موتاسیون
جهش و تغییرات ژنتیک
در هر یک از فعالیتهای سلولی نظیر فرایندهای همانند سازی (Replication ) رو نویسی (Trancecription) ترجمه ( Translation) ترکیب مجدد یا نو ترکیبی ( Recombination) کروموزومها و بروز و ظهور اطلاعات ژنتیکی ( Gene-expression ) احتمال خطا و اشتباه وجود دارد.
درست است که سطح دقت در این فرایندها به گونه ای باورنکردنی بالا و بسیار بالا است , اما با وجود این , احتمال پیوند خوردن خطا در میلیونها و میلیاردها اتصال همیشه وجود دارد
ساختمان ملکول DNA دو زنجیره ای به گونه ای است که بازهای جفت شده در مرکز مفتول و اسیدهای فسفریک در سطح خارجی آن قرار دارند.
این وضعیت سبب می شود که ملکول DNA خاصیت اسیدی پیدا کرده و بتواند با پروتوئینهای بازی ویژه ای نظیر هیستونها یا پروتامین ترکیب شده و نوکلئوپروتوئین را بسازد.
این نوکلئوپروتئین بصورت غلافی سرتاسر ملکول DNA را پوشانیده و آنرا دربرگرفته و حفاظی بدور ملکول بوجود آورده است .اما تمهیدات حفاظتی به همین جا ختم نمی گردد الیاف نوکلئوپروتوئین یا کروموزوم دهها و صدها و هزارها با به روی خود تا می شوند تا هم این ملکول عظیم و سخت پیچیده شوند در درون سلول بسیار کوچک جای بگیرد و هم حفاظت از اطلاعات اساسی حیات در بالاترین سطح بازدهی تحقق پذیرد.
هر قدر موجود پیچیده تر و پیشرفته باشد این تمهیدات حفاظتی شدیدتر است
در بسیاری از موجودات یوکاریوتیک تک سلولی یا چند سلولی بعد از تمامی این تجهیزات و تمهیدات حفاظتی , الیاف نکلئوپروتئین در عمیق ترین بخش سلول در مناسبترین جایگاه یعنی در هسته و هستک جای گرفته اند .
با همه این پیش بینی ها و شگردهای بسیار ظریف و دقیق ماده ژنتیک هنوز هم آسیب پذیر است و دچار سانحه و ضایعه می گردد.
ضایعاتی که ممکن است هم از درون و هم از برون نشآت بگیرند.عوامل خارجی از نوع فیزیکی نظیر تشعشات اتمی وکیهانی , اشعه ماورای بنفش و غیره و یا از نوع شیمیائی همچون ازت و گاز خردل , رنگهای اکریدین ,بنزو پرین و بسیاری از ترکیبات شیمیائی نظیر اینها هر کدام بشیوه خاصی قادر به ایجاد ضایعه در ماده ژنتیک هستند .علاوه بر تمام این پیش بینی های حفاظتی , در کنار فرآیندهای اصلی حیات نظیر همانند سازی , رونویسی و ... سیستمهائی در درون موجود به وجود آمده اند که کارشان شناسائی و آگاهی فوری و سریع از خطاهای داخلی , یا اثرات عوامل خارجی و اقدام فوری و مناسب برای جبران خطا و یا مقابله یا تهدیدات و ترمیم ( Repair ) و تعمیر ضایعات و آسیبهای حاصله است .
اما علی رغم این تمهیدات ظریف و دقیق و گسترده در سطح ماکرو ومیکرو , ساختار ژنتیکی و به تبع آن فینوتیپی موجودات زنده طی میلیونها سال دستخوش تغییرات زیادی شده است .
برخی از این تغییرات چنان محدود و جزئی هستند که در همان سطح ژنوتیپ با قی می مانند و اگر چه از نسلی به نسل دیگر منتقل می گردند اما بروز خارجی یا فینوتیپی پیدا نمی کنند . گاهی هم ممکن است در جندین نسل بعد بروز و ظهور خارجی پیدا کنند .
حال آنکه پاره ای دیگر از این تغییرات سبب تغییر در برخی از صفات و ویژگیهای فینوتیپی در جهت تطابق بهتر با محیط و پیدایش انواع سویه ها و گونه های جدید در یک موجود شده و در مواردی هم در دراز مدت موجب بروز نوع یا گونه جدیدی می شوند. اما اکثر این تغییرات به قدری حساس و شدیداند که مفید به حال موجود نیستند و سبب تطابق بهتر آن با محیط زیست نشده و منجر به مرگش می شوند.
جهش فرآیند یا پویشی است که موجب تغییر مجموعه توارثی سلول و نهایتاٌ پیدایش یک موجود زنده با ویژگیهای جدید ژنتیکی می گردد.
واژه موتاسیون یا جهش اولین بار در سال 1650 میلادی در مورد بروز و ظهور تغییرات ساختمانی مشهود در موجودات زنده بکار برده شد .
اما چون استقبال چندانی از این واژه بعمل نیامد به زودی به بوته فراموشی سپرده شد . در اوایل قرن بیستم یک گیاه شناس هلندی به نام هوگو دو وریس ( Hugo De Vries) نظرات و کشفیات ژرژمندل , زیست شناس مشهور استرالیائی قرن 19 در زمینه وراثت را مورد بررسی و مطالعه مجدد قرار داد و توانست اهمیت و عمق تحقیقات مندل را بار دیگر در ابعاد جدیدی نشان بدهد . وی در ارائه و بررسی نظرات مندل واژه موتاسیون را برای انواع جدید تغییر یافته بکار برد و از آن پس این واژه بطور گسترده ای مورد استفاده زیست شناسان قرار گرفت.
اگرچه هنوز هم مشاهده تغییرات فینوتیپی مهم ترین و ابتدائی ترین شیوه عملی شخیص جهش محسوب می گردد اما امروزه کاملاٌ روشن شده است که این تعریف اساساٌ ناقص و نارسا ست . چرا که بسیاری از جهش ها به علل مختلف به تغییرات فینوتیپی منجر نمیشوند , مثلاٌ در ژنتیک جدید روشن شده است که در رمز ژنتیک ترادف وجود دارد . یعنی برای برخی از اسیدهای آمینه بیش از یک لغت رمز سه حرفی وجود دارد . و لذا اگر چه تغییر و جابجائی در نوکلئوتیدهای DNA موجب به بوجود آمدن لغت رمز جدیدی می شود اما معنی این لغت رمز جدید چه بسا مترادف لغت رمز اولیه باشد.
مثلاٌ : برای اسید آمینه تیروزین دولغت رمز سه حرفی UAU و UAG وجود دارد که برای هر یک از آنها 9 تغییر و جابجائی نوکلئوتیدها متحمل است .
مثلاٌ : برای لغت رمز UAU لغات رمز جهش یافته جدید عبارت خواهند بود از :UGU,UCU,AAU,GAU,CAU,UAC,UAA ,UAG,UUU
از این نه لغت رمز معنای سه حرفی UAC مترادف با UAU یعنی همان اسید آمینه تیروزین است .
لذا اگر چه یک تغییر جهشی صورت گرفته است و باز C جای باز U قرار گرفته است اما این تغییر بروز فینوتیپی پیدا نخواهد کرد .
گاهی آسیب و تغییر در ماده ژنتیک ممکن است در ژن هائی رخ بدهد که از حیث اطلاعات ژنتیک غیر فعال باشند- نظیر قطعات صامت در زنجیره DNA که اساساٌ از روی آنها رونویسی صورت نمی گیرد . یا در ژنهائی صورت بگیرد که از آن نوع ژن به تعداد زیاد و مکرر در DNA وجود دارد .آسیب در این نوع ژنها نیز اثر فینوتیپی ایجاد نمی نماید.
جهش یک تغییر قابل وراثت , که بر کروموزم اثر دائم می گذارد است که به ایجاد یک موجود جهش یافته منجر می گردد.
تغییرات جهشی ها را می توان بر حسب شاخص های متعدد تقسیم بندی کرد .
برخی از تغییرات جهشی دائمی و برخی موقتی هستند که به آنها جهش شرطی هم گفته می شود به این معنی که تا زمانی که شرایط و علل و اسباب تغییر جهشی وجود داشته باشد فینوتیپ جهش یافته بروز می کند و باقی می ماند با از بین رفتن شرایط یا علل فینوتیپ جهش یافته نیز ناپدید می گردد.
نمونه ای از این نوع جهش ها که بطور گسترده مطالعه شده است سبیه های جهش یافته حساس به گرما Temprature Sensitive و جهش یافته های حامل آسیبهای بی معنی Non_Sense mutation می باشند .
جهش های محدود :
برخی از تغییرات جهشی تنها در یک قسمت بسیار محدود از ماده ژنتیک صورت می گیرند.
جهش های محدود ممکن است به یکی از اشکال گوناگون زیر همراه با اثرات و پیامدهای متفاوت صورت پذیرد :
جهش های جایگزینی (Substitution M.) : در این نوع جهش ها در زنجیره اسید نوکلئیک ژنتیک یک باز عالی جانشین باز عالی دیگری شده است به این نوع تغییرات جهش های جانشینی ( Replacement M.) نیز گفته می شود .
اگر چنانچه باز عالی جانشین شده با باز اصلی از یک گروه شیمیائی باشند , یعنی یک پورین جای پورین دیگر را گرفته باشد و یا یک پیریمیدین جایگزین پیریمیدین اولیه شده باشد این نوع تغییر را جهش انتقالی می گویند . اگر چنانچه باز عالی جایگزین شده باز اولیه از یک گروه شیمیائی نباشند یعنی یک باز پورین جایگزین یک باز پیریمیدین یا بالعکس شده باشد این جایگزینی را جهش متقاطع ( Transversion M.) خوانده اند .
2-جهش های افزایشی (Addition M. ) : در این نوع تغییرات یک یا چند نوکلئوتید ( اعم از پورین یا پیریمیدین ) به زنجیره اسید نوکلئیک ژنتیک افزوده شده است .به این نوع تغییرات جهش های الحاقی (Inversion M. ) نیز گفته اند.
3-جهش های حذفی یا نقصانی ( Deletion M. ) : در این نوع تغییرات , بر خلاف تغییرات گروه دوم یک یا پند نوکلئوتید از زنجیره اسید نوکلئیک حذف شده است.
4-جهش های جابجائی ( Transposition M. ) : در این نوع تغییرات یک یا چند نوکلئوتید از جای اصلی خود در زنجیره اسید نوکلئیک به جای دیگری در زنجیره نقل مکان کرده است.
5- جهش های معکوس ( Inversion M. ) : در این نوع جهش ها هیچ تغییر کمی در نوکلئوتیدهای اسید نوکلئیک رخ نمی دهد . بلکه در قسمتی یا قسمتهائی از کروموزم جای یک یا چند نوکلئوتید با نوکلئوتیدهای دیگر عوض می شود. گاهی اوقات در اثر این جابجائی تغییراتی در وضعیت فضائی نوکلئوتیدهای جابجا شده در زنجیره اسید نوکلئیک ایجاد می گردد که در نتیجه آن جهت قطبی ( Polarity ) اسید نوکلئیک در آن قسمت از کروموزم 180 درجه تغییر پیدا می کند.
جهش های گسترده :
برخی از تغییرات جهشی در محدوده یک یا چند نوکلئوتید ژنتیکی فراتر رفته و شامل حذف , افزایش , قطع و وصل و جابجائی قسمتهائی از , و یا تمامی یک یا چند ژن و کروموزم می گردد که در آن صورت دامنه اثرات آنها بسیار گسترده تر از جهش های محدود می باشد و ممکن است یک یا چند ژن وی ا کروموزم را در بر گیرد.
موتاسیون های بی معنی و بد معنی :
هر گاه در اثر موتاسیون کدون یک اسید آمینه به کدون اسید آمینه دیگری تغییر کند به آن موتاسیون بد معنی ( Missense Mutation ) می گویند.
حال چنانچه در اثر موتاسیون یک کدون به صورت کدون خاتمه در آید به حالت فوق موتاسیون بی معنی ( Nonsense Mutation ) گفته می شود.
با توجه به اینکه فقط سه کدون خاتمه وجود دارد , اغلب موتاسیونهائی که در یک نوکلئوتید صورت می گیرد ( Point Mutation ) منجر به موتاسیون بد معنی شده و کمتر موتاسیون بی معنی تولید می شود .
در اغلب مواقعی که موتاسیون بد معنی در یک پروتئین ایجاد می شود به خاطر اینکه فقط یک اسید آمینه عوض شده است پروتئین فوق کماکان فعالیت بیولوژیک خود را حفظ می کند.
گاهی پروتئین هائی که در آن موتاسیون بد معنی انجام گرفته است فقط در دمای بالاتر از دمای طبیعی خود فعالیت خود را از دست می دهند که به حالت فوق موتاسیون حساس به دما می گویند.
بسیاری از کونه های غیر طبیعی هموگلوبین در نتیجه موتاسیون بد معنی حاصل شده اند.
مطالعات وسیعی که در ملکولهای هموگلوبین انجام گرفته است نشان می دهد که اغلب تعویض یک نوکلئوتید منجر به موتاسیون می شود.
موتاسیون بی معنی اغلب رشته های پلی پپتید ناقص تولید می کند:
با تبدیل یک کدون معمولی به کدون خاتمه بیوسنتز رشته پلی پپتید خاتمه می یابد.
اندازه پلی پپتید تولید شده بسته به موقعیت کدون خاتمه در ژن دارد .
موتاسیون هائی که در ابتدای ژن بوجود می آید رشته های کوتاه تولید می کنند در حالیکه موتاسیون هائی که در انتهای ژن بوجود می آیند رشته های تقریباٌ سالمی را می سازند .
اغلب رشته های پلی پپتید ناقص فاقد فعالیت بیولوژیک هستند و در نتیجه اغلب موتاسیون های بی معنی قابل تشخیص هستند .
در حالیکه اغلب موتاسیون های بد معنی دارای فعالیت بیولوژیک هستند و در نتیجه تشخیص آنها دشوار است .
اگر سلولهای کلی باسیل با یک عامل جهش زا تماس داشته باشند اغلب موتاسیون های قابل روئیت از نوع بی معنی خواهند بود.
اغلب ممکن است اثر یک موتاسیون مخرب توسط موتاسیون ثانویه دیگری برطرف شود. ماهیت بعضی از این موتاسیون ها قابل تشخیص هستند زیرا باعث تغییر نوکلئوتید موتاسیون یافته به حالت طبیعی می شوند ( Reverse Mutation ).
شناخت اثر بعضی از موتاسیون ها که در نقاط مختلف کروموزم اتفاق می افتند دشوار است. برای مثال اگر موتاسیونی در جایگاه A تولید شود عواقب موتاسیون فوق در اثر ظهور موتاسیون دیگری در جایگاه B برطرف می شود. موتاسیون های سوپرسور( Suppressor Mutation ) فوق دو نوع هستند:
در نوع اول موتاسیون دوم در همان ژنی صورت گرفته است که موتاسیون اول رخ داده است( Intragenic Suppression ) ولی در نوع دوم موتاسیون دوم در ژن دیگری به وجود آمده است (Intrgenic Suppression ) از طرفی دیگر ژن هائی که مانع از بوجود آمدن موتاسیون در ژنهای دیگر می شوند به ژن های سوپرسور موسوم اند.
هر دو نوع موتاسیون سبب تولید پروتئین از ژنهائی که در اثر موتاسیون مضر اولیه خاموش شده اند می شود.
توسط یک tRNA جهش یافته جهش های بی معنی تصحیح می شوند :
موتاسیون بی معنی که منجر به ختم زودرس می شود برای اولین بار در ژن پروتئین پوششی فاژ R17 ( حاوی RNA ) نشان داده شد.