7.3 اختلافات في الانقسام المنصف
أهداف التعلم
بنهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:- شرح كيف يؤدي عدم الانفصال إلى اختلافات في عدد الصبغيات
- وصف كيف تحدث الأخطاء في تركيب الصبغي من خلال الانقلابات والإزفاءات
يمكن أن تنشأ الاضطرابات الوراثية عندما تتصرف الصبغيات بشكل غير طبيعي أثناء الانقسام المنصف. يمكن تقسيم اضطرابات الصبغيات إلى فئتين: تشوهات في عدد الصبغيات وإعادة ترتيب هيكلي للصبغيات. ولأن حتى الأجزاء الصغيرة من الصبغيات يمكن أن تشمل العديد من الجينات، فإن الاضطرابات الصبغية تكون عادةً درامية وغالبًا ما تكون مميتة.
اضطرابات في عدد الصبغيات
يشكل عزل الصبغيات ومراقبتها بالمجهر أساس علم الوراثة الخلوية وهو الطريقة الأساسية التي يكتشف بها الأطباء التشوهات الصبغية لدى البشر. النمط النووي (karyotype) هو عدد الصبغيات ومظهرها، بما في ذلك طولها ونمط التخطيط وموقع السنترومير. للحصول على رؤية للنمط النووي للفرد، يقوم علماء الخلية بتصوير الصبغيات ثم قص ولصق كل صبغي في مخطط، أو مخطط النمط النووي (karyogram) (شكل 7.7).
ربط بالمسار المهني
يستخدم علماء الوراثة مخططات النمط النووي لتحديد الانحرافات الصبغية
النمط النووي هو طريقة يمكن من خلالها تحديد الصفات التي تتميز بتشوهات صبغية من خلية واحدة. لمراقبة النمط النووي للفرد، يتم أولاً جمع خلايا الشخص (مثل خلايا الدم البيضاء) من عينة دم أو نسيج آخر. في المختبر، تُحفز الخلايا المعزولة لبدء الانقسام بنشاط. ثم تُطبق مادة كيميائية على الخلايا لإيقاف الانقسام المتساوي أثناء الطور الاستوائي. ثم تُثبت الخلايا على شريحة.
يقوم عالم الوراثة بعد ذلك بصبغ الصبغيات بأحد الأصباغ المتعددة لتصوير أنماط التخطيط المميزة والقابلة للتكرار لكل زوج من الصبغيات بشكل أفضل. بعد الصبغ، تُعرض الصبغيات باستخدام المجهر ذي المجال الساطع. يمكن لعالم الوراثة الخلوية المتمرس تحديد كل شريط. بالإضافة إلى أنماط التخطيط، تُحدد الصبغيات أيضًا بناءً على الحجم وموقع السنترومير. للحصول على التصوير الكلاسيكي للنمط النووي الذي تُرتّب فيه أزواج الصبغيات المتماثلة بترتيب رقمي من الأطول إلى الأقصر، يحصل عالم الوراثة على صورة رقمية، ويحدد كل صبغي، ويرتب الصبغيات يدويًا بهذا النمط (شكل 7.7).
في أبسط أشكاله، قد يكشف مخطط النمط النووي عن تشوهات وراثية يكون فيها لدى الفرد عدد كبير جدًا أو قليل جدًا من الصبغيات لكل خلية. من أمثلة ذلك متلازمة داون، التي تُعرف بوجود نسخة ثالثة من الصبغي 21، ومتلازمة تيرنر، التي تتميز بوجود صبغي X واحد فقط لدى النساء بدلاً من اثنين. يمكن لعلماء الوراثة أيضًا تحديد الحذف أو الإدخال الكبير للحمض النووي (DNA). على سبيل المثال، تُعرف متلازمة جاكوبسن، التي تتضمن ملامح وجه مميزة بالإضافة إلى عيوب في القلب والنزيف، بحذف على الصبغي 11. أخيرًا، يمكن للنمط النووي تحديد الإزفاءات (translocations)، التي تحدث عندما ينفصل جزء من المادة الوراثية عن صبغي واحد ويعاد ربطه بصبغي آخر غير متماثل أو بجزء مختلف من نفس الصبغي. ترتبط الإزفاءات بأنواع معينة من السرطان، بما في ذلك ابيضاض الدم النقوي المزمن.
من خلال مراقبة مخطط النمط النووي، يمكن لعلماء الوراثة فعليًا تصور التركيب الصبغي للفرد لتأكيد أو التنبؤ بالتشوهات الوراثية لدى النسل حتى قبل الولادة.
عدم الانفصال، التضاعفات، والحذف
من بين جميع الاضطرابات الصبغية، تُعد التشوهات في عدد الصبغيات الأسهل تحديدًا من مخطط النمط النووي. تشمل اضطرابات عدد الصبغيات تضاعف أو فقدان صبغيات كاملة، بالإضافة إلى تغيرات في عدد المجموعات الكاملة من الصبغيات. وهي ناجمة عن عدم الانفصال (nondisjunction)، الذي يحدث عندما تفشل أزواج الصبغيات المتماثلة أو الكروماتيدات الشقيقة في الانفصال أثناء الانقسام المنصف. يزداد خطر عدم الانفصال مع تقدم عمر الوالدين.
يمكن أن يحدث عدم الانفصال خلال الانقسام المنصف الأول أو الثاني، مع نتائج مختلفة (شكل 7.8). إذا فشلت الصبغيات المتماثلة في الانفصال أثناء الانقسام المنصف الأول، تكون النتيجة مشيجين يفتقران إلى ذلك الصبغي ومشيجين يحتويان على نسختين من الصبغي. إذا فشلت الكروماتيدات الشقيقة في الانفصال أثناء الانقسام المنصف الثاني، تكون النتيجة مشيجًا واحدًا يفتقر إلى ذلك الصبغي، ومشيجين طبيعيين بنسخة واحدة من الصبغي، ومشيجًا واحدًا بنسختين من الصبغي.
يُطلق على الفرد الذي لديه العدد المناسب من الصبغيات لنوعه اسم متساوي الصيغة الصبغية (euploid)؛ في البشر، يتوافق تساوي الصيغة الصبغية مع 22 زوجًا من الصبغيات الجسدية (autosomes) وزوج واحد من الصبغيات الجنسية. يوصف الفرد الذي لديه خطأ في عدد الصبغيات بأنه اختلال الصيغة الصبغية (aneuploid)، وهو مصطلح يشمل أحادية الصبغي (monosomy) (فقدان صبغي واحد) أو التثلث الصبغي (trisomy) (اكتساب صبغي إضافي). تفشل اللاقحات البشرية أحادية الصبغي التي تفتقر إلى أي نسخة واحدة من الصبغي الجسدي حتمًا في التطور حتى الولادة لأنها تحتوي على نسخة واحدة فقط من الجينات الأساسية. تفشل معظم التثلثات الصبغية الجسدية أيضًا في التطور حتى الولادة؛ ومع ذلك، يمكن أن تؤدي تضاعفات بعض الصبغيات الأصغر (13، 15، 18، 21، أو 22) إلى نسل يعيش لعدة أسابيع إلى سنوات عديدة. يعاني الأفراد ذوو التثلث الصبغي من نوع مختلف من الخلل الوراثي: زيادة في جرعة الجين. تُعاير وظائف الخلية لكمية ناتج الجين التي تنتجها نسختان (جرعتان) من كل جين؛ إضافة نسخة ثالثة (جرعة) يعطل هذا التوازن. التثلث الصبغي الأكثر شيوعًا هو التثلث الصبغي 21، والذي يؤدي إلى متلازمة داون. يتميز الأفراد المصابون بهذا الاضطراب الوراثي بملامح جسدية مميزة وتأخر في النمو والإدراك. يرتبط حدوث متلازمة داون بعمر الأم، بحيث تكون النساء الأكبر سنًا أكثر عرضة لإنجاب أطفال مصابين بمتلازمة داون (شكل 7.9).
رابط للتعلم
تصور إضافة صبغي تؤدي إلى متلازمة داون في هذا الفيديو.
يُظهر البشر آثارًا ضارة دراماتيكية مع التثلثات الصبغية وأحاديات الصبغي الجسدية. لذلك، قد يبدو غير بديهي أن الإناث والذكور من البشر يمكنهم العمل، على الرغم من حمل أعداد مختلفة من صبغي X. يحدث هذا جزئيًا بسبب عملية تسمى تعطيل الصبغي X (X inactivation). في وقت مبكر من التطور، عندما تتكون أجنة الثدييات الأنثوية من بضعة آلاف من الخلايا فقط، يتعطل صبغي X واحد في كل خلية عن طريق التكثف إلى تركيب يسمى جسم بار. لا تُعبر الجينات الموجودة على صبغي X غير النشط. يكون صبغي X المعطل في كل خلية عشوائيًا، ولكن بمجرد حدوث التعطيل، ستحتوي جميع الخلايا المنحدرة من تلك الخلية على نفس صبغي X غير النشط. بهذه العملية، تعوض الإناث جرعتهن الوراثية المزدوجة من صبغي X.
في القطط التي تُعرف باسم "قطط التورتويز"، يُلاحظ تعطيل الصبغي X على شكل تباين في لون الفراء (شكل 7.10). ستعبر الإناث متغايرة اللاقحة لـ جين لون الفراء المرتبط بـ X عن أحد لونين مختلفين للفراء على مناطق مختلفة من أجسادهن، بما يتوافق مع أي صبغي X يتم تعطيله في الخلية السلفية الجنينية لتلك المنطقة. عندما ترى قطة تورتويز، ستعرف أنها يجب أن تكون أنثى.
في الفرد الذي يحمل عددًا غير طبيعي من صبغيات X، ستقوم الآليات الخلوية بتعطيل جميع صبغيات X باستثناء واحد في كل خلية. ونتيجة لذلك، ترتبط تشوهات صبغي X عادةً بإعاقات ذهنية وجسدية خفيفة، بالإضافة إلى العقم. إذا كان صبغي X غائبًا تمامًا، فلن يتطور الفرد.
تم تحديد العديد من الأخطاء في عدد الصبغيات الجنسية. الأفراد الذين لديهم ثلاثة صبغيات X، ويطلق عليهم ثلاثي X، يُصنفون كإناث ولكنهم يظهرون تأخرًا في النمو وانخفاضًا في الخصوبة. يتوافق التركيب الصبغي XXY، الذي يمثل نوعًا واحدًا من متلازمة كلاينفلتر، مع أفراد ذكور لديهم خصيتان صغيرتان، وثديان متضخمان، وشعر جسم قليل. يخضع صبغي X الإضافي للتعطيل للتعويض عن الجرعة الوراثية الزائدة. متلازمة تيرنر، التي تتميز بتركيب صبغي X0 (أي صبغي جنسي واحد فقط)، تتوافق مع فرد أنثى ذات قامة قصيرة، وجلد مكفف في منطقة الرقبة، وضعف في السمع والقلب، وعقم.
يُطلق على الفرد الذي لديه عدد أكبر من العدد الصحيح لمجموعات الصبغيات (اثنان للأنواع ثنائية الصيغة الصبغية) اسم متعدد الصيغة الصبغية (polyploid). على سبيل المثال، يؤدي إخصاب بويضة ثنائية الصيغة الصبغية غير طبيعية بحيوان منوي أحادي الصيغة الصبغية طبيعي إلى لاقحة ثلاثية الصيغة الصبغية. الحيوانات متعددة الصيغة الصبغية نادرة للغاية، مع أمثلة قليلة فقط بين الديدان المفلطحة والقشريات والبرمائيات والأسماك والسحالي. الحيوانات ثلاثية الصيغة الصبغية عقيمة لأن الانقسام المنصف لا يمكن أن يحدث بشكل طبيعي مع عدد فردي من مجموعات الصبغيات. في المقابل، تعدد الصيغة الصبغية شائع جدًا في المملكة النباتية، وتميل النباتات متعددة الصيغة الصبغية إلى أن تكون أكبر وأكثر قوة من متساويات الصيغة الصبغية من أنواعها.
إعادة ترتيب هيكلي للصبغيات
لقد وصف علماء الخلية العديد من إعادة الترتيبات الهيكلية في الصبغيات، بما في ذلك التضاعفات الجزئية، والحذف، والانقلابات، والإزفاءات. غالبًا ما تنتج التضاعفات والحذف نسلًا يبقى على قيد الحياة ولكنه يظهر تشوهات جسدية وعقلية. متلازمة بكاء القط (من الفرنسية بمعنى "بكاء القط") هي متلازمة مرتبطة بتشوهات الجهاز العصبي وملامح جسدية مميزة تنتج عن حذف معظم الذراع الصغيرة للصبغي 5 (شكل 7.11). يصدر الرضع الذين لديهم هذا النمط الجيني صرخة مميزة عالية النبرة التي يستند إليها اسم الاضطراب.
يمكن تحديد انقلابات الصبغيات والإزفاءات من خلال مراقبة الخلايا أثناء الانقسام المنصف لأن الصبغيات المتماثلة التي تحتوي على إعادة ترتيب في أحد الزوجين يجب أن تتلوى للحفاظ على محاذاة الجينات المناسبة والتزاوج بفعالية أثناء الطور التمهيدي الأول.
انقلاب الصبغي (chromosome inversion) هو انفصال جزء من الصبغي، ودورانه 180 درجة، وإعادة إدخاله (شكل 7.12). ما لم تعطل تسلسل جيني، فإن الانقلابات تغير فقط اتجاه الجينات ومن المرجح أن تكون لها آثار أخف من أخطاء اختلال الصيغة الصبغية.
صلة بالتطور
انقلاب الصبغي 18
لا تنتج جميع إعادة الترتيبات الهيكلية للصبغيات أفرادًا غير قادرين على البقاء، أو معاقين، أو عقيمين. في حالات نادرة، يمكن أن يؤدي مثل هذا التغيير إلى تطور نوع جديد. في الواقع، يبدو أن انقلابًا في الصبغي 18 قد ساهم في تطور البشر. هذا الانقلاب غير موجود في أقرب أقاربنا الوراثيين، الشمبانزي.
يُعتقد أن انقلاب الصبغي 18 حدث في البشر الأوائل بعد تباعدهم عن سلف مشترك مع الشمبانزي قبل حوالي خمسة ملايين سنة. اقترح الباحثون أن امتدادًا طويلًا من الحمض النووي (DNA) قد تضاعف على الصبغي 18 لسلف البشر، ولكن أثناء التضاعف تم قلبه (أُدخل في الصبغي باتجاه معكوس).
تشير مقارنة جينات البشر والشمبانزي في منطقة هذا الانقلاب إلى أن جينين — ROCK1 و USP14 — متباعدان على الصبغي البشري 18 أكثر مما هما عليه على الصبغي المقابل للشمبانزي. يشير هذا إلى أن إحدى نقاط كسر الانقلاب حدثت بين هذين الجينين. ومن المثير للاهتمام أن البشر والشمبانزي يعبران عن USP14 بمستويات مميزة في أنواع خلايا معينة، بما في ذلك الخلايا القشرية والخلايا الليفية. ربما أعاد انقلاب الصبغي 18 في الإنسان السلفي وضع جينات معينة وأعاد ضبط مستويات تعبيرها بطريقة مفيدة. ولأن كلاً من ROCK1 و USP14 يرمزان لإنزيمات، فإن التغيير في تعبيرها يمكن أن يغير وظيفة الخلية. ليس معروفًا كيف ساهم هذا الانقلاب في تطور أشباه البشر، ولكنه يبدو عاملًا مهمًا في تباعد البشر عن الرئيسيات الأخرى.2
تحدث الإزفاء عندما ينفصل جزء من صبغي ويعاد ربطه بصبغي مختلف غير متماثل. يمكن أن تكون الإزفاءات حميدة أو ذات آثار مدمرة، اعتمادًا على كيفية تغيير مواقع الجينات فيما يتعلق بالتسلسلات التنظيمية. والجدير بالذكر أن إزفاءات محددة ارتبطت بالعديد من السرطانات وبالفصام. تنتج الإزفاءات المتبادلة عن تبادل أجزاء الصبغيات بين صبغيين غير متماثلين بحيث لا يكون هناك كسب أو فقدان للمعلومات الوراثية (شكل 7.12).