معلومة

10.3: تقسيم الخلية - علم الأحياء


دورة الخلية

الشكل ( PageIndex {1} ): دورة الخلية. تقضي الخلايا معظم وقتها في الطور البيني. إذا كانت الخلية مخصصة لوظيفة معينة ، فسوف تدخل G0. إذا كانت الخلية سوف تنقسم ، فإنها تدخل G1 (الفجوة 1) والتي خلالها تقوم الخلية بتكرار العضيات ومحتويات السيتوبلازم. خلال المرحلة S (التوليف) ، يتم تكرار الحمض النووي. في G2 ، تتحقق الخلية من استعدادها للقسمة. M هو هذا الرسم البياني يمثل انقسام الخلية. هنا ، يظهر الانقسام ، مما أدى إلى خليتين ابنتيتين. النوع الثاني من التقسيم ، الانقسام الاختزالي ، لا يُصوَّر هنا ولكنه يتبع نفس التقدم العام. رسم تخطيطي بواسطة هيستيدين ، CC BY-SA 3.0 ، عبر ويكيميديا ​​كومنز.


10.5 قسم الخلايا بدائية النواة

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • وصف عملية الانشطار الثنائي في بدائيات النوى
  • اشرح كيف أن بروتينات FtsZ و tubulin هي أمثلة على التماثل

بدائيات النوى ، مثل البكتيريا ، تنتج خلايا ابنة عن طريق الانشطار الثنائي. بالنسبة للكائنات أحادية الخلية ، فإن الانقسام الخلوي هو الطريقة الوحيدة لإنتاج أفراد جدد. في كل من الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة ، تكون نتيجة تكاثر الخلية زوجًا من الخلايا الوليدة المتطابقة وراثيًا مع الخلية الأم. في الكائنات أحادية الخلية ، تكون الخلايا الوليدة أفرادًا.

لتحقيق نتائج النسل المستنسخ ، هناك خطوات معينة ضرورية. يجب تكرار الحمض النووي الجيني ثم تخصيصه في الخلايا الوليدة ، يجب أيضًا تقسيم محتويات السيتوبلازم لإعطاء كلتا الخلايا الجديدة الآلية الخلوية للحفاظ على الحياة. كما رأينا مع الخلايا البكتيرية ، يتكون الجينوم من كروموسوم DNA دائري واحد ، وبالتالي فإن عملية انقسام الخلية مبسطة. إن الحركة الحركية غير ضرورية لأنه لا توجد نواة حقيقية وبالتالي ليست هناك حاجة لتوجيه نسخة واحدة من الكروموسومات المتعددة إلى كل خلية ابنة. يسمى هذا النوع من الانقسام الخلوي بالانشطار الثنائي (بدائية النواة).

الانشطار الثنائي

نظرًا للبساطة النسبية لدائيات النوى ، فإن عملية انقسام الخلية هي عملية أقل تعقيدًا وأسرع بكثير من انقسام الخلايا في حقيقيات النوى. كمراجعة للمعلومات العامة حول انقسام الخلايا التي ناقشناها في بداية هذا الفصل ، تذكر أن كروموسوم الحمض النووي الفردي الدائري للبكتيريا يحتل موقعًا محددًا ، المنطقة النووية ، داخل الخلية (الشكل 10.2). على الرغم من أن الحمض النووي للنيوكليويد يرتبط بالبروتينات التي تساعد في تعبئة الجزيء في حجم مضغوط ، فلا توجد بروتينات هيستون وبالتالي لا توجد نيوكليوسومات في بدائيات النوى. ومع ذلك ، فإن بروتينات التعبئة للبكتيريا مرتبطة ببروتينات cohesin و condensin المشاركة في ضغط كروموسوم حقيقيات النوى.

يرتبط الكروموسوم البكتيري بغشاء البلازما عند نقطة منتصف الخلية تقريبًا. نقطة البداية للنسخ المتماثل ، الأصل ، قريبة من موقع ارتباط الكروموسوم بغشاء البلازما (الشكل 10.15). يكون تكرار الحمض النووي ثنائي الاتجاه ، حيث يبتعد عن الأصل على كلا خيوط الحلقة في وقت واحد. عندما يتم تشكيل الخيوط المزدوجة الجديدة ، تتحرك كل نقطة أصل بعيدًا عن مرفق جدار الخلية باتجاه الأطراف المقابلة للخلية. مع استطالة الخلية ، يساعد الغشاء المتنامي في نقل الكروموسومات. بعد أن تزيل الكروموسومات نقطة المنتصف للخلية الممدودة ، يبدأ الفصل السيتوبلازمي. إن تشكيل حلقة مكونة من وحدات متكررة من بروتين يسمى FtsZ (اختصار لـ "متحولة Z الحساسة للحرارة الخيطية") يوجه التقسيم بين النوكلييدات. يؤدي تكوين حلقة FtsZ إلى تراكم البروتينات الأخرى التي تعمل معًا لتجنيد مواد غشاء وجدار خلوي جديدة إلى الموقع. يتشكل الحاجز بين النيوكلييدات الابنة ، ويمتد تدريجياً من المحيط باتجاه مركز الخلية. عندما تكون جدران الخلايا الجديدة في مكانها ، تنفصل الخلايا الوليدة.

اتصال التطور

جهاز المغزل الانقسامي

يعد التوقيت الدقيق وتشكيل المغزل الانقسامي أمرًا بالغ الأهمية لنجاح انقسام الخلايا حقيقية النواة. من ناحية أخرى ، لا تخضع الخلايا بدائية النواة لعملية karyokinesis وبالتالي لا تحتاج إلى المغزل الانقسامي. ومع ذلك ، فإن بروتين FtsZ الذي يلعب دورًا حيويًا في الحركية الخلوية بدائية النواة يشبه إلى حد كبير من الناحية الهيكلية والوظيفية التيوبولين ، وهي اللبنة الأساسية للأنابيب الدقيقة التي تشكل ألياف المغزل الانقسامية الضرورية للانقسام النووي حقيقية النواة. يمكن لبروتينات FtsZ أن تشكل خيوطًا وحلقات وهياكل أخرى ثلاثية الأبعاد تشبه الطريقة التي يشكل بها التيوبيولين الأنابيب الدقيقة والمريكزات ومكونات الهيكل الخلوي المختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم كل من FtsZ و tubulin نفس مصدر الطاقة ، GTP (غوانوزين ثلاثي الفوسفات) ، لتجميع وتفكيك الهياكل المعقدة بسرعة.

تعتبر FtsZ و tubulin هياكل متجانسة مشتقة من أصول تطورية مشتركة. في هذا المثال ، FtsZ هو بروتين سلف لتوبيولين (بروتين مشتق تطوريًا). بينما يوجد كلا البروتينين في الكائنات الحية الموجودة ، فقد تطورت وظيفة التوبولين وتنوعت بشكل كبير منذ أن تطورت من أصلها بدائية النواة FtsZ. يكشف مسح لمكونات التجميع الانقسامية الموجودة في حقيقيات النوى أحادية الخلية الحالية عن خطوات وسيطة حاسمة للجينومات المعقدة المغلفة بالغشاء من حقيقيات النوى متعددة الخلايا (الجدول 10.3).


10.3 علم الجينوم والبروتيوميات

بدأت دراسة الأحماض النووية باكتشاف الحمض النووي ، وتقدمت إلى دراسة الجينات والشظايا الصغيرة ، وانتشرت الآن في مجال علم الجينوم. علم الجينوم هو دراسة الجينوم بأكمله ، بما في ذلك المجموعة الكاملة من الجينات ، وتسلسل النوكليوتيدات وتنظيمها ، وتفاعلاتها داخل الأنواع ومع الأنواع الأخرى. أصبح التقدم في علم الجينوم ممكنًا بفضل تقنية تسلسل الحمض النووي. تمامًا كما أدت تكنولوجيا المعلومات إلى خرائط Google التي تمكننا من الحصول على معلومات مفصلة حول المواقع في جميع أنحاء العالم ، يتم استخدام المعلومات الجينومية لإنشاء خرائط مماثلة للحمض النووي للكائنات المختلفة.

رسم خرائط الجينوم

رسم خرائط الجينوم هو عملية العثور على موقع الجينات على كل كروموسوم. الخرائط التي يتم إنشاؤها قابلة للمقارنة مع الخرائط التي نستخدمها للتنقل في الشوارع. الخريطة الجينية هي توضيح يسرد الجينات وموقعها على الكروموسوم. تقدم الخرائط الجينية الصورة الكبيرة (على غرار خريطة الطرق السريعة بين الولايات) وتستخدم العلامات الجينية (على غرار المعالم). الواسمات الجينية هي جين أو تسلسل على كروموسوم يُظهر ارتباطًا جينيًا مع سمة مثيرة للاهتمام. تميل العلامة الجينية إلى أن تكون موروثة مع الجين المعني ، وأحد مقاييس المسافة بينهما هو تكرار إعادة التركيب أثناء الانقسام الاختزالي. أطلق علماء الوراثة الأوائل على تحليل الارتباط هذا.

تدخل الخرائط المادية في التفاصيل الدقيقة للمناطق الأصغر من الكروموسومات (على غرار خارطة الطريق التفصيلية) (الشكل 10.11). الخريطة المادية هي تمثيل للمسافة المادية ، في النيوكليوتيدات ، بين الجينات أو العلامات الجينية. كل من خرائط الارتباط الجيني والخرائط المادية مطلوبة لبناء صورة كاملة للجينوم. إن وجود خريطة كاملة للجينوم يجعل من السهل على الباحثين دراسة الجينات الفردية. تساعد خرائط الجينوم البشري الباحثين في جهودهم لتحديد الجينات المسببة للأمراض البشرية والمتعلقة بأمراض مثل السرطان وأمراض القلب والتليف الكيسي ، على سبيل المثال لا الحصر. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام خرائط الجينوم للمساعدة في تحديد الكائنات الحية ذات السمات المفيدة ، مثل الميكروبات التي لديها القدرة على تنظيف الملوثات أو حتى منع التلوث. قد تؤدي الأبحاث التي تنطوي على رسم خرائط الجينوم النباتي إلى طرق تنتج غلات محاصيل أعلى أو إلى تطوير نباتات تتكيف بشكل أفضل مع تغير المناخ.

توفر الخرائط الجينية المخطط التفصيلي ، وتوفر الخرائط المادية التفاصيل. من السهل أن نفهم سبب أهمية كلا النوعين من تقنيات رسم خرائط الجينوم لإظهار الصورة الكبيرة. يتم استخدام المعلومات التي تم الحصول عليها من كل تقنية في تركيبة لدراسة الجينوم. يتم استخدام رسم الخرائط الجينومية مع الكائنات الحية النموذجية المختلفة المستخدمة في البحث. لا يزال رسم خرائط الجينوم عملية مستمرة ، ومع تطوير تقنيات أكثر تقدمًا ، من المتوقع حدوث المزيد من التقدم. يشبه رسم خرائط الجينوم إكمال لغز معقد باستخدام كل جزء من البيانات المتاحة. يتم إدخال معلومات الخرائط التي تم إنشاؤها في المختبرات في جميع أنحاء العالم في قواعد البيانات المركزية ، مثل المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية (NCBI). تُبذل الجهود لجعل الوصول إلى المعلومات أسهل للباحثين وعامة الناس. تمامًا كما نستخدم أنظمة تحديد المواقع العالمية بدلاً من الخرائط الورقية للتنقل عبر الطرق ، يسمح لنا NCBI باستخدام أداة عارض الجينوم لتبسيط عملية استخراج البيانات.

المفاهيم في العمل

الوراثة المندلية في الإنسان عبر الإنترنت (OMIM) عبارة عن كتالوج عبر الإنترنت يمكن البحث فيه عن الجينات البشرية والاضطرابات الوراثية. يعرض موقع الويب هذا رسم خرائط الجينوم ، ويفصل أيضًا التاريخ والبحث عن كل سمة واضطراب. انقر فوق الارتباط للبحث عن السمات (مثل استخدام اليدين) والاضطرابات الوراثية (مثل مرض السكري).

تسلسل الجينوم الكامل

على الرغم من حدوث تقدم كبير في العلوم الطبية في السنوات الأخيرة ، لا يزال الأطباء مرتبكين بسبب العديد من الأمراض ويستخدم الباحثون تسلسل الجينوم الكامل للوصول إلى جوهر المشكلة. تسلسل الجينوم الكامل هو عملية تحدد تسلسل الحمض النووي للجينوم بأكمله. تسلسل الجينوم الكامل هو نهج القوة الغاشمة لحل المشكلات عندما يكون هناك أساس وراثي في ​​جوهر المرض. تقدم العديد من المختبرات الآن خدمات لتسلسل الجينوم بأكمله وتحليله وتفسيره.

في عام 2010 ، تم استخدام تسلسل الجينوم الكامل لإنقاذ صبي صغير كانت أمعائه تعاني من عدة خراجات غامضة. خضع الطفل لعدة عمليات في القولون دون راحة. أخيرًا ، كشف تسلسل الجينوم الكامل عن وجود خلل في المسار الذي يتحكم في موت الخلايا المبرمج (موت الخلية المبرمج). تم استخدام زرع نخاع العظم للتغلب على هذا الاضطراب الوراثي ، مما أدى إلى علاج للصبي. كان أول شخص يتم تشخيصه بنجاح باستخدام تسلسل الجينوم الكامل.

كانت الجينومات الأولى التي تم تسلسلها ، مثل تلك التي تنتمي إلى الفيروسات والبكتيريا والخميرة ، أصغر من حيث عدد النيوكليوتيدات من جينومات الكائنات متعددة الخلايا. جينومات الكائنات الحية النموذجية الأخرى ، مثل الفأر (موس العضلات) ذبابة الفاكهة (ذبابة الفاكهة سوداء البطن) والديدان الخيطية (أنواع معينة انيقة) معروفة الآن. يتم إجراء قدر كبير من الأبحاث الأساسية في الكائنات الحية النموذجية لأنه يمكن تطبيق المعلومات على كائنات أخرى. الكائن النموذجي هو نوع تمت دراسته كنموذج لفهم العمليات البيولوجية في الأنواع الأخرى التي يمكن أن يمثلها الكائن الحي النموذجي. على سبيل المثال ، ذبابة الفاكهة قادرة على استقلاب الكحول مثل البشر ، لذلك تمت دراسة الجينات التي تؤثر على الحساسية للكحول في ذباب الفاكهة في محاولة لفهم التباين في الحساسية للكحول لدى البشر. يساعد وجود تسلسل جينوم كامل في جهود البحث في هذه الكائنات الحية النموذجية (الشكل 10.12).

نُشر أول تسلسل للجينوم البشري في عام 2003. ويزداد عدد الجينومات الكاملة التي تم تسلسلها بشكل مطرد ، وهي تشمل الآن مئات الأنواع وآلافًا من الجينوم البشري الفردي.

تطبيق علم الجينوم

أدى إدخال تسلسل الحمض النووي ومشاريع تسلسل الجينوم الكامل ، ولا سيما مشروع الجينوم البشري ، إلى توسيع نطاق تطبيق معلومات تسلسل الحمض النووي. يتم الآن استخدام علم الجينوم في مجموعة متنوعة من المجالات ، مثل علم الجينوميات ، وعلم الجينوم الصيدلاني ، وجينوميات الميتوكوندريا. إن أكثر تطبيقات علم الجينوم شيوعًا هو فهم الأمراض وإيجاد علاجات لها.

توقع مخاطر المرض على المستوى الفردي

يتضمن التنبؤ بمخاطر المرض فحص وتحديد الأفراد الأصحاء حاليًا من خلال تحليل الجينوم على المستوى الفردي. يمكن التوصية بالتدخل في تغييرات نمط الحياة والأدوية قبل ظهور المرض. ومع ذلك ، فإن هذا النهج هو الأكثر قابلية للتطبيق عندما تنشأ المشكلة من طفرة جينية واحدة. تمثل هذه العيوب حوالي 5 في المائة فقط من الأمراض الموجودة في البلدان المتقدمة. معظم الأمراض الشائعة ، مثل أمراض القلب ، متعددة العوامل أو متعددة الجينات ، مما يشير إلى خاصية نمطية تحددها جينات أو أكثر ، وكذلك عوامل بيئية مثل النظام الغذائي. في أبريل 2010 ، نشر العلماء في جامعة ستانفورد تحليل الجينوم لفرد سليم (ستيفن كويك ، عالم في جامعة ستانفورد ، الذي حصل على تسلسل الجينوم الخاص به) وتنبأ التحليل بميله إلى الإصابة بأمراض مختلفة. تم إجراء تقييم للمخاطر لتحليل النسبة المئوية لمخاطر Quake لـ 55 حالة طبية مختلفة. تم العثور على طفرة جينية نادرة أظهرت أنه معرض لخطر الإصابة بنوبة قلبية مفاجئة. وتوقع أيضا أن يكون لديه 23 في المائة من مخاطر الإصابة بسرطان البروستاتا و 1.4 في المائة للإصابة بمرض الزهايمر. استخدم العلماء قواعد البيانات والعديد من المنشورات لتحليل البيانات الجينومية. على الرغم من أن التسلسل الجيني أصبح ميسور التكلفة بشكل أكبر وأصبحت الأدوات التحليلية أكثر موثوقية ، إلا أن القضايا الأخلاقية المحيطة بالتحليل الجينومي على مستوى السكان لا تزال بحاجة إلى المعالجة. على سبيل المثال ، هل يمكن استخدام هذه البيانات بشكل شرعي لتحصيل رسوم أكثر أو أقل للتأمين أو للتأثير على التصنيفات الائتمانية؟

دراسات الارتباط على مستوى الجينوم

منذ عام 2005 ، أصبح من الممكن إجراء نوع من الدراسة يسمى دراسة الارتباط على مستوى الجينوم ، أو GWAS. GWAS هي طريقة تحدد الاختلافات بين الأفراد في تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs) التي قد تكون متورطة في التسبب في الأمراض. هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص للأمراض التي قد تتأثر بتغير جيني واحد أو أكثر في جميع أنحاء الجينوم. من الصعب للغاية تحديد الجينات المرتبطة بمثل هذا المرض باستخدام معلومات تاريخ العائلة. تعتمد طريقة GWAS على قاعدة بيانات جينية قيد التطوير منذ عام 2002 تسمى مشروع HapMap الدولي. قام مشروع HapMap بتسلسل جينومات عدة مئات من الأفراد من جميع أنحاء العالم وحدد مجموعات من النيوكلوتايد. تتضمن المجموعات SNPs الموجودة بالقرب من بعضها البعض على الكروموسومات بحيث تميل إلى البقاء معًا من خلال إعادة التركيب. حقيقة أن المجموعة تبقى معًا تعني أن تحديد SNP علامة واحدة هو كل ما هو مطلوب لتحديد جميع SNPs في المجموعة. تم تحديد عدة ملايين من تعدد الأشكال ، ولكن تحديدها في الأفراد الآخرين الذين لم يتم تسلسل الجينوم الكامل لديهم أسهل بكثير لأنه لا يلزم تحديد سوى علامة SNPs.

في تصميم شائع لـ GWAS ، يتم اختيار مجموعتين من الأفراد مجموعة واحدة مصابة بالمرض ، والمجموعة الأخرى لا. يتم مطابقة الأفراد في كل مجموعة في خصائص أخرى لتقليل تأثير المتغيرات المربكة التي تسبب اختلافات بين المجموعتين. على سبيل المثال ، قد تختلف الأنماط الجينية لأن المجموعتين مأخوذة في الغالب من أجزاء مختلفة من العالم. بمجرد اختيار الأفراد ، وعادة ما تكون أعدادهم ألفًا أو أكثر حتى تنجح الدراسة ، يتم الحصول على عينات من الحمض النووي الخاص بهم. يتم تحليل الحمض النووي باستخدام أنظمة مؤتمتة لتحديد الفروق الكبيرة في نسبة تعدد الأشكال الخاصة بين المجموعتين. غالبًا ما تفحص الدراسة مليون أو أكثر من النيوكلوتايد في الحمض النووي. يمكن استخدام نتائج GWAS بطريقتين: يمكن استخدام الاختلافات الجينية كعلامات للتعرض للمرض لدى الأفراد غير المشخصين ، ويمكن أن تكون الجينات المحددة المحددة أهدافًا للبحث في المسار الجزيئي للمرض والعلاجات المحتملة. كان أحد فروع اكتشاف ارتباطات الجينات بالأمراض هو تكوين الشركات التي توفر ما يسمى بـ "الجينوميات الشخصية" التي ستحدد مستويات المخاطر للأمراض المختلفة بناءً على مكمل النيوكليوتيد SNP للفرد. العلم وراء هذه الخدمات مثير للجدل.

نظرًا لأن GWAS تبحث عن الارتباطات بين الجينات والأمراض ، فإن هذه الدراسات توفر بيانات لأبحاث أخرى في الأسباب ، بدلاً من الإجابة على أسئلة محددة بأنفسهم. لا يعني الارتباط بين الاختلاف الجيني والمرض بالضرورة وجود علاقة السبب والنتيجة. ومع ذلك ، قدمت بعض الدراسات معلومات مفيدة حول الأسباب الجينية للأمراض. على سبيل المثال ، حددت ثلاث دراسات مختلفة في عام 2005 جينًا لبروتين يشارك في تنظيم الالتهاب في الجسم المرتبط بالعمى المسبب لمرض يسمى التنكس البقعي المرتبط بالعمر. فتح هذا إمكانيات جديدة للبحث في سبب هذا المرض. تم تحديد عدد كبير من الجينات المرتبطة بمرض كرون باستخدام GWAS ، وقد اقترح بعضها آليات افتراضية جديدة لسبب المرض.

علم الجينات الصيدلية

يتضمن علم الصيدلة الجينومي تقييم فعالية الأدوية وسلامتها على أساس المعلومات من التسلسل الجيني للفرد. يمكن استخدام معلومات تسلسل الجينوم الشخصي لوصف الأدوية الأكثر فعالية والأقل سمية على أساس التركيب الجيني للمريض الفردي. يمكن أن توفر دراسة التغييرات في التعبير الجيني معلومات حول ملف النسخ الجيني في وجود الدواء ، والتي يمكن استخدامها كمؤشر مبكر على احتمالية التأثيرات السامة. على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي الجينات المشاركة في النمو الخلوي وموت الخلايا المتحكم فيه ، عند الاضطراب ، إلى نمو الخلايا السرطانية. يمكن أن تساعد الدراسات على مستوى الجينوم أيضًا في العثور على جينات جديدة متورطة في سمية الأدوية. قد لا تكون التواقيع الجينية دقيقة تمامًا ، ولكن يمكن اختبارها بشكل أكبر قبل ظهور الأعراض المرضية.

Metagenomics

تقليديا ، تم تدريس علم الأحياء الدقيقة مع الرأي القائل بأن الكائنات الحية الدقيقة من الأفضل دراستها في ظل ظروف الاستزراع البحت ، والتي تتضمن عزل نوع واحد من الخلايا وزراعته في المختبر. نظرًا لأن الكائنات الحية الدقيقة يمكن أن تمر عبر عدة أجيال في غضون ساعات ، فإن ملفات تعريف التعبير الجيني الخاصة بها تتكيف مع بيئة المختبر الجديدة بسرعة كبيرة. من ناحية أخرى ، تقاوم العديد من الأنواع الاستزراع بمعزل عن غيرها. لا تعيش معظم الكائنات الحية الدقيقة ككيانات منعزلة ، بل تعيش في مجتمعات ميكروبية تُعرف باسم الأغشية الحيوية. لكل هذه الأسباب ، فإن الثقافة النقية ليست دائمًا أفضل طريقة لدراسة الكائنات الحية الدقيقة. Metagenomics هي دراسة الجينومات الجماعية لأنواع متعددة تنمو وتتفاعل في مكانة بيئية. يمكن استخدام علم الميتاجينوميات لتحديد الأنواع الجديدة بسرعة أكبر ولتحليل تأثير الملوثات على البيئة (الشكل 10.13). يمكن الآن أيضًا تطبيق تقنيات الميتاجينوميات على مجتمعات حقيقيات النوى الأعلى ، مثل الأسماك.

إنشاء وقود حيوي جديد

يتم استخدام معرفة جينوم الكائنات الحية الدقيقة لإيجاد طرق أفضل لتسخير الوقود الحيوي من الطحالب والبكتيريا الزرقاء. المصادر الرئيسية للوقود اليوم هي الفحم والنفط والخشب والمنتجات النباتية الأخرى مثل الإيثانول. على الرغم من أن النباتات هي موارد متجددة ، لا تزال هناك حاجة لإيجاد المزيد من مصادر الطاقة المتجددة البديلة لتلبية متطلبات الطاقة لسكاننا. يعد عالم الميكروبات أحد أكبر الموارد للجينات التي تشفر إنزيمات جديدة وتنتج مركبات عضوية جديدة ، ولا تزال غير مستغلة إلى حد كبير. يمتلك هذا المورد الجيني الواسع القدرة على توفير مصادر جديدة للوقود الحيوي (الشكل 10.14).

جينوم الميتوكوندريا

الميتوكوندريا هي عضيات داخل الخلايا تحتوي على الحمض النووي الخاص بها. يتطور الحمض النووي للميتوكوندريا بمعدل سريع وغالبًا ما يستخدم لدراسة العلاقات التطورية. ميزة أخرى تجعل دراسة جينوم الميتوكوندريا مثيرة للاهتمام وهي أنه في معظم الكائنات متعددة الخلايا ، يتم تمرير الحمض النووي للميتوكوندريا من الأم أثناء عملية الإخصاب. لهذا السبب ، غالبًا ما يستخدم علم جينوم الميتوكوندريا لتتبع علم الأنساب.

علم الجينوم في تحليل الطب الشرعي

تم استخدام المعلومات والأدلة التي تم الحصول عليها من عينات الحمض النووي التي تم العثور عليها في مسرح الجريمة كدليل في قضايا المحكمة ، واستخدمت العلامات الجينية في تحليل الطب الشرعي. أصبح التحليل الجينومي مفيدًا أيضًا في هذا المجال. في عام 2001 ، نُشر أول استخدام لعلم الجينوم في الطب الشرعي. لقد كان جهدًا تعاونيًا بين مؤسسات البحث الأكاديمي ومكتب التحقيقات الفيدرالي لحل الحالات الغامضة للجمرة الخبيثة (الشكل 10.15) التي تم نقلها بواسطة خدمة البريد الأمريكية. تم تحويل بكتيريا الجمرة الخبيثة إلى مسحوق معدي وإرسالها بالبريد إلى وسائل الإعلام واثنين من أعضاء مجلس الشيوخ الأمريكي. أصاب المسحوق الموظفين الإداريين وعمال البريد الذين فتحوا الرسائل أو تعاملوا معها. توفي خمسة أشخاص ، وأصيب 17 آخرون من البكتيريا. باستخدام علم الجينوم الميكروبي ، قرر الباحثون أنه تم استخدام سلالة معينة من الجمرة الخبيثة في جميع الرسائل البريدية في النهاية ، وتم تتبع المصدر لعالم في مختبر الدفاع البيولوجي الوطني في ولاية ماريلاند.

علم الجينوم في الزراعة

يمكن لعلم الجينوم أن يقلل من التجارب والإخفاقات التي ينطوي عليها البحث العلمي إلى حد معين ، مما قد يؤدي إلى تحسين جودة وكمية غلات المحاصيل في الزراعة (الشكل 10.16). يساعد ربط السمات بالجينات أو التوقيعات الجينية على تحسين تربية المحاصيل لتوليد أنواع هجينة تتمتع بأكثر الصفات المرغوبة. يستخدم العلماء البيانات الجينية لتحديد السمات المرغوبة ، ثم ينقلون تلك السمات إلى كائن حي مختلف لإنشاء كائن حي جديد معدل وراثيًا ، كما هو موضح في الوحدة السابقة. يكتشف العلماء كيف يمكن لعلم الجينوم أن يحسن نوعية وكمية الإنتاج الزراعي. على سبيل المثال ، يمكن للعلماء استخدام السمات المرغوبة لإنشاء منتج مفيد أو تحسين منتج موجود ، مثل جعل محصول حساس للجفاف أكثر تحملاً لموسم الجفاف.

البروتيوميات

البروتينات هي المنتجات النهائية للجينات التي تؤدي الوظيفة المشفرة بواسطة الجين. تتكون البروتينات من الأحماض الأمينية وتلعب أدوارًا مهمة في الخلية. جميع الإنزيمات (باستثناء الريبوزيمات) هي بروتينات وتعمل كمحفزات تؤثر على معدل التفاعلات. البروتينات هي أيضًا جزيئات تنظيمية ، وبعضها هرمونات. تساعد بروتينات النقل ، مثل الهيموجلوبين ، في نقل الأكسجين إلى أعضاء مختلفة. الأجسام المضادة التي تدافع ضد الجسيمات الغريبة هي أيضًا بروتينات. في حالة المرض ، يمكن أن تتأثر وظيفة البروتين بسبب التغيرات على المستوى الجيني أو بسبب التأثير المباشر على بروتين معين.

البروتين هو المجموعة الكاملة من البروتينات التي ينتجها نوع من الخلايا. يمكن دراسة البروتينات باستخدام معرفة الجينوم لأن الجينات ترمز إلى mRNAs ، وترميز mRNAs البروتينات. تسمى دراسة وظيفة البروتينات البروتينات. تكمل البروتيوميات علم الجينوم وتكون مفيدة عندما يريد العلماء اختبار فرضياتهم القائمة على الجينات. على الرغم من أن جميع الخلايا في كائن متعدد الخلايا لها نفس مجموعة الجينات ، فإن مجموعة البروتينات المنتجة في أنسجة مختلفة مختلفة وتعتمد على التعبير الجيني. وبالتالي ، فإن الجينوم ثابت ، لكن البروتين يختلف ويصبح ديناميكيًا داخل الكائن الحي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تقطيع الحمض النووي الريبي بدلاً من ذلك (قص ولصق لإنشاء مجموعات جديدة وبروتينات جديدة) ، ويتم تعديل العديد من البروتينات بعد الترجمة. على الرغم من أن الجينوم يوفر مخططًا ، إلا أن البنية النهائية تعتمد على عدة عوامل يمكن أن تغير تطور الأحداث التي تولد البروتين.

تجري دراسة الجينومات والبروتينات للمرضى الذين يعانون من أمراض معينة لفهم الأساس الجيني للمرض. يعتبر السرطان من أبرز الأمراض التي تتم دراستها باستخدام الأساليب البروتينية (الشكل 10.17). يتم استخدام الأساليب البروتينية لتحسين الفحص والكشف المبكر عن السرطان ، ويتحقق ذلك من خلال تحديد البروتينات التي يتأثر تعبيرها بعملية المرض. يُطلق على البروتين الفردي اسم المرمز الحيوي ، بينما تسمى مجموعة البروتينات ذات مستويات التعبير المتغيرة توقيع البروتين. لكي يكون المرقم الحيوي أو توقيع البروتين مفيدًا كمرشح للفحص المبكر واكتشاف السرطان ، يجب إفرازه في سوائل الجسم مثل العرق أو الدم أو البول ، بحيث يمكن إجراء فحوصات واسعة النطاق بطريقة غير باضعة . المشكلة الحالية في استخدام المؤشرات الحيوية للكشف المبكر عن السرطان هي ارتفاع معدل النتائج السلبية الكاذبة. النتيجة السلبية الخاطئة هي نتيجة اختبار سلبية يجب أن تكون إيجابية. بعبارة أخرى ، لا يتم اكتشاف العديد من حالات السرطان ، مما يجعل المؤشرات الحيوية غير موثوقة. بعض الأمثلة على المؤشرات الحيوية للبروتين المستخدمة في الكشف عن السرطان هي CA-125 لسرطان المبيض و PSA لسرطان البروستاتا. قد تكون بصمات البروتين أكثر موثوقية من المؤشرات الحيوية لاكتشاف الخلايا السرطانية. تُستخدم البروتيوميات أيضًا لتطوير خطط علاج فردية ، والتي تتضمن التنبؤ بما إذا كان الفرد سيستجيب لعقاقير معينة أم لا والآثار الجانبية التي قد يعاني منها الفرد. تُستخدم البروتيوميات أيضًا للتنبؤ بإمكانية تكرار المرض.

طور المعهد الوطني للسرطان برامج لتحسين اكتشاف وعلاج السرطان. تعد تقنيات البروتينات السريرية للسرطان وشبكة أبحاث الاكتشاف المبكر جهودًا لتحديد بصمات البروتين الخاصة بأنواع مختلفة من السرطانات. تم تصميم برنامج البروتينات الطبية الحيوية لتحديد بصمات البروتين وتصميم علاجات فعالة لمرضى السرطان.


شاهد الفيديو: الخلية للصف العاشر (كانون الثاني 2022).