علم الجينوم من التسلسل الجيني إلى فهم التنوع الحيوي والتطور

الجينوم

يعرف الجينوم (بالإنجليزية: Genome) ويطلق عليه أيضًا المجين بأنه كامل الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) للكائن الحي بما في ذلك جميع جيناته بالإضافة إلى الحمض النووي الغير مشفر أي الذي لا يرتبط بإنتاج أي نوع من البروتينات، وتعد هذه المجموعة الشاملة من المواد الوراثية بمثابة مخطط لتطور الكائن الحي ووظائفه وتكاثره، مما يملي سماته وسلوكياته وعملياته الفسيولوجية [5].

يحتوي الجينوم على التعليمات اللازمة لتخليق البروتينات، وهي اللبنات الأساسية للخلايا والآلات الجزيئية المسؤولة عن القيام بالوظائف الحيوية الأساسية، لذا تعد دراسة الجينوم جزءًا لا يتجزأ من كشف التركيب الجيني للكائنات الحية بما في ذلك الجينوم البشري وتوضيح الآليات الأساسية التي تحكم العمليات الحيوية المختلفة، فمن خلال فك رموز تسلسل الحمض النووي يمكن للباحثين الحصول على نظرة عميقة حول الأساس الجزيئي لصفات الكائن الحي والأمراض، وتنظيمها والتعبير عنها، بالإضافة إلى استكشاف الشبكات المعقدة للتفاعلات بين الجينات والبيئة [2].

يعمل الجينوم أيضًا كمستودع للتنوع الجيني الذي يشمل الاختلافات في تسلسلات الحمض النووي والتي تنشأ من خلال الطفرات، وإعادة التركيب وغيرها من العمليات التطورية، وتساهم هذه الاختلافات الجينية في التنوع الملحوظ بين أنواع الكائنات الحية، مما يؤثر على السمات مثل القابلية للإصابة بالأمراض، والاستجابة للمحفزات البيئية، والتكيف مع الظروف البيئية المتغيرة [2].

علاقة الحمض النووي بالجينوم

الحمض النووي هو جزيء رائع يعمل كأساس لتخزين المعلومات الوراثية ونقلها في الكائنات الحية. من الناحية الهيكلية الحمض النووي هو جزيء مزدوج الشريط مرتب في بنية لولبية معروفة باسم التركيب اللولبي المزدوج (بالإنجليزية: Double helix) الذي وضح تركيبه لأول مرة العالمين جيمس واتسون وفرانسيس كريك. يتكون التركيب اللولبي المزدوج للحمض النووي من شريطين متكاملين يلتفان حول بعضهما البعض باتجاه اليمين، مما يشكل بنية مستقرة ومضغوطة للولب الحمض النووي [1].

يتكون كل شريط من النيوكليوتيدات التي تعد اللبنة الأساسية للحمض النووي، أما النيوكليوتيد فيتكون بدوره من مجموعة فوسفات، وجزيء سكر (الريبوز منقوص الأكسجين)، وواحدة من أربع قواعد نيتروجينية وهي الأدينين، والغوانين، والثيامين، والسايتوسين التي تقترن بشكل محدد حيث يرتبط الأدينين مع الثايمين، والغوانين مع السايتوسين من خلال روابط هيدروجينية، مما يضمن النقل الدقيق للمعلومات الوراثية خلال تكرار الحمض النووي، والعمليات الخلوية الأخرى [1].

يقوم تسلسل النيوكليوتيدات على طول الحمض النووي والتي تتكون من تسلسلات محددة لتكوين الجين بتشفير المعلومات الوراثية اللازمة لتخليق البروتينات أثناء عملية التعبير الجيني، مما يعني أن الجينات هي الوحدات الوظيفية للجينوم. أثناء التعبير الجيني يتم نسخ تسلسل الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبوزي المرسال (mRNA)، الذي يعمل كقالب لتخليق البروتين بواسطة الريبوسومات [2].

إن بنية الحمض النووي ودوره في تشفير المعلومات الوراثية أمر أساسي لوظائف واستمرار الكائنات الحية، فمن خلال التخزين والنقل الدقيق للمعلومات الوراثية، يضمن الحمض النووي استمرارية الحياة ووراثة السمات من جيل إلى جيل، كما أن الخصائص الديناميكية للحمض النووي مثل قدرته على التكرار، والإصلاح وإعادة التركيب يمكن الكائنات الحية من التكيف مع البيئات المتغيرة والتطور بمرور الوقت [2].

الجينات والتنوع الجينومي

كما ذكر سابقًا تمثل الجينات الوحدات الأساسية للجينوم، حيث تعمل كمخططات لتخليق البروتينات وتنظيم العمليات الحيوية المختلفة الضرورية للحياة، وتعد البروتينات العمود الفقري الجزيئي للخلية، حيث تقوم بوظائف متنوعة مثل تحفيز التفاعلات الكيميائية الحيوية، وتوفير الدعم الهيكلي وتسهل الاتصال الخلوي وتنظم التعبير الجيني [1].

تشير التقديرات أن الجينوم البشري يحتوي على ما يتراوح بين 20.000 إلى 25.000 جين لترميز البروتينات، ويمكن أن يختلف هذا العدد من شخص لآخر بسبب التنوع الجيني وأحداث الربط البديلة [6].

بالإضافة إلى الجينات المشفرة للبروتين يحتوي الجينوم أيضاً على مناطق غير مشفرة، وعلى الرغم من أن هذه المناطق لا تساهم في صنع البروتينات إلا أنها تلعب أدوارًا حاسمة في تنظيم الجينات ومعالجة الحمض النووي الريبوزي (RNA) واستقرار الكروموسومات، حيث تشتمل المناطق الغير مشفرة على عناصر تنظيمية مثل المحفزات والمعززات ومواقع ربط لعوامل النسخ، وتحتوي أيضًا على الحمض النووي الريبوزي الغير مشفر (ncRNA) التي تشارك في العمليات الخلوية المختلفة [6].

أسباب التنوع الجينومي

يعد الاختلاف الجيني سمة مميزة للجينوم، وينشأ هذا الاختلاف من الاختلافات في تسلسل النيوكليوتيدات بين الأفراد، ويمكن أن يظهر الاختلاف الجيني في عدة أشكال بما في ذلك:

تعدد أشكال النيوكليوتيدات المفردة

يعني تعدد أشكال النيوكليوتيدات المفردة (بالإنجليزية: Single nucleotide polymorphisms or SNPs) وجود اختلافات في النيوكليوتيدات المفردة في مواقع محددة في الجينوم، وهو النوع الأكثر شيوعًا من التباين والتنوع الوراثي ويحدث مرة واحدة تقريبًا في كل 1000 نيوكليوتيد في الجينوم البشري [6].

عمليات الإدخال والحذف

تتضمن عمليات الإدخال أو الحذف (Indel) على إدخال أو حذف النيوكليوتيدات من الجينوم، ويمكن أن يتراوح حجم هذه العمليات من إضافة أو حذف نيوكليوتيد واحد، إلى حذف أو إضافة آلاف الأزواج الأساسية من النيوكليوتيدات في مناطق التشفير وغير التشفير في الجينوم [2] [6].

يمكن أن تتسبب عمليات الإدخال بإدخال مادة وراثية جديدة إلى الجينوم مما يؤدي إلى إنشاء أليلات جديدة أو متغيرات جينية، في حين يمكن أن تؤدي عمليات الحذف إلى فقدان المادة الوراثية، مما قد يقود إلى تعطيل وظيفة الجينات أو العناصر التنظيمية [2] [6].

يمكن أن يكون لعمليات الإدخال أو الحذف عواقب كبيرة على النمط الظاهري أي السمات التي يمكن ملاحظتها، وقابيلة الإصابة بالأمراض، خاصة إذا حدثت هذه العمليات داخل مناطق تشفير البروتين، حيث يمكنها تعطيل إطار القراءة، أو تغيير بنية البروتين، أو إلغاء وظيفة الجين، مما قد يسبب أمراض واضطرابات وراثية [2] [6].

التعدد النسخي للجينات

التعدد النسخي للجينات (بالإنجليزية: Copy number variants or CNVs) هي تغيرات جينية تتميز بتكرار أو حذف أجزاء كبيرة من الحمض النووي، ويمكن أن تشمل عمليات الحذف أو التكرار على جينات كاملة أو عناصر تنظيمية، مما يؤدي إلى تغير في الجينوم، ومستويات التعبير الجيني [2] [6].

تساهم الاختلافات التي تتركها عمليات التعدد النسخي للجينات في التنوع الجيني داخل مجموعات الكائنات الحية، وبين المجموعات المختلفة وتلعب دورًا حاسمًا في تكوين التباين المظهري وقابلية الإصابة بالأمراض [2] [6].

تعد عمليات التعدد النسخي مسؤولة عن مجموعة واسعة من الأمراض البشرية، بما في ذلك اضطرابات النمو والاضطرابات العصبية وأمراض المناعة الذاتية والسرطان [6].

أهمية التنوع الجينومي

يلعب التنوع الجينومي دورًا ملحوظًا في تشكيل التنوع الملحوظ بين الكائنات الحية، مما يؤدي إلى تأثيرات عميقة على عدد لا يحصى من السمات المظهرية مثل [1]:

• السمات الجسدية.

• القابلية للإصابة بالأمراض.

• الاستجابات للمحفزات البيئية.

على سبيل المثال تم ربط تغيرات جينية محددة بارتفاع خطر الإصابة بأمراض مزمنة شائعة مثل مرض السكري، وأمراض القلب والأوعية الدموية، وأشكال مختلفة من السرطان [6]، وعلى العكس من ذلك قد تمنح تغيرات جينية أو طفرات أخرى تأثيرات وقائية ضد أمراض معينة، أو قد تعدل من استقلاب الأدوية، أو قد تمنح سمة تساعد الكائن الحي على التكيف والبقاء والتكاثر.

تسلسل الجينوم

تسلسل الجينوم (بالإنجليزية: Genome sequencing) هو تقنية تحليلة أساسية في علم الأحياء الجزيئية الحديثة وتستخدم للتحديد المنهجي للتسلسل الدقيق للنيكليوتيدات التي يشتمل عليها جينوم الكائن الحي [6].

يقدم تحليل تسلسل الجينوم الشامل رؤى لا تقدر بثمن حول المخطط الجيني الكامن وراء تطور الكائن الحي، ووظائف الأعضاء، والتاريخ التطوري، وقد أدى ظهور مثل هذه المنهجيات مثل تسلسل سانجر (بالإنجليزية:Sanger sequencing) وتسلسل الجيل التالي (بالإنجليزية: Next-generation sequencing) إلى تسهيل توصيف تسلسل الحمض النووي بفعالية ودقة عالية وتكلفة منخفضة [2].

من خلال تسلسل الجينوم يمكن للباحثين فك الشيفرات المعقدة داخل الجينوم، وكشف الستار عن التعليمات الجينية التي تحكم سمات الكائن الحي ووظائفه، ويتم استخدام تكنولوجيا تسلسل الجينوم على نطاق واسع في الطب لتوضيح أساس الأمراض والخروج بتدخلات تشخيصية فردية وعلاجية فعالة، وفي الزراعة لتحسين جودة المحاصيل [2].

يوفر تسلسل الجينوم لعلم الأحياء التطوري فرصًا غير مسبوقة لدراسة الآليات الجينية التي تحرك الانحراف الجيني للأنواع، والتكيف، وبالتالي تسلط الضوء على القوى التطورية التي تنحت التنوع الحيوي [2].

مشروع الجينوم البشري

يمثل مشروع الجينوم البشري (بالإنجليزية: Human Genome Project or HGP) الذي بدأ في التسعينيات واحدًا من أكثر المشاريع العلمية طموحًا في التاريخ، ويهدف هذا المشروع إلى فك تشفير التسلسل الكامل للجينوم البشري [5].

بقيادة مجموعة من الباحثين الدوليين بشر المشروع بعصر جديد من الاستكشاف الجينومي مدعومًا بالتطورات الرائدة في تقنيات كشف تسلسل الحمض النووي، والعلوم الحياتية المحوسبة. كان الهدف الأساسي لمشروع الجينوم البشري هو الكشف عن المخطط الجيني المعقد المشفر داخل الجينوم البشري، والذي يشمل على ما يقارب 3 مليارات زوج أساسي من النيوكليوتيدات موزعة على 23 زوجًا من الكروموسومات [5].

من خلال رسم خرائط الجينوم البشري وتسلسله بدقة، سعى العلماء إلى الكشف عن اللبنات الأساسية للوراثة البشرية، وتسليط الضوء على الأساس الجيني للأمراض، وإحداث ثورة في البحوث الطبية الحيوية.

كان الاكتمال الناجح لمشروع الجينوم البشري والذي تميز بنشر التسلسل الكامل للجينوم البشري في عام 2003 بمثابة تحول نموذجي في علم الوراثة، وحفز التقدم غير المسبوق في الطب الجينومي، وعلم الأحياء الجزيئية، والتكنولوجيا الحيوية، حيث زود هذا الإنجاز الباحثين بمرجع شامل لفهم الأحياء الجزيئية للبشر، ومهد الطريق لاكتشافات تحولية في مجالات تتراوح من الطب المشخصن وتطوير الأدوية، إلى علم التطور الحيوي وعلم الوراثة السكانية [5].

علم الجينوم الوظيفي

علم الجينوم الوظيفي (بالإنجليزية: Functional genomics) هو أحد مجالات علم الأحياء الجزيئي، وهو مجال متعدد التخصصات يسعى للكشف عن العناصر الوظيفية للجينوم، وفك تشفير الشبكات التنظيمية المعقدة التي تحكم العمليات الخلوية من خلال دمج منهجيات متعددة [3].

من المنهجيات المتبعة في علم الجينوم الوظيفي تنميط التعبير الجيني (بالإنجليزية: Gene expression profiling)، والترنسكريبتوميكس (بالإنجليزية: Transcriptomics) أي علم النسخ، والبروتيومكس (بالإنجليزية: Proteomics) أي علم البروتينات التي يتم التعبير عنها، وعلم الوراثة اللاجينية (بالإنجليزية: Epigenetics)، حيث يسعى علم الجينوم الوظيفي من خلال هذه المنهجيات إلى توضيح كيفية تنشيط الجينات، وتفاعلها وتنظيمها داخل المشهد المعقد للجينوم [2] [3].

على سبيل المثال يوفر علم الترنسكريبتوميكس رؤى حول المشهد النسخي للخلايا عن طريق قياس وفرة وتنوع جزيئات الحمض النووي الريبوزي المرسال في ظل ظروف فسيولوجية أو حالات مرضية مختلفة، أما علم البروتيومكس فيعمل على تحديد وتوصيف المجموعات الكاملة للبروتينات التي تعبر عنها الخلية أو الأنسجة، ويسلط الضوء على تفاعل البروتينات مع بعضها، وتعديلات ما بعد الترجمة، ومسارات الإشارات [3].

تبحث الدراسات اللاجينية في التغيرات الوراثية في التعبير الجيني التي تحدث دون حدوث تغييرات في تسلسلات الحمض النووي الأساسي، ومن هذه التغيرات اللاجينية مثيلة الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين، وتعديلات الهيستون، وإعادة تشكيل الكروماتين [3].

علم الجينوم المقارن

يعد علم الجينوم المقارن (بالإنجليزية: Comparative genomics) نهجًا قويًا يتضمن على المقارنة المنهجية لجينومات الأنواع المختلفة من الكائنات الحية للكشف عن الفروقات التطورية بينها وأوجه التشابه والاختلاف [2].

يستخدم علم الجينات المقارن متعدد التخصصات الأساليب الحسابية والإحصائية لتحديد التسلسل الجيني واستنتاج الأنماط التطورية، مما يوفر نظرة عميقة على الأساس الجيني للتنوع الحيوي والتكيف [2].

من خلال فحص البيانات الجينومية للأنواع المختلفة من الكائنات الحية يمكن للباحثين تحديد المناطق المحفوظة من الحمض النووي التي ظلت دون تغيير إلى حد كبير على مر الزمن التطوري، فضلًا عن فحص نسب السمات الجينومية الخاصة التي تكمن وراء السمات والتكيفات الخاصة لأنواع معينة [7].

يتيح علم الجينوم المقارن أيضًا الفرصة لإعادة بناء جينومات الأسلاف والاستدلال على الحالات الجينية لهم، مما يلقي الضوء على التاريخ التطوري، واختلاف الأنواع، كما يمكن للتحليلات المقارنة أن تكشف عن التوقعات الجينومية للانتقاء الطبيعي، والتطور والتكيف، والابتكارات الجينية التي ساهمت في تنوع الكائنات الحية [7].

إلى جانب توضيح العمليات التطورية فإن علم الجينوم المقارن له آثار عميقة في فهم الأساس الجزيئي للأمراض، حيث تلعب العناصر الجينومية المحفوظة غالبًا أدوارًا حاسمة في الصحة والمرض عبر الأنواع المختلفة من الكائنات الحية [7].

الآثار الأخلاقية والقانونية والاجتماعية لأبحاث الجينوم

تولد أبحاث الجينوم آثارًا أخلاقية وقانونية واجتماعية عميقة تتطلب دراسة متأنية واتخاذ تدابير استباقية للتخفيف من المخاطر المحتملة وضمان فوائد عادلة [5].

يدور أحد مجالات الاهتمام الحاسمة بأبحاث الجينوم حول الخصوصية وأمن البيانات، حيث تحتوي البيانات الجينومية على معلومات حساسة حول صحة الأفراد ونسبهم واستعدادهم للإصابة بالمرض، لذا يعد الحفاظ على سرية البيانات الجينومية وعدم الكشف عنها أمر بالغ الأهمية لمنع الوصول الغير مصرح به أو سوء الاستخدام أو الانتهاكات التي يمكن أن تعرض خصوصية الأفراد واستقلاليتهم للخطر [4].

إن الحصول على موافقة مستنيرة من قبل المشاركين في البحوث الجينومية أمر ضروري لدعم المبادئ الاخلاقية، واحترام حقوق الأفراد في اتخاذ قرارات مستقلة فيما يتعلق باستخدام معلوماتهم الجينية [4].

يشكل التمييز الجيني تحدي كبير آخر حيث قد يواجه الأفراد التمييز في التوظيف، أو التأمين أو في السياقات الاجتماعية على أساس ميولهم الوراثية أو نتائج التحاليل الجينومية، لذا حرصت الجهود المبذولة على سن التشريعات التي تحظر التمييز الجيني وتعزيز الممارسات غير التمييزية لما لهذا الأمر من أهمية بالغة لحماية حقوق الأفراد وضمان تكافؤ الفرص [4].

بالإضافة إلى ما سبق يعد الوصول العادل للتقنيات الجينومية وخدمات الرعاية الصحية أمر بالغ الأهمية لمعالجة الفوارق وضمان أن جميع الأفراد بغض النظر عن وضعهم الاجتماعي أو الاقتصادي أو موقعهم الجغرافي يمكنهم الاستفادة من التقدم في الطب الجينومي [4].

يعد التعاون بين صناع السياسات ومقدمي الرعاية الصحية والباحثين والمجتمعات ضروري لتطوير أطر تنظيمية ومبادئ توجيهية ومبادرات تعليمية تعزز السلوك الأخلاقي، وتدعم حقوق الأفراد وتعزز الثقة في أبحاث الجينوم وتطبيقاتها، فمن خلال معالجة الاعتبارات الأخلاقية والقانونية والاجتماعية بشكل مدروس وشامل يمكن تسخير الإمكانيات التحولية لأبحاث الجينوم لصالح البشر والأنواع المختلفة والبيئة مع حماية حقوق الأفراد وخصوصيتهم ورفاهيتهم [4].

المراجع

[1] Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002. How Genomes Evolve. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26836/

[2] Brown TA. Genomes. 2nd edition. Oxford: Wiley-Liss; 2002. Chapter 1, 2 , 7. Genomes. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21134/

[3] Gasperskaja, E., & Kučinskas, V. (2017). The most common technologies and tools for functional genome analysis. Acta medica Lituanica, 24(1), 1–11. https://doi.org/10.6001/actamedica.v24i1.3457

[4] Institute of Medicine (US) Committee on the Social and Ethical Impacts of Developments in Biomedicine; Bulger RE, Meyer Bobby E, Fineberg HV, editors. Society's Choices: Social and Ethical Decision Making in Biomedicine. Washington (DC): National Academies Press (US); 1995. The Ethical, Legal, and Social Implications Program of the National Center for Human Genome Research: A Missed Opportunity? https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK231976/

[5] National Human Genome Research Institute. (2020, August 15). A brief guide to genomics. Genome.gov. https://www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/A-Brief-Guide-to-Genomics

[6] Nurk, S., Koren, S., Rhie, A., Rautiainen et al. (2022). The complete sequence of a human genome. Science (New York, N.Y.), 376(6588), 44–53. https://doi.org/10.1126/science.abj6987

[7] Sivashankari, S., & Shanmughavel, P. (2007). Comparative genomics - a perspective. Bioinformation, 1(9), 376–378. https://doi.org/10.6026/97320630001376