7.3: أخطاء في الانقسام الاختزالي
- Page ID
- 191604
يمكن أن تنشأ الاضطرابات الوراثية عندما تتصرف الكروموسومات بشكل غير طبيعي أثناء الانقسام الاختزالي يمكن تقسيم اضطرابات الكروموسومات إلى فئتين: التشوهات في عدد الكروموسومات وعمليات إعادة الترتيب الهيكلي للكروموسوم. نظرًا لأن حتى الأجزاء الصغيرة من الكروموسومات يمكن أن تشمل العديد من الجينات، فإن الاضطرابات الكروموسومية مثيرة بشكل مميز وغالبًا ما تكون قاتلة.
الاضطرابات في عدد الكروموسوم
تشكل العزلة والمراقبة المجهرية للكروموسومات أساس علم الوراثة الخلوية وهي الطريقة الأساسية التي يكتشف بها الأطباء تشوهات الكروموسومات في البشر. النمط النووي هو عدد الكروموسومات ومظهرها، بما في ذلك طولها ونمط النطاقات وموضعها المركزي. للحصول على عرض للنمط النووي للفرد، يقوم علماء الخلايا بتصوير الكروموسومات ثم قص ولصق كل كروموسوم في مخطط أو رسم بياني (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
المهن قيد التنفيذ: يستخدم علماء الوراثة التصوير الكروموسومي لتحديد الانحرافات الكروموسومية
النمط النووي هو طريقة يمكن من خلالها التعرف على السمات التي تتميز بتشوهات الكروموسومات من خلية واحدة. لمراقبة النمط النووي للفرد، يتم جمع خلايا الشخص (مثل خلايا الدم البيضاء) أولاً من عينة دم أو أنسجة أخرى. في المختبر، يتم تحفيز الخلايا المعزولة لبدء الانقسام بنشاط. ثم يتم تطبيق مادة كيميائية على الخلايا لوقف الانقسام الفتيلي أثناء الميتاتاز. ثم يتم تثبيت الخلايا على شريحة.
يقوم عالم الوراثة بعد ذلك بتلوين الكروموسومات بواحدة من عدة أصباغ لتصور أنماط النطاقات المميزة والقابلة للتكرار لكل زوج من الكروموسومات بشكل أفضل. بعد التلوين، يتم عرض الكروموسومات باستخدام الفحص المجهري للمجال الساطع. يمكن لأخصائي علم الوراثة الخلوية ذو الخبرة تحديد كل فرقة. بالإضافة إلى أنماط النطاقات، يتم تحديد الكروموسومات بشكل أكبر على أساس الحجم والموقع المركزي. للحصول على التصوير الكلاسيكي للنمط النووي الذي يتم فيه محاذاة أزواج الكروموسومات المتماثلة بالترتيب العددي من الأطول إلى الأقصر، يحصل عالم الوراثة على صورة رقمية ويحدد كل كروموسوم ويرتب الكروموسومات يدويًا في هذا النمط (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
في أبسط صوره، قد يكشف الرسم الكروموسومي عن تشوهات وراثية يكون فيها لدى الفرد عدد كبير جدًا أو قليل جدًا من الكروموسومات لكل خلية. ومن الأمثلة على ذلك متلازمة داون، التي يتم تحديدها من خلال نسخة ثالثة من الكروموسوم 21، ومتلازمة تيرنر، التي تتميز بوجود كروموسوم X واحد فقط في النساء بدلاً من اثنين. يمكن لعلماء الوراثة أيضًا تحديد عمليات الحذف الكبيرة أو الإدخالات للحمض النووي. على سبيل المثال، يتم تحديد متلازمة جاكوبسين، التي تتضمن ملامح مميزة للوجه بالإضافة إلى عيوب القلب والنزيف، عن طريق حذف الكروموسوم 11. وأخيرًا، يمكن للنمط النووي تحديد الانتقالات التي تحدث عندما ينفصل جزء من المادة الوراثية عن كروموسوم ويعود إلى كروموسوم آخر أو بجزء مختلف من نفس الكروموسوم. تتسبب عمليات النقل في بعض أنواع السرطان، بما في ذلك سرطان الدم النقوي المزمن.
من خلال مراقبة الرسم النووي، يمكن لعلماء الوراثة بالفعل تصور التركيب الكروموسومي للفرد لتأكيد أو التنبؤ بالتشوهات الجينية في النسل حتى قبل الولادة.
حالات عدم التقسيم والازدواجية والحذف
من بين جميع الاضطرابات الكروموسومية، فإن التشوهات في عدد الكروموسومات هي الأكثر سهولة في التعرف عليها من خلال الرسم الكروموسومي. 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 المتماثلة أو الكروماتيدات الشقيقة في الانفصال أثناء الانقسام الاختزالي. يزداد خطر عدم الانفصال مع تقدم عمر الوالدين.
يمكن أن يحدث عدم الانفصال أثناء الانقسام الاختزالي الأول أو الثاني، مع نتائج مختلفة (الشكل\(\PageIndex{2}\)). إذا فشلت الكروموسومات المتماثلة في الانفصال أثناء الانقسام الاختزالي الأول، فإن النتيجة هي وجود مشيجين يفتقران إلى هذا الكروموسوم واثنين من الأمشاج مع نسختين من الكروموسوم. إذا فشلت الكروماتيدات الشقيقة في الانفصال أثناء الانقسام الاختزالي الثاني، فإن النتيجة هي مشيج واحد يفتقر إلى هذا الكروموسوم، واثنين من الأمشاج العادية بنسخة واحدة من الكروموسوم، ومشيج واحد بنسختين من الكروموسوم.
يُطلق على الفرد الذي لديه العدد المناسب من الكروموسومات لنوعه اسم euploid؛ في البشر، يتوافق التمثيل الصبغي مع 22 زوجًا من الأوتوسومات وزوج واحد من الكروموسومات الجنسية. يوصف الفرد الذي لديه خطأ في رقم الكروموسوم بأنه غير صبغي، وهو مصطلح يتضمن مونوسومي (فقدان كروموسوم واحد) أو التثلث الصبغي (اكتساب كروموسوم خارجي). دائمًا ما تفشل الزيجوت البشرية أحادية الذرة التي تفتقد أي نسخة واحدة من الأوتوسوم في التطور حتى الولادة لأنها تحتوي على نسخة واحدة فقط من الجينات الأساسية. تفشل معظم التثلث الصبغي الوراثي أيضًا في التطور حتى الولادة؛ ومع ذلك، يمكن أن يؤدي تكرار بعض الكروموسومات الأصغر (13 أو 15 أو 18 أو 21 أو 22) إلى بقاء النسل على قيد الحياة لعدة أسابيع إلى سنوات عديدة. يعاني الأفراد التريسومي من نوع مختلف من عدم التوازن الجيني: زيادة في جرعة الجينات. تتم معايرة وظائف الخلية وفقًا لكمية المنتج الجيني الذي تنتجه نسختان (جرعات) من كل جين؛ وتؤدي إضافة نسخة ثالثة (جرعة) إلى تعطيل هذا التوازن. التثلث الصبغي الأكثر شيوعًا هو الكروموسوم 21، مما يؤدي إلى متلازمة داون. يتمتع الأفراد المصابون بهذا الاضطراب الوراثي بسمات جسدية مميزة وتأخيرات في النمو والإدراك. ترتبط الإصابة بمتلازمة داون بعمر الأم، بحيث تكون النساء الأكبر سنًا أكثر عرضة لإنجاب أطفال يعانون من متلازمة داون (الشكل\(\PageIndex{3}\)).
مفهوم في العمل
تخيل إضافة كروموسوم يؤدي إلى متلازمة داون في محاكاة الفيديو هذه.
يُظهر البشر آثارًا ضارة كبيرة مع التثلث الصبغي الوراثي والأونوزومات الأحادية. لذلك، قد يبدو من غير المنطقي أن الإناث والذكور يمكنهم العمل بشكل طبيعي، على الرغم من حمل أعداد مختلفة من الكروموسوم X. يحدث هذا جزئيًا بسبب عملية تسمى تعطيل X. في وقت مبكر من التطور، عندما تتكون أجنة الثدييات الأنثوية من بضعة آلاف من الخلايا فقط، يتم تعطيل كروموسوم X واحد في كل خلية عن طريق التكثيف في بنية تسمى جسم Barr. لا يتم التعبير عن الجينات الموجودة على الكروموسوم X غير النشط. يكون الكروموسوم X المحدد (المشتق من الأم أو الأب) المعطل في كل خلية عشوائيًا، ولكن بمجرد حدوث التعطيل، ستحتوي جميع الخلايا المنحدرة من تلك الخلية على نفس الكروموسوم X غير النشط. من خلال هذه العملية، تعوض الإناث عن جرعتها الجينية المزدوجة من الكروموسوم X.
في ما يسمى بقطط «صدف السلحفاة»، يُلاحظ تعطيل X على أنه تنوع في لون المعطف (الشكل\(\PageIndex{4}\)). ستعبر الإناث غير المتجانسة في جين لون المعطف المرتبط بـ X عن أحد لونين مختلفين للطبقة فوق مناطق مختلفة من الجسم، وهو ما يتوافق مع أي كروموسوم X معطل في سلف الخلية الجنينية لتلك المنطقة. عندما ترى قطة السلحفاة، ستعرف أنها يجب أن تكون أنثى.
في الفرد الذي يحمل عددًا غير طبيعي من الكروموسومات X، ستقوم الآليات الخلوية بتعطيل جميع الخلايا باستثناء واحدة في كل خلية من خلاياها. ونتيجة لذلك، عادة ما ترتبط تشوهات الكروموسومات X بعيوب عقلية وجسدية خفيفة، بالإضافة إلى العقم. إذا كان الكروموسوم X غائبًا تمامًا، فلن يتطور الفرد.
تم وصف العديد من الأخطاء في رقم الكروموسوم الجنسي. يبدو الأفراد الذين لديهم ثلاثة كروموسومات X، تسمى Triplo-X، من الإناث ولكنهم يعبرون عن تأخيرات في النمو وانخفاض الخصوبة. يتوافق مكمل الكروموسوم XXY، المقابل لنوع واحد من متلازمة كلاينفيلتر، مع الأفراد الذكور ذوي الخصيتين الصغيرتين والثديين المتضخمين وشعر الجسم المنخفض. يخضع الكروموسوم X الإضافي للتعطيل للتعويض عن الجرعة الجينية الزائدة. متلازمة تيرنر، التي تتميز بأنها مكمل كروموسوم X0 (أي كروموسوم جنسي واحد فقط)، تتوافق مع أنثى ذات قامة قصيرة وبشرة مكسوة في منطقة الرقبة وضعف السمع والقلب والعقم.
يُطلق على الفرد الذي يحتوي على أكثر من العدد الصحيح من مجموعات الكروموسومات (اثنتان للأنواع ثنائية الصيغة الصبغية) اسم متعدد الصبغيات. على سبيل المثال، قد يؤدي إخصاب بويضة غير طبيعية ثنائية الصبغيات بحيوان منوي طبيعي أحادي الصبغيات إلى إنتاج زيجوت ثلاثي الصبغيات. تعتبر الحيوانات متعددة الصبغيات نادرة للغاية، مع وجود أمثلة قليلة فقط بين الديدان المفلطحة والقشريات والبرمائيات والأسماك والسحالي. تعتبر الحيوانات ثلاثية الصبغيات عقيمة لأن الانقسام الاختزالي لا يمكن أن يستمر بشكل طبيعي مع عدد فردي من مجموعات الكروموسومات. على النقيض من ذلك، فإن تعدد الصبغيات شائع جدًا في المملكة النباتية، وتميل النباتات متعددة الصبغيات إلى أن تكون أكبر وأكثر قوة من الترسبات في أنواعها.
عمليات إعادة ترتيب الكروموسوم
قام علماء الخلايا بتمييز العديد من عمليات إعادة الترتيب الهيكلية في الكروموسومات، بما في ذلك الازدواجية الجزئية والحذف والانعكاسات والنقل. غالبًا ما ينتج عن الازدواجية والحذف ذرية التي تبقى على قيد الحياة ولكنها تظهر تشوهات جسدية وعقلية. Cri-du-chat (من الفرنسية تعني «صرخة القطة») هي متلازمة مرتبطة بتشوهات الجهاز العصبي والميزات الجسدية التي يمكن التعرف عليها والتي تنتج عن حذف معظم الذراع الصغيرة للكروموسوم 5 (الشكل\(\PageIndex{5}\)). يُصدر الأطفال المصابون بهذا النمط الجيني صرخة مميزة عالية النبرة يستند إليها اسم الاضطراب.
يمكن تحديد انقلابات الكروموسومات وانتقالها من خلال مراقبة الخلايا أثناء الانقسام الاختزالي لأن الكروموسومات المتجانسة مع إعادة ترتيبها في أحد الزوجين يجب أن تلتف للحفاظ على محاذاة الجينات المناسبة والاقتران بشكل فعال خلال المرحلة الأولية الأولى.
انعكاس الكروموسوم هو انفصال جزء من الكروموسوم ودورانه بزاوية 180 درجة وإعادة إدخاله (الشكل\(\PageIndex{6}\)). ما لم تعطل التسلسل الجيني، فإن الانعكاسات تؤدي فقط إلى تغيير اتجاه الجينات ومن المحتمل أن تكون لها تأثيرات خفيفة أكثر من الأخطاء اللاصبغية.
التطور في العمل: انعكاس الكروموسوم 18
لا تؤدي جميع عمليات إعادة الترتيب الهيكلية للكروموسومات إلى إنتاج أفراد غير قابلين للحياة أو ضعفاء أو عقيمين. في حالات نادرة، يمكن أن يؤدي هذا التغيير إلى تطور نوع جديد. في الواقع، يبدو أن الانعكاس في الكروموسوم 18 قد ساهم في تطور البشر. هذا الانعكاس غير موجود في أقرب أقربائنا الوراثيين، الشمبانزي.
يُعتقد أن انعكاس الكروموسوم 18 قد حدث في البشر الأوائل بعد اختلافهم عن سلف مشترك مع الشمبانزي منذ ما يقرب من خمسة ملايين سنة. اقترح الباحثون أنه تم تكرار امتداد طويل من الحمض النووي على الكروموسوم 18 الخاص بأسلاف البشر، ولكن أثناء التكرار تم عكسه (إدخاله في الكروموسوم في اتجاه عكسي).
تشير المقارنة بين جينات الإنسان والشمبانزي في منطقة هذا الانعكاس إلى أن جينين - ROCK1 و USP14 - بعيدان في الكروموسوم البشري 18 عن بعضهما في كروموسوم الشمبانزي المقابل. يشير هذا إلى أن إحدى نقاط الانعكاس حدثت بين هذين الجينين. ومن المثير للاهتمام أن البشر والشمبانزي يعبرون عن USP14 بمستويات مميزة في أنواع معينة من الخلايا، بما في ذلك الخلايا القشرية والخلايا الليفية. ربما أدى انعكاس الكروموسوم 18 في أجداد الإنسان إلى إعادة وضع جينات معينة وإعادة ضبط مستويات تعبيرها بطريقة مفيدة. نظرًا لأن كلا من ROCK1 و USP14 يرمزان للإنزيمات، فإن التغيير في تعبيرها يمكن أن يغير الوظيفة الخلوية. من غير المعروف كيف ساهم هذا الانعكاس في تطور الإنسان، ولكن يبدو أنه عامل مهم في تباعد البشر عن الرئيسيات الأخرى. 1
يحدث الانتقال عندما ينفصل جزء من الكروموسوم ويعود إلى كروموسوم مختلف غير متماثل. يمكن أن تكون عمليات النقل حميدة أو لها آثار مدمرة، اعتمادًا على كيفية تغيير مواقع الجينات فيما يتعلق بالتسلسلات التنظيمية. والجدير بالذكر أن عمليات نقل محددة ارتبطت بالعديد من أنواع السرطان والفصام. تنجم عمليات النقل المتبادل عن تبادل مقاطع الكروموسومات بين اثنين من الكروموسومات غير المتجانسة بحيث لا يكون هناك كسب أو فقدان للمعلومات الجينية (الشكل\(\PageIndex{6}\)).
ملخص القسم
يجعل عدد الكروموسومات وحجمها وشكلها ونمطها النطاقي من السهل التعرف عليها في الرسم الكروموسومي ويسمح بتقييم العديد من التشوهات الكروموسومية. عادةً ما تكون الاضطرابات في عدد الكروموسومات، أو اختلال الصيغة الصبغية، قاتلة للجنين، على الرغم من أن بعض الأنماط الجينية الثلاثية قابلة للحياة. بسبب تعطيل X، عادةً ما يكون للانحرافات في الكروموسومات الجنسية تأثيرات أخف على الفرد. تتضمن حالات اختلال الصيغة الصبغية أيضًا الحالات التي يتم فيها تكرار أو حذف أجزاء من الكروموسوم. يمكن أيضًا إعادة ترتيب هياكل الكروموسومات، على سبيل المثال عن طريق الانعكاس أو النقل. يمكن أن يؤدي كل من هذه الانحرافات إلى آثار سلبية على التنمية أو الموت. نظرًا لأنها تجبر الكروموسومات على افتراض أزواج ملتوية أثناء الانقسام الاختزالي الأول، غالبًا ما ترتبط الانعكاسات وعمليات النقل بانخفاض الخصوبة بسبب احتمالية عدم الانفصال.
الحواشي
- 1 V Goidts، وآخرون.، «الازدواجية القطاعية المرتبطة بالانعكاس البشري للكروموسوم 18: مثال آخر لتأثير الازدواجية القطاعية على النمط النووي وتطور الجينوم في الرئيسيات»، علم الوراثة البشرية، 115 (2004) :116-22.
مسرد المصطلحات
- اختلال الصيغة الصبغية
- شخص لديه خطأ في رقم الكروموسوم؛ يتضمن عمليات حذف وتكرار مقاطع الكروموسوم
- الأوتوسوم
- أي من الكروموسومات غير الجنسية
- انعكاس الكروموسوم
- انفصال ذراع الكروموسوم ودورانه بزاوية 180 درجة وإعادة إدخاله
- تبلويد
- فرد لديه العدد المناسب من الكروموسومات لنوعه
- كاريوغرام
- الصورة الفوتوغرافية للنمط النووي
- النمط النووي
- عدد كروموسومات الفرد ومظهرها، بما في ذلك الحجم وأنماط النطاقات وموضع السنترومير
- أحادية
- نمط جيني ثنائي الصيغة الصبغية يكون فيه كروموسوم واحد مفقودًا
- عدم الانفصال
- فشل المتجانسات المشبكية في الانفصال تمامًا والانتقال إلى أقطاب منفصلة أثناء الانقسام الخلوي الأول للانقسام الاختزالي
- متعدد الصبغيات
- فرد لديه عدد غير صحيح من مجموعات الكروموسومات
- النقل
- العملية التي من خلالها ينفصل جزء واحد من الكروموسوم ويعود إلى كروموسوم مختلف غير متماثل
- التثلث الصبغي
- نمط جيني ثنائي الصيغة الصبغية يتم فيه تكرار كروموسوم واحد كامل
- تعطيل X
- تكثيف الكروموسومات X في أجسام Barr أثناء التطور الجنيني عند الإناث للتعويض عن الجرعة الجينية المزدوجة