آکادمی ژنتیک ایرانآموزش ژنتیک

همه چیز دربارۀ ژن و کروموزوم

ژن‌ها توالی‌هایی از DNAاند که یکی پس از دیگری در مکان‌های خاصی روی کروموزوم‌های هسته‌ی سلول‌ها قرار گرفته‌اند. هر کروموزوم حاوی تعداد زیادی ژن است.

ژن چیست؟

ژن، اساسی‌ترین و کاربردی‌ترین واحد وراثت یعنی آن‌چه که از والدین به ما به ارث می‌رسد، است. برای توضیح اینکه ژن چیست می‌توان گفت که ژن‌ها قسمتی از DNA که حاوی اطلاعاتی برای ساخت محصولاتی که منجربه بیان یک ویژگی یا ویژگی‌های خاص مانند رنگ مو یا رنگ چشم یا عملکرد خاصی در یک سلول می‌شوند، هستند. از ‌آن‌جایی‌که ژن، بخشی از مولکول DNA است، مونومر تشکیل‌دهنده‌ی ساختار ژن نیز همانند DNA نوکلئوتید است. در یک تلاش تحقیقاتی بین‌المللی به نام پروژه ژنوم انسان، که برای تعیین توالی ژنوم انسان و شناسایی ژن‌های موجود در آن تحقیق و بررسی می‌شد، مشخص شد که به‌طور تقریبی انسان بین 20هزار تا 25هزار ژن دارد.

 

توضیحی از موقعیت ژن در کرموزوم
توضیحی از موقعیت ژن در کرموزوم

ژن‌ها ساختار DNA ما را تشکیل می‌دهند و مسئول تمام ویژگی‌های ژنتیکی ما هستند. در انسان، هر فرد دو نسخه از هر ژن دارد که به‌عنوان یک آلل شناخته می‌شود که یکی از هر یک از دو والد خود به ارث برده است. آلل‌های یک ژن، مسئول تنوع و منحصربه‌فرد بودن هر فرد هستند. اختلاف یا گوناگونی در یک ژن خاص به‌عنوان آلل شناخته می‌شود. به عبارتی آلل‌ها اشکالی از یک ژن با تفاوت‌های کوچک در توالی‌های DNA آن‌ها هستند. بیشتر ژن‌ها در همه‌ی افراد یکسان هستند، اما تعداد کمی از آن‌ها (کمتر از 1 درصد کل) بین افراد، کمی متفاوت است که همین تفاوت‌های کوچک به ویژگی‌های فیزیکی منحصربه‌فرد هر فرد کمک می‌کند.

 

ژنوم چیست؟

ژنوم مجموعه‌ی کامل مواد ژنتیکی یا DNA موجود در یک موجود زنده است. در افراد، تقریباً هر سلول بدن حاوی یک نسخه کامل از ژنوم است. ژنوم شامل تمام اطلاعات مورد نیاز برای رشدونمو یک فرد است. مطالعه ژنوم ممکن است به محققان در درک چگونگی شکل‌گیری انواع سرطان و پاسخ به درمان کمک کند که ممکن است به راه‌های جدیدی برای تشخیص، درمان و پیشگیری از سرطان منجر شود. در انسان، ژنوم شامل 23جفت کروموزوم که در هسته سلول قرار دارد و همچنین شامل یک کرموزوم کوچک در میتوکندری سلول است.

 

تفاوت ژن و DNA

DNA، ژن‌ها و کروموزوم‌ها با هم کار می‌کنند تا انسان را همان چیزی که هست، بسازند. کروموزوم‌ها حامل DNA در سلول‌ها هستند. DNA مسئول ساخت و حفظ ساختار انسانی‌ست. ژن‌ها بخش هایی از DNA هستند که به انسان ویژگی‌های فیزیکی می‌دهند که آن را منحصربه‌فرد می‌کند.

 

تفاوت ژن و آلل

یک ژن اساساً بخشی از ساختار DNA است و ویژگی‌های ژنتیکی همه افراد را تعیین می‌کند. آلل‌ها تغییرات مختلف یک ژن هستند و یک ویژگی واحد را تعیین می‌کنند. تفاوت بین ژن و آلل را می‌توان با کمک این جدول بهتر درک کرد:

آلل ژن
آلل‌ها انواع مختلفی از یک ژن هستند. ژن، توالی کوتاهی از DNA است که یک صفت خاص را کد می‌کند.
آلل‌ها مسئول ویژگی‌های مختلف یک صفت هستند. ژن‌ها صفات را در فرد تعیین می‌کنند.
یک فرد حاوی یک جفت آلل برای یک ژن خاص است که ممکن است هموزیگوت، هتروزیگوت، غالب یا مغلوب باشد.

یک ژن می‌تواند آلل های مختلفی داشته باشد.

به‌عنوان مثال: رنگ چشم مشکی، قهوه ای، آبی یا سبز

به‌عنوان مثال: رنگ پوست، مو یا چشم

ساختار کلی ژن

ژن‌ها از دی‌‌اکسی‌ریبونوکلئیک اسید (DNA) تشکیل شده‌اند (برخی از ویروس‌ها دارای ژن‌هایی هستند که از ترکیبی به نام اسید ریبونوکلئیک (RNA) تشکیل شده‌است).  یک مولکول DNA از دو زنجیره نوکلئوتیدی تشکیل شده که به شکل یک نردبان پیچ‌خورده به دور یکدیگر می‌پیچند. کناره‌های نردبان از قندها و فسفات‌ها و پله‌ها توسط جفت‌ بازهای پیوندی از پایه‌های نیتروژنی تشکیل شده‌اند. این بازها شامل آدنین (A) و گوانین (G) که به‌عنوان بازهای پورین و سیتوزین (C) و تیمین (T) که به نام بازهای پیریمیدین شناخته می‌شوند، هستند و به صورت جفت باهم مکمل اند.  Aدر یک زنجیره به T در زنجیره دیگر با  2پیوند هیدروژنی متصل و در نتیجه یک پله نردبان A-T تشکیل می‌شود. به‌طور مشابه، یک C در یک زنجیره به یک G در زنجیره دیگر با 3 پیوند هیدروژنی متصل می‌شود. اگر پیوندهای بین بازها شکسته شود، دو زنجیره باز می‌شوند و نوکلئوتیدهای آزاد درون سلول خود را به پایه‌های جداشده در زنجیره اصلی می‌چسبانند. نوکلئوتیدهای آزاد در امتداد هر زنجیره مطابق با قانون جفت بازهای مکمل قرار می‌گیرند و A به T و C به G پیوند هیدروژنی می‌زند. این فرایند منجربه ایجاد دو مولکول DNA یکسان از یک مولکول اصلی DNA می‌شود که به آن همانندسازی DNA می‌گویند.

ساختار ژن و DNA
ساختار ژن و DNA

عملکرد ژن

ژن‌ها مسئول ویژگی‌های یک موجود زنده هستند. آن‌ها حاوی اطلاعاتی برای ساخت مولکول‌ها و پروتئین‌های خاصی هستند که به سلول‌های انسانی اجازه عملکرد می‌دهند و نحوه رشد و عملکرد بدن را کنترل می‌کنند.

از جمله عملکرد ژن‌ها؛

  1. ژن‌ها مورفولوژی یا فنوتیپ افراد را کنترل می‌کنند؛
  2. تکثیر ژن‌ها برای تقسیم سلولی ضروری است؛
  3. ژن‌ها اطلاعات ارثی را از نسلی به نسل دیگر منتقل می‌کنند؛
  4. ژن‌ها ساختار و متابولیسم بدن را کنترل می‌کنند؛
  5. جابه‌جایی ژن‌ها در زمان تولید مثل جنسی، تنوع و گوناگونی را ایجاد می‌کند؛
  6. پیوندهای مختلفی به دلیل تلاقی در ساختار ژن‌ها ایجاد می‌شود؛
  7. ژن‌ها دچار جهش می‌شوند و بیان خود را تغییر می‌دهند؛
  8. ژن‌ها به دلیل اثر موقعیت، بیان خود را تغییر می‌دهند؛
  9. رشد، توسط ژن‌ها کنترل می‌شود.

 

نحوۀ بیان ژن

بیان ژن فرایندی است که طی آن اطلاعات رمزگذاری‌شده در ساختار ژن به یک عملکرد تبدیل می‌شود. این فرایند بیشتر از طریق رونویسی مولکول‌های RNA که پروتئین‌ها را کد می‌کنند یا مولکول‌های RNA غیرکدکننده که عملکردهای دیگری را انجام می‌دهند، رخ می‌دهد. بیان ژن به عنوان یک کلید روشن-خاموش برای کنترل زمان و مکان ساخت مولکول‌های RNA و پروتئین‌ها در نظر گرفته می‌شود. فرایند بیان ژن به دقت تنظیم می‌شود و در شرایط مختلف و انواع سلول‌ها به‌طور قابل ملاحظه‌ای تغییر می‌کند. RNA و محصولات پروتئینی بسیاری از ژن‌ها برای تنظیم بیان ژن‌های دیگر عمل می‌کنند.

 

مراحل رونویسی

فرایند رونویسی در پروکاریوت‌ها در سیتوپلاسم و در یوکاریوت‌ها در هسته انجام‌شده و از DNA به‌عنوان الگویی برای ساخت مولکول mRNA استفاده می‌شود. در طول رونویسی، رشته‌ای از mRNA ساخته می‌شود که مکمل رشته‌ای از DNA است. در نهایت بخش‌هایی از mRNA رونویسی‌شده به پروتئین‌های کاربردی تبدیل می‌شود.

رونویسی در سه مرحله انجام می‌شود: آغاز، افزایش طول و پایان.

  1. آغاز

این مرحله شروع رونویسی است. زمانی اتفاق می‌افتد که آنزیم RNA پلیمراز به ناحیه‌ای از ژن به نام پروموتر متصل می‌شود. این کار به DNA سیگنال می‌دهد که باز شود تا آنزیم بتواند بازهای یکی از رشته‌های DNA را بخواند. آنزیم اکنون آماده است تا رشته‌ای از mRNA را با دنباله‌ای از بازها بسازد.

  1. افزایش طول

این مرحله عبارت است از افزودن نوکلئوتیدها به رشته RNA .mRNAپلیمراز رشته DNA بازشده را می‌خواند و با استفاده از جفت‌ بازهای مکمل، مولکول mRNA را می‌سازد. در طی این فرایند، یک آدنین (A) در DNA به یک یوراسیل (U) در RNA متصل می‌شود.

  1. پایان

پایان رونویسی زمانی اتفاق می‌افتد که RNAپلیمراز از یک توالی (کدون) پایان در ساختار ژن عبور کند. سپس رشته mRNA ایجادشده از DNA جدا می‌شود.

نمایی از محل و مراحل بیان ژن و رونویسی
نمایی از محل و مراحل بیان ژن و رونویسی

جهش‌های ژنی

جهش ژنتیکی، تغییر دائمی در یک توالی از DNA است. توالی DNA به سلول‌ها اطلاعاتی را که برای انجام وظایف خود نیاز دارند، می‌دهد. جهش‌های ژنتیکی در طول تقسیم سلولی (میتوز و میوز)  زمانی که سلول‌ها تقسیم و تکثیر می‌شوند، رخ می‌دهد. جهش ژنتیکی، اطلاعاتی را که سلول‌ها برای تشکیل و عملکرد نیاز دارند تغییر می‌دهد. اگر یک جهش رخ دهد، ممکن است علائم یک بیماری ژنتیکی را ایجاد کند، زیرا سلول‌ها کاری متفاوتی از آنچه باید را انجام می‌دهند. علائم جهش ژنتیکی به این بستگی دارد که کدام ژن دارای جهش است. بسیاری از بیماری‌ها و شرایط مختلف ناشی از جهش وجود دارد.

همۀ جهش‌های ژنتیکی منجر‌به اختلالات ژنتیکی نمی‌شوند. برخی از جهش‌های ژنتیکی هیچ تاثیری بر سلامت انسان ندارند. بدن ما دارای آنزیم‌هایی است که این آنزیم‌ها می‌توانند انواع جهش‌های ژنتیکی را قبل از اینکه بر عملکرد سلولی تأثیر بگذارند، ترمیم کنند.

 

انواع جهش‌های ژنی

  • جهش‌های ژنی براساس محل شکل‌گیری آن‌ها

  1. “Germline mutation”: جهش‌های ژنی ژرملین یا زایا با تغییر در ساختار ژنی که در سلول‌های تولید مثلی (تخمک یا اسپرم) ایجاد می‌کند بر ساختار ژنتیکی (ارثی) تأثیر می‌گذارد.
  2. “Somatic mutation”: جهش‌های سوماتیک با تغییر در ساختار ژن پس از لقاح در جنین در حال رشد ایجاد می‌شوند. این نوع جهش‌ها نمی‌توانند از والدین به فرزندان منتقل شوند.
  • جهش‌های ژنی براساس نحوۀ ایجاد

  1. جهش جانشینی پایه (Base Substitutions): از رایج‌ترین انواع جهش است که 2 نوع مختلف دارد.

1.1) “Transition”: زمانی اتفاق می‌افتد که یک پورین با پورین دیگر یا زمانی که یک پیریمیدین با پیریمیدین دیگری جایگزین شود.

 1.2)”Transversion” : هنگامی که یک پورین جایگزین پیریمیدین یا یک پیریمیدین جایگزین پورین شود، رخ می‌دهد.

  1. جهش خاموش (Silent): اگر جایگزینی در موقعیت سوم کدون (توالی 3 نوکلئوتیدی رمزکننده آمینواسید درDNA یا RNA) اتفاق بیفتد، احتمال زیادی وجود دارد که یک کدون مترادف ایجاد شود. بنابراین توالی اسیدآمینه کدشده توسط ژن تغییر نمی‌کند و گفته می‌شود جهش خاموش است.
  2. جهش حذفی (Deletions): زمانی رخ می‌دهد که یک یا چند جفت باز از DNA از بین برود. این نوع جهش موجب تغییر ساختار ژن و DNA می‌شود. در این حالت محصول حاصل از رونویسی یا ترجمه به‌طور کل تغییر می‌کند.
  3. افزایش (Insertions): افزایش نوکلئوتیدهای اضافی ممکن است بسته به اینکه مضربی از سه نوکلئوتید افزوده شده باشد یا نه، منجربه تغییر ساختار ژن شود. ترکیبی از افزایش و حذف که منجربه نتایج مختلفی می‌شود نیز امکان‌پذیر است.

 

علت بروز جهش

  1. خطا در همانندسازی DNA: در موارد بسیار بسیار نادر DNA پلیمراز یک باز غیرمکمل را در رشته دختر ترکیب می‌کند.
  2. خطا در نوترکیبی DNA: DNA اغلب خود را با فرایندی به نام نوترکیبی که از طریق مکانیسم‌های مختلفی انجام می‌شود، بازآرایی می‌کند. گاهی اوقات DNA در طول همانندسازی از بین می‌رود که منجر به جهش می‌شود.
  3. آسیب شیمیایی به DNA: بسیاری از داروهای شیمیایی درمانی قادر به آسیب رساندن به DNA هستند.
  4. تشعشعات: پرتوهای گاما، اشعه ایکس، حتی اشعه ماوراءبنفش می‌توانند با ترکیبات موجود در سلول، رادیکال‌های آزاد تولید کنند که باعث آسیب شیمیایی به DNA می‌شود.
  5. مصرف دخانیات.

 

اختلالات ژنتیکی

اختلالات ژنتیکی زمانی اتفاق می‌افتد که یک جهش روی ژن‌ها اثر بگذارد. انواعی از احتلالات ژنتیکی وجود دارد:

  1. کروموزومی (Chromosomal): این نوع بر ساختارهایی که DNA یا ژن را در هر سلول (کروموزوم) نگه می‌دارد، اثر می‌گذارد. با این شرایط، افراد یا از دست می‌روند یا دارای مواد کروموزومی تکراری می‌شوند.
  2. چندعاملی (multifactorial): این اختلالات ناشی از ترکیبی از جهش‌های ژنی و عوامل دیگر است. این عوامل شامل قرارگرفتن در معرض مواد شیمیایی، رژیم غذایی، برخی داروها و مصرف تنباکو یا الکل هستند.
  3. تک‌ژنی (monogenic): این گروه اختلالات از یک جهش ژنی به‌وجود می‌آیند.

 

بیماری‌های ژنتیکی ناشی از اختلالات ژنتیکی

  • بیماری‌های کرموزومی

  1. سندروم داون (Trisomy 21): سندروم داون یک بیماری ژنتیکی است که در آن فرد با یک نسخه اضافی از کروموزوم 21 متولد می‌شود. این بدان معناست که در مجموع به جای 46کروموزوم، 47کروموزوم دارد. این می‌تواند بر نحوه رشد مغز و بدن آن‌ها تأثیر بگذارد. افراد مبتلا به سندروم داون با مراقبت‌های حمایتی زندگی شاد و سالمی دارند.
  2. سندرم فرگل ایکس (Fragile X syndrome): “FXS” علت اصلی ناتوانی‌های ذهنی ارثی مانند اوتیسم است. علائم رفتاری، جسمی، فکری و سلامت روان وجود دارد. زنان علائم خفیف‌تری نسبت‌به مردان دارند. FXS، تهدیدکننده زندگی نیست و اگرچه هیچ درمانی وجود ندارد اما دارو و درمان می‌تواند به مدیریت علائم کمک کند.
  3. سندرم کلاین فلتر (Klinefelter syndrome): سندرم کلاین فلتر یک بیماری ژنتیکی شایع است که در آن یک مرد با یک کروموزوم X اضافی متولد می‌شود. افراد مبتلا به سندرم کلاین فلتر ممکن است رشد سینه، سرطان سینه، پوکی استخوان، ناباروری و مشکلات یادگیری را تجربه کنند. درمان معمولاً شامل درمان فیزیکی و عاطفی و همچنین جایگزینی هورمون است.
  4. سندرم تریپل ایکس (Triple-X syndrome): سندرم “X Triple” یک بیماری ژنتیکی است که در آن یک زن با یک کروموزوم X اضافی متولد می‌شود. این حالت فقط در خانم‌ها اتفاق می‌افتد. ممکن است از والدین منتقل شود یا خود به خود اتفاق بیافتد. زنان مبتلا به سندرم X تریپل ممکن است هیچ علامتی نداشته باشند و ندانند که به این بیماری مبتلا هستند، یا علائم آن‌ها می‌تواند شامل قد بلند و مشکلات باروری باشد. هیچ درمانی برای سندرم X تریپل وجود ندارد.
  5. “Trisomy 18”: تریزومی18 نوعی اختلال موسوم به سندروم یا نشانگان ادواردز است. این سندروم اختلال کروموزومی است که همراه با نقص در بسیاری از بخش‌های بدن است. افراد مبتلا به تریزومی18 اغلب دارای رشد کند قبل از تولد، عقب‌ماندگی رشد درون رحمی و وزن کم در هنگام تولد هستند.
  6. “Trisomy 13”: تریزومی13، که سندروم پاتو، سندروم بارتولین پاتو و سندروم تریزومی13 کامل نیز نامیده می‌شود، یک بیماری کروموزومی‌ست که با ناتوانی ذهنی و ناهنجاری‌های فیزیکی در بسیاری از قسمت‌های بدن همراه است. به دلیل مشکلات تهدیدکننده‌ای که در این بیماری وجود دارد، بسیاری از نوزادان مبتلا به تریزومی13 در اولین روزها یا هفته‌های زندگی خود می‌میرند.

  • بیماری‌های چندعاملی

  1. آلزایمر (Alzheimer’s disease): بیماری آلزایمر در طول زمان باعث کاهش حافظه، تفکر، یادگیری و مهارت‌های سازماندهی می‌شود. این شایع‌ترین علت زوال عقل است و معمولاً افراد بالای 65سال را مبتلا می‌کند. هیچ درمانی برای آلزایمر وجود ندارد، اما برخی داروها و درمان‌ها می‌توانند به‌طور موقت به مدیریت علائم کمک کنند.
  2. آرتروز (Arthritis): آرتریت یک اختلال شایع است که مفاصل را تحت‌تاثیر قرار می‌دهد و می تواند باعث درد و التهاب شود و حرکت یا فعال ماندن را دشوار کند. انواع مختلفی از آرتریت وجود دارد. هر فرم علائم مختلفی ایجاد می‌کند و ممکن است به درمان‌های متفاوتی نیاز داشته باشد. آرتروز می‌تواند در مردان، زنان و کودکان در هر سنی ایجاد شود.
  3. بیماری عروق کرونر (Coronary artery disease):CAD بیماری‌ست که بر شریان‌های کرونری که خون را به قلب می‌رسانند، اثر می‌گذارد.
  4. سرطان
  5. دیابت
  6. میگرن

  • بیماری‌های تک‌ژنی

  1. فیبروز کیستیک (Cystic Fibrosis): فیبروز کیستیک (CF) یک بیماری ژنتیکی (ارثی) است که باعث ایجاد مخاط چسبناک و غلیظ در اندام‌ها از جمله ریه‌ها و پانکراس می‌شود. در افرادی که “CF” دارند، مخاط غلیظ راه‌های هوایی را مسدودکرده و تنفس را دشوار می‌کند.
  2. هموکروماتوز (Hemochromatosis): هموکروماتوز یا اضافه‌بار آهن، وضعیتی است که در آن بدن، آهن بیش‌ازحد ذخیره می‌کند که می‌تواند بسیار آسیب‌زننده به بخش‌هایی مثل پانکراس کبد و قلب باشد.
  3. سلول‌های خونی داسی‌شکل (Sickle Cell): بیماری سلول داسی‌شکل، یک اختلال ژنتیکی که گلبول‌های قرمز خون را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد.
  4. دیستروفی عضلانی (Muscular Dystrophy): بیش از 30 بیماری دیستروفی عضلانی وجود دارد که باعث ضعف دائمی عضلات می‌شود. دیستروفی عضلانی ممکن است در بدو تولد وجود داشته باشد یا در دوران کودکی یا بزرگسالی ظاهر شود.

جمع‌بندی

ژن‌ها به‌عنوان کوچک‌ترین و اصلی‌ترین عوامل حیات، بی‌وقفه در حال فعالیت‌اند تا تمام فرایندهای زیستی بدن را به‌موقع و درست در محل تعیین‌شده انجام دهند. این عوامل ضروری حیات به قدری دقیق و منظم‌اند که کوچک‌ترین تغییر یا اشتباهی در فعالیت‌شان می‌تواند منجربه بیماری‌های گوناگون ژنتیکی به‌صورت برگشت‌ناپذیر شود. این موضوع اهمیت بالای این ماده‌ی ژنتیکی برای درک و شناخت و درنتیجه حفاظت از آن به‌خوبی گویاست.

نویسنده: مروا مهدیزاده

منابع

medlineplus

mybiosource

cancer

britannica

byjus

genome

byjus

bio.libretexts

csudh

clevelandclinic

 

تهیـه‌شـده در آکـــادمـی ژنـــتیـــک ایــران

‫2 نظرها

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

همچنین ببینید
بستن
دکمه بازگشت به بالا