DNA دستوری برای زندگی

DNA همانند قطاری است که ژن ها واگن‌های آن می‌باشند.

تاریخچه

کشف واحدهای وراثتی

وجود واحدهای ارثی پیوسته اولین بار توسط Gregor Mendel پیشنهاد شد. در سال ۱۸۵۷ تا ۱۸۶۴ در شهر برنو او روی ۸۰۰۰ الگوی وراثت نخودفرنگی مطالعه کرد و صفات متمایز و وراثت از پدر و مادر را به فرزندان ردیابی کرد. اگرچه وی از واژه‌ی ژن در تحقیقات و مطالعات خود استفاده نکرده است اما او نتایج تحقیقات خود را بر اساس وراثت صفات فیزیکی و قابل مشاهده (فنوتیپی) بیان کرده است. Wilhelm Johannsen تفاوت بین ژنوتیپ (ساختار ژنی موجود) و فنوتیپ (صفات قابل مشاهده ) را بیان کرده است. مندل همچنین برای تهیه‌ی قوانین وراثت برای اولین بار، تمایز بین ویژگی‌های اکتسابی و موروثی و هوموزیگوت (خالص بودن اَلِل‌ها) و هتروزیگوت (ناخالص بودن اَلِل‌ها) را مطرح نمود. پیش از مندل قوانین وراثت تا اینجا تعریف شده بودند که طی لقاح، اسپرم جنس نر با تخمک جنس ماده لقاح یافته و منجر به ایجاد تخم می‌شود که برخی صفات را ظاهرا از پدر و برخی را ظاهرا از مادر کسب کرده است. چارلز داروین این نظریه را گسترش داده و نام نظریه‌ی وی pangenesis  (نظریه ی همه زایی) قرارگرفت که برگرفته از دو واژه‌ی یونانی pan (کل) و genesis (پیدایش) است. داروین همچینین از اصطلاح gemmule (جوانه) به عنوان ترکیبی که حین لقاح ایجاد شده و سبب تولید صفات می‌شود استفاده کرد. کارهای مندل بعد از چاپ اولین یافته‌هایش در سال ۱۸۶۶ نادیده گرفته شد تا در قرن ۱۹ میلادی هوگو دوریس، کارل کورنس و اریک فون شرماک هر یک با مشاهدات مستقل نتایج وی را تایید کردند. در سال ۱۸۸۹ هوگو دوریس کتاب خود را تحت عنوان جوانه‌های درون سلولی منتشر کرد که موضوع آن استدلال بر این داشت که هر فرد منحصر به فرد حامل‌های فردی وراثتی را دارد که منجر به شکل گیری صفات در وی می‌شود و این حامل‌ها را واحدهای pangenes نامید و ۱۶ سال بعد ویلیهلم جوهانسون واژه‌ی ژن (gene) را برای اولین بار به کار برد.

بیشتر بخوانید: آشنایی با سلول های بنیادی و کاربرد آن در پزشکی

کشف DNA

درک ژن ها و نحوه‌ی قرار گیری آن‌ها و ساختاری که آن‌ها را با خود حمل می‌کند تا قرن ۲۰ ناشناخته بود. تا اینکه سال ۱۹۵۰ نشان داده شد که (DNA (Deoxyribonucleic acid مخزن اطلاعات ژنتیکی است که ساختار آن را موریس ویلکینز و رزالیند فرانکلین با کریستالوگرافی پراش پرتو ایکس کشف کردند و یک سال بعد جیمز واتسون و فرانسیس کریک به دو رشته‌ای بودن دی ان ای و ساختار سه بعدی و مارپیچی آن و بازهای متصل کننده‌ی دو رشته  پی‌بردند. در اوایل سال ۱۹۵۰ دیدگاه حاکم این بود که ژن ها در کروموزوم ها مانند نواحی گسسته عمل می‌کنند بطوری که در یک رشته مرتب می‌شوند. آزمایشات Benzer  با استفاده از جهش‌های معیوب در ناحیه RII باکتریوفاژ (T4 (1959-1955 نشان داد که ژن های فردی یک ساختار خطی ساده دارند و به احتمال زیاد به یک بخش خطی DNA معادل هستند. این بدنه از تحقیقات که پروتئین‌ها از روی RNA ترجمه شده اند که خود RNA از روی DNA رونویسی شده است و فرضیه‌ی رونویسی معکوس در رتروویروس بسیار مهم بوده و مطالعه مدرن ژنتیک در سطح DNA به عنوان ژنتیک مولکولی شناخته می‌شود.

ساختار شیمیایی نوکلئیک اسیدها

در سال ۱۸۷۰ فردریک میشر از هسته‌ی سلول یوکاریوتی، ماده‌ای استخراج کرد که با آزمایش‌های بیوشیمایی مشخص شد خاصیت اسیدی دارد و بر همین اساس آن را نوکلئیک اسید (اسید هسته‌ای) نام گذاری کرد. بعد از مدتی ساختار دو نوع از این اسیدهای هسته‌ای کشف شد. ریبونوکلئیک اسید و دئوکسی ریبو نوکلئیک اسید که از نظر ساختار قندی با یکدیگر متفاوتند. نوکلئوتیدها واحدهای مونومری نوکلئیک اسیدها هستند که از سه بخش تشکیل شده‌اند یک قند پنج کربنی، یک تا سه گروه فسفات، یک باز آلی نیتروژن‌دار که پورینی یا پیریمیدنی است (ساختار بازهای پورینی، دو حلقه‌ای و ساختار بازهای پیریمیدینی یک حلقه‌ای است) از اتصال نوکلئوتیدها با یکدیگر، پلیمری خطی به وجود می‌آید. اتصال نوکلئوتیدها به یکدیگر از طریق برقرای پیوند کوالان بین گروه قند یک نوکلئوتید با گروه فسفات نوکلئوتید دیگر صورت می‌گیرد. نوکلئوتیدها در ابتدا به صورت آزاد، سه گروه فسفات دارند، اما هنگام برقراری پیوند با یکدیگر دو گروه از سه گروه فسفات خود را از دست می‌دهند و فقط با یک گروه فسفات خود در رشته‌ی پلی نوکلئوتید جای می‌گیرند. پیوند بین دو نوکلئوتید را پیوند فسفو دی استر می‌نامند. ساختار DNA دارای دو رشته‌ی موازی است که مکمل و ناهمسو هستند که از ۴ نوع واحد نوکلئوتیدی به وجود آمده‌اند. مولکول DNA دو رشته‌ای در محل‌هایی حدود دو دور به دور ۸ مولکول پروتئینی هیستون می‌پیچد و ساختاری به نام نوکلئوزوم را پدید می‌آورد. هیستون‌ها پروتئین‌های متصل به DNA هسته هستند که مسئول فشرده کردن آن بوده و در سیتوپلاسم توسط ریبوزوم ساخته شده و سپس وارد هسته می‌شوند و درون هسته، DNA دور آن‌ها می‌چرخد و فشرده می‌شود. این پروتئین مختص سلول یوکاریوتی است. در ساختار DNA باز‌های آلی توسط پیوند هیدروژنی به یکدیگر متصل هستند که بین بازهای آلی آدنین و تیمین دو پیوند هیدروژنی و بین بازهای آلی گوانین و سیتوزین سه پیوند هیدروژنی وجود دارد.

همانند سازی DNA

واتسون و کریک همزمان با پیشنهاد مدل خود برای DNA چنین بیان داشتند که وجود رابطه‌ی مکملی بین بازها می‌تواند در فرایند همانند سازی DNA نقش اساسی داشته باشد.

آنزیم هلیکاز: در همانند سازی ساختار DNA، ابتدا دو رشته‌ی آن به کمک آنزیم هلیکاز مانند زیپ از یکدیگر جدا می‌شوند هلیکاز دو زنجیره‌ی DNA را با شکستن پیوند هیدروژنی بین بازهای مکمل از یکدیگر جدا کرده و ایجاد دو راهی همانندسازی می‌کند.

آنزیم DNA پلیمراز: همانندسازی DNA به کمک آنزیم DNA پلیمراز صورت می‌گیرد. همانندسازی از روی هر دو رشته انجام می‌گیرد. این آنزیم در طول DNA حرکت می‌کند و نوکلئوتیدها را در مقابل نوکلئوتیدهای مکمل خود قرار می‌دهد. به این ترتیب که با استفاده از نوکلئوتیدهای آزاد که در سیتوپلاسم وجود دارند، در مقابل باز آدنین A باز تیمین T و در مقابل باز گوانین G باز سیتوزین C  قرار می‌دهد. در فرایند همانند سازی DNA، دو مولکول DNA تولید می‌شود چون هر DNA دختر یک رشته‌ی جدید و یک رشته‌ی قدیمی دارد، می‌گویند همانند سازی DNA به طریقه‌ی نیمه حفظ شده است یعنی در هر مولکول یک زنجیره‌ی آن صد در صد مادری و زنجیره‌ی آن صد در صد جدید است. ترتیب و تعداد نوکلئوتیدها در مولکول‌های DNA حاصل، همانند مولکول DNA مادر است. این آنزیم توانایی ویرایش نیز دارد به این معنا که اگر نوکلئوتید اشتباهی به DNA های دختر اضافه شود، یعنی مکمل نباشد، این آنزیم بر می‌گردد و نوکلئوتید اشتباه را جدا و آن را با نوکلئوتیدهای صحیح تعویض می‌کند. با این وجود به ندرت ممکن است نوکلئوتیدهای اشتباه در DNA دختر باقی بماند که این اشباه تصحیح نشده جهش نام دارد. باید توجه داشت تمام ژن های غالب و مغلوب که روی یک کروموزوم قرار دارند به یک نسبت همانندسازی می‌شوند اما ژن های مغلوب کم‌تر از ژن های غالب رونویسی (بیان) می‌شوند.

کروموزوم

مجموعه‌ی کاملی از توالی اسیدهای نوکلئیک که شامل کلیه‌ی ژن های انسان است در یک ارگانیسم به عنوان ژنوم آن شناخته می‌شود که ممکن است در یک یا تعداد بیشتری کرووزوم ذخیره شده باشد .کروموزوم ها درون هسته‌ی سلول‌های یوکاریوتی که در حال تقسیم اند، دیده می‌شود. کروموزوم فرم فشرده‌ی ساختار DNA است و در واقع حاوی این ماده و پروتئین می‌باشد. در جریان تقسیم سلول، کروموزوم‌های مضاعف شده به تدریج فشرده می‌شوند در نتیجه رشته‌های باریک و بلند کروموزومی به رشته‌های قطور و کوتاه تبدیل می‌شوند و به شکل زیر در می‌آیند. همان گونه که مشاهده می‌شود هر کروموزوم مضاعف شده، از دو نیمه که همانند یک دیگرند تشکیل شده که هر یک را کروماتید می‌نامند. دو کروماتید هر کروموزوم مضاعف شده، که آن‌ها را نسبت به یکدیگر کروماتید خواهری می‌نامند، در محلی به نام سانترومر به یکدیگر متصل شده‌اند. به ناحیه‌ای که یک ژن خاص در کروموزوم به خود اختصاص داد است لوکوس (جایگاه کروموزومی) می‌گویند. ژن کنترل کننده‌ی یک ویژگی که در لوکوس قرار گرفته است اَلِل نام دارد.

وقتی یک سلول مانند سلول پیکری، دو مجموعه کروموزوم دارد می‌گویند آن سلول دیپلوئید است. برخلاف سلول‌های پیکری، بیشتر گامت‌ها فقط یک مجموعه کروموزوم دارند و به آن‌ها هاپلوئید می‌گویند. در بعضی از جانداران نیز بیش از دو مجموعه کروموزوم وجود دارد که به این حالت پلی پلوئیدی می‌گویند مثل گندم زراعی که دارای شش مجموعه کرموزومی (هگزاپلوئید) است.

بیشتر بخوانید: دنیای کوچک میکروسکوپی _ سلول

بیان ژن

در همه‌ی موجودات زنده دو مرحله برای خواندن کدهای موجود در ساختار DNA و ساخت پروتئین‌های اختصاصی لازم است که به مجموعه‌ی این دو فرایند بیان ژن می‌گویند. مرحله‌ی اول این فرایند رونویسی نام دارد و از روی DNA ،RNA ساخته می‌شود و در مرحله‌ی دوم که ترجمه نام دارد توالی نوکلئوتیدها در mRNA به توالی آمینو اسیدها در پروتئین ترجمه می‌شود که ماهیت هر پروتئین به تعداد و توالی آمینو اسیدهای به کار رفته بستگی دارد که مستقیما توسط کدون‌های mRNA و اساسا توسط ژن تعیین می‌شود. مجموعه‌ای از ۳ نوکلئوتید که به عنوان یک کدون شناخته می‌شوند هر کدام به یک آمینو اسید اختصاصی مرتبط می‌شوند. “کدون شروع” و سه “کدون توقف” نشان دهنده آغاز و پایان منطقه کدگذاری پروتئین است.

رونویسی از DNA

طی فرآیند رونویسی یک مولکول تک رشته‌ای  RNA از روی یک مولکول DNA ساخته می‌شود. بنابراین توالی نوکلئوتیدی آن مکمل رشته‌ای است که از روی آن رونویسی شده است. رونویسی توسط یک آنزیم به نام RNA پلیمراز انجام می‌شود که رشته را در جهت ۳ ‘تا ۵’ خوانده و RNA را از ۵ ‘تا ۳’ سنتز می‌کند این فرایند در باکتری‌های درون سیتوپلاسم و در یوکاریوت ها درون هسته رخ می‌دهد.

ترجمه 

فرایندی است که مولکول mRNA به عنوان یک الگو برای سنتز پروتئین قرار می‌گیرد که توسط tRNA که مسئول انتقال آمینو اسید به ریبوزوم است و ریبوزوم‌ها و آنزیم موجود در آن‌ها rRNA که مسئول ایجاد پیوند پپتیدی بین آمینو اسیدها است، انجام می‌شود.

تنظیم بیان ژن

ژن ها به گونه‌ای تنظیم می‌شوند که تنها زمانی که محصول آن‌ها مورد نیاز است بیان می‌شوند. سلول‌ها از همه‌ی ژن های خود به صورت همزمان استفاده نمی‌کنند و به عبارتی بیان ژن ها محدود است. دو عامل خارجی (مواد غذایی موجود، دما و سایر تنش‌ها ) و داخلی (تقسیم سلولی، وضعیت عفونت و متابولیسم) روی بیان ژن موثرند. و سلول‌های یوکاریوتی در پاسخ به تحریکات محیطی، بعضی ژن های خود را روشن و بعضی را خاموش می‌کنند. تنظیم بیان ژن در این سلول‌ها ممکن است قبل از رونویسی، هنگام رونویسی و یا بعد از آن صورت گیرد همچنین ممکن است این تنظیم بعد خروح Mrna از هسته، هنگام ترجمه یا بعد عمل ترجمه نیز رخ دهد.

جهش ژنتیکی

تغییر در اطلاعات ژنتیک با وجود عوامل اصلاح‌کننده انجام شدنی است. هرگونه تغییر در ساختار DNA جهش نام دارد. جهش در سلول‌های سوماتیک (پیکری) فقط خود فرد را تحت تاثیر قرار می‌دهد اما جهش بر روی سلول‌های جنسی ممکن است به نسل‌های بعدی نیز انتقال یابد .جهش‌هایی که منجر به تغییر یک یا چند نوکلئوتید ژن روی یک کروموزوم می‌شوند، جهش نقطه‌ای نام دارد که خود به دو نوع جانشینی و افزایش یا کاهش تقسیم می‌شود. جهش نوع جانشینی به این معنا که یک نوکلئوتید ژن با نوکلئوتید دیگری عوض می‌شود. جهش‌های نقطه‌ای که سبب اشتباه خوانده شدن حروف سه نوکلئوتیدی (کدون) شوند، جهش تغییر در چارچوب نام دارند. به طور کلی جهش‌های نقطه‌ای ممکن است باعث شوند که پروتئین مورد نظر ساخته نشود یا پروتئین حاصل عملکرد متفاوتی نسبت به حالت طبیعی داشته باشند.

در تقسیم بندی رایج، جهش‌ها را همچنین به انواع جهش مضاعف شدن، واژگونی، درج شدگی، حذف و جانشینی تقسیم بندی می‌کنند.

اگر رمز آمینواسیدی به رمز پایان تبدیل شود، پروتئین حاصل کوتاه‌تر و اگر رمز پایان جهش یابد، پروتئین حاصل بلندتر از حالت عادی خواهد بود.

تیم ترجمه BrainBee.ir

+52