) يحدث سكر الديوكسيريبوز والفوسفات بنسب متساوية المولي.

    (4) نادراً ما تكون أزواج القاعدة A-T مساوية لأزواج القاعدة С-G.

    (v) نسبة [A + T] / [G + C] متغيرة ولكنها ثابتة بالنسبة لأحد الأنواع (الجدول 6.2). يمكن استخدامه لتحديد مصدر الحمض النووي. النسبة منخفضة في الكائنات البدائية وأعلى في الكائنات المتقدمة.

    الجدول 6.2. التركيب الأساسي للحمض النووي من مصادر مختلفة:

    صنف أ جي С تي أ + T / C + G
    1. رجل 30.4 19.0 19.9 30.1 1.55
    2. العجل 29.0 21.2 21.2 28.5 1.35
    3. جرثومة القمح 28.1 21.8 22.7 27.4 1.25
    4. البازلاء 30.8 19.2 18.5 30.5 1.62
    5. يوجلينا 22.6 27.7 25.8 24.4 0.88
    6 الإشريكية القولونية 24.7 26.0 25.7 23.6 0.93

    هيكل الحمض النووي:

    الحمض النووي أو حمض الديوكسي ريبونوكلييك هو جزيء كبير حلزوني متعدد الديوكسي ريبونوكليوتيد والذي يشكل المادة الوراثية لجميع الكائنات الحية باستثناء فيروسات الأنف. في بدائيات النوى يحدث في النيوكليويد والبلازميدات. عادة ما يكون هذا الحمض النووي دائريًا. في حقيقيات النوى ، يوجد معظم الحمض النووي في كروماتين النواة.

    إنه خطي. تم العثور على كميات أصغر من الدنا الدائري المزدوج المجدول في الميتوكوندريا والبلاستيدات (DNA العضوي). تحدث الحمض النووي صغير الحجم في الفيروسات ، ф × 174 عاثية تحتوي على 5386 نيوكليوتيد. تمتلك Bacteriophage lambda (Phage X) 48502 زوجًا أساسيًا (bp) بينما يبلغ عدد الأزواج الأساسية في Escherichia coli 4.6 × 10 6. يحتوي جينوم واحد (مجموعة أحادية العدد من 23 كروموسوم) على حوالي 3.3 × 10 9 زوج قاعدي في البشر. يحدث الحمض النووي أحادي السلسلة كمواد وراثية في بعض الفيروسات (على سبيل المثال ، فج x 174 ، coliphage fd ، M13). الحمض النووي هو أكبر جزيء يبلغ قطره 2 نانومتر (20 × 2 × 10-9 م) وغالبًا ما يبلغ طوله 3 مليمترات.

    15 مشحونة سالبة بسبب مجموعات الفوسفات. وهو عبارة عن بوليمر طويل السلسلة يتكون بشكل عام من عدة مئات الآلاف من ديوكسي ريبونوكليوتيدات. يحتوي جزيء الحمض النووي على خيطين متكاملين غير متفرعين. يتم لفهم حلزونيًا. يُطلق على الخيطين الحلزونيين من الحمض النووي معًا اسم DNA مزدوج (الشكل 6.5).

    لا يتم لف الخيطين على بعضهما البعض ، لكن الخيط المزدوج الكامل (DNA مزدوج) ملفوف على نفسه حول محور مشترك مثل علبة سلم حبل بخطوات صلبة ملتوية في دوامة. نظرًا للالتواء اللولبي ، فإن DNA مزدوج الاتجاه له نوعان من الأخاديد البديلة ، الكبرى (22 Å) والثانوية (12 Å).

    في B-DNA ، تحتوي دورة واحدة من اللولب على حوالي 10 نيوكليوتيدات على كل خيط من DNA. تشغل مسافة حوالي 3.4 نانومتر (34 Å أو 3.4 & # 21510-9 م) بحيث يتم فصل النيوكليوتيدات المجاورة أو قواعدها بمسافة تبلغ حوالي 0.34 نانومتر (0.34 & # 21510-9 م أو 3.4).

    يتكون ديوكسي ريبونوكليوتيد الحمض النووي من خلال الارتباط المتبادل لثلاث مواد كيميائية حمض الفوسفوريك (H3ص4) ، سكر ديوكسيريبوز (سي5ح10ا4) وقاعدة نيتروجين. توجد أربعة أنواع من قواعد النيتروجين في الحمض النووي. ينتمون إلى مجموعتين ، البيورينات (حلقات مزدوجة من 9 ذرات مع نيتروجين في 1،3،7 و 9 مواضع) وبيريميدين (ست حلقات ذات نيتروجين في 1 و 3 مواضع). يحتوي الحمض النووي على نوعين من البيورينات (الأدينين أو A والجوانين أو G) ونوعين من البيريميدين (السيتوزين أو С والثايمين أو T).

    اعتمادًا على نوع قاعدة النيتروجين ، يحتوي الحمض النووي على أربعة أنواع من deoxyribonucleotides - deoxy adenosine 5- monophosphate (d AMP) و deoxy guaninosine 5-monophosphate (d GMP) و deoxy thymidine 5-monophosphate (d TMP) و deoxy cytidine 5- monophosphate (د CMP).

    يتكون العظم الخلفي لسلسلة أو خيط DNA من مجموعات بديلة من سكر الديوكسيريبوز ومجموعات حمض الفوسفوريك. ترتبط مجموعة الفوسفات بالكربون 5 & # 8242 من بقايا السكر من النيوكليوتيدات الخاصة بها والكربون لبقايا السكر للنيوكليوتيدات التالية بواسطة روابط فوسفوديستر (3 & # 8216-5 & # 8217). - يتم التخلص من H من الفوسفات و- OH من السكر كما H20 خلال كل تكوين استر.

    توفر مجموعة الفوسفات الحموضة للأحماض النووية لأن واحدة على الأقل من مجموعتها الجانبية حرة في الانفصال. تقع قواعد النيتروجين في زوايا قائمة على المحور الطولي لسلاسل الحمض النووي. يتم ربطها بذرة الكربون 1 من السكريات بواسطة روابط N-glycosidic. يتم إرفاق Pyrimidine (C أو T) بـ deoxyribose بواسطة N-atom في موضع واحد بينما يقوم البيورين (A أو G) بذلك بواسطة N-atom في موضع 9.

    سلسلتا الحمض النووي متضادتان أي أنهما تعملان بالتوازي ولكن في اتجاهين متعاكسين. في سلسلة واحدة يكون الاتجاه 5 & # 8217 → У بينما في الاتجاه المقابل 3 & # 8242 → 5 & # 8242 (الشكل 6.5). يتم ربط السلسلتين ببعضهما البعض بواسطة روابط هيدروجينية بين قواعدهما. Adenine (A) ، بيورين من سلسلة واحدة يقع بالضبط مقابل الثايمين (T) ، وهو هرم من السلسلة الأخرى. وبالمثل ، يقع السيتوزين (C ، بيريميدين) مقابل الجوانين (G a purine). هذا يسمح بنوع من ترتيب القفل والمفتاح بين البيورين كبير الحجم وبيريميدين صغير الحجم.

    يتم تقويته من خلال ظهور الروابط الهيدروجينية بين الاثنين. تحدث ثلاث روابط هيدروجينية بين السيتوزين والجوانين (C = G) في المواضع 1’-1 '، 2 & # 8242-6 & # 8242 و 6 & # 8242-2 & # 8242. هناك نوعان من الروابط الهيدروجينية بين الأدينين والثايمين (A = T) والتي تتشكل في المواضع 1’-3 & # 8242 و 6 & # 8242-4 & # 8242. تحدث الروابط الهيدروجينية بين الهيدروجين لقاعدة واحدة والأكسجين أو النيتروجين من القاعدة الأخرى. نظرًا لحدوث قواعد نيتروجين محددة ومختلفة في سلسلتي الحمض النووي ، فإن الأخيرتين مكملتان.

    وبالتالي فإن تسلسل AAGCTCAG لسلسلة واحدة سيكون له تسلسل تكميلي لـ TTCGAGTC على السلسلة الأخرى. بعبارة أخرى ، سلسلتا الحمض النووي ليستا متطابقتين ولكنهما مكملتان لبعضهما البعض. إنه بسبب الاقتران الأساسي المحدد مع البيورين الموجود مقابل بيريميدين. هذا يجعل السلاسل 2 نانومتر.

    زوج قاعدة البيورين - البيورين سيجعلها أكثر سمكًا بينما زوج قاعدة بيريميدين - بيريميدين سيجعلها أضيق من 2 نانومتر. علاوة على ذلك ، لا يتزاوج A و С أو G و T لأنهما يفشلان في تكوين روابط هيدروجينية بينهما. 5 & ​​# 8242 نهاية كل سلسلة تحمل جذور الفوسفات بينما الطرف 3 & # 8242 تمتلك بقايا السكر (З & # 8217-ОН).

    السمات البارزة لنموذج В للحمض النووي لـ Watson و Crick:

    1. الحمض النووي هو أكبر جزيء حيوي في الخلية.

    2. الحمض النووي هو سالب الشحنة و dextrorotatory.

    3. التكوين الجزيئي للحمض النووي هو ثلاثي الأبعاد.

    4. يحتوي الحمض النووي على سلسلتين من عديد النوكليوتيدات.

    5. سلسلتا الحمض النووي لهما قطبية عكسية ، 5 & # 8242 - & GT 3 & # 8242 في واحد و 3 & # 8242 - & GT 5 & # 8242 في الآخر.

    6. يتكون العمود الفقري لكل سلسلة عديد النوكليوتيد من مجموعات فوسفات السكر البديلة. مشروع قواعد النيتروجين داخليا.

    7. تشكل قواعد النيتروجين في سلسلتين من عديد النوكليوتيدات أزواجًا مكملة ، A المقابلة لـ T و С المقابلة لـ G.

    8. يأتي البيورين ذو الحجم الكبير دائمًا مقابل بيريميدين صغير الحجم. هذا يولد مسافة موحدة بين اثنين من خيوط اللولب.

    9. الأدينين (أ) لسلسلة واحدة من عديد النوكليوتيد يتم تثبيته مع الثايمين (T) من السلسلة المعاكسة بواسطة رابطتين هيدروجينيتين. يتم الاحتفاظ بالسيتوزين (C) لسلسلة واحدة بالمثل بجوانين السلسلة الأخرى بواسطة ثلاث روابط هيدروجينية.

    10. يتم لف السلسلة المزدوجة بطريقة حلزونية. اللف باليد اليمنى. ينتج عن هذا اللف أخاديد صغيرة وكبيرة بالتناوب.

    11. تبلغ درجة اللولب 3.4 نانومتر (34 أ) مع ما يقرب من 10 أزواج قاعدية في كل منعطف. يبلغ متوسط ​​المسافة بين زوجي قاعدتين متجاورتين حوالي 0.34 نانومتر (0.34 × 10-9 م أو 3.4 أ).

    12. تتكدس مستويات أزواج القواعد المتجاورة فوق بعضها البعض. إلى جانب الرابطة الهيدروجينية ، يمنح التراص الاستقرار للهيكل الحلزوني.

    13. الحمض النووي حمضي. من أجل ضغطه ، فإنه يتطلب بروتينات أساسية (هيستون). بروتينات هيستون مشحونة بشدة وتحتل الأخاديد الرئيسية للحمض النووي بزاوية 30 درجة لمحور اللولب.

    خيوط الحس والمقاومة:

    لا يشارك كل من خيوط الحمض النووي في السيطرة على الوراثة والتمثيل الغذائي. واحد منهم فقط يفعل ذلك. يُعرف خيط الحمض النووي الذي يعمل كقالب لتخليق الحمض النووي الريبي باسم حبلا القالب أو الخيط الناقص (-) أو الخيط المضاد.

    يسمى حبلاها التكميلي حبلا غير مقولب ، بالإضافة إلى (+) حبلا ، وخيط الإحساس والتشفير. يتم إعطاء الاسم الأخير لأن الشفرة الجينية للحمض النووي تكتب وفقًا لتسلسلها.

    قالب الحمض النووي ، بمعنى (+) أو حبلا الترميز

    قالب الحمض النووي ، أو مضاد المعنى ، أو غير مشفر أو (-) ستراند

    يتم نسخ الحمض النووي الريبي على 3 & # 8217 → 5 & # 8242 (-) حبلا (قالب / antistrand) من الحمض النووي في اتجاه 5 → 3.

    يستخدم مصطلح antisense أيضًا في منظور أوسع لأي تسلسل أو خيط من DNA (أو RNA) مكمل لـ mRNA.

    التمسخ وإعادة التشبع:

    يمكن أن تنكسر روابط H بين قواعد النيتروجين لفرقتين من الحمض النووي بسبب ارتفاع درجة الحرارة (82-90 درجة مئوية) أو انخفاض أو ارتفاع درجة الحموضة ، بحيث ينفصل الشريان عن بعضهما البعض. يطلق عليه تمسخ أو ذوبان. نظرًا لأن زوج القاعدة A-T يحتوي على روابط 2H فقط ، فإن المنطقة الغنية بأزواج القاعدة A-T يمكن أن تخضع للتمسخ (الذوبان) بسهولة. تسمى هذه المناطق مناطق الانصهار المنخفضة لأنها تتأثر بدرجة حرارة منخفضة نسبيًا. المنطقة الغنية بأزواج قاعدة جي سي (تسمى منطقة الانصهار العالية) أكثر استقرارًا وكثافة نسبيًا لأن ثلاث روابط هيدروجينية تربط قواعد جي سي.

    هذه المناطق لديها درجة حرارة عالية من الانصهار (Tm). عند ذوبان تنخفض لزوجة الحمض النووي. يميل الحمض النووي المشوه إلى إعادة الارتباط ، أي أن خيوط الحمض النووي المفصولة بالذوبان عند 82-90 درجة مئوية يمكن إعادة الارتباط وتشكيل مزدوج عند التبريد إلى درجة الحرارة عند 65 درجة مئوية. يطلق عليه إعادة التشبع أو التلدين.

    تمتص خيوط الحمض النووي المشوهة أو المنفصلة طاقة ضوئية أكثر من حبلا الحمض النووي المزدوج السليم. يُطلق على الامتصاص المتزايد للطاقة الضوئية عن طريق خيوط الحمض النووي المنفصلة أو المشوهة تأثير مفرط اللون. يتم استخدام التأثير في معرفة ما إذا كان الحمض النووي فرديًا أم مزدوجًا تقطعت بهم السبل.

    يمتلك DNA مزدوج الاتجاه مناطق يكون فيها تسلسل النيوكليوتيدات هو نفسه ولكن عكس ذلك في الخيطين. يتم التعرف على هذه التسلسلات عن طريق نوكليازات تقييدية وتستخدم في الهندسة الوراثية. يُعطى أدناه تسلسل القواعد في حبلا واحد (3 & # 8242 → 5 & # 8242) هو GAATTC. هو نفسه في حبلا أخرى عند القراءة في اتجاه 5 & # 8242 → 3 & # 8242. إنه مشابه للكلمات المتناظرة التي لها نفس الكلمات في الاتجاهين الأمامي والخلفي ، على سبيل المثال ، NITIN ، MALAYALAM.

    إنه الحمض النووي الذي يحتوي على نسخ متعددة من متواليات متطابقة لقواعد النيتروجين. يختلف عدد نسخ نفس التسلسل الأساسي من بضعة إلى ملايين. يسمى الحمض النووي الذي يحتوي على نسخة واحدة من التسلسل الأساسي الحمض النووي الفريد. وهي مصنوعة من جينات وظيفية. ومع ذلك ، تتكرر جينات الرنا الريباسي عدة مرات. قد يحدث الحمض النووي المتكرر جنبًا إلى جنب أو يتخللها تسلسلات فريدة.

    وهو من نوعين ، شديد التكرار ومتكرر بشكل معتدل. يتكون الحمض النووي عالي التكرار من متواليات قصيرة من أقل من 10 أزواج قاعدية تتكرر ملايين المرات. تحدث في مناطق ما قبل الصبغية ، ومناطق غير متجانسة من الكروموسومات Y ومناطق الأقمار الصناعية. يتكون الحمض النووي المتكرر باعتدال من بضع مئات من الأزواج الأساسية تتكرر 1000 مرة على الأقل. يحدث في التيلوميرات والوسط والينقولات.

    المتواليات المتكررة بشكل مترادف معرضة بشكل خاص للخضوع لاختلالات أثناء الاقتران بالكروموسوم ، وبالتالي فإن حجم المجموعات الترادفية يميل إلى أن يكون متعدد الأشكال بدرجة كبيرة ، مع وجود اختلافات واسعة بين الأفراد. يمكن استخدام مجموعات أصغر من هذه التسلسلات لتوصيف الجينوم الفردي في تقنية "طباعة أصابع الحمض النووي".

    إنه ذلك الجزء من الحمض النووي المتكرر الذي يحتوي على تسلسلات نيوكليوتيد طويلة متكررة جنبًا إلى جنب والتي تشكل جزءًا منفصلاً عند التنبيذ الفائق الكثافة. اعتمادًا على عدد الأزواج الأساسية المشاركة في مناطق التكرار ، يكون الحمض النووي الساتلي من نوعين ، متواليات الأقمار الصناعية الصغيرة (1-6 وحدات بت تكرار محاطة بالتسلسلات المحفوظة) وتسلسلات الأقمار الصناعية الصغيرة (11-60 نقطة أساس محاطة بمواقع تقييد محفوظة). هذا الأخير متغير مفرط ومخصص لكل فرد. يتم استخدامها لمطابقة الحمض النووي أو بصمات الأصابع كما اكتشفها جيفريز وآخرون (1985).

    يحدد ترتيب قواعد النيتروجين للحمض النووي (ومنتجها مرنا) تسلسل مجموعات الأحماض الأمينية في عديد الببتيدات أو البروتينات المتكونة على الريبوسومات. يتم تحديد حمض أميني واحد من خلال تسلسل ثلاث قواعد نيتروجين متجاورة. هذا الأخير يسمى كودون. يُعرف جزء الحمض النووي الذي يحدد توليف متعدد الببتيد الكامل باسم cistron.

    في البدائيات ، يحتوي الكيسترون على تسلسل تشفير مستمر من البداية إلى النهاية. في حقيقيات النوى ، يحتوي الكيسترون على مناطق غير مشفرة لا تنتج جزءًا من المنتج الجيني. يطلق عليهم إنترونات. غالبًا ما تكون الإنترونات متغيرة. تُعرف أجزاء الترميز باسم exons. تسمى السياتل التي تحتوي على إنترونات الجينات المنقسمة.

    الحمض النووي الترميز وغير المشفر:

    اعتمادًا على القدرة على تكوين منتجات وظيفية أو غير وظيفية ، يحتوي الحمض النووي على نوعين من المقاطع ، الترميز وغير المشفر. في حقيقيات النوى ، يكون الجزء الأكبر من الحمض النووي غير مشفر لأنه لا يشكل أي منتج وظيفي. غالبًا ما يمتلكون تسلسلات متكررة أو DNA متكرر. معظمهم لديهم وظائف ثابتة.

    يمكن للبعض أن ينتقل من مكان إلى آخر. تسمى التسلسلات المتنقلة جينات القفز أو الينقولات. في بدائيات النوى ، تكون كمية الحمض النووي غير المشفر أو غير الوظيفي صغيرة. يتكون ترميز الحمض النووي من ترميز تسلسل الحمض النووي. هذه من نوعين - تسلسل ترميز البروتين لجميع البروتينات باستثناء متواليات الترميز هيستون وغير البروتين لـ tRNA و rRNA و histones.

    وظائف الحمض النووي:

    1. المعلومات الجينية (الطباعة الزرقاء الجينية):

    الحمض النووي هو المادة الجينية التي تحمل جميع المعلومات الوراثية. يتم ترميز المعلومات الجينية في ترتيب قواعدها النيتروجينية.

    للحمض النووي خاصية فريدة تتمثل في النسخ المتماثل أو إنتاج نسخ كربونية (وظيفة التحفيز الذاتي). هذا ضروري لنقل المعلومات الجينية من خلية إلى بناتها ومن جيل إلى جيل.

    يحدث الحمض النووي داخل الكروموسومات. هذا ضروري للتوزيع العادل للحمض النووي أثناء انقسام الخلية.

    أثناء الانقسام الاختزالي ، يؤدي العبور إلى ظهور مجموعة جديدة من الجينات تسمى إعادة التركيب.

    تؤدي التغييرات في تسلسل قواعد النيتروجين بسبب الإضافة أو الحذف أو التكرار الخاطئ إلى حدوث طفرات. الطفرات هي منبع كل التغيرات والتطورات.

    ينتج الحمض النووي RNAs من خلال عملية النسخ. إنه نشاط تحفيزي غير متجانس للحمض النووي.

    7. الأيض الخلوي:

    يتحكم في تفاعلات التمثيل الغذائي للخلايا من خلال مساعدة RNAs معينة ، وتوليف بروتينات وإنزيمات وهرمونات معينة.

    بسبب الأداء التفاضلي لبعض مناطق معينة من الحمض النووي أو الجينات ، يتم تمييز أجزاء مختلفة من الكائنات الحية في الشكل والحجم والوظائف.

    يتحكم الحمض النووي في تطور الكائن الحي من خلال عمل ساعة وراثية داخلية بمساعدة المعلومات الخارجية أو بدونها.

    10. بصمة الحمض النووي:

    تتميز تسلسل الحمض النووي عالي المتغير للأقمار الصناعية الدقيقة لكل فرد. يتم استخدامها في التعرف على الأفراد وفك رموز علاقاتهم. الآلية تسمى بصمة الحمض النووي.

    يمكن تصحيح الوراثة المعيبة بدمج الجينات الصحيحة بدلاً من الجينات المعيبة.

    إن التوافر الزائد لمضادات الرنا المرسال أو الرنا المضاد المعنى لن يسمح للجينات المسببة للأمراض بالتعبير عن نفسها. بهذه التقنية تم التحقق من فشل رأب الوعاء. تعديل هذه التقنية هو تداخل RNA (RNAi).


    شاهد الفيديو: ما هو الحمض النووي DNA وكيف يعمل شرح بسيط وعلمي (كانون الثاني 2022).