نوترکیبی

نوترکیبی فرآیندی است که طی آن قطعات “DNA” شکسته‌ شده و دوباره ترکیب می‌شوند تا ترکیبات جدیدی از آلل‌ها تولید شود. فرآیند نوترکیبی، تنوع ژنتیکی را در سطح ژن‌ها ایجاد می‌کند که منعکس‌کننده‌ی تفاوت‌ها در توالی‌های DNA موجودات مختلف است. انواع نوترکیبی وجود دارد. در سلول‌های یوکاریوتی که سلول‌هایی با هسته و اندامک‌ها هستند، نوترکیبی به‌طور معمول در طول میوز رخ می‌دهد. میوز شکلی از تقسیم سلولی است که گامت‌ها یا سلول‌های تخمک و اسپرم تولید می‌کند.

نوترکیبی چیست؟

نوترکیبی در ژنتیک، مکانیسم اولیه‌ای است که از طریق آن تنوع به جمعیت‌ها وارد می‌شود. توالی‌های DNA می‌توانند گهگاهی بازآرایی شوند. ترکیب خاصی از ژن‌های موجود در هر ژنوم فردی و همچنین زمان و سطح بیان این ژن‌ها اغلب توسط چنین بازآرایی‌های DNA تغییر می‌یابند. در یک جمعیت این نوع تنوع ژنتیکی برای اجازه‌دادن به موجودات زنده در پاسخ به یک محیط درحال تغییر، حیاتی است. بازآرایی‌های DNA توسط مجموعه‌ای از مکانیسم‌هایی رخ می‌دهد که در مجموع نوترکیبی ژنتیکی نامیده می‌شوند. انواعی از نوع ترکیبی وجود دارد که جلوتر به آنها اشاره خواهیم کرد. اصلی‌ترین چیزی که در نوترکیبی اتفاق می‌افتد، تبادل اطلاعات ژنتیکی است.

نوترکیبی ژنتیکی (مکانیسم)

نوترکیبی ژنتیکی فرآیندی است که در طول میوز رخ می‌دهد؛ میوز نوعی تقسیم سلولی است که گامت‌ها را تولید می‌کند. در طی این فرآیند، کروموزوم‌های همولوگ جفت می‌شوند و واحدی به نام تتراد تشکیل می‌دهند؛ سپس کروموزوم‌ها می‌توانند از روی یکدیگر عبورکرده و مواد ژنتیکی را مبادله‌ کنند که منجر به ترکیبات جدیدی از آلل‌ها می‌شود. این فرآیند مهم است؛ زیرا تنوع ژنتیکی را افزایش می‌دهد که می‌تواند برای یک گونه مفید باشد.

نوترکیبی چه زمانی رخ می‌دهد؟

نوترکیبی DNA در طول میوز رخ می‌دهد. میوز فرآیندی است که مسئول تولید گامت‌ها، سلول‌های جنسی یا اسپرم و تخمک است. در انسان از آنجایی که هرسلول به‌طور کلی دارای 46 کروموزوم است که 23 جفت کروموزوم را تشکیل می‌دهد، به آنها سلول‌های دیپلوئید می‌گویند. به دنبال میوز، تعداد کروموزوم‌ها به نصف کاهش می‌یابد (23 کروموزوم) و در نتیجه سلول‌های هاپلوئید ایجاد می‌شود. این در تضاد با میتوز است که مسئول تقسیم بافت است و یک کپی سلولی دقیق بدون DNA نوترکیب تولید می‌کند.

انواع نوترکیبی

حداقل چهار نوع نوترکیبی طبیعی در موجودات زنده شناسایی شده‌است که به شرح زیر است:

1. نوترکیبی عمومی یا همولوگ (Homologous recombination)؛
2. نوترکیبی نامشروع یا غیر همولوگ (Non-homologous recombination)؛
3. نوترکیبی خاص سایت (Site-specific recombination)؛
4. نوترکیبی تکراری (Replicative recombination).

نوترکیبی عمومی یا همولوگ (Homologous recombination)

نوترکیبی عمومی یا همولوگ بین مولکول‌های DNA با توالی بسیار مشابه مانند کروموزوم‌های همولوگ در موجودات دیپلوئیدی رخ می‌دهد. نوترکیبی عمومی می‌تواند در سرتاسر ژنوم موجودات دیپلوئیدی با استفاده از یک یا تعداد کمی از مسیرهای آنزیمی‌ رایج رخ‌ دهد. نوترکیبی عمومی بخشی جدایی‌ناپذیر از فرآیند پیچیده میوز در ارگانیسم‌های در حال تولید مثل جنسی است؛ این منجر به تلاقی بین جفت ژن در طول یک کروموزوم می‌شود که در جفت گیری‌های مناسب آشکار می‌شوند. کیاسماها که کروموزوم‌های همولوگ را در طول میوز به هم پیوند می‌دهند، مکان‌های احتمالی متقاطعی هستند که باعث نوترکیبی می‌شوند. نوترکیبی عمومی همچنین در موجودات با تولید مثل غیرجنسی زمانی رخ می‌دهد که دو نسخه از یک کروموزوم یا بخش کروموزومی وجود داشته‌باشد.

مراحل نوترکیبی همولوگ

1. دو مارپیچ دوگانه همولوگ در یک راستا قراردارند؛
2. سپس یک نوکلئاز دورشته را که دارای قطبیت یکسان هستند می‌شکافد؛
3. انتهای آزاد، رشته‌های مکمل اصلی خود را ترک می‌کنند و با رشته‌های مکمل در مارپیچ دوگانه همولوگ پیوند هیدروژنی برقرار می‌کنند.
4. بستن یک مارپیچ دوگانه هترودوپلکس، یک واسطه مهم در نوترکیب به نام ساختار هالیدی تولید می‌کند.
5. ساختار هالیدی را می‌توان با برش و بستن حل‌کرد.

نوترکیبی همولوگ و مهندسی ژنتیک

مهندسی ژنتیک از نوترکیبی همولوگ برای خلاص‌‌شدن از شر ژن‌های معیوب یا جهش‌یافته استفاده می‌کند. وقتی ژن‌های جهش‌یافته در یک سلول قرار می‌گیرند، سلول توالی مشابهی را در ژن خارجی پیدا می‌کند، از طریق نوترکیبی می‌رود، توالی بد را حذف می‌کند و از خود کپی می‌کند تا یک ژن کاربردی بسازد. همچنین می‌توان از آن برای هدف قرار‌دادن ژن‌ها در مدل‌های حذفی استفاده‌کرد؛ جایی که می‌توانید هر دنباله‌ای را که می‌خواهید حذف‌کنید.

کاربردهای نوترکیبی همولوگ

1. راهی برای ساخت ارگانیسم‌های اصلاح‌شده‌ی ژنتیکی با DNA نوترکیب است.
2. مهندسی پروتئین به‌معنای کنار هم قرار‌دادن دو ژن است که برای پروتئین‌های مختلف کد می‌کنند تا یک پروتئین جدید بسازند. این روش ظاهر توالی پروتئین را تغییر می‌دهد.
3. همچنین می‌تواند با ترمیم آسیب DNA به درمان سرطان کمک‌کند.

نوترکیبی غیرهمولوگ (Non-homologous recombination)

نوترکیبی نامشروع یا غیرهمولوگ در مناطقی رخ می‌دهد که هیچ شباهت توالی در مقیاس بزرگ آشکار نیست. به عنوان مثال جابه‌جایی بین کروموزوم‌های مختلف یا حذف‌هایی که چندین ژن را در طول یک کروموزوم حذف می‌کند. با این‌حال، هنگامی که توالی DNA در نقاط شکست برای این رویدادها تجزیه‌وتحلیل می‌شود، مناطق کوتاهی از شباهت توالی در برخی موارد یافت می‌شود. به عنوان مثال نوترکیبی بین دو ژن مشابه که چندین میلیون جفت‌باز از هم فاصله دارند، می‌تواند منجر به حذف ژن‌های مداخله‌گر در سلول‌های سوماتیک شود.

نوترکیبی خاص سایت (Site-specific recombination)

نوترکیبی خاص‌سایت یکی دیگر از انواع نوترکیبی است که بین توالی‌های کوتاه خاص (حدود 12 تا 24 جفت باز) موجود روی مولکول‌های والدینی غیرمشابه رخ می‌دهد. نوترکیبی خاص‌سایت به یک سیستم آنزیمی خاص نیاز دارد. اساساً یک آنزیم یا سیستم آنزیمی برای هر مکان خاص، نمونه‌های سیستم‌های ادغام برخی باکتریوفاژها در یک کروموزوم باکتریایی و بازآرایی ژن‌های ایمونوگلوبولین در حیوانات مهره‌دار است.

نوترکیبی تکراری (Replicative recombination)

نوع سوم، نوترکیبی تکراری (همانندسازی) است که یک کپی جدید از یک بخش از DNA تولید می‌کند. بسیاری از عناصر قابل‌انتقال از فرآیند بازترکیب تکراری برای تولید یک کپی جدید از عنصر قابل‌انتقال در یک مکان جدید استفاده می‌کنند.

DNA نوترکیب

فناوری DNA نوترکیب شامل استفاده از آنزیم‌ها و تکنیک‌های مختلف آزمایشگاهی برای دستکاری و جداسازی بخش‌های DNA مورد نظر است. از این روش می‌توان برای ترکیب (یا اتصال) DNA از گونه‌های مختلف یا ایجاد ژن‌هایی با عملکردهای جدید استفاده‌کرد. کپی‌های حاصل اغلب به عنوان DNA نوترکیب نامیده می‌شوند. چنین کاری به‌طور معمول شامل تکثیر DNA نوترکیب در یک سلول باکتریایی یا مخمری است که دستگاه سلولی آن DNA مهندسی‌شده را همراه با DNA خود کپی می‌کند.

فناوری DNA نوترکیب، یک ابزار تحقیقاتی بسیار ‌‌مهم در زیست‌شناسی است؛ این به دانشمندان اجازه می‌دهد تا قطعات DNA را به‌منظور مطالعه آنها در آزمایشگاه دستکاری کنند. این‌ کار شامل استفاده از انواع روش‌های آزمایشگاهی برای قراردادن یک قطعه DNA در سلول باکتری یا مخمر است. پس از ورود، باکتری یا مخمر، DNA را همراه با DNA خود کپی می‌کند. فناوری DNA نوترکیب، با موفقیت، برای ساخت پروتئین‌های مهم مورد استفاده در درمان بیماری‌های انسانی مانند انسولین و هورمون رشد به‌ کارگرفته ‌شده‌است.

نمونه‌هایی از نوترکیبی ژنتیکی

انواع نوترکیبی‌ها باعث شکل‌های جدیدی از ترتیب‌ها می‌شوند. نوترکیبی ژنتیکی بخشی از وجود ما است. یکی از مهم‌ترین نمونه‌های نوترکیبی در ارگانیسم‌های درحال تولید مثل جنسی، در طی فرآیند میوز با عبور از کروموزوم‌های همولوگ اتفاق می‌افتد. اگرچه میوز فقط در یوکاریوت‌ها رخ می‌دهد اما افزایش تنوع ژنتیکی ناشی از اختلاط ژن‌ها به‌قدری برای بقای گونه‌ها مهم است که فرآیندهای نوترکیبی نیز در باکتری‌ها و ویروس‌ها رایج است. مثال دیگر زمانی است که سلول فرد، خود را به روشی طبیعی بهبود می‌بخشد. به عنوان مثال: اگر سلول متوجه شود که در DNA شما شکستگی ایجاد شده‌است، آنچه اتفاق می‌افتد این است که تبادلی بین یک بخش همولوگ از DNA رخ می‌دهد و شکاف‌های آن را پر می‌کند.

کاربردهای نوترکیبی

DNA نوترکیب “rDNA” کاربردهای زیادی در جامعه امروزی دارد. از تحقیقات و بیوتکنولوژی گرفته تا داروهای موجود در قفسه داروخانه‌ها؛ توانایی دستکاری و ایجاد DNA با فناوری ثابت شده‌است که در کاربردهای مختلف مفید است. چند مورد از کاربردها به شرح زیر است:

1. صنایع غذایی

فرآیند تولید پنیر به‌طور معمول به آنزیمی به نام مایه پنیر متکی‌ می‌باشد که حاوی کیموزین است. به‌طور سنتی، این ماده از معده گاوهای شیرخوار برای تولید پنیر گرفته می‌شود. با این حال، DNA  نوترکیب کیموزین از سال 1990 مورد استفاده قرار گرفته است و از نظر ژنتیکی و ساختاری با آنزیم اصلی یکسان است؛ اما می‌تواند در مقادیر بیشتر و هزینه کمتر تولید شود. انواع خاصی از برنج مانند برنج طلایی به‌طور ژنتیکی با DNA  نوترکیب برای بیان آنزیم‌هایی که بیوسنتز B-کاروتن را تقویت می‌کنند، مهندسی شده‌است. در حال حاضر این نوع خاص برنج طلایی هنوز در مرحله تصویب مقررات است اما پتانسیل کاهش شیوع کمبود ویتامین A در سراسر جهان را دارد.

2. صنعت داروسازی

از استفاده‌های نوترکیبی در داروسازی می‌توان به این مورد اشاره کرد که بیماران دیابتی اغلب به تزریق انسولین انسانی برای کمک به کنترل سطح گلوکز نیاز دارند؛ زیرا توانایی تنظیم موثر گلوکز خون را از دست داده‌اند. استفاده از  rDNA(DNA نوترکیب) برای ایجاد انسولین انسانی به جای بدست آوردن آن از منابع حیوانی، استفاده گسترده از آن را در سراسر صنعت داروسازی امکان‌پذیر می‌کند.

هورمون رشد انسانی نوترکیب برای حمایت از رشد و تکامل طبیعی بیماران مبتلا به اختلال در عملکرد غده هیپوفیز استفاده می‌شود. این مزیت قابل‌ توجهی را ارائه می‌دهد؛ به‌ویژه هنگامی که با روش‌های قبلی استفاده شده برای به دست آوردن هورمون از اجساد که می‌تواند اثرات منفی جدی برای سلامتی داشته باشد، مقایسه شود.

فاکتورهای انعقاد خون نقش اساسی در مدیریت بیمارانی که از هموفیلی رنج می‌برند دارد؛ یک اختلال خونریزی‌دهنده که شامل عدم توانایی تولید فاکتور انعقاد خون کافی برای عملکرد طبیعی انعقاد خون است، ایفا می‌کند. توانایی ساخت فاکتور انعقاد خون نوترکیب (VIII) امکان استفاده از مقادیر بیشتری را در عمل فراهم می‌کند و نیاز به اهدای خون برای دریافت طبیعی فاکتور را کاهش می‌دهد.

3. تحقیقات پزشکی

از دیگر کاربردهای نوترکیبی، می‌توان به صنعت پزشکی اشاره کرد. DNA نوترکیب در توسعه رایج‌ترین تکنیک‌های تشخیصی”HIV” استفاده شده است. آزمایش آنتی‌بادی از یک پروتئین نوترکیب HIV برای اندازه‌گیری آنتی‌بادی‌هایی در بدن استفاده می‌کند که در صورت وجود عفونتHIV تکثیر می‌شوند. آزمایش DNA از واکنش زنجیره‌ای پلیمراز رونویسی معکوس (RT-PCR) برای تشخیص وجود ماده ژنتیکی HIV استفاده می‌کند. این تکنیک با استفاده از rDNA مولکول‌ها و تجزیه‌و‌تحلیل توالی ژنوم توسعه یافته است.

4. صنعت کشاورزی

از استفاده‌های نوترکیبی در کشاورزی می‌توان به این مورد اشاره کرد که برخی از محصولات تجاری مانند سویا، ذرت، سورگوم، کلزا، یونجه و پنبه با DNA نوترکیب رشد می‌کنند که مقاومت در برابر علف‌کش‌های مورد استفاده در فرآیند کشاورزی را افزایش می‌دهد.

گلایفوسیت، علف‌کشی است که به‌طور معمول به عنوان “Roundup” شناخته می‌شود و به‌طور گسترده در بین کشاورزان برای کمک به کنترل علف‌های هرز استفاده می‌شود و ژن‌های نوترکیب در محصولات کشاورزی به آنها اجازه می‌دهد بدون تأثیر علف‌کش رشد کنند. علاوه بر این، پیشرفت‌های اخیر، گیاهان را قادر می‌سازد تا فرم نوترکیب پروتئین سم “Bt” را که معمولاً توسط باکتری “Bacillus thuringeiensis” تولید می‌شود، بیان کنند. این به‌طور طبیعی قادر به کنترل حشرات تهدیدکننده محصولات کشاورزی است و به یک روش معمول در باغبانی و کشاورزی تبدیل شده است.

اثرات بلندمدت سلامتی و زیست‌محیطی ژن نوترکیب هنوز مشخص نیست و موضوعی بحث برانگیز است.

منابع:

https: //bio.libretexts.org/Bookshelves/Genetics/Working_with_Molecular_Genetics_(Hardison)/Unit_II%3A_Replication_Maintenance_and_Alteration_of_the_Genetic_Material/8%3A_Recombination_of_DNA#: ~: text=At%20least%20four%20types%20of,and%20(4)%20replicative%20recombination

https: //www.genome.gov/genetics-glossary/Recombinant-DNA-Technology#: ~: text=Recombinant%20DNA%20technology%20involves%20using,referred%20to%20as%20recombinant%20DNA.

https: //www.news-medical.net/life-sciences/Recombinant-DNA-Applications.aspx

https://www.researchgate.net/figure/Mechanism-of-site-specific-recombination-by-tyrosine-recombinases-The-recombinase_fig4_277812508

نویسنده: ستاره رهبر

ویراستار: سارا تاجداری