معلومة

هل يمكن أن يمتد الجين نفسه من كروموسوم إلى كروموسوم منفصل آخر؟


هل يمكن للجين أن يستمر في الانتقال من كروموسوم إلى كروموسوم منفصل آخر؟ على سبيل المثال ، هل يمكن أن يكون جزء من جين لون العين على كروموسوم واحد والباقي على الكروموسوم التالي؟


عادة لا (كما هو موضح في الإجابة الأخرى ، لا تعتبر الأجزاء غير المتجاورة من الحمض النووي جزءًا من جين واحد). ومع ذلك ، هناك بعض حالات التضفير العابر التي يمكن أن يربط فيها الجسيم لصق الرنا معًا RNAs الناشئة عن مواقع جينومية مختلفة. لكن هذه نادرة وليس لها تأثير مباشر على أنماط ظاهرية مميزة مثل لون العين ، لتصنيفها على أنها جينات. لم يحدث تقدم كبير في هذا الجانب من الترانسكريبتوميكس ، في الواقع.


لا ، الجين محصور في كروموسوم واحد. يتميز الجين بتسلسل البداية في الحمض النووي (من بين أشياء أخرى كثيرة) ، مما يشير إلى أنه يجب قراءة النيوكليوتيدات ونسخها إلى الحمض النووي الريبي. هذا الامتداد من الحمض النووي في الجين متجاور ، على الرغم من أنه قد يتم تخطي بعض الأجزاء في النسخ. نظرًا لأن الكروموسومات المختلفة متميزة ماديًا ، فإن الآلية الخلوية تتطلب تسلسلين بداية ، مما يعني حقًا وجود جينين منفصلين فقط. بدلاً من العثور على جين لون عين واحد على كروموسومات متعددة ، يمكنك بدلاً من ذلك العثور على جينات متعددة للون العين على كروموسومات متعددة.


عادة ما يتم تعريف الجين على أنه قطعة من الحمض النووي تنتج منتجًا معينًا ، سواء كان جزيء RNA أو جزيء متعدد الببتيد. في كلتا الحالتين يتم إنتاج الحمض النووي الريبي كمنتج وسيط أو نهائي. إن طبيعة إنتاج الحمض النووي الريبي من الحمض النووي (المعروف أيضًا باسم النسخ) تتطلب دنا مزدوج الشريطة كركيزة ، وهي بوليمر مستمر من النيوكليوتيدات.

لذلك ، يمكن استخدام أجزاء فقط من الكروموسومات (وهي عبارة عن بوليمرات خطية طويلة حقًا) كركيزة أو قالب لإنتاج الحمض النووي الريبي.

ومع ذلك ، يمكن أن تكون العناصر التنظيمية ، وهي مهمة للغاية ، في أي مكان ، طالما أنها قادرة على العمل. نظرًا لأن هذه العناصر هي مجرد تسلسلات خاصة من الحمض النووي تتفاعل مع عوامل النسخ وعناصر أخرى من آلية DNA-> RNA ، فيمكن أن تكون على كروموسوم مختلف عن الجين محل الاهتمام.


هل يمكن أن يمتد نفس الجين من كروموسوم إلى كروموسوم منفصل آخر؟ - مادة الاحياء

يمكن أن تصبح الجينات المرتبطة غير مرتبطة أثناء إعادة التركيب ، ويعتمد احتمال انفصال الجينات على بعدها عن بعضها البعض.

أهداف التعلم

ناقش كيف يمكن وراثة الجينات المرتبطة بشكل منفصل

الماخذ الرئيسية

النقاط الرئيسية

  • لا يتم دائمًا وراثة الأليلات الموضوعة على نفس الكروموسوم معًا لأنه خلال الانقسام الاختزالي يمكن أن تصبح الجينات المرتبطة غير مرتبطة.
  • اقترح فرانس يانسن أن الكروموسومات تصبح غير مرتبطة أثناء إعادة التركيب المتماثل ، وهي عملية تتبادل فيها الكروموسومات المتجانسة أجزاء من الحمض النووي.
  • افترض ألفريد ستورتيفانت أن الأليلات التي كانت أقرب إلى بعضها على الجين كانت أكثر عرضة للتوارث معًا بدلاً من الأليلات التي كانت بعيدة عن بعضها البعض واستخدمت قياسات إعادة التركيب بين الجينات لإنشاء أول خريطة جينية.
  • عندما ترتبط الجينات تمامًا ، يكون لها تكرار إعادة تركيب يبلغ 0.
  • عندما يتم فك ارتباط الجينات ، يكون معدل إعادة تركيبها 0.5 ، مما يعني أن 50 في المائة من النسل هم من المؤتلفون ، و 50 في المائة من الأبوين.

الشروط الاساسية

  • إعادة التركيب المتماثل: نوع من إعادة التركيب الجيني يتم فيه تبادل تسلسلات النيوكليوتيدات بين جزيئين متشابهين أو متطابقين من الحمض النووي
  • الربط: خاصية الجينات الموروثة معا
  • المشبك: ارتباط الكروموسومات الأمومية والأبوية المتجانسة خلال الجزء الأول من الانقسام الاختزالي

الترابط الجيني والمسافات

اقترح عمل Mendel & # 8217s أن السمات موروثة بشكل مستقل عن بعضها البعض. حدد مورغان نسبة 1: 1 بين سمة الفصل والكروموسوم X ، مما يشير إلى أن الفصل العشوائي للكروموسومات كان الأساس المادي لنموذج Mendel & # 8217s. أظهر هذا أيضًا أن الجينات المرتبطة تعطل النتائج المتوقعة لمندل. تشرح حقيقة أن كل كروموسوم يمكن أن يحمل العديد من الجينات المرتبطة كيف يمكن للأفراد امتلاك العديد من السمات أكثر من الكروموسومات لديهم. ومع ذلك ، فإن ملاحظات الباحثين في مختبر Morgan & # 8217 تشير إلى أن الأليلات الموضوعة على نفس الكروموسوم لم يتم توريثها دائمًا معًا. أثناء الانقسام الاختزالي ، أصبحت الجينات المرتبطة بطريقة ما غير مرتبطة.

إعادة التركيب المتماثل

في عام 1909 ، لاحظ Frans Janssen chiasmata (النقطة التي تكون فيها الكروماتيدات على اتصال ببعضها البعض وقد تتبادل المقاطع) قبل التقسيم الأول للانقسام الاختزالي. اقترح أن تصبح الأليلات غير مرتبطة عندما تتبادل الكروموسومات فيزيائيًا القطع. نظرًا لتكثيف الكروموسومات وإقرانها مع متماثلاتها ، بدا أنها تتفاعل في نقاط مميزة. اقترح يانسن أن هذه النقاط تتوافق مع المناطق التي تم فيها تبادل مقاطع الكروموسوم. من المعروف الآن أن الاقتران والتفاعل بين الكروموسومات المتجانسة ، والمعروف باسم المشبك ، يقوم بأكثر من مجرد تنظيم المتماثلات للهجرة إلى خلايا ابنة منفصلة. عند التشابك ، تخضع الكروموسومات المتجانسة لتبادل فيزيائي متبادل للحمض النووي في أذرعها في عملية تسمى إعادة التركيب المتماثل ، أو بشكل أكثر بساطة ، & # 8221 التقاطع. & # 8221

الخرائط الجينية

في عام 1913 ، أنشأ ألفريد ستورتيفانت ، وهو طالب في مختبر مورغان & # 8217 ، أول & # 8220 خريطة كروموسوم ، & # 8221 تمثيلًا خطيًا لترتيب الجينات والمسافة النسبية على الكروموسوم. لإنشاء خريطة كروموسوم ، افترض Sturtevant أن الجينات تم ترتيبها بشكل متسلسل على الكروموسومات الخيطية. كما افترض أيضًا أن حدوث إعادة التركيب بين اثنين من الكروموسومات المتجانسة يمكن أن يحدث باحتمالية متساوية في أي مكان على طول الكروموسوم. من خلال العمل في ظل هذه الافتراضات ، كانت الأليلات المفترضة Sturtevant التي كانت متباعدة على الكروموسوم أكثر احتمالًا للانفصال أثناء الانقسام الاختزالي لمجرد وجود منطقة أكبر يمكن أن يحدث فيها إعادة التركيب. على العكس من ذلك ، من المحتمل أن تكون الأليلات التي كانت قريبة من بعضها البعض على الكروموسوم موروثة معًا. متوسط ​​عدد عمليات الانتقال بين أليلين ، أو تواتر إعادة تركيبهما ، مرتبطًا ببعدهما الوراثي عن بعضهما البعض ، بالنسبة إلى مواقع الجينات الأخرى على ذلك الكروموسوم. قسم Sturtevant خريطته الجينية إلى وحدات خريطة ، أو centimorgans (cM) ، حيث يقابل تكرار إعادة التركيب 0.01 سم 1.

أنماط الوراثة للجينات غير المرتبطة والمرتبطة: في (أ) ، يوجد جينان على كروموسومات مختلفة لذلك تحدث تشكيلة مستقلة أثناء الانقسام الاختزالي. يتمتع الأبناء بفرصة متساوية لأن يكونوا من النوع الأبوي (يرثون نفس مجموعة السمات مثل الوالدين) أو نوع غير أبوي (يرثون مجموعة مختلفة من السمات عن الوالدين). في (ب) ، يوجد جينان قريبان جدًا من بعضهما على نفس الكروموسوم بحيث لا يحدث عبور بينهما. لذلك ، دائمًا ما يتم توريث الجينات معًا وكل الأبناء هم من النوع الأبوي. في (ج) ، يوجد جينان متباعدان على الكروموسوم بحيث يحدث العبور خلال كل حدث انتصافي. سيكون تكرار إعادة التركيب هو نفسه كما لو كانت الجينات على كروموسومات منفصلة. (د) كان تكرار إعادة التركيب الفعلي لطول جناح ذبابة الفاكهة ولون الجسم الذي لاحظه توماس مورغان في عام 1912 هو 17 بالمائة. يشير تكرار التبادل بين 0 في المائة و 50 في المائة إلى أن الجينات موجودة على نفس الكروموسوم ويحدث التقاطع في بعض الأحيان.

الخرائط الجينية: هذه الخريطة الجينية تطلب جينات ذبابة الفاكهة على أساس تكرار إعادة التركيب.

من خلال تمثيل الأليلات في خريطة خطية ، اقترح Sturtevant أن الجينات يمكن أن تتراوح من كونها مرتبطة تمامًا (تكرار إعادة التركيب = 0) إلى كونها غير مرتبطة تمامًا (تردد إعادة التركيب = 0.5) عندما تكون الجينات على كروموسومات مختلفة أو أن الجينات منفصلة جدًا عن بعضها البعض كروموسوم. تتوافق الجينات غير المرتبطة تمامًا مع الترددات التي تنبأ بها مندل للتصنيف بشكل مستقل في تقاطع ثنائي الهجين. يشير تكرار إعادة التركيب البالغ 0.5 إلى أن 50 في المائة من النسل عبارة عن معاد دمج وأن الـ 50 في المائة الأخرى من الأبوين. أي أن كل نوع من مجموعات الأليل يتم تمثيله بتردد متساوٍ. سمح هذا لـ Sturtevant بحساب المسافات بين عدة جينات على نفس الكروموسوم.


جدول المحتويات

تخيل أن أختك أخذت اختبار أطلس للحمض النووي. لا يمكنها الانتظار لإخبارك عن اقتراحاتها الصحية الشخصية وردود فعل العطس الضوئية الغريبة. تشعر بالغيرة قليلاً ، وتصبح فضوليًا بشأن حمضك النووي أيضًا.


ماذا يحدث عند إجراء اختبار أطلس DNA؟

في العام الماضي ، كتبت صحيفة ناشيونال جيوغرافيك عن توأم ولدوا بلون بشرة مختلف. أحد الأطفال يرث جينات الأم والآخر الأب. ومع ذلك ، فإن وضعهم ليس فريدًا ، ولا يتعلق الأمر بمدى دقة اختبار الحمض النووي للأشقاء.

هؤلاء الأخوات لهما نفس العيون ، لكن ملامح العين مختلفة

يصبغ الجلد والعين ولون الشعر من السمات التي يحددها الحمض النووي الخاص بك. وقد أظهر ذلك هاتان الفتاتان اللتان أظهرتا أن الحمض النووي التوأم يمكن أن يكون مختلفًا تمامًا. لهذا السبب ، حتى مع نفس الوالدين ، فأنت تشارك فقط بعض جيناتك مع أقربائك - حوالي 50٪ (ولكن هذا شيء سنتعمق فيه أكثر).

ذلك لأن جسم الإنسان لديه العديد من الآليات البيولوجية التي يمكن أن تخلق عددًا لا نهائيًا تقريبًا من التوليفات الجينية. وهذا ما يعطي الإخوة والأخوات حمض نووي مختلف.


هل يمكن أن يكون لشخصين نفس الحمض النووي؟

احتمالية الحصول على توأم سري للحمض النووي منخفضة جدًا.

طلب: Griffin Windheuser ، عن طريق البريد الإلكتروني

يتم ترتيب الحمض النووي الخاص بك في الكروموسومات ، والتي يتم تجميعها في 23 زوجًا. عندما يتم تصنيع خلية منوية ، يتم تقسيم جينوم الأب إلى قسمين ، بحيث يتلقى كل حيوان منوي كروموسوم واحد من كل زوج من 23 زوجًا ، ويحدث نفس الشيء مع خلايا البويضة في الأم. عندما تتحد البويضة والحيوانات المنوية لتكوين جنين ، فإن الجينوم الناتج يحتوي على نصف كروموسومات الأم ونصف كروموسومات الأب ، ويتم اختيارها عشوائيًا بشكل أساسي.

من الناحية النظرية ، يمكن إنشاء أشقاء من نفس الجنس بنفس اختيار الكروموسومات ، لكن احتمالات حدوث ذلك ستكون واحدة من كل 246 أو حوالي 70 تريليون. في الواقع ، إنه أقل احتمالًا من ذلك. قبل أن تنفصل أزواج الكروموسومات تمامًا ، فإنها غالبًا ما تتبادل الجينات الفردية من كروموسوم إلى آخر في الزوج. هذا يعني أنه حتى لو تم تصنيع الحيوانات المنوية المتتالية بنفس اختيار الكروموسوم تمامًا ، فلن تحتوي على نفس الجينات.

بالطبع ، الكثير من أزواج الجينات في الجينوم الخاص بك هي نفسها في الواقع ، لذلك لا يهم النسخة التي استخدمتها ، لكن احتمالات بناء جينوم مكرر دقيق بالصدفة لا تزال صغيرة للغاية. وحتى التوائم المتماثلة ليس بالضرورة أن يكونا متطابقين في الحمض النووي. يمكن للأشعة الكونية والمواد الكيميائية الشاردة في نظامنا الغذائي ، مثل الكافيين والنيكوتين ، أن تسبب طفرات نقطية في الجينات العشوائية ، هنا وهناك.

الإشتراك إلى مجلة BBC Focus للحصول على أسئلة وأجوبة جديدة رائعة كل شهر ومتابعةsciencefocusQA على Twitter للحصول على جرعتك اليومية من الحقائق العلمية الممتعة.


64 أساس الكروموسومات للاضطرابات الوراثية

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • صف كيف يتم إنشاء مخطط karyogram
  • اشرح كيف يؤدي عدم الانفصال إلى اضطرابات في عدد الكروموسومات
  • قارن الاضطرابات التي يسببها اختلال الصيغة الصبغية
  • صف كيف تحدث الأخطاء في بنية الكروموسوم من خلال الانقلابات والانتقالات

يمكن أن تنشأ الاضطرابات الموروثة عندما تتصرف الكروموسومات بشكل غير طبيعي أثناء الانقسام الاختزالي. يمكننا تقسيم اضطرابات الكروموسومات إلى فئتين: التشوهات في عدد الكروموسومات وإعادة الترتيب البنيوي للكروموسومات. نظرًا لأنه حتى الأجزاء الصغيرة من الكروموسومات يمكن أن تمتد عبر العديد من الجينات ، فإن الاضطرابات الصبغية تكون دراماتيكية مميزة وغالبًا ما تكون قاتلة.

تحديد الكروموسوم

تشكل عزل الكروموسوم والمراقبة المجهرية أساس علم الوراثة الخلوية وهي الطريقة الأساسية التي يكتشف بها الأطباء تشوهات الكروموسومات في البشر. النمط النووي هو عدد الكروموسومات ومظهرها ، ويتضمن طولها ونمط النطاقات وموضع السنترومير. للحصول على عرض للنمط النووي للفرد ، يقوم علماء الخلايا بتصوير الكروموسومات ثم قص كل كروموسوم ولصقه في مخطط أو مخطط karyogram. اسم آخر هو إيديوغرام ((الشكل)).


في نوع معين ، يمكننا تحديد الكروموسومات من خلال عددها وحجمها وموضع السنترومير ونمط النطاقات. في النمط النووي البشري ، يتم تنظيم الجسيمات الذاتية أو "كروموسومات الجسم" (جميع الكروموسومات غير الجنسية) بشكل عام بترتيب تقريبي من الحجم من الأكبر (كروموسوم 1) إلى الأصغر (كروموسوم 22). الكروموسومات X و Y ليستا جسمية. ومع ذلك ، فإن الكروموسوم 21 هو في الواقع أقصر من الكروموسوم 22. اكتشف الباحثون هذا بعد تسمية متلازمة داون على أنها تثلث الصبغي 21 ، مما يعكس كيف ينتج هذا المرض عن امتلاك كروموسوم 21 إضافي (ثلاثة في المجموع). لعدم الرغبة في تغيير اسم هذا المرض المهم ، احتفظ العلماء بترقيم الكروموسوم 21 على الرغم من وصفه بأنه يحتوي على أقصر مجموعة من الكروموسومات. قد نقوم بتعيين "أذرع" الكروموسوم المنبثقة من أي من طرفي السنترومير على أنها قصيرة أو طويلة ، اعتمادًا على أطوالها النسبية. نحن نختصر الذراع القصيرة ص (لـ "صغير") في حين أننا نختصر الذراع الطويلة ف (لأنه يتبع "p" أبجديًا). تنقسم الأرقام إلى أجزاء أخرى وتشير إلى كل ذراع. باستخدام نظام التسمية هذا ، يمكننا وصف مواقع الكروموسوم باستمرار في الأدبيات العلمية.

يستخدم علماء الوراثة Karyograms لتحديد الانحرافات الصبغية على الرغم من أننا نشير إلى مندل على أنه "أب علم الوراثة الحديث" ، فقد أجرى تجاربه بدون أي من الأدوات التي يستخدمها علماء الوراثة اليوم بشكل روتيني. إحدى هذه التقنيات الخلوية القوية هي التنميط النووي ، وهي طريقة يمكن لعلماء الوراثة من خلالها تحديد السمات التي تتميز بها تشوهات الكروموسومات من خلية واحدة. لمراقبة النمط النووي للفرد ، يقوم عالم الوراثة أولاً بجمع خلايا الشخص (مثل خلايا الدم البيضاء) من عينة الدم أو الأنسجة الأخرى. في المختبر ، يقوم هو أو هي بتحفيز الخلايا المعزولة لبدء الانقسام النشط. ثم يقوم عالم الوراثة بتطبيق مادة الكولشيسين الكيميائية على الخلايا لتوقيف الكروموسومات المكثفة في الطور الطوري. ثم يقوم عالم الوراثة بإحداث تورم في الخلايا باستخدام محلول منخفض التوتر بحيث تتباعد الكروموسومات عن بعضها. أخيرًا ، يحفظ عالم الوراثة العينة في مثبت ويطبقها على شريحة.

يقوم عالم الوراثة بعد ذلك بتلطيخ الكروموسومات بأحد الأصباغ المتعددة لتصور أفضل لكل زوج كروموسوم وأنماط نطاقات مميزة وقابلة للتكاثر بشكل أفضل. بعد التلوين ، يرى عالم الوراثة الكروموسومات باستخدام مجهر المجال الساطع. اختيار البقعة الشائع هو بقعة جيمسا. ينتج عن تلطيخ Giemsa ما يقرب من 400-800 نطاق (من الحمض النووي الملفوف بإحكام والبروتينات المكثفة) مرتبة على طول جميع أزواج الكروموسوم الـ 23. يمكن لعالم الوراثة المتمرس تحديد كل فرقة. بالإضافة إلى أنماط النطاقات ، يحدد علماء الوراثة الكروموسومات أيضًا على أساس الحجم وموقع السنترومير. للحصول على التصوير الكلاسيكي للنمط النووي حيث تتم محاذاة أزواج الكروموسومات المتجانسة بالترتيب العددي من الأطول إلى الأقصر ، يحصل عالم الوراثة على صورة رقمية ، ويحدد كل كروموسوم ، ويرتب الكروموسومات يدويًا في هذا النمط ((الشكل)).

في أبسط صوره ، قد يكشف مخطط karyogram عن تشوهات وراثية يكون فيها الفرد لديه عدد كبير جدًا أو قليل جدًا من الكروموسومات لكل خلية. ومن الأمثلة على ذلك متلازمة داون ، والتي يتم تحديدها من خلال نسخة ثالثة من الكروموسوم 21 ، ومتلازمة تيرنر ، التي تحتوي على كروموسوم X واحد فقط في النساء بدلاً من السمتين الطبيعيتين. يمكن لعلماء الوراثة أيضًا تحديد عمليات حذف أو إدخال الحمض النووي الكبيرة. على سبيل المثال ، يمكن لعلماء الوراثة تحديد متلازمة جاكوبسن - التي تتضمن سمات وجه مميزة بالإضافة إلى عيوب القلب والنزيف - عن طريق حذف الكروموسوم 11. وأخيرًا ، يمكن للنمط النووي تحديد عمليات الانتقال التي تحدث عندما تنفصل قطعة من المادة الوراثية من كروموسوم واحد. يعيد توصيله بصبغي آخر أو بجزء مختلف من نفس الكروموسوم. تتورط الانتقالات في بعض أنواع السرطان ، بما في ذلك ابيضاض الدم النقوي المزمن.

خلال حياة مندل ، كان الميراث مفهومًا مجردًا لا يمكن للمرء أن يستنتج إلا من خلال أداء تقاطعات ومراقبة السمات التي يعبر عنها النسل. من خلال مراقبة مخطط karyogram ، يمكن لعلماء الوراثة اليوم تصور تركيبة كروموسومية فردية لتأكيد أو توقع التشوهات الجينية في النسل ، حتى قبل الولادة.

اضطرابات عدد الكروموسومات

من بين جميع الاضطرابات الصبغية ، فإن تشوهات عدد الكروموسومات هي الأكثر وضوحًا من خلال مخطط karyogram. تشمل اضطرابات عدد الكروموسومات تكرار أو فقدان الكروموسومات بأكملها ، بالإضافة إلى التغييرات في عدد المجموعات الكاملة من الكروموسومات. تحدث بسبب عدم الانفصال ، والذي يحدث عندما تفشل أزواج الكروموسومات المتجانسة أو الكروماتيدات الشقيقة في الانفصال أثناء الانقسام الاختزالي. يمكن أن يتسبب المشبك غير المحاذاة أو غير الكاملة ، أو خلل في جهاز المغزل الذي يسهل انتقال الكروموسوم ، في عدم الانفصال. يزداد خطر حدوث عدم الانفصال مع عمر الوالدين & # 8217.

يمكن أن يحدث عدم الانفصال أثناء الانقسام الاختزالي الأول أو الثاني ، مع نتائج مختلفة ((الشكل)). إذا فشلت الكروموسومات المتجانسة في الانفصال أثناء الانقسام الاختزالي الأول ، فإن النتيجة تكون أمشجين يفتقران إلى ذلك الكروموسوم المحدد واثنين من الأمشاج مع نسختين من الكروموسومات. إذا فشلت الكروماتيدات الشقيقة في الانفصال أثناء الانقسام الاختزالي الثاني ، تكون النتيجة مشيجًا واحدًا يفتقر إلى ذلك الكروموسوم ، واثنين من الأمشاج العادية مع نسخة كروموسوم واحدة ، ومشيج واحد مع نسختين من الكروموسوم.


أي من العبارات التالية حول عدم الانفصال صحيح؟

  1. ينتج عن عدم الارتباط فقط الأمشاج ذات الكروموسومات n + 1 أو n – 1.
  2. ينتج عدم الانفصال الذي يحدث أثناء الانقسام الاختزالي الثاني في 50 بالمائة من الأمشاج الطبيعية.
  3. ينتج عن عدم الانفصال أثناء الانقسام الاختزالي 1 أمشاج طبيعية بنسبة 50 في المائة.
  4. ينتج عدم الانفصال دائمًا أربعة أنواع مختلفة من الأمشاج.

اختلال الصيغة الصبغية

يطلق العلماء على فرد لديه العدد المناسب من الكروموسومات لنوعه euploid. في البشر ، يتوافق euploidy مع 22 زوجًا من الصبغيات الجسدية وزوج واحد من الكروموسومات الجنسية. يوصف الفرد الذي يعاني من خطأ في عدد الكروموسوم بأنه اختلال الصيغة الصبغية ، وهو مصطلح يشمل أحادي الصبغي (يفقد كروموسومًا واحدًا) أو التثلث الصبغي (اكتساب كروموسوم غريب). تفقد ملقحات بشرية أحادية الذرة أي نسخة واحدة من جسيم جسدي تفشل دائمًا في التطور حتى الولادة لأنها تفتقر إلى الجينات الأساسية. هذا يؤكد أهمية "جرعة الجين" في البشر. تفشل أيضًا معظم حالات التثلث الصبغي الجسدي في التطور حتى الولادة ، ومع ذلك ، فإن ازدواج بعض الكروموسومات الأصغر (13 أو 15 أو 18 أو 21 أو 22) يمكن أن يؤدي إلى نسل يبقى على قيد الحياة لعدة أسابيع إلى سنوات عديدة. يعاني الأفراد Trisomic من نوع مختلف من عدم التوازن الجيني: زيادة في جرعة الجينات. يمكن للأفراد الذين لديهم كروموسوم إضافي تخليق وفرة من المنتجات الجينية ، والتي يشفرها هذا الكروموسوم. يمكن أن تؤدي هذه الجرعة الزائدة (150 بالمائة) من جينات معينة إلى عدد من التحديات الوظيفية وغالبًا ما تحول دون التطور. التثلث الصبغي الأكثر شيوعًا بين الولادات القابلة للحياة هو كروموسوم 21 ، والذي يتوافق مع متلازمة داون. قصر القامة والأصابع المتوقفة ، تمييزات الوجه التي تشمل جمجمة عريضة ولسان كبير ، وتأخيرات كبيرة في النمو تميز الأفراد المصابين بهذا الاضطراب الوراثي. يمكننا ربط حدوث متلازمة داون بعمر الأم. من المرجح أن تحمل النساء الأكبر سنًا بأجنة تحمل النمط الجيني للتثلث الصبغي 21 ((الشكل)).


تخيل إضافة كروموسوم يؤدي إلى متلازمة داون في محاكاة الفيديو هذه.

تعدد الصبغيات

نحن نطلق على الفرد الذي لديه أكثر من العدد الصحيح من مجموعات الكروموسوم (اثنان للأنواع ثنائية الصبغيات) متعدد الصيغ الصبغية. على سبيل المثال ، فإن تخصيب بويضة ثنائية الصبغيات غير طبيعية بحيوان منوي أحادي الصيغة الصبغية من شأنه أن ينتج زيجوت ثلاثي الصبغيات. تعد الحيوانات متعددة الصيغ الصبغية نادرة للغاية ، مع وجود أمثلة قليلة فقط بين الديدان المفلطحة والقشريات والبرمائيات والأسماك والسحالي. الحيوانات متعددة الصيغ الصبغية عقيمة لأن الانقسام الاختزالي لا يمكن أن يستمر بشكل طبيعي وبدلاً من ذلك ينتج في الغالب خلايا ابنة مختلة الصيغة الصبغية لا يمكنها إنتاج بيضات ملقحة قابلة للحياة. نادرًا ما يمكن للحيوانات متعددة الصيغ الصبغية التكاثر اللاجنسي عن طريق الصبغيات أحادية الصيغة الصبغية ، حيث تنقسم البويضة غير المخصبة بشكل انقسامي لإنتاج ذرية. على النقيض من ذلك ، فإن تعدد الصبغيات شائع جدًا في المملكة النباتية ، وتميل النباتات متعددة الصبغيات إلى أن تكون أكبر وأكثر قوة من euploids من نوعها ((الشكل)).


عدم ارتباط كروموسوم الجنس في البشر

يُظهر البشر تأثيرات ضارة كبيرة مع التثلث الصبغي الجسدي والوحيدات. لذلك ، قد يبدو من غير المنطقي أن الإناث والذكور يمكن أن يعملوا بشكل طبيعي ، على الرغم من أنهم يحملون أعدادًا مختلفة من الكروموسوم X. بدلاً من اكتساب أو فقدان الجسيمات الذاتية ، تحدث الاختلافات في عدد الكروموسومات الجنسية بتأثيرات خفيفة نسبيًا. يحدث هذا جزئيًا بسبب تعطيل العملية الجزيئية X. في مرحلة مبكرة من التطور ، عندما تتكون أجنة الثدييات الأنثوية من بضعة آلاف من الخلايا (بالنسبة إلى تريليونات الأطفال حديثي الولادة) ، يتم تعطيل كروموسوم X واحد في كل خلية عن طريق التكثيف بإحكام في بنية هادئة (نائمة) ، أو جسم بار. إن فرصة تعطيل كروموسوم X (المشتق من الأم أو الأب) في كل خلية هو أمر عشوائي ، ولكن بمجرد حدوث ذلك ، فإن جميع الخلايا المشتقة من ذلك الواحد سيكون لها نفس الكروموسوم X غير النشط أو جسم Barr. من خلال هذه العملية ، تعوض الإناث عن جرعتها الجينية المزدوجة من الكروموسوم X. في ما يسمى بقطط "صدف السلحفاة" ، نلاحظ تعطيل X الجنيني كتنوع لوني ((الشكل)). سوف تعبر الإناث غير المتجانسة لجين لون الغلاف المرتبط بـ X عن لون من لونين مختلفين للغطاء على مناطق مختلفة من الجسم ، بما يتوافق مع أي كروموسوم X يتم تعطيله في تلك المنطقة & # 8217s سلف الخلية الجنينية.


الفرد الذي يحمل عددًا غير طبيعي من الكروموسومات X سيعطل جميع كروموسومات X باستثناء كروموسوم X واحد في كل خلية من خلاياه. ومع ذلك ، حتى الكروموسومات X المعطلة تستمر في التعبير عن عدد قليل من الجينات ، ويجب إعادة تنشيط الكروموسومات X من أجل النضج المناسب للمبايض الأنثوية. نتيجة لذلك ، تحدث تشوهات الكروموسومات X عادةً مع عيوب عقلية وجسدية خفيفة ، فضلاً عن العقم. إذا كان الكروموسوم X غائبًا تمامًا ، فلن ينمو الفرد في الرحم.

حدد العلماء ووصف العديد من الأخطاء في عدد الكروموسومات الجنسية. الأفراد الذين لديهم ثلاثة كروموسومات X ، triplo-X ، هم من الإناث ظاهريًا ولكنهم يعبرون عن تأخر في النمو وانخفاض الخصوبة. يتوافق النمط الجيني XXY ، المقابل لنوع واحد من متلازمة كلاينفيلتر ، مع الأفراد الذكور الذين لديهم خصيتين صغيرتين وأثداء متضخمة ونقص شعر الجسم. توجد أنواع أكثر تعقيدًا من متلازمة كلاينفيلتر حيث يمتلك الفرد ما يصل إلى خمسة كروموسومات إكس. في جميع الأنواع ، يخضع كل كروموسوم X باستثناء واحد إلى تعطيل للتعويض عن الجرعة الجينية الزائدة. نرى هذا على شكل عدة أجسام بار في كل نواة خلية. متلازمة تيرنر ، التي تتميز بالنمط الجيني X0 (أي كروموسوم جنس واحد فقط) ، تتوافق مع أنثى نمطية ظاهرية ذات قامة قصيرة ، وجلد مكفف في منطقة الرقبة ، وضعف السمع والقلب ، والعقم.

الازدواجية والحذف

بالإضافة إلى فقدان أو اكتساب كروموسوم كامل ، قد يتضاعف جزء الكروموسومات أو يفقد نفسه. غالبًا ما ينتج عن الازدواجية والحذف ذرية تبقى على قيد الحياة ولكنها تظهر تشوهات جسدية وعقلية. قد تندمج مقاطع الكروموسومات المضاعفة مع الكروموسومات الموجودة أو قد تكون حرة في النواة. Cri-du-chat (من الفرنسية لـ "cry of the cat") هي متلازمة تحدث مع تشوهات في الجهاز العصبي وخصائص جسدية محددة تنتج عن حذف معظم 5p (الذراع الصغيرة للكروموسوم 5) ((الشكل) ). يُصدر الأطفال الذين لديهم هذا النمط الجيني صرخة مميزة عالية النبرة يعتمد عليها اسم الاضطراب.


إعادة ترتيب الهيكلية الصبغية

تميز علماء الخلايا بالعديد من عمليات إعادة الترتيب الهيكلية في الكروموسومات ، لكن الانقلابات والانعكاسات الصبغية هي الأكثر شيوعًا. يمكننا تحديد كلاهما أثناء الانقسام الاختزالي عن طريق الاقتران التكيفي للكروموسومات المعاد ترتيبها مع متماثلاتها السابقة للحفاظ على محاذاة الجينات المناسبة. إذا لم يتم توجيه الجينات الموجودة في متماثلين بشكل صحيح ، فقد يؤدي حدث إعادة التركيب إلى فقدان جينات من كروموسوم واحد واكتساب جينات على الآخر. هذا من شأنه أن ينتج أمشاج اختلال الصيغة الصبغية.

انقلابات الكروموسوم

انقلاب الكروموسوم هو انفصال ، دوران 180 درجة ، وإعادة إدخال جزء من الكروموسوم. قد تحدث الانقلابات في الطبيعة نتيجة القص الميكانيكي ، أو من العناصر القابلة للتحويل & # 8217 الفعل (تسلسلات DNA خاصة قادرة على تسهيل إعادة ترتيب مقاطع الكروموسوم بمساعدة الإنزيمات التي تقطع وتلصق تسلسل الحمض النووي). ما لم تتسبب في تعطيل تسلسل الجينات ، فإن الانقلابات تغير فقط توجه الجين ومن المرجح أن يكون لها تأثيرات خفيفة أكثر من أخطاء اختلال الصيغة الصبغية. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي التوجه الجيني المتغير إلى تغييرات وظيفية لأن المنظمين للتعبير الجيني يمكن أن يتحركوا خارج الموقع فيما يتعلق بأهدافهم ، مما يتسبب في مستويات شاذة من المنتجات الجينية.

يمكن أن يكون الانعكاس متمركزًا في المركز ويتضمن السنترومير أو الباري ويحدث خارج السنترومير ((الشكل)). يمكن أن يغير الانقلاب اللامركزي غير المتماثل حول السنترومير أذرع الكروموسوم & # 8217 الأطوال النسبية ، مما يجعل من السهل التعرف على هذه الانقلابات.


عندما يخضع أحد الكروموسومات المتجانسة لانقلاب ولكن الآخر لا يحدث ذلك ، يكون الفرد عبارة عن انقلاب متغاير الزيجوت. للحفاظ على المشابك نقطة بنقطة أثناء الانقسام الاختزالي ، يجب أن يشكل متماثل واحد حلقة ، ويجب أن يتشكل المتماثل الآخر حوله. على الرغم من أن هذا الهيكل يمكن أن يضمن محاذاة الجينات بشكل صحيح ، إلا أنه يفرض أيضًا على المتماثلات التمدد ويمكن أن تحدث مع مناطق المشابك غير الدقيقة ((الشكل)).


انقلاب الكروموسوم 18 ليست كل عمليات إعادة الترتيب الهيكلية للكروموسومات و # 8217 تنتج أفرادًا غير قابلين للحياة أو ضعيفين أو يعانون من العقم. في حالات نادرة ، يمكن أن يؤدي مثل هذا التغيير إلى تطور أنواع جديدة. في الواقع ، يبدو أن الانعكاس التمهيدي في الكروموسوم 18 قد ساهم في تطور الإنسان. هذا الانقلاب غير موجود في أقرب أقربائنا الجيني ، الشمبانزي. يختلف البشر والشمبانزي من الناحية الوراثية الخلوية عن طريق الانقلابات المحيطة بالمركز على العديد من الكروموسومات وعن طريق اندماج اثنين من الكروموسومات المنفصلة في الشمبانزي والتي تتوافق مع الكروموسوم الثاني في البشر.

يعتقد العلماء أن انقلاب الكروموسوم 18 حول المركز حدث في البشر الأوائل بعد اختلافهم عن سلف مشترك مع الشمبانزي منذ ما يقرب من خمسة ملايين سنة. اقترح الباحثون الذين ميزوا هذا الانعكاس أن ما يقرب من 19000 قاعدة نيوكليوتيد قد تم تكرارها على 18p ، وتم قلب المنطقة المضاعفة وإعادة إدخالها على الكروموسوم 18 لإنسان أسلاف.

تشير المقارنة بين جينات الإنسان والشمبانزي في منطقة هذا الانقلاب إلى وجود جينين -روك 1 و USP14—المجاور لكروموسوم الشمبانزي 17 (الذي يتوافق مع الكروموسوم البشري 18) يتم وضعه على مسافة بعيدة على الكروموسوم البشري 18. وهذا يشير إلى أن إحدى نقاط الانعكاس حدثت بين هذين الجينين. ومن المثير للاهتمام أن البشر والشمبانزي يعبرون عن ذلك USP14 بمستويات مميزة في أنواع خلايا محددة ، بما في ذلك الخلايا القشرية والخلايا الليفية. ربما أدى انعكاس الكروموسوم 18 في أسلاف الإنسان إلى تغيير موضع جينات معينة وإعادة ضبط مستويات تعبيرها بطريقة مفيدة. لأن كليهما روك 1 و USP14 ترميز الإنزيمات الخلوية ، أي تغيير في تعبيرها يمكن أن يغير الوظيفة الخلوية. لا نعرف كيف ساهم هذا الانقلاب في تطور البشر ، ولكن يبدو أنه عامل مهم في اختلاف البشر عن الرئيسيات الأخرى. 1

الترجمة

يحدث الإزاحة عندما ينفصل جزء من الكروموسوم ويعود إلى كروموسوم مختلف غير متماثل. يمكن أن تكون عمليات النقل حميدة أو لها تأثيرات مدمرة اعتمادًا على كيفية تغيير مواقع الجينات فيما يتعلق بالتسلسلات التنظيمية. والجدير بالذكر أن انتقالات محددة حدثت مع العديد من أنواع السرطان والفصام. تنتج عمليات النقل التبادلية من تبادل مقاطع الكروموسوم بين اثنين من الكروموسومات غير المتجانسة بحيث لا يكون هناك اكتساب أو فقدان للمعلومات الجينية ((الشكل)).


ملخص القسم

إن عدد الكروموسومات وحجمها وشكلها ونمط ربطها يجعل من السهل التعرف عليها في مخطط karyogram ويسمح بتقييم العديد من تشوهات الكروموسومات. عادة ما تكون الاضطرابات في عدد الكروموسومات ، أو اختلال الصيغة الصبغية ، قاتلة للجنين ، على الرغم من أن بعض الأنماط الجينية ثلاثية الصيغ قابلة للحياة. بسبب تعطيل X ، فإن الانحرافات في الكروموسومات الجنسية عادة ما يكون لها تأثيرات نمطية أكثر اعتدالًا. تشمل حالات اختلال الصيغة الصبغية أيضًا الحالات التي تكرر فيها مقاطع الكروموسوم أو تحذف نفسها. قد يؤدي الانعكاس أو الإزاحة أيضًا إلى إعادة ترتيب هياكل الكروموسوم. يمكن أن يؤدي كل من هذه الانحرافات إلى تأثيرات نمطية إشكالية. نظرًا لأنها تجبر الكروموسومات على افتراض طبولوجيا غير طبيعية أثناء الانقسام الاختزالي ، غالبًا ما تحدث الانقلابات والانتقالات مع انخفاض الخصوبة بسبب احتمال عدم الانفصال.

أسئلة الاتصال المرئي

(شكل) أي من العبارات التالية حول عدم الانفصال صحيحة؟

  1. ينتج عن عدم الارتباط فقط الأمشاج ذات الكروموسومات n + 1 أو n – 1.
  2. ينتج عدم الانفصال الذي يحدث أثناء الانقسام الاختزالي الثاني في 50 بالمائة من الأمشاج الطبيعية.
  3. ينتج عن عدم الانفصال أثناء الانقسام الاختزالي 1 أمشاج طبيعية بنسبة 50 في المائة.
  4. ينتج عدم الانفصال دائمًا أربعة أنواع مختلفة من الأمشاج.

راجع الأسئلة

أي من الرموز التالية يصف الموضع 12 على الذراع الطويلة للكروموسوم 13؟

في الزراعة ، تميل المحاصيل متعددة الصبغيات (مثل القهوة أو الفراولة أو الموز) إلى إنتاج ________.

افترض أن الانعكاس التمهيدي حدث في واحد من اثنين من متماثلات قبل الانقسام الاختزالي. يبقى التماثل الآخر طبيعيًا. أثناء الانقسام الاختزالي ، ما هي البنية - إن وجدت - التي ستفترضها هذه المتماثلات من أجل الاقتران بدقة على طول أطوالها؟

يتوافق النمط الجيني XXY مع

تميل التشوهات في عدد الكروموسومات X إلى تأثيرات نمطية أكثر اعتدالًا من نفس التشوهات في الجسيمات الذاتية بسبب ________.

بحكم التعريف ، يتضمن الانقلاب المحيطي ________.

أسئلة التفكير النقدي

باستخدام الرسوم البيانية ، وضح كيف يمكن أن يؤدي عدم الارتباط إلى زيجوت مختل الصيغة الصبغية.

سيختلف نمط الرسم التخطيطي الدقيق يجب أن يبدو الرسم التخطيطي مثل (الشكل).

الحواشي

    Violaine Goidts et al. ، "الازدواج القطاعي المرتبط بانعكاس الكروموسوم 18 الخاص بالإنسان: مثال آخر لتأثير الازدواج القطاعي على النمط النووي وتطور الجينوم في الرئيسيات ،" علم الوراثة البشرية. 115 (2004):116-122

قائمة المصطلحات


الجينوم البشري - أخيرًا! - مكتمل

ترك مشروع الجينوم البشري 8 بالمائة من حمضنا النووي دون استكشاف. الآن ، لأول مرة ، تم الكشف عن تلك المناطق الغامضة.

عندما تم اعتبار الجينوم البشري لأول مرة "مكتملاً" في عام 2000 ، قوبلت الأخبار بضجة دولية كبيرة. اتفقت المجموعتان المتنافستان اللتان تتنافسان على إنهاء الجينوم أولاً - أحدهما اتحاد كبير تقوده الحكومة والآخر شركة خاصة مستضعفة - على إعلان النجاح المشترك. تصافحا في البيت الأبيض. ترأس بيل كلينتون. ابتسم توني بلير من لندن. أعلن أحد العلماء البارزين عند نشر تلك الجينومات: "إننا نقف في لحظة غير عادية في التاريخ العلمي". "كأننا صعدنا إلى قمة جبال الهيمالايا."

لكن في الواقع ، لم يكن الجينوم البشري كاملاً. لم تصل أي من المجموعتين إلى القمة الحقيقية. كما اعترفت التغطية المعاصرة ، كان هذا الإصدار أكثر من مسودة تقريبية ، مليئة بالامتدادات الطويلة حيث كان تسلسل الحمض النووي لا يزال غامضًا أو مفقودًا. سرعان ما تحولت الشركة الخاصة إلى محور مشروع الجينوم البشري وأنهت مشروعها ، على الرغم من أن العلماء مع الاتحاد العام واصلوا العمل. في عام 2003 ، مع القليل من التألق ولكن لا يزال هناك الكثير من العناوين الرئيسية ، تم الإعلان عن اكتمال الجينوم البشري مرة أخرى.

لكن في الواقع ، كان الجينوم البشري ساكن غير مكتمل. حتى المسودة المنقحة كانت تفتقد حوالي 8 بالمائة من الجينوم. كانت هذه هي المناطق الأكثر صعوبة في التسلسل ، ومليئة بالحروف المتكررة التي كان من المستحيل قراءتها باستخدام التكنولوجيا في ذلك الوقت.

أخيرًا ، في شهر مايو من هذا العام ، نشرت مجموعة منفصلة من العلماء بهدوء نسخة أولية على الإنترنت تصف ما يمكن اعتباره أول جينوم بشري كامل حقًا - قراءة لجميع الحروف البالغ عددها 3.055 مليار عبر 23 كروموسومًا بشريًا. اجتمعت المجموعة ، بقيادة باحثين صغار نسبيًا ، على Slack من جميع أنحاء العالم لإنهاء المهمة التي تم التخلي عنها قبل 20 عامًا. لم يكن هناك إعلان مبذر من البيت الأبيض هذه المرة ، ولا حديث عن تلخيص جبال الهيمالايا ، لا تزال الصحيفة نفسها قيد المراجعة للنشر الرسمي في مجلة. لكن الافتقار إلى الأبهة يتناقض مع هذا الإنجاز: لإكمال الجينوم البشري ، كان على هؤلاء العلماء معرفة كيفية رسم خريطة لمناطق التكرار الأكثر غموضًا وإهمالًا ، والتي قد تحصل أخيرًا على استحقاقها العلمي.

يقول ستيفن هنيكوف ، عالم الأحياء الجزيئية في مركز فريد هتشنسون لأبحاث السرطان ، والذي لم يشارك في المشروع: "إنني أعتبر هذا معلمًا بارزًا". يدرس Henikoff واحدة من تلك المناطق الغامضة التي يصعب تسلسلها حيث تخلت مشاريع الجينوم البشري السابقة: centromeres ، وهي الوسط المقروص قليلاً لكل كروموسوم. الكروموسومات ، التي يمتلك البشر 23 زوجًا منها ، يتكون كل منها من امتداد طويل ومستمر من الحمض النووي يمكن تكثيفه في شكل قضيب ، ويكون الحمض النووي في المركز كثيفًا بشكل خاص.

في خمسة كروموسومات بشرية ، لا يوجد السنترومير في المنتصف ولكنه قريب جدًا من أحد طرفيه ، ويقسم الكروموسوم إلى ذراع واحد طويل وواحد قصير جدًا. هذه الأذرع القصيرة مليئة أيضًا بالتكرار الذي لم يتم تسلسله بالكامل حتى الآن. شكلت السنتروميرات والأذرع القصيرة وأنواع أخرى من مناطق التكرار معظم الأحرف البالغ عددها 238 مليون حرف التي أضافها الكونسورتيوم أو صححها في نهاية المطاف في الجينوم البشري.

لا تحتوي المقاطع الثرية المتكررة من الجينوم البشري عادةً على الجينات ، وهذا أحد أسباب إهمالها لفترة طويلة. ركز علماء الوراثة بشكل كبير على الجينات لأن وظيفتها واضحة وبسيطة: الجين يشفر البروتين. (إحدى المفاجآت الكبيرة في المسودات السابقة للجينوم البشري هي قلة الحمض النووي لدينا في الواقع يشفر البروتينات - 1 في المائة فقط. أصبح دور الـ 99 في المائة المتبقية أكثر وضوحًا.) في الواقع ، كانت هناك تلميحات إلى أن هذه المناطق ذات الثراء المتكرر تلعب أيضًا أدوارًا مهمة في كيفية التعبير عن الجينات وتمريرها ، وقد تم ربط الحالات الشاذة فيها بالسرطان والشيخوخة. وجد الكونسورتيوم 79 جينة جديدة مخبأة بين التكرارات أيضًا. With a map of these repeating regions finally in hand, scientists can probe more carefully their function.

The effort to finish the genome was “entirely grassroots,” says Adam Phillippy, a computational geneticist at the National Institutes of Health who co-leads the Telomere-to-Telomere (T2T) consortium that completed the genome. (Telomeres are the regions at the ends of chromosomes, so telomere to telomere means “end to end.”) Phillippy and Karen Miga, a geneticist at UC Santa Cruz, decided to create the consortium in 2018, after a call when they realized that they both harbored ambitions of finishing the human genome.

“I’m in love with repeats,” says Miga, who came to the project as a biologist trying to understand what those repeats do. Phillippy, a computer scientist by training, brought technical chops. Traditional sequencing technologies fragment DNA into small pieces, and computer algorithms have to reassemble them like puzzle pieces. The problem is that the pieces from repeating regions all look nearly the same. Now two new “long-read” sequencing technologies—called PacBio HiFi and Oxford Nanopore—allow scientists to read longer stretches of the genome. These sequencers still can’t handle chunks big enough to cross an entire centromere or a short arm, but at least the algorithms have larger puzzle pieces to assemble.

The role of centromere sequences, like many other repeating regions, is not yet fully understood, but they are most classically known as the key to cell division. When a cell divides in two, a protein spindle attaches to the centromeres, yanking the chromosomes apart to make sure that each cell gets the right number. When this goes wrong in eggs or sperm, babies can be born with chromosomal anomalies such as Down syndrome or Turner syndrome. When it goes wrong in other parts of the body, we can end up with blood cells, for example, that have too many or too few chromosomes. This is a hallmark of aging: It’s not unusual for men older than 70 to have lost the Y chromosomes in their blood cells. In one of two companion papers uploaded alongside the complete genome, the T2T consortium showed that Oxford Nanopore’s long-read technology can also be used to map where exactly the protein spindle attaches to the centromere. Examining the sequences in those regions might yield new clues to chromosomal anomalies.

The repeat-rich short arms of the chromosomes are similarly mysterious. They definitely play some role in the cellular machinery that translates genes into proteins, and knowing their sequences could shed more light on that function. Brian McStay, a biologist at the National University of Ireland at Galway, likens the complete genome to a “parts list” for chromosomes that allows scientists to try taking out the building blocks one by one. “Knowing what this parts list is, we can say, ‘This is exactly what our chromosome looks like,’” McStay says. “‘Let’s delete this and see what the impact on the function of that chromosome is.’”

As impressive as the technical feat of sequencing a complete human genome is, scientists told me that one genome is only one snapshot. Seeing how these repeating regions change over time from person to person, species to species, will be far more interesting. “What happens in cancer? What happens in development? What happens if you compare offspring to parents?” Henikoff says. The consortium proved that these repeating regions are sequenceable with the new long-read technologies. Now they can be applied to more genomes, allowing scientists to compare one with another.

Indeed, Miga says that the ultimate dream is to make every genome that scientists attempt to sequence complete from end to end, telomere to telomere. But first, the group has a more immediate goal in mind. If you wanted to fault the new genome for not being “complete,” you could point to the fact that it comprises only a single set of 23 chromosomes, whereas normal human cells have 23 pairs. To simplify the task, the group used cells from a particular type of tumor that develops from an abnormal fertilized egg and ends up with just 23 single chromosomes. The team will have to use different cells, with 23 pairs of chromosomes, to complete what is known as a “diploid” genome.

“The next major milestone would be routine diploid genomes,” says Shilpa Garg, a geneticist at the University of Copenhagen, in Denmark. Garg has used PacBio HiFi to rapidly assemble human genomes—minus some tricky regions such as the centromeres—at a rate of a few per day. That speed could help in clinical settings too, by making it easier for doctors to more regularly diagnose patients using genome sequencing. (In comparison, she says, assembling genomes from older sequencing technology takes as long as three weeks.) Truly complete genome sequencing, repeating regions and all, is getting easier and faster. Soon, another complete human genome will not be news at all.


Genetics, Autosomal Dominant

The field of genetics was born through meticulous studies in a monastery garden by a 19th-century monk, Gregor Mendel. His proposed laws explained the modes of inheritance of characteristic traits passed on through generations, such as the flower color of a pea plant. Though it would be many years before the term gene was introduced and much has been learned since his initial observations, the laws have withstood our advances and understanding of biology, with some interesting exceptions. Gregor Mendel proposed three laws explaining the inheritance of traits visible through generations - the characteristic of pea skin - wrinkled or smooth, the color of a pea plant flower - white, pink, red - among other features. We now understand that these traits are encoded in our instruction manual or our DNA. These simple changes to the phenotype, or the trait displayed in an organism, can be explained through changes in our genes. Mendel's laws include the Law of Dominance and Uniformity, the Law of Segregation, and the Law of Independent Assortment.

First, the Law of Dominance and Uniformity states that some alleles, which are variants of a particular gene found at the same chromosomal locus or location, are dominant over the other alleles for a given gene. Those traits that are not dominant are termed recessive. If an organism inherits at least one dominant variant, then it will display the effect, or phenotype, of the dominant allele. Second, the Law of Segregation states that the two alleles for each gene separate from each other during gametogenesis so that the parent may only pass off one allele thus, the offspring can only inherit one allele from each parent. Third, the Law of Independent Assortment (Law of Reassortment) states that the alleles of different genes segregate independently of one another during gametogenesis and are distributed independently of one another in the next generation. This concept was later verified with chromosomes, though also disproven in some instances. For example, when genes occur on the same chromosome, they can be linked and not follow this law.


Neandertal genes in people today may raise risk of severe COVID-19

Interbreeding left genetic fossils of Neandertal DNA in humans (Neandertal skull shown). One of those relics may make people more susceptible to coronavirus.

Halamka/iStock / Getty Images Plus

شارك هذا:

October 2, 2020 at 12:42 pm

Some people’s genetic inheritance from Neandertals may raise their risk of developing severe COVID-19.

A stretch of DNA on human chromosome 3 was previously found to be associated with an increased risk of developing severe disease from coronavirus infection and of being hospitalized. Some genetic heirlooms passed down after humans interbred with Neandertals more than 50,000 years ago are known to affect immune system function and other aspects of human health even today (SN: 2/11/16). So researchers decided to see whether Neandertals and other extinct human cousins called Denisovans also share the risky region.

“I fell off my chair. It was really a surprise to see that the genetic variants were exactly the same as Neandertals’,” says evolutionary geneticist Hugo Zeberg of the Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology in Leipzig, Germany, and the Karolinska Institute in Stockholm. Zeberg and his Max Planck colleague Svante Pääbo report the findings September 30 in طبيعة سجية.

About half of people whose ancestors hail from South Asia — particularly Bangladesh — and about 16 percent of people in Europe today carry this bit of Neandertal legacy, the new study finds.

اشترك للحصول على تحديثات البريد الإلكتروني حول آخر أخبار وأبحاث فيروس كورونا

The risky DNA was identified as a COVID-19 danger zone in genome-wide association studies, or GWAS, which use statistical methods to find genetic variants that show up more often in people with a particular disease than in those without the disease. In this case, the comparison was between people who have milder forms of COVID-19 and people who required hospitalization.

This stretch on chromosome 3 contains multiple genetic variants that are almost always inherited together, forming a block known as a haplotype. Those variants aren’t necessarily the genetic tweaks that lead to more severe disease, but they flag that one or more genes in the region might be responsible for increasing susceptibility to the coronavirus. The researchers are working to figure out which genes in the region might be contributing to susceptibility, Zeberg says.

Of 13 genetic variants that make up the risky haplotype, 11 were found in the DNA of a 50,000 year-old Neandertal from Vindija Cave in Croatia (SN: 10/10/17), and three were shared with two Neandertals from the Altai mountains in Russia. Denisovans, on the other hand, didn’t carry these variants.

Although most non-Africans carry some Neandertal DNA as a relic of ancient interbreeding, inheritance of the COVID-19 susceptibility haplotype was patchy. The haplotype didn’t get passed down in East Asia, but people of South Asian ancestry were more likely to carry the Neandertal legacy. About 63 percent of people in Bangladesh have at least one copy of the disease-associated haplotype, and 13 percent have two copies (one from their mother and one from their father). For them, the Neandertal DNA might be partially responsible for increased mortality from a coronavirus infection. People of Bangladeshi origin living in the United Kingdom, for instance, are twice as likely to die of COVID-19 as the general population.

شاهد كل تغطيتنا لتفشي فيروس كورونا

That patchwork inheritance pattern may indicate that different evolutionary pressures were at work during the haplotype’s history, says Tony Capra, an evolutionary geneticist at the University of California, San Francisco. “It’s an important lesson about genetic variation what’s good in one place can be bad in another place.”

In Bangladesh, the haplotype may have given people an evolutionary advantage in fighting off other pathogens, such as cholera, allowing it to increase in frequency, Zeberg speculates. In East Asia, it might have been an evolutionary disadvantage when dealing with other illnesses, leading to its decline.

The results don’t mean that carrying Neandertal DNA will cause people to become severely ill — nor that not having it will protect people. East Asians generally have more Neandertal DNA than other groups (SN: 2/12/15), but didn’t inherit this risky heirloom. Still, thousands of people in China and other parts of East Asia have died of COVID-19. On the other hand, people of African descent have little to no Neandertal DNA, but Black Americans are among those at highest risk of dying of COVID-19, often for reasons that may have nothing to do with their genes (SN: 5/10/20).

Capra stresses that “with COVID-19, there’s a genetic component that is important, but social and other environmental factors are so much more important in determining risk and severity.” For instance, one of the biggest risk factors is age, with young children at the least risk and elderly people far more likely to be hospitalized or die when they contract COVID-19.

Sign Up For the Latest from Science News

Headlines and summaries of the latest Science News articles, delivered to your inbox


Can a same gene stretch from one chromosome to another separate chromosome? - مادة الاحياء

The Y-Chromosome and Genetic Genealogy.

الحمض النووي. DNA contains the codes that determine our inherited characteristics. It consists of long strings of molecules in the form of the now famous "double helix," which looks somewhat like a spiral staircase. The coding part of DNA consists of four types of base pairs weakly bonded across the "steps" of the staircase. These four bases have been named adenine (A), thymine (T), cytosine (C), and guanine (G). The four letters A, T, C and G are consequently used to describe sequences of DNA. "Genes" consist of specific sequences of the four bases, which control the production of RNA or proteins. However mixed in among the genes are long segments of DNA that appear to serve no function. DNA is contained in 46 chromosomes found in 23 pairs in the nucleus of nearly every cell of the human body.

The Y-Chromosome. The y-chromosome is inherited more or less unchanged from father to son to grandson, indefinitely. Chromosomes contain the DNA that determines our inherited characteristics, and the y-chromosome is one of the 46-chromosomes in the nucleus of each of the cells of all human males. Most chromosomes, including the two x-chromosomes possessed by females, get recombined or shuffled each generation before being passed down to offspring. But the y-chromosome is unique in remaining more or less unchanged when passed from father to son. Thus while most chromosomes will contain a random mixture of genetic codes from one's grandparents and great-grandparents, a male's y-chromosome will be identical or nearly identical to that of his father, grandfather, great-grandfather and beyond for countless generations. Since surnames tend to be inherited in the same manner as y-chromosomes (from father to son or patrilineally), y-chromosome testing lends itself particularly well to surname studies.

"Unchanged" must be qualified by "more or less" because mutations occasionally occur. Otherwise all males would have identical y-chromosomes, making them useless for genealogical purposes. By looking at specific locations on the y-chromosome (known as markers among genealogists), we can compare individuals and support or disprove suspected genealogical relationships.

Application to Genealogy. One approach is to use y-chromosome testing to focus on certain well-defined puzzles or hypotheses. Several ancestral Bachmans lived in the same area of the same village in 17th century Switzerland. A reasonable supposition would be that they might share a common ancestor from which they inherited their surnames. By comparing the y-chromosomes of descendants of each of the ancestral Bachmans, we should be able to substantiate or disprove the hypothesis of a common Bachman ancestor. This approach requires two or more people to submit samples together.

Another puzzle we had concerned the naturalist, the Rev. John Bachman, Audubon's collaborator and coauthor. John Bachman's biographical sketch suggested he was a descendant of Johann Georg Bachman who had settled in Saucon township in Pennsylvania in the early 1700's. But other details were inconsistent and a link had never been proven. By testing a known descendant of Johann Georg and a descendant of John Bachman, we were able to show that the two men did indeed have a common ancestor, tending to substantiate the relationship.

Another approach is to establish a surname y-chromosome study and invite any male sharing the same surname to participate. Our Bachman/Baughman study has evolved in this direction. The testing companies encourage this approach by giving discounts to surname groups and publicizing the fact that specific surname groups exist. As the number of participants grow, some who share a surname will be found to have a previously unknown link to each other through a (possibly unknown) common ancestor. This approach is particularly useful when you have a combination of individuals with deep patrilineal lineages and others with fairly shallow knowledge (say to about 1800) but hopes of finding connections. Even if the results are negative, knowing that two branches sharing the same last name do not share a common ancestor may result in less time wasted searching for possible connections that do not exist. One participant in the Bachman study, whose earliest know ancestor was a John Baughman who was born about 1800 in Westmoreland Co., PA was tested. He was found to share a y-chromsome with several American Bachman/Baughman lines in Pennsylvania and Kentucky and with a Swiss Bachmann who had originated in Canton Aragau. Although the links have not yet been found, the common origin has been established.

Females cannot participate directly in y-chromosome studies, having no y-chromosomes. However if they wish to research their father's patrilineage, they can help sponsor their father or a brother or other patrilateral relative of their father.

Markers. There are a number of different kinds of mutations (changes in the genetic code) that can occur when DNA is copied within a cell and passed on to the next generation. Short-tandem repeats (STR's), also known as microsatellites, are the markers tested in most genealogical y-chromosome studies. STR's occur at specific locations on the y-chromosome, which are often referred to as loci, and are given names such as "DYS391." STR's occur when short segments of DNA sequences get repeated over and over along a portion of a chromosome. For example, DYS391 consists of repeats of the base sequence -GATA-. Once an STR exists, it may change by adding or subtracting a repeat or two during the replication process. Estimates of the frequency of changes range from less than 2 mutations per 1000 generations to over 7 per 1000 generations for each STR, depending on which marker. Thus over a long period of time, individuals will tend to have at least some differences in the values (number of repeats) on the various STR markers on their y-chromosome. If you look at 25 markers, there is about a 50% chance you will find at least 1 mutation in 9-10 generations (or, counting both up and down from the common ancestor, between yourself and a 4th cousin). DYS391 can have values ranging from 7 to 14 repeats, with 10 and 11 being common in populations with European ancestry. There have been over 200 STR markers identified on the y-chromosome, but not all are variable enough for genealogical purposes. Testing companies currently test between 10 and 43 markers.

Haplogroups and "clans." Another kind of mutation is a base substitution (single nucleotide polymorphism or SNP). A change to a given base is extremely rare compared to changes in STR's, and specific substitutions are believed to have occurred only once in human history. Thus all people who share a specific SNP value usually can trace it back to a mutation in a single ancestor. Consequently, SNP's can be used for broad anthropological studies of our ancestry, and have been used to create a "family tree" of the paternal heritage of all humankind. Large haplogroups (or "clans" in the terminology of some testing companies) originated with a single ancestor who had a specific SNP mutation, and these haplogroups have been given names beginning with capital letters. The most common haplogroup among Europeans is labeled R1b. It is especially common along the Atlantic seaboard (over 80% of some populations), but is also frequent throughout Europe. Other common European haplogroups include R1a and I, which are common in northern and central Europe. In order to know your haplogroup with 100% certainty, you would need to pay for a separate SNP test. But certain combinations of STR values are commonly associated with specific haplogroups, and most people's haplogroups can be accurately guessed from their STR values. This is because even after thousands of years, the STR values of the original fathers of the various haplogroups are still reflected in the STR values found among his descendants. For example, most of the Richterswill Bachman/Baughmans who have been tested so far have STR haplotypes that are clearly R1b.

Knowing one's haplogroup may not tell you much about your more recent genealogy, but it is of interest to many to know if their ancient patrilineal ancestor was one of the Cro-Magnon people who first resettled western Europe after the ice ages (R1b), one of the Gravetians who came into Europe from the east a bit later (I), or one of the early agriculturalists who came from the Middle-east thousands of years later (J, among others).

Another kind of haplogroup or "clan" involves classification using mitochondral DNA (mtDNA). MtDNA is found outside of the nucleus of cells, does not recombine, and is passed on by females. Thus it can be used to establish matrilineal groupings (popularized in the book "The Seven Daughters of Eve"). But because it mutates relatively slowly, is of less use for genealogy. More information on mtDNA.

Risks. The markers that are tested for family studies are "junk" DNA and believed unrelated to any physical or medical characteristics. This means there is little danger if the privacy guarantees of the testing companies were somehow breeched. Nor can the markers tested be used to uniquely identify individuals, since the same set of marker values may be shared by many related or even unrelated (in a genealogical time frame) individuals. Thus the results would not be useful for civil or criminal proceedings. The single largest potential risk of y-chromosome tests (unless one includes the costs) is the possibility that a participant will discover that he is not biologically related to someone else in the way expected. Sometimes a long established and accepted genealogy will turn out to have been wrong. Illegitimacy rates vary by time, place, and economic and social status, but have always occurred. Adoptions have also always occurred, and their knowledge might easilty be lost by later generations, especially prior to widespread vital records. Thus unexpected non-matches can occur, and some people may find this disturbing or even traumatic, especially if a "non-paternal event" may have occurred in the recent past.

Conclusion. The most effective use of y-chromosome testing for genealogical purposes will be either within a family surname project or when testing a specific hypothesis about a possible common ancestry of two individuals. Not every genealogical puzzle can be solved with DNA, and it is important that participants in such studies realize that there is no guarantee that the results will be as desired or expected. However under the appropriate circumstances, genetic or molecular genealogy can be a powerful tool to substantiate or disprove hypotheses where traditional documentation is weak or non-existent.


Sex Determination

There is one exception to the rule that all chromosomes come in matching pairs, and that exception determines whether newly conceived organisms develop into males or females. The pair of dissimilar chromosomes have been designated X and Y. It is important to remember that although they have different names, they do form a pair in the same way their more alike counterparts do. The Y chromosome is shorter than the X. That is just another way of saying that it has fewer genes, or less genetic material. But it does contain one gene that the X does not, and that is the TDF gene—the gene that causes maleness.

Every normal human female has two X chromosomes every normal male has both an X and a Y. (There are variations to this rule in some other types of organisms.) When eggs, the female sex cells, are formed during the first stage of meiosis, each one gets two copies of the X chromosome. When sperm cells are formed, each gets an X and a Y. When these cells divide again during the second stage of meiosis to create a cell with only one copy of each chromosome, the egg must have an X and only an X because that is all it had to start with. A sperm cell can have either an X or a Y.

When egg and sperm combine during the conception of a new individual, the cell that is produced must therefore inherit one X chromosome from its mother. From its father, however, it can inherit either an X or a Y. Whether a sperm cell has an X or a Y chromosome is random, accounting for the roughly equal number of males and females born.

For the first six weeks of life, the human embryo, whether it is to become a male or female, develops in the same way. Sometime during the seventh or eighth week of pregnancy, the TDF gene provided by the Y chromosome, if there is one, becomes active. During this period of activity, which lasts only during this phase of the embryo's growth, the gene sends chemical instructions to other genes, telling them to produce the proteins that will cause certain cells to mature into male testicles. The testicles produce hormones which create other male sexual characteristics. If only X chromosomes are present, this process does not occur and the embryo develops into a female.


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