Skip to main content
Global

10.4: هيكل ووظيفة الجينوم الخلوي

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    194601

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

    أهداف التعلم

    • تعريف الجين والنمط الجيني والتمييز بين النمط الجيني والنمط الظاهري
    • وصف بنية الكروموسوم والتعبئة
    • قارن الكروموسومات بدائية النواة وحقيقية النواة
    • اشرح سبب أهمية الحمض النووي خارج الكروموسومات في الخلية

    حتى الآن، ناقشنا هيكل ووظيفة الأجزاء الفردية من الحمض النووي والحمض النووي الريبي. في هذا القسم، سنناقش كيفية تنظيم جميع المواد الوراثية للكائن الحي - والتي يشار إليها مجتمعة باسم الجينوم الخاص به - داخل الخلية. نظرًا لأن علم الوراثة للكائن الحي يحدد خصائصه إلى حد كبير، فلا ينبغي أن يكون مفاجئًا أن الكائنات الحية تختلف في ترتيب الحمض النووي والحمض النووي الريبي.

    النمط الجيني مقابل النمط الظاهري

    يتم ترميز جميع الأنشطة الخلوية داخل الحمض النووي للخلية. يمثل تسلسل القواعد داخل جزيء الحمض النووي المعلومات الجينية للخلية. تسمى شرائح جزيئات الحمض النووي بالجينات، وتحتوي الجينات الفردية على الكود التعليمي اللازم لتجميع مختلف البروتينات أو الإنزيمات أو جزيئات الحمض النووي الريبي المستقرة.

    تسمى المجموعة الكاملة من الجينات التي تحتويها الخلية داخل جينومها بالنمط الجيني. ومع ذلك، لا تعبر الخلية عن جميع جيناتها في وقت واحد. بدلاً من ذلك، يتم تشغيل (التعبير عن) أو إيقاف تشغيل جينات معينة عند الضرورة. تحدد مجموعة الجينات التي يتم التعبير عنها في أي وقت أنشطة الخلية وخصائصها التي يمكن ملاحظتها، والتي يشار إليها بالنمط الظاهري. تُعرف الجينات التي يتم التعبير عنها دائمًا بالجينات التأسيسية؛ وتُعرف بعض الجينات التأسيسية باسم جينات التدبير المنزلي لأنها ضرورية للوظائف الأساسية للخلية.

    بينما يظل النمط الجيني للخلية ثابتًا، قد يتغير النمط الظاهري استجابة للإشارات البيئية (على سبيل المثال، التغيرات في درجة الحرارة أو توافر المغذيات) التي تؤثر على الجينات غير التأسيسية التي يتم التعبير عنها. على سبيل المثال، تنتج بكتيريا Streptococcus mutans الفموية طبقة لزجة تسمح لها بالالتصاق بالأسنان وتشكيل اللويحات السنية؛ ومع ذلك، فإن الجينات التي تتحكم في إنتاج طبقة الوحل يتم التعبير عنها فقط في وجود السكروز (سكر المائدة). وهكذا، في حين أن النمط الجيني لـ S. mutans ثابت، فإن النمط الظاهري يتغير اعتمادًا على وجود وغياب السكر في بيئته. يمكن أن تنظم درجة الحرارة أيضًا التعبير الجيني. على سبيل المثال، تنتج بكتيريا Serratia marcescens سالبة الجرام، وهي عامل ممرض يرتبط كثيرًا بالعدوى المكتسبة من المستشفى، صبغة حمراء عند 28 درجة مئوية ولكن ليس عند 37 درجة مئوية، وهي درجة الحرارة الداخلية الطبيعية لجسم الإنسان (الشكل\(\PageIndex{1}\)).

    صورة لوحة أجار بخلايا وردية على اليسار وأخرى بخلايا باللون البيج على اليمين. تم تسمية كلتا اللوحتين بـ S. marcescens. نمت الثقافة الوردية عند 28 درجة؛ ثقافة البيج عند 37 درجة.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): تحتوي كلتا الصفيحتين على سلالات من Serratia marcescens التي لها جين الصبغة الحمراء. ومع ذلك، يتم التعبير عن هذا الجين عند 28 درجة مئوية (يسار) ولكن ليس عند 37 درجة مئوية (يمين). (الائتمان: تعديل العمل من قبل آن أومان)

    تنظيم المواد الوراثية

    يتم تنظيم الغالبية العظمى من جينوم الكائن الحي في كروموسومات الخلية، وهي هياكل منفصلة للحمض النووي داخل الخلايا التي تتحكم في النشاط الخلوي. تذكر أنه بينما توجد الكروموسومات حقيقية النواة في النواة المرتبطة بالغشاء، فإن معظم بدائيات النواة تحتوي على كروموسوم دائري واحد موجود في منطقة من السيتوبلازم تسمى النواة (انظر الخصائص الفريدة للخلايا بدائية النواة). قد يحتوي الكروموسوم على عدة آلاف من الجينات.

    تنظيم كروموسوم حقيقيات النواة

    يختلف هيكل الكروموسوم إلى حد ما بين الخلايا حقيقية النواة والخلايا بدائية النواة. عادةً ما تكون الكروموسومات حقيقية النواة خطية، وتحتوي الخلايا حقيقية النواة على كروموسومات مميزة متعددة. تحتوي العديد من الخلايا حقيقية النواة على نسختين من كل كروموسوم، وبالتالي فهي ثنائية الصبغيات.

    يتجاوز طول الكروموسوم طول الخلية بشكل كبير، لذلك يجب تعبئة الكروموسوم في مساحة صغيرة جدًا ليتناسب مع الخلية. على سبيل المثال، فإن الطول الإجمالي لجميع الأزواج الأساسية البالغ عددها 3 مليارات (1) من الحمض النووي للجينوم البشري سيقيس حوالي مترين إذا تم تمديده بالكامل، وبعض الجينومات حقيقية النواة أكبر بعدة مرات من الجينوم البشري. يشير اللف الفائق للحمض النووي إلى العملية التي يتم من خلالها لف الحمض النووي ليلائم داخل الخلية. قد يؤدي اللف الفائق إلى وجود الحمض النووي إما تحت الجرح (أقل من دورة واحدة من اللولب لكل 10 أزواج أساسية) أو ملفوف (أكثر من دورة واحدة لكل 10 أزواج أساسية) من حالة الاسترخاء الطبيعية. تشمل البروتينات المعروفة بتورطها في اللف الفائق التوبويزوميراز؛ تساعد هذه الإنزيمات في الحفاظ على بنية الكروموسومات فائقة الالتواء، مما يمنع تراكم الحمض النووي أثناء عمليات خلوية معينة مثل تكرار الحمض النووي.

    أثناء تعبئة الحمض النووي، تؤدي البروتينات الرابطة للحمض النووي والتي تسمى الهستونات مستويات مختلفة من تغليف الحمض النووي والتعلق ببروتينات السقالات. يشار إلى مزيج الحمض النووي مع هذه البروتينات المرفقة باسم الكروماتين. في حقيقيات النوى، قد يتأثر تغليف الحمض النووي بواسطة الهستونات بالعوامل البيئية التي تؤثر على وجود مجموعات الميثيل على بعض النيوكليوتيدات السيتوزية للحمض النووي. يُطلق على تأثير العوامل البيئية على تغليف الحمض النووي اسم علم التخلق. علم التخلق هو آلية أخرى لتنظيم التعبير الجيني دون تغيير تسلسل النيوكليوتيدات. يمكن الحفاظ على التغيرات اللاجينية من خلال جولات متعددة من انقسام الخلايا، وبالتالي يمكن أن تكون قابلة للتوريث.

    رابط إلى التعلم

    شاهد هذه الرسوم المتحركة من مركز DNA Learning Center لمعرفة المزيد عن تغليف الحمض النووي في حقيقيات النوى.

    تنظيم الكروموسومات بدائية النواة

    عادة ما تكون الكروموسومات في البكتيريا والعتيقة دائرية، وعادة ما تحتوي الخلية بدائية النواة على كروموسوم واحد فقط داخل النواة. نظرًا لأن الكروموسوم يحتوي على نسخة واحدة فقط من كل جين، فإن بدائيات النواة أحادية الصبغيات. كما هو الحال في الخلايا حقيقية النواة، يعد اللف الفائق للحمض النووي ضروريًا للجينوم ليتناسب مع الخلية بدائية النواة. يتم ترتيب الحمض النووي في الكروموسوم البكتيري في عدة مجالات فائقة اللف. كما هو الحال مع حقيقيات النوى، تشارك توبويزوميراز في اللف الفائق للحمض النووي. إن DNA gyrase هو نوع من التوبويزوميراز، الموجود في البكتيريا وبعض الأركيا، ويساعد على منع تراكم الحمض النووي. (بعض المضادات الحيوية تقتل البكتيريا عن طريق استهداف جيراز الحمض النووي.) بالإضافة إلى ذلك، تربط البروتينات الشبيهة بالهيستون الحمض النووي وتساعد في تغليف الحمض النووي. ترتبط البروتينات الأخرى بأصل النسخ المتماثل، وهو الموقع في الكروموسوم الذي يبدأ فيه تكرار الحمض النووي. نظرًا لأن مناطق مختلفة من الحمض النووي يتم تعبئتها بشكل مختلف، فإن بعض مناطق الحمض النووي الكروموسومي تكون في متناول الإنزيمات وبالتالي يمكن استخدامها بسهولة أكبر كقوالب للتعبير الجيني. ومن المثير للاهتمام أن العديد من البكتيريا، بما في ذلك Helicobacter pylori و Shigella flexneri، قد ثبت أنها تحفز التغيرات اللاجينية في مضيفيها عند الإصابة، مما يؤدي إلى إعادة تشكيل الكروماتين الذي قد يسبب تأثيرات طويلة المدى على مناعة المضيف. 2

    التمارين الرياضية\(\PageIndex{1}\)

    1. ما الفرق بين النمط الجيني للخلية ونمطها الظاهري؟
    2. كيف يتناسب الحمض النووي داخل الخلايا؟

    الحمض النووي غير المشفر

    بالإضافة إلى الجينات، يحتوي الجينوم أيضًا على العديد من مناطق الحمض النووي غير المشفر التي لا تقوم بتشفير البروتينات أو منتجات الحمض النووي الريبي المستقرة. يوجد الحمض النووي غير المشفر بشكل شائع في المناطق قبل بدء تسلسل ترميز الجينات وكذلك في المناطق البينية (أي تسلسلات الحمض النووي الموجودة بين الجينات) (الشكل\(\PageIndex{2}\)).

    كروموسوم مرسوم على شكل X. عندما ينكشف الخيط، نرى أنه حلزون مزدوج طويل مع جينات تتخللها مناطق غير مشفرة.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): تحتوي الكروموسومات عادةً على كمية كبيرة من الحمض النووي غير المشفر، وغالبًا ما توجد في المناطق البينية.

    يبدو أن بدائيات النواة تستخدم جينوماتها بكفاءة عالية، حيث يتم امتصاص 12% فقط من الجينوم بواسطة تسلسلات غير مشفرة. في المقابل، يمكن أن يمثل الحمض النووي غير المشفر حوالي 98٪ من الجينوم في حقيقيات النوى، كما هو موضح في البشر، ولكن النسبة المئوية للحمض النووي غير المشفر تختلف بين الأنواع. 3 تمت الإشارة إلى مناطق الحمض النووي غير المشفرة هذه ذات مرة باسم «الحمض النووي غير المرغوب فيه»؛ ومع ذلك، لم تعد هذه المصطلحات مقبولة على نطاق واسع لأن العلماء وجدوا منذ ذلك الحين أدوارًا لبعض هذه المناطق، والتي يساهم العديد منها في تنظيم النسخ أو الترجمة من خلال إنتاج جزيئات الحمض النووي الريبي غير المشفرة وتغليف الحمض النووي واستقرار الكروموسومات. على الرغم من أن العلماء قد لا يفهمون تمامًا أدوار جميع المناطق غير المشفرة للحمض النووي، إلا أنه يُعتقد عمومًا أن لها أغراضًا داخل الخلية.

    التمارين الرياضية\(\PageIndex{2}\)

    ما هو دور الحمض النووي غير المشفر؟

    الحمض النووي خارج الكروموسومات

    على الرغم من أن معظم الحمض النووي موجود في كروموسومات الخلية، فإن العديد من الخلايا تحتوي على جزيئات إضافية من الحمض النووي خارج الكروموسومات، تسمى الحمض النووي خارج الكروموسومات، والتي تعد أيضًا جزءًا من جينومها. ستشمل جينومات الخلايا حقيقية النواة أيضًا الكروموسومات من أي عضيات مثل الميتوكوندريا و/أو البلاستيدات الخضراء التي تحتفظ بها هذه الخلايا (الشكل\(\PageIndex{3}\)). يعد الحفاظ على الكروموسومات الدائرية في هذه العضيات من بقايا أصولها البدائية ويدعم نظرية الإندوسيمبيوتيك (انظر أسس نظرية الخلية الحديثة). في بعض الحالات، يمكن أيضًا الحفاظ على جينومات بعض فيروسات الحمض النووي بشكل مستقل في الخلايا المضيفة أثناء العدوى الفيروسية الكامنة. في هذه الحالات، تعد هذه الفيروسات شكلاً آخر من أشكال الحمض النووي خارج الكروموسومات. على سبيل المثال، يمكن الحفاظ على فيروس الورم الحليمي البشري (HPV) في الخلايا المصابة بهذه الطريقة.

    رسم لخلية. تحتوي الخلية على كرة كبيرة تسمى النواة، وأشكال بيضاوية أصغر تسمى الميتوكوندريا، وأشكال بيضاوية خضراء صغيرة تسمى البلاستيدات الخضراء.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): يتكون جينوم الخلية حقيقية النواة من الكروموسوم الموجود في النواة، والحمض النووي خارج الكروموسومات الموجود في الميتوكوندريا (جميع الخلايا) والبلاستيدات الخضراء (النباتات والطحالب).

    إلى جانب الكروموسومات، تحتوي بعض بدائيات النواة أيضًا على حلقات أصغر من الحمض النووي تسمى البلازميدات التي قد تحتوي على جين واحد أو عدد قليل من الجينات غير الضرورية للنمو الطبيعي (الشكل 3.3.1). يمكن للبكتيريا تبادل هذه البلازميدات مع البكتيريا الأخرى في عملية تعرف باسم النقل الأفقي للجينات (HGT). يؤدي تبادل المواد الجينية على البلازميدات أحيانًا إلى تزويد الميكروبات بجينات جديدة مفيدة للنمو والبقاء في ظل ظروف خاصة. في بعض الحالات، قد يكون للجينات التي يتم الحصول عليها من البلازميدات آثار سريرية، حيث تقوم بترميز عوامل الضراوة التي تمنح الميكروب القدرة على التسبب في المرض أو جعل الميكروب مقاومًا لمضادات حيوية معينة. تستخدم البلازميدات أيضًا بكثافة في الهندسة الوراثية والتكنولوجيا الحيوية كوسيلة لنقل الجينات من خلية إلى أخرى. سيتم مناقشة دور البلازميدات في النقل الأفقي للجينات والتكنولوجيا الحيوية بشكل أكبر في آليات علم الوراثة الميكروبية والتطبيقات الحديثة لعلم الوراثة الميكروبية.

    التمارين الرياضية\(\PageIndex{3}\)

    كيف تشارك البلازميدات في مقاومة المضادات الحيوية؟

    البلازميدات القاتلة

    أصيبت ماريا، وهي طالبة في علم الإنسان تبلغ من العمر 20 عامًا من تكساس، بالمرض مؤخرًا في دولة بوتسوانا الأفريقية، حيث كانت تجري أبحاثًا كجزء من برنامج للدراسة في الخارج. ركزت أبحاث ماريا على الأساليب الأفريقية التقليدية لدباغة الجلود لإنتاج الجلود. على مدى ثلاثة أسابيع، زارت الدباغة يوميًا لعدة ساعات لمراقبة عملية الدباغة والمشاركة فيها. في أحد الأيام، بعد عودتها من الدباغة، أصيبت ماريا بحمى وقشعريرة وصداع، إلى جانب ألم في الصدر وآلام في العضلات وغثيان وأعراض أخرى تشبه أعراض الأنفلونزا. في البداية، لم تشعر بالقلق، ولكن عندما ارتفعت درجة حرارتها وبدأت تسعل الدم، شعرت أسرتها الأفريقية المضيفة بالقلق وهرعت إلى المستشفى، حيث استمرت حالتها في التدهور.

    بعد أن علم الطبيب بعملها الأخير في الدباغة، اشتبه الطبيب في أن ماريا قد تعرضت لمرض الجمرة الخبيثة. طلب فحص الصدر بالأشعة السينية، وعينة دم، والبزل الشوكي، وبدأ لها على الفور في تناول دورة من البنسلين الوريدي. لسوء الحظ، أكدت الاختبارات المعملية التشخيص الافتراضي للطبيب. أظهرت الأشعة السينية لصدر ماريا الانصباب الجنبي، وتراكم السوائل في الفراغ بين الأغشية الجنبية، وكشفت بقعة غرام من دمها عن وجود بكتيريا إيجابية الجرام على شكل قضيب في سلاسل قصيرة، بما يتفق مع عصيات الجمرة الخبيثة. كما تبين وجود دم وبكتيريا في السائل النخاعي، مما يشير إلى أن العدوى تطورت إلى التهاب السحايا. على الرغم من العلاج الداعم والعلاج بالمضادات الحيوية القوية، دخلت ماريا في حالة عدم استجابة وتوفيت بعد ثلاثة أيام.

    الجمرة الخبيثة هو مرض ناجم عن إدخال المسام الداخلية من بكتيريا B. أنثراسيس الإيجابية للجرام إلى الجسم. بمجرد الإصابة بالعدوى، عادة ما يصاب المرضى بالتهاب السحايا، وغالبًا ما تكون النتائج مميتة. في حالة ماريا، استنشقت المسام الداخلية أثناء التعامل مع جلود الحيوانات المصابة.

    يوضح جينوم B. anthracis كيف يمكن أن تؤدي الاختلافات الهيكلية الصغيرة إلى اختلافات كبيرة في الفوعة. في عام 2003، تم ترتيب ومقارنة جينومات B. anthracis و Bacillus cereus، وهي بكتيريا متشابهة ولكنها أقل مرضًا من نفس الجنس. 4 اكتشف الباحثون أن التسلسلات الجينية 16S rRNA لهذه البكتيريا متطابقة بنسبة تزيد عن 99٪، مما يعني أنها في الواقع أعضاء في نفس النوع على الرغم من تصنيفها التقليدي كنوع منفصل. على الرغم من أن تسلسلات الكروموسومات الخاصة بهم كشفت أيضًا عن قدر كبير من التشابه، فقد تم العثور على العديد من عوامل ضراوة B. anthracis تم ترميزها على اثنين من البلازميدات الكبيرة غير الموجودة في B. cereus. يقوم البلازميد Px01 بتشفير مادة سامة من ثلاثة أجزاء تثبط الجهاز المناعي للمضيف، بينما يقوم البلازميد Px02 بتشفير السكاريد الكبسوري الذي يحمي البكتيريا بشكل أكبر من الجهاز المناعي للمضيف (الشكل\(\PageIndex{4}\)). نظرًا لأن B. cereus تفتقر إلى هذه البلازميدات، فإنها لا تنتج عوامل الضراوة هذه، وعلى الرغم من أنها لا تزال مسببة للأمراض، إلا أنها ترتبط عادةً بحالات خفيفة من الإسهال يمكن للجسم التعافي منها بسرعة. لسوء حظ ماريا، فإن وجود هذه البلازميدات المشفرة للسموم في بكتيريا B. anthracis يعطيها ضراوة قاتلة.

    رسم تخطيطي لـ Bacillus cereus يُظهر خلية بيضاوية بحلقة مطوية من الكروموسوم. يحتوي الرسم التخطيطي الثاني لهذه الخلية على حلقتين صغيرتين، واحدة تسمى توكسين التشفير px01 والأخرى تسمى توكسين التشفير px02.
    الشكل\(\PageIndex{4}\): يكشف التسلسل الجينومي لعصيات الجمرة الخبيثة وقريبها القريب B. cereus أن الإمراضية لـ B. anthracis ترجع إلى الحفاظ على اثنين من البلازميدات، Px01 و Px02، التي تشفر عوامل الفوعة.

    التمارين الرياضية\(\PageIndex{4}\)

    ما الذي تعتقد أنه سيحدث لإمراضية بكتيريا الجمرة الخبيثة إذا فقدت واحدة من بلازميداتها أو كليهما؟

    التركيز السريري: القرار

    في غضون 24 ساعة، كشفت نتائج تحليل الاختبار التشخيصي لعينة براز أليكس أنها كانت إيجابية للسموم المعوية القابلة للحرارة (LT)، والسموم المعوية المستقرة بالحرارة (ST)، وعامل الاستعمار (CF)، مما يؤكد اشتباه طبيب المستشفى في ETEC. خلال المتابعة مع طبيب عائلة أليكس، لاحظ هذا الطبيب أن أعراض أليكس لا تتلاشى بسرعة وأنه كان يعاني من عدم الراحة مما منعه من العودة إلى الفصول الدراسية. وصف طبيب الأسرة أليكس دورة من السيبروفلوكساسين لحل أعراضه. لحسن الحظ، حل السيبروفلوكساسين أعراض أليكس في غضون أيام قليلة.

    من المحتمل أن يكون أليكس قد أصيب بالعدوى من تناول طعام أو ماء ملوث. لا تزال الدول الصناعية الناشئة مثل المكسيك تعمل على تطوير ممارسات الصرف الصحي التي تمنع تلوث المياه بالمواد البرازية. يجب على المسافرين في هذه البلدان تجنب تناول الأطعمة غير المطهية جيدًا، وخاصة اللحوم والمأكولات البحرية والخضروات ومنتجات الألبان غير المبسترة. يجب عليهم أيضًا تجنب استخدام المياه التي لم تتم معالجتها؛ وهذا يشمل مياه الشرب ومكعبات الثلج وحتى المياه المستخدمة لتنظيف الأسنان. يعد استخدام المياه المعبأة لهذه الأغراض بديلاً جيدًا. يمكن أن تساعد النظافة الجيدة (غسل اليدين) أيضًا في الوقاية من عدوى ETEC. لم يكن أليكس حذرًا بشأن استهلاكه للطعام أو الماء، مما أدى إلى مرضه.

    كانت أعراض أليكس مشابهة جدًا لأعراض الكوليرا، التي تسببها بكتيريا Vibrio cholerae التي لا تحمل الجرام، والتي تنتج أيضًا سمًا مشابهًا لـ ST و LT. في مرحلة ما من التاريخ التطوري لـ ETEC، قد تكون سلالة غير مسببة للأمراض من E. coli مماثلة لتلك الموجودة عادة في الأمعاء قد اكتسبت الجينات التي ترمز إلى سموم ST و LT من V. colerae. إن حقيقة أن الجينات التي ترمز إلى تلك السموم يتم ترميزها على البلازميدات خارج الكروموسومات في ETEC تدعم فكرة أن هذه الجينات قد اكتسبتها E. coli ومن المحتمل أن يتم الاحتفاظ بها في مجموعات بكتيرية من خلال النقل الأفقي للجينات.

    جينومات فيروسية

    تُظهر الجينومات الفيروسية تنوعًا كبيرًا في البنية. تحتوي بعض الفيروسات على جينومات تتكون من الحمض النووي كمادة وراثية. قد يكون هذا الحمض النووي محاصرًا واحدًا، كما يتضح من الفيروسات الصغيرة البشرية، أو قد تقطعت به السبل مرتين، كما هو موضح في فيروسات الهربس وفيروسات الجدري. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من أن جميع أشكال الحياة الخلوية تستخدم الحمض النووي كمادة وراثية، فإن بعض الجينومات الفيروسية تتكون إما من جزيئات الحمض النووي الريبي أحادية الجديلة أو مزدوجة الجديلة، كما ناقشنا. عادةً ما تكون الجينومات الفيروسية أصغر من معظم الجينومات البكتيرية، حيث تقوم بترميز عدد قليل فقط من الجينات، لأنها تعتمد على مضيفيها لتنفيذ العديد من الوظائف المطلوبة لتكرارها. تمت مناقشة تنوع هياكل الجينوم الفيروسي وآثارها على دورات حياة النسخ الفيروسي بمزيد من التفصيل في دورة الحياة الفيروسية.

    التمارين الرياضية\(\PageIndex{5}\)

    لماذا تختلف الجينومات الفيروسية بشكل كبير بين الفيروسات؟

    حجم الجينوم مهم

    هناك تباين كبير في حجم الجينوم بين الكائنات الحية المختلفة. تحتفظ معظم حقيقيات النواة بكروموسومات متعددة؛ فالبشر، على سبيل المثال، لديهم 23 زوجًا، مما يمنحهم 46 كروموسومًا. على الرغم من حجمه البالغ 3 مليارات زوج أساسي، إلا أن الجينوم البشري بعيد عن أكبر جينوم. غالبًا ما تحتفظ النباتات بجينومات كبيرة جدًا، تصل إلى 150 مليار زوج أساسي، وعادة ما تكون متعددة الصبغيات، وتحتوي على نسخ متعددة من كل كروموسوم.

    يختلف حجم الجينومات البكتيرية أيضًا بشكل كبير، على الرغم من أنها تميل إلى أن تكون أصغر من الجينومات حقيقية النواة (الشكل\(\PageIndex{5}\)). قد تكون بعض الجينومات البكتيرية صغيرة مثل 112,000 زوج أساسي فقط. غالبًا ما يرتبط حجم جينوم البكتيريا ارتباطًا مباشرًا بمدى اعتماد البكتيريا على مضيفها للبقاء على قيد الحياة. عندما تعتمد البكتيريا على الخلية المضيفة للقيام بوظائف معينة، فإنها تفقد الجينات التي ترمز إلى القدرات للقيام بهذه الوظائف بنفسها. هذه الأنواع من الإندوسيمبيونات البكتيرية تذكرنا بالأصول البدائية النواة للميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء.

    من منظور سريري، تميل مسببات الأمراض الإلزامية داخل الخلايا أيضًا إلى امتلاك جينومات صغيرة (حوالي مليون زوج أساسي). نظرًا لأن الخلايا المضيفة توفر معظم العناصر الغذائية، فإنها تميل إلى تقليل عدد الجينات التي ترمز إلى وظائف التمثيل الغذائي. نظرًا لصغر أحجامها، كانت جينومات الكائنات الحية مثل الميكوبلازما جينتاليوم (580 ألف زوج أساسي) والكلاميديا تراخوماتيس (1.0 مليون) والريكتسيا برووازيكي (1.1 مليون) والتريبونيما الشاحبة (1.1 مليون) بعضًا من الجينومات البكتيرية السابقة التسلسل. على التوالي، تسبب مسببات الأمراض هذه التهاب الإحليل والتهاب الحوض والكلاميديا والتيفوس والزهري.

    في حين أن مسببات الأمراض الملزمة داخل الخلايا تحتوي على جينومات صغيرة بشكل غير عادي، فإن البكتيريا الأخرى التي تتمتع بمجموعة كبيرة ومتنوعة من القدرات الأيضية والإنزيمية لها جينومات بكتيرية كبيرة بشكل غير عادي. Pseudomonas aeruginosa، على سبيل المثال، هي بكتيريا شائعة في البيئة وقادرة على النمو على مجموعة واسعة من الركائز. يحتوي جينومها على 6.3 مليون زوج أساسي، مما يمنحه قدرة عالية على التمثيل الغذائي والقدرة على إنتاج عوامل ضراوة تسبب عدة أنواع من العدوى الانتهازية.

    ومن المثير للاهتمام أنه كان هناك تباين كبير في حجم الجينوم في الفيروسات أيضًا، بدءًا من 3500 زوج أساسي إلى 2.5 مليون زوج أساسي، وهو ما يتجاوز بشكل كبير حجم العديد من الجينومات البكتيرية. يساهم الاختلاف الكبير الذي لوحظ في أحجام الجينوم الفيروسي أيضًا في التنوع الكبير لخصائص الجينوم الفيروسي التي تمت مناقشتها بالفعل.

    رسم بياني يوضح أحجام الجينوم. تحتوي الفيروسات على جينومات تتراوح من 1.7x10 إلى bp 2 إلى 2.5x10 إلى bp 6. تحتوي البكتيريا على جينومات تتراوح في الحجم من 10 إلى 5 إلى 10 إلى 7. أحد الأمثلة على ذلك هو E. coli الذي يتراوح من 4.6 إلى 5.6 × 10 إلى bp 6. تحتوي الفطريات على جينومات تتراوح من 10 إلى 6 إلى 10 إلى 8 درجة. يحتوي السكروميسيس سيريفيسيا (الخميرة) على جينوم يتراوح من 1.2 × 10 إلى النقطة السابعة. تحتوي النباتات والحيوانات على جينومات تتراوح من 10 إلى 6 إلى 10 إلى 11 نقطة. تتراوح الثدييات من 10 إلى 9 إلى 10 إلى 10 إلى 10 نقطة. لدى البشر جينوم من 3 × 10 إلى 9.
    الشكل\(\PageIndex{5}\): هناك تباين كبير وكذلك تداخل بين أحجام الجينوم لمجموعات مختلفة من الكائنات الحية والفيروسات.
    رابط إلى التعلم

    قم بزيارة قاعدة بيانات الجينوم الخاصة بالمركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية (NCBI) لمعرفة الجينومات التي تم تسلسلها وأحجامها.

    المفاهيم الأساسية والملخص

    • المحتوى الجيني الكامل للخلية هو الجينوم الخاص بها.
    • رمز الجينات للبروتينات، أو جزيئات الحمض النووي الريبي المستقرة، كل منها يؤدي وظيفة محددة في الخلية.
    • على الرغم من أن النمط الجيني الذي تمتلكه الخلية يظل ثابتًا، إلا أن التعبير عن الجينات يعتمد على الظروف البيئية.
    • النمط الظاهري هو الخصائص التي يمكن ملاحظتها للخلية (أو الكائن الحي) في وقت معين وينتج عن مكمل الجينات المستخدمة حاليًا.
    • يتم تنظيم غالبية المواد الجينية في كروموسومات تحتوي على الحمض النووي الذي يتحكم في الأنشطة الخلوية.
    • عادةً ما تكون بدائيات النواة أحادية الصبغية، وعادة ما تحتوي على كروموسوم دائري واحد موجود في النواة. إن حقيقيات النوى ثنائية الصبغيات؛ ويتم تنظيم الحمض النووي في كروموسومات خطية متعددة موجودة في النواة.
    • يسمح اللف الفائق وتغليف الحمض النووي باستخدام بروتينات ربط الحمض النووي للجزيئات الطويلة بالتناسب داخل الخلية. تستخدم حقيقيات النواة والأراكيا بروتينات هيستون، وتستخدم البكتيريا بروتينات مختلفة ذات وظيفة مماثلة.
    • يحتوي كل من الجينومات بدائية النواة وجينومات حقيقية النواة على الحمض النووي غير المشفر، الذي لا تُفهم وظيفته جيدًا. يبدو أن بعض الحمض النووي غير المشفر يشارك في تكوين جزيئات الحمض النووي الريبي الصغيرة غير المشفرة التي تؤثر على التعبير الجيني؛ يبدو أن بعضها يلعب دورًا في الحفاظ على بنية الكروموسومات وفي تغليف الحمض النووي.
    • يتضمن الحمض النووي خارج الكروموسومات في حقيقيات النوى الكروموسومات الموجودة داخل العضيات ذات الأصل الأولي (الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء) التي تطورت عن طريق التكافل الداخلي. قد تحافظ بعض الفيروسات أيضًا على نفسها خارج الكروموسومات.
    • عادةً ما يتم الاحتفاظ بالحمض النووي خارج الكروموسومات في بدائيات النواة كبلازميدات تقوم بتشفير بعض الجينات غير الأساسية التي قد تكون مفيدة في ظل ظروف محددة. يمكن أن تنتشر البلازميدات عبر مجتمع بكتيري عن طريق النقل الأفقي للجينات.
    • تُظهر الجينومات الفيروسية تباينًا كبيرًا وقد تتكون من الحمض النووي الريبي أو الحمض النووي، وقد تكون إما مزدوجة أو مفردة.

    الحواشي

    1. 1 المعهد الوطني لبحوث الجينوم البشري. «إكمال مشروع الجينوم البشري: أسئلة متكررة». https://www.genome.gov/11006943. تم الوصول إليه في 10 يونيو 2016
    2. 2 إتش بيرن وآخرون. «علم التخلق والالتهابات البكتيرية». وجهات نظر كولد سبرينغ هاربور في الطب رقم 2 رقم 12 (2012) :a010272.
    3. 3 آر جي تافت وآخرون. «العلاقة بين الحمض النووي غير المشفر للبروتين والتعقيد حقيقي النواة.» مقالات السيرة الذاتية 29 رقم 3 (2007): 288-299.
    4. 4 ن. إيفانوفا وآخرون. «التسلسل الجيني لـ Bacillus cereus والتحليل المقارن مع Bacillus anthracis.» الطبيعة 423 رقم 6935 (2003): 87—91.