Skip to main content
Global

17.2: رسم خرائط الجينوم

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196518

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    المهارات اللازمة للتطوير

    • تعريف علم الجينوم
    • وصف الخرائط الجينية والفيزيائية
    • وصف طرق رسم الخرائط الجينية

    علم الجينوم هو دراسة الجينوم بأكمله، بما في ذلك المجموعة الكاملة من الجينات، وتسلسل النوكليوتيدات وتنظيمها، وتفاعلاتها داخل الأنواع ومع الأنواع الأخرى. رسم خرائط الجينوم هو عملية العثور على مواقع الجينات على كل كروموسوم. الخرائط التي تم إنشاؤها بواسطة رسم خرائط الجينوم قابلة للمقارنة مع الخرائط التي نستخدمها للتنقل في الشوارع. الخريطة الجينية هي رسم توضيحي يسرد الجينات وموقعها على الكروموسوم. توفر الخرائط الجينية الصورة الكبيرة (على غرار خريطة الطرق السريعة بين الولايات) وتستخدم العلامات الجينية (على غرار المعالم). العلامة الجينية هي جين أو تسلسل على كروموسوم يفصل (يُظهر الارتباط الجيني) مع سمة معينة. أطلق علماء الوراثة الأوائل على تحليل الارتباط هذا. تعرض الخرائط المادية التفاصيل الدقيقة للمناطق الأصغر من الكروموسومات (على غرار خريطة الطريق التفصيلية). 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 المتعلقة بأمراض مثل السرطان وأمراض القلب والتليف الكيسي. يمكن استخدام رسم خرائط الجينوم في مجموعة متنوعة من التطبيقات الأخرى، مثل استخدام الميكروبات الحية لتنظيف الملوثات أو حتى منع التلوث. قد تؤدي الأبحاث التي تتضمن رسم خرائط الجينوم النباتي إلى إنتاج محاصيل أعلى أو تطوير نباتات تتكيف بشكل أفضل مع تغير المناخ.

    خرائط جينية

    تبدأ دراسة الخرائط الجينية بتحليل الروابط، وهو إجراء يحلل تردد إعادة التركيب بين الجينات لتحديد ما إذا كانت مرتبطة أو تظهر تشكيلة مستقلة. تم استخدام مصطلح الربط قبل اكتشاف الحمض النووي. اعتمد علماء الوراثة الأوائل على ملاحظة التغيرات المظهرية لفهم النمط الجيني للكائن الحي. بعد فترة وجيزة من اقتراح جريجور مندل (والد علم الوراثة الحديث) أن الصفات تُحدد من خلال ما يُعرف الآن بالجينات، لاحظ باحثون آخرون أن الصفات المختلفة غالبًا ما يتم توريثها معًا، وبالتالي استنتجوا أن الجينات مرتبطة جسديًا من خلال وجودها على نفس الكروموسوم. أدى رسم خرائط الجينات بالنسبة لبعضها البعض بناءً على تحليل الروابط إلى تطوير الخرائط الجينية الأولى.

    جاءت الملاحظات التي تفيد بأن بعض السمات كانت مرتبطة دائمًا وأن بعض السمات الأخرى غير مرتبطة من دراسة نسل الصلبان بين الآباء ذوي السمات المختلفة. على سبيل المثال، في التجارب التي أجريت على البازلاء في الحديقة، تم اكتشاف أن لون الزهرة وشكل حبوب اللقاح للنبات هما سمات مرتبطة، وبالتالي كانت الجينات التي ترمز إلى هذه الصفات قريبة جدًا من نفس الكروموسوم. يُطلق على تبادل الحمض النووي بين أزواج الكروموسومات المتجانسة إعادة التركيب الجيني، والذي يحدث عن طريق عبور الحمض النووي بين خيوط متماثلة من الحمض النووي، مثل الكروماتيدات غير الشقيقة. يتضمن تحليل الارتباط دراسة تردد إعادة التركيب بين أي جينين. كلما زادت المسافة بين جينين، زادت فرصة حدوث حدث إعادة التركيب بينهما، وكلما زاد تردد إعادة التركيب بينهما. يظهر في الشكل احتمالان لإعادة التركيب بين اثنين من الكروماتيدات غير الشقيقة أثناء الانقسام الاختزالي\(\PageIndex{1}\). إذا كان تردد إعادة التركيب بين جينين أقل من 50 بالمائة، فيقال إنهما مرتبطان.

    يحتوي زوج الكروموسومات المتماثل على ثلاثة جينات تسمى A و B و C. يقع الجين A بالقرب من الجزء العلوي من الكروموسوم، والجينات B و C تقع بالقرب من بعضها البعض بالقرب من الجزء السفلي. يحتوي كل كروموسوم على أليلات A و B و C مختلفة. قد تتكاتف الأليلات في حالة حدوث تقاطع بينها، بحيث يتم تبديل المادة الوراثية من أحد الكروموسومات بأخرى. تختلف الجينات A و B كثيرًا في الكروموسوم بحيث يؤدي حدث التقاطع الذي يحدث في أي مكان تقريبًا في الكروموسوم إلى إعادة تركيب الأليلات لهذه الجينات. تتشابه الجينات B و C كثيرًا، لذا فإن عمليات الانتقال التي تحدث في منطقة ضيقة جدًا ستؤدي فقط إلى إعادة تركيب هذه الجينات.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): قد يحدث التقاطع في مواقع مختلفة على الكروموسوم. تعد إعادة التركيب بين الجينات A و B أكثر تكرارًا من إعادة التركيب بين الجينات B و C لأن الجينات A و B أبعد عن بعضها البعض؛ لذلك من المرجح أن يحدث التقاطع بينهما.

    يتطلب إنشاء الخرائط الجينية علامات، تمامًا كما تتطلب خريطة الطريق المعالم (مثل الأنهار والجبال). استندت الخرائط الجينية المبكرة إلى استخدام الجينات المعروفة كعلامات. تُستخدم الآن علامات أكثر تعقيدًا، بما في ذلك تلك التي تعتمد على الحمض النووي غير المشفر، لمقارنة جينومات الأفراد في المجموعة السكانية. على الرغم من أن الأفراد من نوع معين متشابهون وراثيًا، إلا أنهم ليسوا متطابقين؛ فكل فرد لديه مجموعة فريدة من السمات. هذه الاختلافات الطفيفة في الجينوم بين الأفراد في السكان مفيدة لأغراض رسم الخرائط الجينية. بشكل عام، العلامة الجينية الجيدة هي منطقة على الكروموسوم تظهر تباينًا أو تعدد الأشكال (أشكالًا متعددة) في السكان.

    بعض العلامات الجينية المستخدمة في إنشاء الخرائط الجينية هي تعدد أشكال طول أجزاء التقييد (RFLP)، والعدد المتغير للتكرارات الترادفية (VNTRs)، وتعدد أشكال الأقمار الصناعية الدقيقة، وتعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs). يتم اكتشاف RFLPs (التي تُنطق أحيانًا باسم «rif-lips») عندما يتم قطع الحمض النووي للفرد باستخدام نوكلياز داخلي مقيد يتعرف على تسلسلات محددة في الحمض النووي لتوليد سلسلة من شظايا الحمض النووي، والتي يتم تحليلها بعد ذلك بواسطة الرحلان الكهربائي الهلامي. سيؤدي الحمض النووي لكل فرد إلى ظهور نمط فريد من النطاقات عند قطعه بمجموعة معينة من كريات الدم البيضاء المقيدة؛ يشار إلى هذا أحيانًا باسم «بصمة» الحمض النووي للفرد. ستؤدي مناطق معينة من الكروموسوم التي تخضع لتعدد الأشكال إلى توليد نمط النطاقات الفريد. VNTRs هي مجموعات متكررة من النيوكليوتيدات الموجودة في المناطق غير المشفرة من الحمض النووي. لا يحتوي الحمض النووي غير المشفر أو «غير المرغوب فيه» على وظيفة بيولوجية معروفة؛ ومع ذلك، تظهر الأبحاث أن الكثير من هذا الحمض النووي يتم نسخه بالفعل. في حين أن وظيفتها غير مؤكدة، إلا أنها نشطة بالتأكيد، وقد تشارك في تنظيم جينات الترميز. قد يختلف عدد التكرارات في الكائنات الحية الفردية للسكان. تتشابه أشكال الميكروساتل مع VNTRs، لكن وحدة التكرار صغيرة جدًا. SNPs هي اختلافات في نيوكليوتيد واحد.

    نظرًا لأن الخرائط الجينية تعتمد كليًا على العملية الطبيعية لإعادة التركيب، فإن رسم الخرائط يتأثر بالزيادات أو الانخفاضات الطبيعية في مستوى إعادة التركيب في أي منطقة معينة من الجينوم. بعض أجزاء الجينوم عبارة عن نقاط ساخنة لإعادة التركيب، بينما لا يُظهر البعض الآخر ميلًا لإعادة التركيب. لهذا السبب، من المهم النظر إلى معلومات الخرائط التي تم تطويرها بطرق متعددة.

    خرائط فيزيائية

    توفر الخريطة المادية تفاصيل المسافة المادية الفعلية بين العلامات الجينية، بالإضافة إلى عدد النيوكليوتيدات. هناك ثلاث طرق تستخدم لإنشاء خريطة مادية: رسم الخرائط الخلوية الوراثية، ورسم الخرائط الهجينة للإشعاع، ورسم خرائط التسلسل. يستخدم رسم الخرائط الخلوية الوراثية المعلومات التي تم الحصول عليها عن طريق التحليل المجهري للأقسام الملطخة من الكروموسوم. من الممكن تحديد المسافة التقريبية بين العلامات الجينية باستخدام رسم الخرائط الخلوية الجينية، ولكن ليس المسافة الدقيقة (عدد الأزواج الأساسية). يستخدم رسم الخرائط الهجينة الإشعاع، مثل الأشعة السينية، لتقسيم الحمض النووي إلى أجزاء. يمكن تعديل كمية الإشعاع لإنشاء أجزاء أصغر أو أكبر. تتغلب هذه التقنية على قيود رسم الخرائط الجينية ولا تتأثر بزيادة أو انخفاض وتيرة إعادة التركيب. نتج رسم الخرائط التسلسلية عن تقنية تسلسل الحمض النووي التي سمحت بإنشاء خرائط مادية مفصلة مع قياس المسافات من حيث عدد الأزواج الأساسية. أدى إنشاء مكتبات الجينوم ومكتبات الحمض النووي التكميلية (cDNA) (مجموعات التسلسلات المستنسخة أو كل الحمض النووي من الجينوم) إلى تسريع عملية رسم الخرائط المادية. الموقع الجيني المستخدم لإنشاء خريطة مادية باستخدام تقنية التسلسل (موقع يحمل علامة التسلسل، أو STS) هو تسلسل فريد في الجينوم مع موقع كروموسومي دقيق معروف. تعد علامة التسلسل المعبر عنها (EST) وتعدد الأشكال بطول التسلسل الفردي (SSLP) من STSs الشائعة. اختبار EST هو اختبار STS قصير يتم تحديده مع مكتبات cDNA، بينما يتم الحصول على SSLPs من العلامات الجينية المعروفة ويوفر رابطًا بين الخرائط الجينية والخرائط المادية.

    يتم عرض الخرائط الخلوية الوراثية للجسيمات الذاتية البشرية الـ 22 والكروموسومات X و Y. تظهر الخريطة على هيئة نمط نطاقات باللون الأسود والأبيض والرمادي فريد لكل كروموسوم.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): تُظهر الخريطة الخلوية الجينية مظهر الكروموسوم بعد تلوينه وفحصه تحت المجهر. (مصدر: المعهد الوطني لبحوث الجينوم البشري)

    تكامل الخرائط الجينية والفيزيائية

    توفر الخرائط الجينية المخطط التفصيلي وتوفر الخرائط المادية التفاصيل. من السهل فهم سبب أهمية كلا النوعين من تقنيات رسم خرائط الجينوم لإظهار الصورة الكبيرة. يتم استخدام المعلومات التي تم الحصول عليها من كل تقنية معًا لدراسة الجينوم. يتم استخدام رسم الخرائط الجينومية مع الكائنات الحية النموذجية المختلفة التي تستخدم للبحث. لا يزال رسم خرائط الجينوم عملية مستمرة، ومع تطوير تقنيات أكثر تقدمًا، من المتوقع حدوث المزيد من التقدم. رسم خرائط الجينوم يشبه إكمال لغز معقد باستخدام كل جزء من البيانات المتاحة. يتم إدخال معلومات رسم الخرائط التي تم إنشاؤها في المختبرات في جميع أنحاء العالم في قواعد البيانات المركزية، مثل GenBank في المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية (NCBI). يتم بذل الجهود لجعل المعلومات في متناول الباحثين والجمهور العام بسهولة أكبر. مثلما نستخدم أنظمة تحديد المواقع العالمية بدلاً من الخرائط الورقية للتنقل عبر الطرق، أنشأت NCBI أداة عارض الجينوم لتبسيط عملية استخراج البيانات.

    اتصال المنهج العلمي: كيفية استخدام عارض خرائط الجينوم

    بيان المشكلة: هل تحتوي جينومات الإنسان والماكك والفأر على تسلسلات الحمض النووي الشائعة؟

    تطوير فرضية.

    لاختبار الفرضية، انقر هنا.

    في مربع البحث على اللوحة اليسرى، اكتب أي اسم جين أو خاصية نمطية، مثل تصبغ قزحية العين (لون العين). حدد الأنواع التي تريد دراستها، ثم اضغط على Enter. سيشير عارض خريطة الجينوم إلى الكروموسوم الذي يقوم بترميز الجين في بحثك. انقر فوق كل نتيجة في عارض الجينوم للحصول على معلومات أكثر تفصيلاً. هذا النوع من البحث هو الاستخدام الأساسي لمشاهد الجينوم؛ يمكن استخدامه أيضًا لمقارنة التسلسلات بين الأنواع، بالإضافة إلى العديد من المهام المعقدة الأخرى.

    هل الفرضية صحيحة؟ لماذا أو لماذا لا؟

    رابط إلى التعلم

    الوراثة المندلية في الإنسان (OMIM) على الإنترنت هو كتالوج يمكن البحث فيه على الإنترنت عن الجينات البشرية والاضطرابات الوراثية. يعرض هذا الموقع معلومات رسم خرائط الجينوم، ويفصل أيضًا تاريخ وأبحاث كل سمة واضطراب. انقر فوق هذا الرابط للبحث عن السمات (مثل استخدام اليدين) والاضطرابات الوراثية (مثل مرض السكري).

    ملخص

    رسم خرائط الجينوم يشبه حل لغز كبير ومعقد مع أجزاء من المعلومات القادمة من المختبرات في جميع أنحاء العالم. توفر الخرائط الجينية مخططًا تفصيليًا لموقع الجينات داخل الجينوم، وهي تقدر المسافة بين الجينات والعلامات الجينية على أساس ترددات إعادة التركيب أثناء الانقسام الاختزالي. توفر الخرائط المادية معلومات مفصلة حول المسافة المادية بين الجينات. تتوفر المعلومات الأكثر تفصيلاً من خلال رسم الخرائط التسلسلية. يتم دمج المعلومات من جميع مصادر رسم الخرائط والتسلسل لدراسة الجينوم بأكمله.

    مسرد المصطلحات

    رسم الخرائط الخلوية
    تقنية تستخدم المجهر لإنشاء خريطة من الكروموسومات الملطخة
    علامة التسلسل المعبر عنها (EST)
    STS القصيرة التي تم تحديدها باستخدام cDNA
    خريطة جينية
    الخطوط العريضة للجينات وموقعها على الكروموسوم
    علامة جينية
    جين أو تسلسل على كروموسوم بموقع معروف مرتبط بسمة معينة
    إعادة التركيب الجيني
    تبادل الحمض النووي بين أزواج متجانسة من الكروموسومات
    رسم خرائط الجينوم
    عملية العثور على موقع الجينات على كل كروموسوم
    مكتبة الحمض النووي
    مجموعة من تسلسلات cDNA المستنسخة
    مكتبة الجينوم
    مجموعة من الحمض النووي المستنسخ الذي يمثل جميع التسلسلات والأجزاء من الجينوم
    علم الجينوم
    دراسة الجينوم بأكمله بما في ذلك المجموعة الكاملة من الجينات، وتسلسل النوكليوتيدات وتنظيمها، وتفاعلاتها داخل الأنواع ومع الأنواع الأخرى
    تحليل الروابط
    الإجراء الذي يحلل إعادة تركيب الجينات لتحديد ما إذا كانت مرتبطة
    تعدد الأشكال بالأقمار الصناعية الدقيقة
    الاختلاف بين الأفراد في تسلسل وعدد مرات تكرار الحمض النووي للساتل الصغير
    الخريطة المادية
    تمثيل المسافة المادية بين الجينات أو العلامات الجينية
    رسم الخرائط الإشعاعية الهجينة
    المعلومات التي تم الحصول عليها عن طريق تجزئة الكروموسوم بالأشعة السينية
    تعدد أشكال طول جزء التقييد (RFLP)
    الاختلاف بين الأفراد في طول شظايا الحمض النووي الناتجة عن تقييد كريات الدم البيضاء
    رسم خرائط التسلسل
    تم الحصول على معلومات رسم الخرائط بعد تسلسل الحمض
    تعدد أشكال النوكليوتيد الأحادي (SNP)
    الاختلاف بين الأفراد في نيوكليوتيد واحد
    عدد متغير من التكرارات الترادفية (VNTR)
    الاختلاف في عدد التكرارات الترادفية بين الأفراد في السكان