Notes on Genetics and Genetic Engineering

علم الوراثة

• علم الوراثة: هو دراسة العوامل التي تسبب التشابهات والفروق بين الكائنات الحية.

• جريجور مندل:

  • وضع جريجور مندل أسس علم الوراثة عام 1866، ويعتبر أول من قدم شرحًا مرضيًا لآلية الوراثة.

  • قام مندل بدراسة مجموعة من نباتات البازلاء التي تحتوي على زوج من الصفات المتقابلة مثل:

    • الطول والقصر.

    • نباتات لها أزهار إما بيضاء أو صفراء.

• وراثة أحادية الهجين: الوراثة التي تشمل زوجًا واحدًا من الصفات المتقابلة.

• تجربة مندل:

  • قام مندل في إحدى تجاربه بتهجين سلالة نقية من نبات طويل وسلالة نقية من نبات قصير.

  • سمى مندل الناتج من هذا التهجين بالجيل الأول F1.

  • لاحظ أن الجيل الأول كان كله طويل.

  • ثم جعل نباتات الجيل الأول تتكاثر ذاتيًا والناتج عن هذا التكاثر سماه الجيل الثاني F2.

  • لاحظ أن نباتات الجيل الثاني بعضها طويل وبعضها قصير بنسبة 75% طويل و 25% قصير (بنسبة 3:1).

  • تكررت نفس النتيجة في جميع تجاربه ولاحظ وجود نوعين من الصفات.

• صفات سائدة: هي الصفات التي تظهر على جميع أفراد الجيل الأول وعلى 75% من الجيل الثاني.

• صفات متنحية: هي الصفات التي لا تظهر على الجيل الأول وتظهر فقط على 25% من الجيل الثاني.

مصطلحات هامة

• الهجين: هو نسل من نوعين مختلفين من الصفات.

• السائد والمتنحي:

  • لا يعني المصطلحان السائد والمتنحي أن الكائن بالصفات السائدة أكثر صحة.

  • يرجع سبب بعض الأمراض المهلكة مثل: الشبكية البلاستومية إلى وجود خلل في الصفات السائدة.

  • توجد كذلك أمراض مميتة تسببها صفات متنحية مثل: أنيميا الخلايا المنجلية.

• سلالة نقية: تعني أن النباتات إذا خصبت ذاتيًا تنتج ذرية مماثلة ومطابقة لها.

تفسير تجربة مندل

• عوامل الوراثة مسؤولة عن انتقال الصفات.

• يتحكم في كل صفة زوج من عوامل الوراثة في خلايا الكائن الحي.

• ينفصل أو ينعزل كل زوج أثناء تكوين المشيج، وكل مشيج سيحتوي على عامل فقط وأصبح يعرف هذا بقانون مندل الأول للانعزال.

• يؤدي اندماج الأمشاج عند الإخصاب إلى استعادة الوضع الثنائي في الزيجوت.

• تتحد الأمشاج عشوائيًا حتى تكون نتائج يمكن التنبؤ بها.

تحديث نموذج مندل

• مع تطور العلم طور العلماء مصطلحات جديدة لشرح نظرية مندل.

• الكروموسوم (الصبغي): عبارة عن تركيب خيطي داخل النواة يحمل المعلومات لمجموعة من الصفات الوراثية ويعتبر جزء من الحمض النووي DNA.

• المورث (الجين): هو قطعة من الـ DNA في الكروموسوم تحمل المعلومات الجينية لصفة وراثية معينة (واحدة).

• تكون الكروموسومات مرتبة في أزواج متماثلة، ويكون أحد الكروموسومات من الأم والآخر من الأب.

• للكروموسومات المتماثلة نفس ترتيب الجينات، وتسمى الجينات المتقابلة بـ الأليلات أو البدائل.

• الأليل: أشكال بديلة للجين وتشغل نفس الأماكن النسبية على زوج من الكروموسومات المتماثلة.

رموز نموذج التهجينات الجينية

• تستخدم الحروف لتمثيل الأليلات حيث تشير الحروف الكبيرة إلى الأليلات السائدة والحروف الصغيرة إلى الأليلات المتنحية.

• إذا كان الكائن الحي من سلالة نقية يكون الأليلان متشابهان ويطلق عليه اسم متماثل اللاقحة.

• في مثال مندل يكون النبات الأب الطويل سائدًا ومتماثل اللاقحة، ويكون النبات القصير متنحيًا ومتماثل اللاقحة.

• ملاحظة: يمال أن الأليل سائد إذا تم التعبير عنه دائمًا في شكل الكائن الحي.

النمط الظاهري والنمط الجيني

• النمط الظاهري: هو مصطلح يشير إلى الصفة المعبر عنها مثل الشكل الخارجي، تعتبر الصفات التي يمكن رؤيتها في الكائن الحي مثل الطول واللون.

• النمط الجيني: هو التكوين الجيني للكائن الحي، أي الجينات والأليلات المتناظرة، ولذلك فإن النمط الجيني لنبات البازلاء القصير هو tt، ونبات البازلاء الطويل نمطه الجيني هو TT او Tt .

الجينات والبيئة

• النمط الظهري هو نتيجة كل من الجينات التي يحتويها الكائن الحي وتأثيرات البيئة.

  • مثال: أرنب الهيمالايا له فراء أبيض وأذان وذيل أسود، هذا هو نمطه الظاهري، تهجين أرنبين بسلالة نقية سينتج عنه افراد بنفس هذه الصفات، لكن إذا تم تربية هذا الأرنب في المناخ الدافئ، لن يكون له أذان وذيل أسود، هذا يعني أن أرنب الهيمالايا له أليل يجعل فرائه أسود لكن يعبر عنه في ظروف معينة.

• التهجين الاختباري: هو إجراء تزاوج لفرد يحتوي على صفة سائدة مجهولة النمط الجيني مع فرد يحمل صفة متنحية نقية.

  • إذا كان الفرد المجهول له صفة سائدة نقية تكون الأفراد الناتجة كلها متصفة بالصفة السائدة.

  • إذا كان الفرد المجهول هجين تكون لنصف الأفراد الصفة السائدة وللنصف الآخر الصفة المتنحية.

• السائدة المشتركة:

  • في بعض الحالات لا يسود أليل على آخر، ينتج عنه تأثير مشترك للأليلين.

  • يظهر لدى الجنين نمط ظاهري وسط يجمع بين الوالدين.

    • مثال: عند تهجين نبات حنك السبع متماثل اللواقح لأزهار حمراء، ونبات آخر متماثل اللواقح لأزهار بيضاء، الجيل الأول كاملا سيحتوي على أزهار وردية (مزيج من الأحمر والأبيض)، وإذا لمح الجيل الأول ذاتيًا سينتج جيل ثاني يحتوي على أزهار: حمراء، ووردية، وبيضاء بنسبة 1:2:1 .

تحديد الجنس

• يوجد 46 زوجًا من الكروموسومات، 44 زوجًا منها تكون جسدية (ذاتية)، وزوج واحد منها يكون جنسي (مسؤول على الصفات الجنسية).

• يوجد نوعين من الكروموسومات الجنسية: مستقيمة ومعقوفة.

• يسمى الكروموسوم المستقيم (X)، ويسمى المعقوف (Y).

• إذا احتوت خلايا الجنين على زوج من الكروموسومات المستقيمة (XX) فإن الجنين يكون أنثى.

• إذا احتوت خلايا الجنين على كروموسوم مستقيم وآخر معقوف (XY) فإن الجنين يكون ذكر.

• نسبة تحديد الجنس هي 50% (متساوية للجنسين).

• يتحدد الجنس بوجود الكروموسوم (Y) من الأب أو عدمه.

• الأمشاج الذكرية هي التي تحدد جنس الجنين.

• يكون الكروموسوم (Y) أصغر بكثير من (X).

• الأليلات المتعددة:

  • إذا ُوجد جين في أكثر من أليلين يمال أن لديه أليلات متعددة.

  • تُظهر الجينات في حالة الأليلات المتعددة حالة من تدرج السيادة.

    • مثال: توجد ثلاثة جينات تتحكم في لون فراء الأرنب وهي:

      • أليل اللون الكامل (C).

      • أليل الهيمالايا

      • أليل الألبينو

    • لوحظ أن جين اللون الكامل يكون سائد على باقي الجينات، وأن الهيمالايا له سيادة على الألبينو.

• فصائل الدم: وجود فصائل الدم مثال آخر على الأليلات المتعددة

  • توجد ثلاثة أليلات لفصائل الدم I^A، I^B، و i .

  • تكون الأليلات I^A و I^B سائدة على i، لكنهما ليسا سائدين على بعضهما (سيادة مشتركة).

• الجدول التالي يلخص النمط الظاهري والوراثي لفصائل الدم

• 
  

• الجدول التالي يلخص سيادة الاليالات في الأرانب
  

  النمط الظاهري	النمط الجيني
  اللون الكامل	CC,Cc^h,Cc^a
  الهيمالايا	c^hc^h,c^hc^a
  الألبينو (الأمهق)	c^ac^a
  الطفرة

  • هي التغير في كمية أو ترتيب المادة الوراثية.

  • العوامل المسببة للطفرات:

    • الأشعة فوق البنفسجية.

    • أشعة ألفا وبيتا وجاما.

    • المواد الكيميائية مثل غاز الخردل، الفورمالدهيد، أملاح الحديدوز والمنجنيز، حمض الليسرجيك

    • تحدث بعض الطفرات في الخلايا الجسدية التي تنقسم ميتوزيا، ويحدث البعض الآخر في الخلايا الجنسية التي تنقسم ميوزيا.

    • إذا كانت الطفرة موجودة في الخلايا الجنسية فيمكن أن تورث.

    • الطفرات غالبًا ما تحمل الصفة المتنحية.

    • الشبكية البلاستومية تحمل الصفة السائدة.

  أمثلة على الطفرات

  • المهق:

    • هو حالة تظهر نتيجة لغياب الأصباغ داخل الجلد والشعر والعيون.

    • يكون المهق طفرة تحمل الصفة المتنحية.

  • أنيميا الخلايا المنجلية:

    • تكون الأنيميا المنجلية طفرة متنحية.

    • يكون لدى الأشخاص المصابين بهذا المرض خلل في الجين المنتج للهيموجلوبين.

    • يتحول شكل كريات الدم الحمراء من ممعر إلى منجلي مما يؤدي إلى قلة كفاءة نمل الأكسجين فيها.

    • في الحالات الشديدة يكون مرض فقر الدم المنجلي مميتًا.

    • يكون للأشخاص المتغايري اللواقح لهذا المرض خلايا دم عادية، ويقاوم هؤلاء الأشخاص مرض الملاريا أكثر من الأشخاص العاديين.

  • طفرة الكروموسوم:

    • تسبب الطفرات أحيانًا تغيرًا في عدد الكروموسومات مثل متلازمة داون

    • تسبب طفرة أثناء الانقسام الميوزي للأمشاج إلى حصول بعض الأمشاج على كروموسوم إضافي تحديدا في الكروموسوم رقم 21.

    • وعند اندماج المشيج المصاب مع مشيج سليم عند الإخصاب سيحمل الجنين الناتج على 47 كروموسوم.

    • تكون معظم الطفرات ضارة ومميتة مع ذلك توجد بعض الطفرات المفيدة للحيوان والنبات.

    • قد تسمح بعض الطفرات على سبيل المثال للفرد بتجنب المفترسات عن طريق إعطائه تمويهًا أو مادة كيميائية لها رائحة منفرة.

    • يكون لأفراد الطفرة النافعة ذرية أكثر من غيرهم.

    • تختار الطبيعة الكائنات التي لديها خصائص أفضل، وأكثر قدرة على البقاء والتكاثر.

    • يعتقد أن نشوء أشكال حياة اليوم قد حدث من خلال الطفرات والاختيار الطبيعي.

  الانتخاب

  • يوجد تنافس طبيعي بين الكائنات الحية على الطعام.

  • تختار الطبيعة الأنواع الأكثر قدرة على التنافس على الطعام ومقاومة الأمراض والتي تتكيف بشكل أفضل مع البيئة.

  • الأنواع الأخرى تتعرض للمرض وتندثر.

  • توفر الطفرات الجديدة خواصًا مفيدة وتتراكم هذه الخواص المفيدة.

  • قد تتغير كثيرًا حتى تنتج أنواعًا جديدة تختلف عن النوع الأصلي الذي نشأت منه.

  • يوجد نوعين للانتخاب:

    • انتخاب طبيعي.

    • انتخاب اصطناعي.

  الانتخاب الطبيعي

  • وهو انتخاب يحدث طبيعيًا عن طريق الطفرات.

  • مثال للانتخاب الطبيعي: الميلانينزم (التصبغ باللون الأسود) نتيجة التلوث الصناعي.

    • فراشة بيستون بتولاريا

      • يوجد صنفان طبيعيان لفراشة بيستون بتولاريا.

        • مجموعة ذات لون فاتح وأجنحة مبرقشة.

        • مجموعة ذات لون أسود ويطلق عليها الشكل الميلاني.

      • قبل الثورة الصناعية في بريطانيا كان اللون الفاتح هو الأكثر شيوعًا حيث بدت متنكرة على جذوع الأشجار، وجعلها هذا اللون عرضة للتعرض للأكل، وكان اللون الأسود أكثر عرضة للأكل حيث إنه لم يكن مموهًا بنفس كيفية المجموعة البيضاء.

      • أدت الثورة الصناعية إلى حدوث تلوث كبير ووضع هذا التلوث سناجًا (طبقة سوداء) على جذوع الأشجار.

      • جعل هذا السناج المجموعة السوداء أقل عرضة للأكل وأصبحت أكثر شيوعًا، وأصبح الشكل الأبيض سهل الرؤية وجعله يتعرض للأكل وأصبح أقل شيوعًا.

  الانتخاب الاصطناعي

  • وهي ما يفعله الإنسان لإنتاج نباتات وحيوانات بصفات معينة. ويحدث الآتي في الانتخاب الاصطناعي

    • القيام بعزل العشائر الطبيعية.

    • القيام باختيار الأفراد ذوي الخصائص المطلوبة.

    • ثم يقوم بالتربية الانتمائية، ويوجد نوعان للتربية الانتمائية.

    • التربية الداخلية: وهو توالد أفراد النوع الأقرباء وهي تهدف للمحافظة على الصفات الخاصة بالعشيرة وإدخال صفات معينة مرغوبة داخل العشيرة.

    • التربية الخارجية: وهي تتضمن تهجين أفراد من خارج العشائر المتمايزة جينيًا، وتستخدم في التحسين النباتي والحيواني.

  • مقارنة بين الانتخاب الطبيعي والاصطناعي

  الانتخاب الطبيعي	الانتخاب الاصطناعي
  يحدث طبيعيا عند تغير شروط البيئة	يختار الإنسان أصنافا معينة من الكائنات التي تلائم احتياجاته
  تنتج أصناف متنوعة عن طريق الطفرات	تنتج أصناف متنوعه عن طريق التربية بالانتخاب

  الهندسة الوراثية

  • توجد في الخلايا نواة، وداخل هذه النواة توجد العديد من خيوط الكروماتين.

  • يتكون كل خيط كروماتين من من جزيء DNA( الحمض الريبى المنقوص الاكسجين).

  • يتكون كل جزيء DNA من:

    • سكر ريبوز منقوص الأكسجين.

    • مجموعة فوسفات.

    • قاعدة نيتروجينية عضوية، قد تكون (أدنين أو ثايمين أو جوانين أو سيتوسين).

      • تتزاوج القواعد الهيدروجينية مع بعضها حيث يكون

        • أدنين مع ثايمين

        • سيتوسين مع جوانين

      • يؤدي هذا التزاوج التكميلي إلى تكون جزيء الـ DNA ويتكون اللولب المزدوج.

        • ملاحظة:جزيء الـ DNA طويل جدًا عند تمطيطه، ويحتوي على 30000 جين تقريبا، إلا أن ذلك لا يشكل إلا نسبة ضئيلة من جينات الجزيء، لكن يعتبر باقي الشفرة مجرد لغط لا معنى له.

  الجينات والبروتينات

  • تحتوي خلية جسم الإنسان على 46 زوجًا من الكروموسومات ويوجد بها أكثر من 25000 جين تقريبا.

  • يتكون البروتين من سلسلة واحدة أو أكثر من الأحماض الأمينية (سلسلة عديد الببتيد)، ويحدد نوع وترتيب تلك الأحماض تركيب ووظيفة البروتين.

  • عادة ما يشفر جين واحد لجزيء بروتين واحد، وفي حالات كثيرة ما يتطلب تكوين جزيء بروتين إلى أكثر من نوع واحد من سلسلة عديد الببتيد.

  • من المعروف أن تتابع القواعد الهيدروجينية يحدد:

    • نوع الأحماض الأمينية.

    • التتابع الذي توجد به الأحماض الأمينية.

  • يعرف تتابع الأحماض الهيدروجينية بالشفرة الوراثية.

  تعريف الهندسة الوراثية

  • هي أسلوب يستخدم لنقل الجينات من كائن إلى آخر.

  انتقال الجينات من كائن إلى آخر

  • تؤخذ الجينات الفردية من خلايا الكائن الحي وتوضع في خلايا كائن حي آخر، ويستخدم نالل لنقل الجين، ويعبر الجين عن نفسه في الكائن المحور جينيا.

  إنتاج الأنسولين البشري

  • الأنسولين هو هرمون ينتج بواسطة البنكرياس ويؤدي نقصه في الجسم إلى زيادة كمية الجلوكوز في الدم ويعرف هذا بمرض السكري.

  • كان يتم علاج مرضى السكري عن طريق حقنهم بأنسولين مستخرج من بنكرياس الخنازير.

  • إذا طالت مدة استخدام هذا الأنسولين الحيواني يكون الجسم أجسام مضادة ضده.

  • الأنسولين الجديد المنتج بالهندسة الوراثية هو نفس الأنسولين البشري، ولهذا لا يكون الجسم أجسام مضادة ضده. خطوات إنتاج الأنسولين بالهندسة الوراثية:

    1. حدد جين الأنسولين البشري.

    2. استخدم زوجا من انزيمات القطع لقطع جين الأنسولين من شريط الـ DNA.

    3. استخدم بالزميدات من بكتيريا E.COLI، ثم افتح البلازميد باستخدام انزيم قطع منتجا أطراف لزجة تتماشى مع تلك الموجودة على جين الأنسولين.

    4. ضع جين الأنسولين داخل البلازميد باستخدام انزيمات الربط.

    5. ضع البلازميد المعالج داخل البكتيريا العائلة

  • إذا نجحت هذه العملية ستتكاثر هذه البكتيريا مؤدية إلى تكاثر الجين البشري معها وستبدأ البكتيريا المحورة جينيًا في إنتاج الأنسولين.

  • يمكن لهذه السلالة التكاثر بسرعة، فتكون سلالة ضخمة تصنع كمية كبيرة من الأنسولين

  مميزات الهندسة الوراثية

  1. يمكن وضع جين من أي كائن حي في أي نبات أو حيوان.

  2. يتم اختيار الجينات والصفات بعناية قبل وضعها داخل الكائن الحي.

  3. يمكن أن تستخدم في المساحات الضيقة.

  4. تزيد الهندسة الوراثية في الكفاءة و الإنتاجية في تربية الكائنات الحية.

  عيوب ومخاطر الهندسة الوراثية

  1. قد يكون لدى بعض الناس حساسية من الطعام المحور جينيا.

  2. قد تندمج الجينات المشفرة لمقاومة المضادات الحيوية مع البكتيريا المسببة للمرض.

  3. قد يبتكر العلماء جينات جديدة لاستخدام في الحروب البيولوجية والكيميائية.