البيولوجيا وعلوم الحياة

طريقة حماية الخلايا لـ”DNA” من التلف والكسر

2013 آلات الحياة

د.ديفيد س. جودسل

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

DNA طريقة حماية الدنا من التلف والكسر البيولوجيا وعلوم الحياة

تتعرض آلاتنا الجزيئية إلى الإنقضاض المستمر من قبل عوامل بيئية مهاجمة. حيث تعمل المواد الكيماوية النشطة على إتلافها، كما أن الحرارة تعمل على فك طياتها وتفقدها طبيعتها، وتقوم الأشعة فوق النفسجية (Ultraviolet Light) بتكسيرها.

وفي الكثير من الحالات ، فإن هذه الآلات تصبح مدمرة ولا تستطيع معاودة القيام بوظائفها. وتستطيع الخلية التخلص من البروتينات التالفة.

ولكن لا يمكن لها أن تقوم بنفس الفعل مع الـ "دنا" (DNA) حيث أنه لا بد من المحافظة على هذا المركب في أفضل صورة، نظراً لأنه يحمل المعلومات الوراثية الحيوية والتي تقوم بتوجيه الحياة داخل الخلية، والتي لا بد من نقلها إلى النسل.

 

ولضمان عدم فقدان هذه المعلومات الوراثية، فإن الخلية لديها عدة طرق مختلفة لحماية الـ "دنا" من التلف، وكذلك لإصلاح التلف في حالة حدوثه.

يعتبر ضوء الشمس مصدر خطورة رئيسياً للـ"دنا". فهو يحتوي على الأشعة فوق البنفسجية  (UV)والتي لديها طاقة كافية لمهاجمة النيوكليوتيدات في الـ "دنا".

 

وأخطر الإشعاعات للضوء فوق البنفسجي والمسماة UVC، يتم تصفيتها بواسطة طبقة الأوزون في الجزء العلوي من الغلاف الجوي، ولكن الإشعاعات الأضعف والمساة UVA و UVB، يمكنها النفاذ خلال طبقات الغلاف الجوي ويكون لديها من القوة ما يمكنها من إحداث تغيرات كيميائية في الـ "دنا".

حيث يتم إمتصاص هذه الأنواع من الأشعة فوق البنفسجية بواسطة أحد الروابط المزدوجة الموجودة في النيوكليوتيدتين ثيامين وسيتوزين، وهذا يدفعهما للتفاعل مع النيوكليوتيدات المجاورة لهما (شكل 3.7).

 

شكل 3.7 إنزيم فوتوليز ال"دنا" (DNA Photolyase): يرتبط إنزيم الفوتوليز بجزيئات ال"دنا" المحتوية على نيوكليوتيدات تالفة، بحيث يعمل على تكسير الرابطة الغير الطبيعية بينها .

ولا يتعامل هذا الإنزيم برفق مع ال "دنا" – حيث يعمل على سحب القواعد التالفة بقوة إليه لإخراجها من التراص الطبيعي للنيوكليوتيدات الأخرى وذلك مع القيام بهذا التفاعل في جيب صغير في الانزيم.

 

يوضح التخطيط العلوي بالشكل صورة عن قرب للقواعد التالفة (وفي هذا التخطيط المكون من كرات وعصـي، نلاحظ أن الروابط بين الذرات تظهر في شكل أسطوانات).

لاحظ كيف أن القاعدتين النيوكليوتيدين المرتبطتين بروابط غير طبيعية، واللتين تظهران بلون أرجواني،  يبدوان غير متناسقتين مع شكل التراص الطبيعي للقواعد النيوكليوتيدية الأخرى.

 

توضح الصورة السفلية إنزيم الفوتوليز وهو يقوم بمعالجة هذه المشكلة (الصورة العلوية مكبرة 40 مليون مرة، والصورة السفلية مكبرة 5 ملايين مرة).

فإذا كانت القاعدة المجاورة هي قاعدة أخرى من الثيامين أو السيتوزين، يحدث الارتباط بين القاعدتين، بما يؤدي إلى لصقهما معاً.

 

ويكوّن هذا الارتباط غير الطبيعي انحناءً غير طبيعي في الـ "دنا" يتسبب في مشاكل عند محاولة إنزيم بلمرة الـ "دنا" (DNA polymerase) القيام بدوره في عملية تضاعف سلسلة الـ "دنا"

وبصفة خاصة، فإن الرابطة بين قاعدتين سيتوزين متجاورتين غالباً ما تؤدي إلى ظهور طفرة وراثية، حيث إن إنزيم بلمرة الـ "دنا" يمكن أن يقوم بطريق الخطأ بمزاوجة وربط الأدينين مع هاتين القاعدتين التالفتين وذلك بدلاً من القاعدة المناسبة لهما وهي الجوانين. وكما سيتم وصفه لاحقاً، فإن هذا قد يؤدي إلى مشاكل كبيرة مثل السرطان.

إن حدوث تلف بالـ "دنا" بواسطة الأشعة فوق البنفسجية ليس حدثاً نادراً. ففي كل ثانية يتعرض فيها جسمك للشمس، فإن ذلك يكون مصحوباً بتكوين 50 – 100 رابطة غير طبيعية بين النيوكليوتيدات في الخلية الواحدة من الجلد!!

 

وبالتالي فإنه لا عجب إذا علمنا أن لدى الخلايا طرقاً عالية الكفاءة لتصحيح مثل هذه الأخطاء. حيث تستخدم خلايانا عمليةً تُسمى « الإصلاح بإزالة النيوكليوتيدات » (Nucleotide Excision Repair)، والتي تتطلب جهداً تعاونياً منظماً من العديد من الإنزيمات. 

حيث يقوم البعض من هذه الإنزيمات بالتعرف على الانثناء المتصلب في الـ "دنا" والذي كونته الروابط غير الطبيعية، والبعض الآخر منها يقوم بقص وعزل جزء الـ "دنا" المحتوي على هذه الروابط، أما باقي الإنزيمات فتعمل على بناء نسخة جديدة من منطقة الـ "دنا" التي حل بها التلف.

وتعتمد هذه العملية بكاملها على وجود سلسلة من الـ "دنا" مكملة للسلسلة التي يتم إزالة النيوكليوتيدات منها ولكن لا بد أن تكون هذه السلسلة المكملة سليمة وغير تالفة، بحيث يمكن إستخدامها كقالب يتم على أساسه بناء أجزاء بديلة في السلسلة التالفة تحل محل الأجزاء التي يتم إزالتها.

 

وبعض الكائنات الحية الأخرى تنتهج أسلوباً أكثر مباشرة. حيث أن لديها إنزيمات تقوم بالبحث عن أزواج القواعد التالفة وتقوم بإصلاحها بشكل مباشر.

على سبيل المثال، يقوم إنزيم الفتوليز (Photolyase) المبين في شكل 3.7 بالإرتباط بالدنا التالف بحيث يعمل على تكسير الرابطة بين القاعدتين التالفتين. ومن المفارقات أن التفاعل الذي يقوم به هذا الإنزيم يستمد الطاقة اللازمة لإتمامه من الضوء المرئي.

تتعرض سلاسل الـ "دنا" الطويلة والضعيفة إلى الكسر أيضاً. حيث تعمل الأشعة السينية (X-rays) وأشعة جاما وكذلك إنزيمات عملية التنفس على إنتاج صور عالية التفاعل (Reactive Forms) من الأكسجين يمكنها إحداث تكسيرات في الـ "دنا" (سيتم وصف ذلك بتفاصيل أكبر فيما بعد).

 

وتحدث الكسور أيضاً عندما تقوم إنزيمات "البلمرة" (Polymerases) وإنزيمات "تغيير الشكل السطحي (Topoisomerases)  بعمل أخطاء.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الخلايا تقوم أحيانا بكسر الـ"دنا" الخاص بها عن عمد، وذلك على سبيل المثال أثناء القيام بعملية "خلط الجينات"1 التي تقوم باستخدامها لإنتاج الأجسام المضادة.

وتحدث أحياناً أخطاء عند اعادة ربط سلاسل الـ "دنا ببعضها، إن حدوث كسر في سلسلة دنا تحتوي على جين مهم يمكن أن يؤدي إلى موت الخلية، ولذلك فإن للخلية طرقاً لإصلاح كسور الـ "دنا" والمحافظة على جيناتها كاملةً وسليمةً.

 

"إعادة الإتحاد المتجانس" (Homologous Recombination) هي الطريقة الأساسية لإصلاح الكسور في الـ "دنا".

وتعتمد هذه الطريقة على وجود نستختين مكررتين من الـ "دنا"، ويتم إصلاح كسر الـ "دنا" عن طريق إستخدام إحدى النسختين كقالب لمطابقة وربط السلاسل المكسورة. ويطلق على هذه الخطوة الرئيسية في هذه العملية اسم "التشابك" (Synapsis)، والتي يتم فيها وضع سلسلة الـ "دنا" المحتوية على كسر في وضع محاذاة تام لسلسلة "دنا" مزدوجة سليمة.

 

يلي ذلك فك الالتفاف في سلسلة الـ "دنا" المزدوجة السليمة، بحيث يمكنها الارتباط مع السلسلة المكسورة. ثم يتم استخدام تركيب الـ "دنا" الناتج عن ذلك في إعادة بناء الأجزاء المفقودة نتيجة الكسر مع إعادة ارتباط السلاسل.

ويتم تنفيذ هذه العملية المثيرة في خلايانا بواسطة بروتين يسمى Rad51 (شكل 4.7)

 

شكل 4.7 تبادل سلاسل ال"دنا": تعمل بروتينات Rad51 على تكوين شعيرة حلزونية تحيط بسلاسل ال"دنا".

وكما هو موضح في هذا الرسم التوضيحي فإن سلسلة فردية من ال"دنا" (باللون الأحمر) يتم تزاوجها مع سلسلة دنا حلزونية مزدوجة (باللون الأصفر) لها نفس التتابع من النيوكليوتيدات .

تدخل سلاسل ال"دنا" من أعلى التركيب الحلزوني الذي تكونه هذه البروتينات لتكون تركيباً حلزونياً آخر ولكنه ثلاثي هجين يتم من خلاله تبادل السلاسل وإعادة ارتباطها مع بعضها، ثم تخرج السلاسل الجديدة المزدوجة من أسفل (قوة التكبير: 5 ملايين مرة).

 

وفي الخلايا البكتيرية بواسطة بروتين مشابه له يُطلق عليه RecA (مبين في شكل 4.6).

حيث تقوم هذه البروتينات بتكوين شعيرات حلزونية طويلة تحيط بسلاسل الـ "دنا"، وتمسكها كي تصبح مجاورة تماماً لبعضها البعض وذلك بما يسمح بحدوث توافق تام بينها.

وللخلايا طريقة أخرى ولكنها أقل دقة وذلك لإصلاح كسور الـ "دنا" التي لا تحتاج إلى قالب لإصلاحها.

تُعرف هذه الطريقة باسم «ربط النهايات غير المتجانس»   (Nonhomologous End Joining) ،  وتعمل على إصلاح كسـر الـ "دنا" مباشرةً دون الحاجة إلى معلومات خارجية من سلاسل أخرى.

 

تبدأ العملية عندما يرتبط نوعان من البروتين بنهايتي السلسلة المكسورة عند موضع الكسر بحيث يعملان على جمعهما سوياً.

ثم تعمل مجموعة خاصة من إنزيمات التقطيع (Nucleases) والبلمرة (Polymerases) على تقليم النهايتين مع ملء أي فراغات بين النيوكليوتيدات، وذلك بما يجعل النهايتين قابلتين للإلتحام مرةً أخرى.

 

وفي النهاية، يقوم إنزيم «ربط الـ "دنا" »(DNA Ligase) بلصق النهايتين معاً.

ومن الممكن أن يتم فقد بعض النيوكليوتيدات أثناء عملية تقليم النهايات، وبالتالي فإن هذه الطريقة لإصلاح كسـر الـ "دنا" يمكنها أن تؤدي إلى تغيرات خطيرة في المعلومات الوراثية. إلا أن هذا يظل أفضل من وجود كسـر في الـ "دنا" قد يؤدي إلى موت الخلية.

مجلة العلوم
‫‪الهرمونات الجنسية  تفسر سبب إصابة الرجال أكثر بالفيروس
قلم:       ميريديث وادمان
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
في يناير ذكرت إحدى أولى النشرات العلمية عن المصابين بفيروس كورونا المستجد  Novel coronavirus في ووهان بالصين، أن ثلاثة من كل أربعة أدخلوا المستشفى كانوا ذكورًا. ومنذ ذلك الوقت أكدت بيانات من مختلف أنحاء العالم أن الرجال يواجهون خطرًا أكبر للإصابة بمرض شديد أو الوفاة، وأن الأطفال مستَثْنَوْن بشكل كبير. مؤخرًا، توصل العلماء الذين يبحثون في الكيفية التي يؤدي  الفيروس بها إلى الوفاة ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪دراسات كبيرة تذوي آمال عقار الهيدروكسي كلوروكوين
قلم:      كاي كوبفرشميدت
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
تغطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر Pulitzer Center.
عبر ضباب مزاعم الاستغلال، والأمل، والمبالغة في الدعاية، والتسييس الذي يكتنف الدواء هيدروكسي كلوروكوين Hydroxychloroquine، دواء لعلاج الملاريا Malaria الذي أعلن عنه كعلاج لمرض كوفيد-19 COVID-19، تبدأ حاليا الصورة العلمية بالتجلي.
الهيدروكسي كلوروكوين الذي أثنى عليه رؤساء كمعجزة شفائية محتملة ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪الإشكاليات الطبية لمرض كوفيد 19
. جمال المطر اختصاصي في أمراض الأذن والأنف والحنجرة، الكويت
تعد الكائنات الحية الدقيقة والفيروسات من العوامل الممرضة الشائعة للإنسان، ويتميز بعضها عن بعض بعدد من الخصائص والسمات. فبعض الفيروسات يصيب النباتات وبعضها يصيب الحيوانات، وهناك أنواع تصيب الإنسان مسببة له أمراضاً متنوعة مثل متلازمة عوز نقص المناعة المكتسبة الإيدز، والتهاب الكبد الفيروسي، والحصبة. ويشهد العالم حاليا أول جائحة يسببها فيروس كورونا الذي ينتمي إلى فصيلة فيروسات واسعة ... (قراءة المقال)
‫‪مجرة درب التبانة و جيرانها
لسلام عليكم .. في كثير من حلقات البرنامج السابقة تكلمنا عن اهم عناصر المجموعة الشمسية التي نعيش فيها من كواكب و أقمار و كيوكبات و احزمة .. و انتهينا بشرح عن بلوتو و حدود المجموعة الشمسية .. ولكن هذه المجموعة تقع و تدور ضمن كيان و محيط اكبر .. و هي المجرة التي نعيش فيها و تحوي الملايين و الملايين من النجوم المشابهة لشمسنا و غيرها من الشموس و نطلق عليها درب التبانة .. في هذه الحلقة سنسافر في رحلة كونية بعيدة نتعرف فيها على بنية المجرة و مكوناتها ... (قراءة المقال)
أخبار العلوم
‫‪التعديل الوراثي التخلّقي يصل إلى الحمض النووي الريبي
قلم: كين غاربر، في شيكاغو بولاية إلينوي
ترجمة: صفاء كنج
انتقلت فكرة تأثير الواسمات الكيميائية في الجينات على تعبيرها الخارجي دون تغيير تسلسل الحمض النووي اختصاراً: الحمض DNA من كونها مسألة مفاجئة في الماضي إلى أن صارت مادة مقبولة تُدرس في الكتب.
ظاهرة التعديل الوراثي التخلقي Epigenetics، وصلت إلى الحمض النووي الريبي المرسال اختصاراً: الجزيء mRNA، وهو الجزيء الذي يحمل المعلومات الوراثية من الحمض النووي إلى مصانع تصنيع البروتين في ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪هل تنجح هيئة الخدمات الصحية في مشروع تتبع الاتصالات الذي تعده؟
جرّب الفرع الرقمي لهيئة الخدمات الصحية الوطنية اختصاراً: الفرع NHSX تطبيقا App سيخبرك ما إذا خالطت أي شخص ظهرت عليه أعراض كوفيد -19. ولكن ما هي التكلفة المترتبة على خصوصيتك جراء ذلك؟
إن أحد التحديات الكبيرة التي تطرحها مكافحة فيروس كوفيد-19 COVID-19 هو أنه معدٍ قبل ظهور أي أعراض على الأشخاص المصابين به. ويمكن أن يساعد تتبع الأشخاص الذين اختلطوا بالمصاب على الحد من انتشار الفيروس، من خلال معرفة عدد الأشخاص الذين ربما نقل إليهم المريض ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪لماذا لا تصاب النباتات بحروق الشمس؟
ولو باركر، لندن Lulu Parker, London
قبل نحو 700 مليون سنة، بدأت النباتات بالظهور على الأرض. كان أحد التعديلات الرئيسية اللازمة لهذا الانتقال وسيلة للحماية من أشعة الشمس فوق البنفسجية؛ فالنباتات البحرية لا تزال تحميها مياه البحر. وقد عرف العلماء منذ عام 2011 أن الخلايا النباتية تحتوي على بروتين يسمى UVR8 يمكنه اكتشاف أشعة UVB ذات الطول الموجي الأقصر، وهو نوع الأشعة فوق البنفسجية الذي يتحمل المسؤولية الأكبر عن حروق الشمس. ويشير هذا البروتين ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪هل يمكننا إنقاذ الحشرات؟
ارني تشيسترتون Marnie Chesterton هي مقدّمة برنامج هل يمكنني إنقاذ الحشرات؟ يمكن متابعة الحلقة من برنامج CrowdScience على bbcworldservice.com/crowdscience
انضممنا للعاملين في برنامج كراود ساينس CrowdScience علم التعهيد الجماعي في قناة BBC الإذاعية للإجابة عن أسئلتكم في موضوع واحد. يمكنكم الاستماع لبرنامج كراود ساينس مساء كل جمعة على قناة BBC الإذاعية، أو الاستماع عبر الانترنت على الرابط bbcworldservice.com/crowdscience
هل يمكن للحشرات ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪ماذا لو... حــظـــرنـــا الـصــــــيــــــد
لنص: هايلي بينيت Hayley Bennett رسوم: جيسون رايش Jason Raish
يأكل كل واحد منا في المتوسط أكثر من 20 كيلوغراماً من الأسماك سنويّاً. وفي جميع أنحاء العالم، بين عامي 1961 و2016، زاد استهلاك الأسماك بوتيرة أسرع من استهلاك اللحوم، ونما بمعدل ضعفي معدل نمو السكان. فقد استنفدت جميع هذه المطاعم السمكية مخزون الأسماك البحرية إلى درجة صار معها ثلث مخزون الأسماك العالمي ضحية الصيد الجائر Overfished؛ مما يعني أنه إذا واصلنا الصيد على المستويات ... (قراءة المقال)