ژنتیک بخش پنجم ساماندهی ماده ژنتیکی در هسته

کروموزوم چیست ؟

عموما شکلی که ما از ماده ژنتیکی در ذهن داریم شکلی به نام کروموزوم است

همانطور که قبلا گفتیم سه میلیارد و دویست میلیون باز نوکلئوتیدی که در رشته‌های DNA قرار دارند ، اطلاعات ژنتیکی ما را می سازند . طول رشته DNA در حالت باز بین 1 تا 2 سانتی‌متر است ، در حالیکه هسته سلول ابعادی در حد صدم میلی‌متر دارد پس رشته DNA  به شدت باید فشرده شود . اولین سطح پیچیدن رشته‌ها دور هیستون و ایجاد نوکلئوزوم است ، و سپس نوکلئوزوم ها به دور هم یک ساختار  مارپیچی می‌سازند که به صورت رشته‌ای در‌میاید و مجددا این ساختار به صورت یک مارپیچ درمی‌آید .

https://www.genome.gov/genetics-glossary/Chromosome

در زمان عملکرد معمول سلول این رشته در هسته پخش است و با رنگ آمیزی خاص به صورت اصطلاحا کروماتین و نمای رشته‌ای  پخش دیده میشود . در زمان تقسیم سلولی است که این رشته دوباره در یک مارپیچ‌هایی فشرده می‌شود که شکل تیپیک کروموزوم را می‌سازد .

 اما واقعیت این است که این شکل تیپیک هم شکل درست کروموزوم نیست ، این شکل کروموزومی است که برای تقسیم سلولی همانند سازی شده و مثلا اگر یکی از کروموزوم‌های شماره یک است ، دو تا شده و بزودی در روند تقسیم سلولی هر طرف آن به یک سلول می‌رود .

 شکل واقعی کروموزوم‌ها به این ترتیب است :

یعنی کروموزوم واقعی یک رشته است و آنهم فقط در زمان قبل از تقسیم سلولی و در اثر فشردگی بیشتر رشته حاوی سه سطح پیچیدگی و فشردگی DNA  ایجاد میشود و شکل دو رشته‌ای به هم متصل در اثر همانند سازی DNA و درست قبل از تقسیم ظاهر میشود .

  کروموزوم‌ها مهم هستند ، چون در واقع تقسیم‌بندی کل رشته DNA  به قطعات جدا می باشد ، تعداد کروموزوم‌ها البته به تعداد باز‌های نوکلئوتیدی ربطی ندارد و ممکن است هر تعدادی باشند .

 در انسان ما 46 کروموزوم داریم ، تعداد کروموزوم‌ها همیشه زوج است ، چرا که هر موجود دارای کروموزوم نصف آن را از هر والد به ارث میبرد .

یعنی مثلا در انسان اسپرم 23 کروموزوم و تخمک 23 کروموزوم دارد و در پدیده لقاح و ورود اسپرم به تخمک ، هسته اسپرم وارد هسته تخمک شده و سلول تخم با 46 کروموزوم ایجاد می‌شود .

کمترین تعداد کروموزوم در مگس میوه ( درازوفیلا ملانوگاستر که گونه مورد علاقه بررسی‌های ژنتیک می‌باشد )  با 8 کرموزوم و بیشترین تعداد کروموزوم در گیاه سرخس زبان آدر با تعداد 1260 کروموزوم مشاهده شده است و جالب اینکه شاخه تکاملی که به سمت گیاهان رفته کلا تعداد کروموزوم زیاد دارد و کلا تعداد زیاد کروموزوم در گیاهان عمومیت دارد .

 از نظر تکاملی اولین اشکال حیات آرکئوباکترها یا باکتری‌های باستانی هستند که هنوز هم وجود دارند و ساده‌ترین اشکال تکاملی هستند ، سپس پروکاریوت‌ها را داریم که هسنه مشخص ندارند و ماده ژنتیکی که اغلب فقط شامل ژن‌ها و تنظیم کننده‌ها هست ، به صورت حلقه‌های درهم‌ پیچیده در سیتوپلاسم رها است و با تقسیم سلولی تکثیر می‌شوند . در مرحله بالاتر تکامل یوکاریوت‌ها عستند یعنی تک سلولی‌ها و موجودات پرسلولی و تمام گیاهان و جانوران که هسته مشخص دارند و کروموزوم و تولید‌ مثل جنسی دارند و  فرزند نصف کروموزوم‌ها را از هر والد دریافت می‌کند .

 در بخش‌های اول و دوم تعریفی از ژن کردیم به این معنا که ژن بخشی از DNA است که توالی اسیدهای آمینه یک پروتئین و در نتیجه یک عملکرد حیاتی خاص را کد می‌کند . در انسان از سه میلیارد و دویست باز نوکلئوتیدی فقط دو درصد کد کننده و جزء 25000 ژنی هستند که 25000 پروتئین را هستند و بقیه DNA از نظر کد کنندگی بی‌مصرف است و هرچه موجود در درجه بالاتر تکاملی باشد این میزان DNA   ظاهرا بی‌مصرف بیشتر است و برعکس در باکتری‌ها کمترین حد ممکن  است  .

 هر هسته سلول انسان 46 کروموزوم یا 23 جفت کروموزوم دارد ، جفت شماره یک از همه بزرگتر و جفت 22 از همه کوچکتر است . کروموزوم شماره یک انسان تقریبا 2300 ژن دارد . جفت 23 در واقع کروموزوم‌های جنسی هستند و اگر هردو X باشند فرد مونث و اگر متفاوت XY  باشند فرد مذکر خواهد بود . کروموزوم Y  کوچکترین کروموزوم و فقط 36 ژن دارد .

آلل چیست  Allele    :

به این نکته توجه کنید که مثلا در مورد جفت کروموزوم شماره 1 ، ما یک جفت کروموزوم داریم که یکی از پدر دریافت شده و یکی از مادر ، فرض کنید یک ژن بر روی آن داشته باشیم که پروتئین ایجاد کننده  گروه خون را کد میکند ، این ژن در انسان کلا سه نوع (آلل ) دارد A  ,  B  ,  O  . حالا برای این ژن ما یک لوکیشن روی یک کروموزوم داریم و یک لوکیشن روی یک کروموزوم جفت آن ، انواع ژنی که روی این دو لوکیشن‌ یک ژن روی یک جفت کروموزوم می‌تواند قرار بگیرد را آلل Allele می‌نامند .

دربخش ششم  به طور مفصل‌تری راجع به این موضوع صحبت می‌کنیم .

ساماندهی رشته DNA   در هسته سلول :

نوکلئوزوم

 رشته‌های  DNA در انسان در مجموع سه میلیارد و ئویست میلیون باز دارند ، در حالت رشته مارپیچی  کاملا صاف ، طول آن به حدود دو سانتی‌متر می‌رسد اما قطر هسته سلول یک هزلرم آن است . پس رشته DNA باید به شدت درهم پیپیده شود تا در هسته جا شود . این موضوع یک جنبه عملی بسیار مهم هم دارد ، اگر DNA خیلی سفت پیچیده شود قابل رونویسی نیست ، اگر قسمت‌هایی از آن شل و آزاد شود قابل رونویسی می‌شود و از آن پروتئین تولید میشود ، سطح اول درهم پیچیدگی توسط پروتئین‌هایی به نام هیستون  Histone انجام میشود و هیستون‌ها هستند که این تنظیمات را انجام می‌دهند . قدمت هیستون‌ها در تکامل به قدمت ایجاد هسته است و از این جهت ساخت هیستون و ژن‌های مربوط به ان در تمام حیوانات و گیاهان تفریبا یکسان است .

https://news.illinois.edu/view/6367/205588

ساختار پایه سطح اول در هم پیچیدگی رشته DNA  در نوکلئوزوم  Nucleosome  است . همانطور که در شکل دیده میشود هشت واحد پروتئینی ( اکتامر ) از انواع مختلف هیستون داریم که رشته  DNA  دو دور ، دور آنها می‌چرخد یک واحد H1 نیز DNA را در کنار آنها نگه میدارد . هیستون‌های اکتامر دارای میزان زیادی اسیدآمینه لیزین و آرژنین با بار مثبت است که به شدت گروه‌های فسفات با بار منفی زنجیره DNA را درکنار خود نگه می‌دارد .

 یکی از جنبه‌های مهم کنترل تنظیم ژن‌ها دم هیستون‌ها است ‌، استطاله‌هایی که جایگاه‌هایی دادر که می‌تواند متیله ، استیله یا فسفوریله شوند . اضافه شدن این گروه‌ها و بخصوص متیلاسیون به دم هیستون می‌تواند باعث تغییر در عملکرد هیستون در سفت گرفتن یا شل کردن  DNA  و در نتیجه تنظیم رونویسی از ژن می‌شود که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته و تحقیقات زیادی در این زمینه در حال انجام است .

https://phys.org/news/2015-07-molecular-epigenetic-markers.html

اپی‌ژنتیک  Epigenetic

این اضافه شدن گروه‌های شیمیایی به دم هیستون‌ها و تغییر در عملکرد آنها اساس دانش اپی‌ژنتیک Epigenetic را تشکیل می‌دهد که در مورد تاثیر عوامل محیطی و رفتارها بر تنظیم عملکرد ژن‌ها بحث می‌کند یعنی بدون اینکه  ماده ژنتیکی تغییری کند اما بیان ژن یا درواقع میزان رونویسی از آن قابل تغییر است و خود این تغییر هم دائمی نیست و ممکن است دستحوش  تغییرات شود .

 از ویکیپدیا

در سمن چپ ژن محکم به دور هیستون پیپیده و هیستون‌‌‌ها در هم پک شدند ، در سمت راست باز شدن پک و آزاد شدن ژن از دور هیستون مشاهده می‌شود که به این ترتیب آماده است که آنزیم RNA  پلیمراز دو رشته را از باز کند و با رونویسی mRNA   ایجاد کند (این بخش باز شده و قابل رونویسی را Open Reading File ORF  نیز می‌نامند ). این تغییر ارایش به شدت تحت تاثیر گروه‌هایی است که به دم هیستون‌ها می‌چسبند . در این شکل یکی از نکات مهم مشخص می‌شود که چرا فقط دو درصد DNA ژن‌های کد کننده هستند ، در واقع بخش طولانی از DNA صرف این چرخش دور هیستون و سازماندهی می‌شود .

سطوح بعدی فشرده سازی DNA

در سطح بالاتر فشرده سازی ( سطح دوم )  نوکلئوزوم‌ها به مرکزیت H1 ها ، دور هم قرار گرفته و یک مارپیچ ایجاد می‌کنند . 

www.mun.ca  با تغییرات

به این ترتیب مجددا یک رشته‌ایحاد می شود از نوکلئوزوم‌هایی که حول یک محور پیچیده شده‌اند . این رشته تفریبا 30 نانومتر عرض دارد .

(سطح سوم فشرده سازی )  مجددا این رشته به عرض 30 نانومتر دچار چرخش مارپیچی می شود و این مارپیچ در دید با بزرگنمایی کمتر شبیه یک رشته خواهد بود . در حال معمول سلول ، این رشته‌ها تمام هسته را پر کرده و کروماتین نامیده میشود .

( سطح چهارم ) در زمان تقسیم سلولی مجددا این  رشته سطح سوم به صورت مارپیچ فشرده شده و از کل هسته جمع شده و رشته‌هایی واضح به نام کروموزوم  در هسته ایجاد می شود که البته در نماد معمول به صورا جفت رشته قبل از تقسیم سلولی است که بعد هر رشته به یک سلول می رود .

https://www.researchgate.net/figure/Chromosomes-are-made-of-DNA-histone-protein-complexes-Chromosomal-DNA-is-packaged_fig1_330838554

تصویر از ویکیپدیا

از  DNA  دورشته‌ای تا کروموزوم . تصویر پائین ادامه سمت راست تصویر بالا می‌باشد