معرفی آشنایی با رشته ژنتیک

[NYX 1,007]

ژنتیک چیست؟

 

ژن ها چه چیزهایی را در وجود ما تعیین میکنند؟

آیا در درون هر یک از سلولهای ما دنیایی متفاوت با آنچه میبینیم وجود دارد؟

علم مهندسی ژنتیک چه هدفی را جست و جو میکند؟

ژنتیکدانان در آزمایشگاههای پیشرفته خود به دنبال چه میگردند؟

 

[NYX 1,007]

موضوع علم ژنتيك، انتقال، بيان و تكامل ژنها است.

 

ژنها به مولكول هايي كه كاركرد، تكوين و خصوصيات ظاهري موجود زنده را كنترل مي كنند ، گفته می شود.

 

در سال ۱۹۰۰ – 3 گیاه شناس به نام های Carl Correns از آلمان Erichron Tschermak از اتریش و HugodeVries از هلند، قوانين حاكم بر انتقال صفات از والدين به زاده ها را گزارش كردند.

 

اين قوانين قبلاً در سال ۱۸۶۶ توسط يك كشيش اتريشي به نام Gregor Mendel گزارش شده بود. هر چند كارهاي مندل بعد از ۱۸۶۶ به راحتي قابل دسترس بود، ولي تا قبل از پايان قرن، دانشمندان به اهميت آنها پي نبردند.

تصویری از گرگور مندل

[NYX 1,007]

ژنتيك، علم مطالعه وراثت، در تمامي زمينه هاي آن، از گسترش صفات در يك شجره نامه خانوادگي، تابيوشيمي ماده ژنتيكي، اسيد دزوكسي ريبونوكلئيكrnaو اسید ریبنوکلئیک dnaاست .

به صورت تاريخي، ژنتيك دانان در 3 حيطه مجزا فعاليت كرده اند، هر حيطه با مشكلات، روش ها و موجودات زنده مورد مطالعه مربوط به خود . اين 3 حيطه عبارتند از:

• ژنتيك كلاسيك،
  
• ژنتيك مولكولي
  
• وژنتيك تكاملي يا ژنتيك جمعيت
  

در ژنتيك كلاسيك ما با تئوری كروموزومي وراثت روبرو هستيم، مفهومي كه ژ ن ها را به صورت خطي در كنار هم بر روي كروموزوم فرض می کند. موقعيت نسبي ژنها با بررسي فراواني زاده هاي حاصل از آميزش هاي خاصي قابل تعيين است.

ژنتيك مولكولي مطالعه ماده ژنتيك است؛ ساختار، رونويسي و بيان ماده ژنتيك. همچنين در همين حيطه ما انقلاب بزرگ تكنولوژي dna نوتركيب (يا مهندسي ژنتيك) و اطلاعات بدست آمده از آن را بررسي خواهيم كرد.

ژنتيك تكاملي يا ژنتيك جمعيت به بررسي تغييرات در فراواني ژنها در جمعيت مي پردازد. مفهوم دارويني تكامل كه بنابر پايه انتخاب طبيعي است بررسي مي شود.

امروزه به دليل پيشرفتهاي علمي، مرزهاي اين 3 ناحيه، تا حدي محو شده اند؛ به عنوان مثال، اطلاعات به دست آمده از ژنتيك مولكولي، از طرفي به فهم بهتر ساختار و عملكرد كروموزوم ها و از طرف ديگر به فهميدن انتخاب طبيعي كمك مي كند.

 

[NYX 1,007]

ژنتيك مانند هر علم ديگري، بر پايه متد علمي بنا نهاده شده است . اطلاعات ما برگرفته از دنياي واقعي است. متد علمي گردآوري قوانيني است كه به فهم بهتر طبيعت كمك مي كنند. در قلب يك متد علمي،آزمايش قرار دارد، طي يك آزمايش، يك حدس درباره كار بخشي از طبيعت( كه آن را يك فرضيه مي ناميم) امتحان مي شود. در يك آزمايش خوب، تنها 2 نتيجه ممكن وجود دارد؛ تاييد فرضيه و يا رد فرضيه.

به عنوان مثال ممكن است شما تصور كنيد كه صفات اكتسابي به ارث ميرسند ايده اي كه توسط لامارك پيشنهاد شد.

لامارك فرض كرد كه زرافه هايي كه سعي مي كردند بر گهاي موجود در شاخه هاي بالاتري را بخورند، گردن هاي بلندتري داشتند. آنها اين صفت درازي گردن را به فرزندان خود انتقال ميدهند (در هر نسل فقط افزايش كوتاهي در طول گردن وجود دار د) و اين روند در نهايت امروزه منجر به گرد نهاي بسيار طويل زرافه ها شده است. ديدگاه ديگر نسبت به اين مطلب، ديدگاه تكامل براساس انتخاب طبيعي است كه توسط داروين پيشنهاد شد. براساس فرضيه داروين، زرافه ها به طور طبيعي در طول گردن تنوع كمي دارند و اين تنوع ها به ارث مي رسند. زرافه هايي كه گردن بلندتري دارند، در تهيه بر گ از درخت براي خوردن، نسبت به ديگران مزيت دارند. به عبارت ديگر، درطول زمان، زرافه هايي كه گرد ن هاي بلندتري دارند، بهتر و بيشتر از ديگران زنده مي مانند و توليد مثل مي كنند. در نتيجه، زرافه هايي با گردن درازتر، پس از مدتي، گونه غالب در جمعيت مي شوند كه دليل اصلي اين اتفاق مرگ گونه هاي داراي گردن كوتا ه تر است.

فراواني هر جهشي كه باعث افزايش طول گردن در جمعيت شود، در جمعيت افزايش خواهد يافت. براي آزمودن فرضيه لامارك، ما ابتدا بايد جاندار مناسبي پيدا كنيم . گرفتن زرافه ها و انجام آميزش هاي مورد نظر بر روي آنها بسيار دشوار است. مي توانيم آزمايش را با موش هاي آزمايشگاهي انجام دهيم).نگهداري و آزمايش بر روي موش نسبتاً آسان و ارزان است). ما بايد صفت ديگري به غير از طول گردن پيدا كنيم. براي مثال مي توانيم نيمي از دم موش ها را ببريم. سپس موش هاي دم كوتاه را با موش هاي عادي آميزش مي دهيم و زاد ه ها را بررسي مي كنيم اگر زاد ه ها دم هاي عادي داشتند، مي توانيم نتيجه بگيريم كه دم كوتاه، يك صفت اكتسابي، به ارث نمي رسد. در مقابل در صورتي كه دم موش هاي نسل بعد كوتاه تر از حد معمول باشد، ميتوانيم نتيجه بگيريم كه صفات اكتسابي،ارثي هستند.

دليل اينكه ما يك آزمايش را با تمامي سختي هايش انجام مي دهيم، اين است كه نتايج آزمايش، براي ما قطعي هستند و قابل اطمينان اند. در صورتي كه آزمايش درست طراحي شده باشد و بدون خطا اجرا شود، نتيجه منفي در آزمايش، مانند آزمايش ما در بالا، به معني رد نظريه خواهد بود. آزمودن نظريه ها به طوري كه اگر نتيجه آزمايش منفي باشد، نظريه رد شود، ايده اصلي متد علمي است.

[NYX 1,007]

ساختمان DNA

 

DNA یا دزاکسی ریبونوکلئیک اسید یکی از ماکرومولکولهای سلولی است که حامل اطلاعات وراثتی بوده و طی همانند سازی ژنتیکی از یک نسل به نسل بعد منتقل می‌شود. و در داخل سلول از روی آن RNA و پروتئین ساخته می‌شود.

 

شناسایی

کشف ماده‌ای که بعدها DNA نام گرفت در سال ۱۸۶۹ بوسیله فردیک میشر انجام شد. این دانشمند هنگام مطالعه بر روی گویچه‌های سفید خون ، هسته سلولها را استخراج کرد و سپس بر روی آن محلول قلیایی ریخت. حاصل این آزمایش ، رسوب لزجی بود که بررسیهای شیمیایی آن نشان داد، ترکیبی از کربن ، هیدروژن ، اکسیژن ، نیتروژن و درصد بالایی از فسفر می‌باشد. میشر این ماده را نوکلئین نامید. زمانی که ماهیت اسیدی این ماده مشخص گردید، نام آن به اسید دزاکسی ریبونوکلئیک تغییر یافت.

● ساختمان رشته‌ای DNA

سرعت پیشرفت تعیین ساختمان DNA بسیار کند بوده است. در سال ۱۹۳۰ کاسل و لوین دریافتند که نوکلئین در واقع اسید دزوکسی ریبونوکلئیک است. برسیهای شیمیایی آن مشخص کرد که زیر واحد تکرار شونده اصلی DNA ، نوکلئوتید می‌باشد که از سه قسمت تشکل شده است. یک قند پنتوز (۲۶۱۴۴۹;- دزوکسی D- ریبوز) ، یک گروه ۵-فسفات و از یکی چهار باز آلی نیتروژن‌دار حلقوی آدنین (A) ، گوانین (G) ، سیتوزین © و تیمین (T) تشکیل شده است.

از این چهار باز دو باز آدنین و گوانین از بازهای پورینی و دو باز سیتوزین و تیمین از بازهای پیریمیدینی می‌باشند.

[NYX 1,007]

مارپیچ دو رشته‌ای DNA

 

در سال ۱۹۵۳ در ساختمان سه بعدی DNA ، بوسیله واتسون و کریک کشف شد. واتسون و کریک با استفاده از مطالعات تفرق اشعه ایکس ، رشته‌های DNA که بوسیله فرانکلین و ویلکینز تهیه شده بود و همچنین ساختن مدلها و استنباطهای مشخصی ، مدل فضایی خود را ارائه دادند و در سال ۱۹۶۲ واتسون و کریک و ویلکینز به خاطر اهمیت کشف ساختمان DNA به صورت مشترک جایزه نوبل دریافت کردند.

مدل پیشنهادی آنان چنین بود. DNA یک مارپیچ دو رشته‌ای است که رشته‌های آن به دور یک محور مرکزی ، معمولا به صورت راست گرد پیچ می‌خورند. طبق مدل واتسون و کریک ، ستونهای قند - فسفات همانند نرده‌های پلکان به دو قسمت خارجی بازهای آلی پیچیده و به این ترتیب در معرض محیط آبکی داخل سلول هستند و بازهای آلی که خاصیت آبگریزی دارند، در داخل مارپیچ قرار می‌گیرند. هنگام تشکیل مارپیچ رشته‌ها به صورت موازی متقابل قرار می‌گیرند.

 

تصویری که واتسون و کریک از مولکول DNA از طریق پراش اشعه ایکس بدست آوردند:

[NYX 1,007]

مگس سركه و باكتري روده اي

در مطالعه ژنتيك، خواهيد ديد كه جانداران خاصي به كرات در آزمايش ها استفاده مي شوند. اگر هدف اين علم، مشخص كردن قوانين كلي در جهان موجودات زنده است، چرا ژنتيك دانان اصرار دارند كه فقط از چند جاندار خاص استفاده كنند؟ زیرا جانداراني كه براي هر آزمايش انتخاب مي شوند، خصوصياتي دارند كه آنها را براي آن آزمايش مناسب مي كنند.

 

در مراحل اوليه تحقيقات ژنتيكي، در ابتداي قرن بيستم، تكنيكهاي بررسي ماده ژنتيكي داخل يك باكتري يا ويروس هنوز به وجود نيامده بودند . جاندار اصلي اي كه در آن زمان مورد استفاده قرار مي گرفت يك مگس مگس سركه به نام علمي Drosophila melanogaster بود كه قبلاً توسط زيست شناسان تكويني مورد استفاده قرار مي گرفت اين جاندار دوره توليد مثل كوتاهي(در حدود 2 هفته) دارد و در آزمايشگاه بقا و توليد مثل بالايي دارد. همچنين مگس سركه، در برخي سلولهاي خود(سلول هاي غدد بزاقي) كروموزومهاي بسيار بزرگي دارد(موسوم به كروموزومهاي پلي تن) و بسياري از خصوصيات ظاهري(فنوتيپ) اين جاندار توسط ژنوم آن كنترل مي شوند. براي مثال ميتوان به آساني جهش هايي را در اين موجود يافت كه در ژنهاي كنترل كننده رنگ چشم، تعداد و شكل صفحات چشمي و صفاتي مانند شكل و تراكم كرك و رگ ها اتفاق افتاند ه اند در اواسط قرن گذشته، هنگامي كه تكنيك هاي آزمايش هاي ژنتيكي بر روي باكتري ها ابداع شدند باكتري روده اي معمول Escherichia coli به جاندار مورد علاقه براي كارهاي ژنتيكي تبديل شد.

 

زيرا اين باكتري دوره توليد نسلي برابر با 20 دقيقه دارد، از هر ژن تنها 1 نسخه دارد و مقدار ماده ژنتيكي آن بسيار كم است . بسياري از گرو ه هاي تحقيقاتي از آن استفاده كردند. اتفاق بعدي، استفاده از ويروس هاي باكتريايي، موسوم به باكتريوفاژها بود ويرو س ها تنها از چند نوع پروتئين محدود و يك كروموزوم بسيار كوچك ساخته شده اند و برخي ويروس ها مي توانند تا يكصد بار در ساعت رونويسي شوند.

 

هدف ما معرفي گونه هاي اصلي استفاده شده در ژنتيك نيست بلكه ما قصد داريم توضيح دهيم كه چرا اين گونه ها مورد استفاده قرار گرفتند . مطالعاتي مقايسه اي انجام شده اند براي اين كه نشان دهند چه خصوصياتي كه در موجودات ژنتيكي كشف شدند آنها را از نظر علمي جهاني كردند.

 

دروزوفیلا ملانوگاستر(مگس سرکه)

 

 

و باکتری اشریشیاکلای(باکتری روده ای)

 

[NYX 1,007]

روش هاي مطالعه

هر بخشي از دنياي ژنتيك، روش هاي خاص خود را در مطالعه دارد. معمولاً كشف يك تكنيك مطالعاتي جديد، بهينه كردن يك تكنيك پهنه جديدي از تحقيقات را به روي محققين باز كرده است هر چه در طول اين سالها تكنيك هاي ما رشد كرد ه اند، سوالات بيشتر و در سطوح پايين تري از حيات مورد بررسي قرار گرفته اند. جرج مندل، پدر علم ژنتيك، مطالعاتي با انجام دادن آميزش هاي ساده بر روي گياهان انجام داد امروزه، با روش هاي مدرن بيوشيميايي و فيزيولوژيكي، تعيين توالي نوكلئوتيدها(زيرواحدهاي سازنده ( RNA,DNA يي كه سازنده يك ژن هستند به صورت يك روش روتين درآمده است.

يكي از بزرگترين پروژه هاي انجام شده در طول تاريخ، پروژه ژنوم انسان بود كه با تعيين توالي 3/3 ميليارد نوكلئوتيد موجود در ژنوم انسان، به پايان رسيد . تكنولوژي لازم براي انجام پروژ ههايي با چنين ابعادي، به تازگي به دست آمده است. تا 10 سال پيش فرض بر اين بود كه چنين پروژه هايي حداقل يك دهه زمان و بودجه عظيمي ميبرند. امروزه با تكنيك هاي جديدي مانند Pyrosequencing چنين پروژ ه اي ممكن است در كمتر از 1 سال انجام شود.