لخّصلي

• اكتشف زندر والدربرج ظاهرة تسمى الإستقطاع أو الإستنقال أو الانتقال عبر الفاج تنتقل عن طريقها الجينات من سلالة بكتريا إلى أخرى عن طريق الفيروسات التي تتطفل عليها.

• قام زندر وليدر برج بتنمية سلالتين من بكتيريا تيفوئيد الفئران (سالمونيلا) إحداها تحتاج إلى الحامض الأميني مثيونين أى أنها غير ذاتية التغذية للمثيونين ولكنها ذاتية التغذية للحمض الأميني ثريونين ويرمز لها met- thr+. أما السلالة الأخرى فكانت ذاتية التغذية للمثيونين وغير ذاتية التغذية للثريونين met+ thr-، ويعيش بها فيروس بكتيريا التيفوئيد المسمى 22 Phage في صورة معتدلة. وعند خلط السلالتين معاً ظهرت بعض الخلايا البكتيرية البرية التي يمكنها النمو على وسط غذائى لا يوجد به أى من هذين المركبين أى أن القدرة على تكوين أي من المركبين قد انتقلت من سلالة إلى سلالة أخرى. وحيث أن الفيروس 22 انتقل من سلالة إلى أخرى فقد افترض زندر وليدر برج أن المقدرة على تكوين المثيونين قد انتقلت مع هذا الفيروس.

ولاستبعاد إمكانية انتقال هذه الصفة عن طريق الاقتران أو التحول نام زندر وليدر برج بزراعة السلالتين المذكورتين في نفس الوسط الغذائي مفصولتين عن بعضهما بمرشح بكتيرى يمنع اختلاطهما ولكنه يسمح بمرور الفيروس، وذلك بزراعتهما في أنبوب على شكل حرف شکل
المثيونين والثريونين يتم الحصول عليها بعد فترة من النمو في ذراعي الأنبوب. وحيث أن الفيروس يمكنه النفاذ خلال المرشح البكتيرى وأن دنا الفيروس يمتزج بالدنا البكتيرى فلابد أن يكون هو وسيلة انتقال صفة تكوين المثيونين من سلالة إلى سلالة أخرى من بكتريا التيفوئيد. وتجدر الإشارة إلى أن نقل جينات من سلالة بكتيرية إلى أخرى مع دنا الفيروس قد لفت الانتباه إلى استخدام دنا الفيروسات كنواقل للجينات في تجارب الهندسة الوراثية والتي بدأت بعد اكتشاف إنزيمات القصر

بعض الفيروسات التي تصيب النباتات أو الحيوانات تتكون من بروتين ورنا مثل فيروس تبرقش أوراق الدخان Tobacco mosaic virus وفيروس شلل الأطفال Poliomyelitis. والرنا قريب الشبه بالدنا ولكنه يختلف عنه في التركيب والوظيفة كما سيأتي شرحه تفصيلاً فيما بعد. والفيروسات التي تحتوى على الرنا تشبه تلك التي تحتوى على الدنا حيث توجد البروتينات كغلاف بروتيني خارجي محيطة بالرنا في المركز. وفيروس تبرقش الدخان يتخذ شكل لولب أسطواني ضيق اللغات ويكون الحامض النووى الريبوزي محور اللولب الأسطواني بينما يلتف البروتين حول هذا الحامض ومن الممكن أيضاً فصل الغلاف البروتيني لهذا الفيروس عن الرنا. ولهذا الفيروس سلالات تختلف في بعض

صفات البروتين المشترك في تركيبها.

وقد تمكن كونرات Conrat ومعاونوه خلال خمسينات القرن العشرين من فصل بروتينات فيروس تبرقش الدخان عن الرنا ويخلط البروتينات من إحدى سلالات هذا الفيروس برنا من سلالة أخرى ظهرت فيروسات نشطة واستناداً إلى هذه الظاهرة قام هؤلاء العلماء بسلسلة من التجارب أثبتت نتائجها أن الرنا هو الذي يحمل المعلومات الوراثية في هذا

الفيروس. ويوضح شكل - التركيب الدقيق الفيروس تبرقش الدخان

وفى دراستنا للوراثة اليوم لا يساورنا شك في أن الدنا هو المادة الوراثية حتى أن هذا المركب أصبح مرادفاً للجينات (المورثات). ورغم ذلك فإننا يجب ألا نغفل أن الرنا هو مادة الوراثة فى الفيروسات التي لا تحتوى على الدنا مثل فيروس تبرقش الدخان وفيروس شلل الأطفال. وخلاصة القول أن المعلومات الوراثية في جميع المخلوقات الحية باستثناء فيروسات

الرنا يتم تخزينها في الدنا.

تركيب الحامض النووى الديوكسي ريبوزي

يتكون الدنا من ثلاث مركبات كيميائية مختلفة هي مجموعة فوسفات Phosphate group - سكر خماسي الكربون Pentose sugar - وأربعة مركبات عضوية تسمى قواعد نيتروجينية Nitrogenous bases . والسكر الذي يدخل في تركيب

الدنا هو سكر الريبوز منزوع الأكسجين حيث تنقصه ذرة أكسجين من مجموعة الهيدروكسيد المتصلة بذرة الكربون رقم 2 من

اد. هناء حجازي الشاذلي

التركيب الحلقي لهذا السكر المسمى deoxyribose ولذلك يسمى الدنا Deoxyribonucleic acid. أما القواعد النيتروجينية فتشمل اثنتان من البيورينات Purines تحتوى على أربعة ذرات من النيتروحين هما الأدينين Adenine والجوانين Guanine وإثنان من البريميدينات Pyrimidines تحتوى على ذرتان من النيتروجين هما الثيمين Thymine والسيتوسين Cytosine

ويتحد السكر مع مجموعة الفوسفات وإحدى القواعد النيتروجينية الأربعة لتكوين وحدات بنائية لدنا تسمى نيوكليوتيدات Nucleotides. وعلى ذلك توجد أربعة أنواع من النيوكليوتيدات تبعاً للقاعدة النيتروجينية التي تشترك مع السكر ومجموعة الفوسفات. وترتبط النيوكليوتيدات في سلسلة طويلة غير متفرعة عمودها الفقرى السكر والفوسفات وتخرج منه وعمودية عليه القواعد النيتروجينية التي تتصل بذرة الكربون رقم 1 بروابط تساهمية Covalent bonds. ويكون الإتصال بذرة النيتروجين رقم 9 في الحلقة

الخماسية في القواعد البيورينية بينما يكون مع ذرة النيتروجين رقم 1 في القواعد البريميدينية

الحلزون المزدوج لدنا

حصل شارحاف Chargaff وزملاؤه خلال أربعينات القرن العشرين على نتائج تدل على تساوى عدد قواعد الأدينين مع قواعد الثيمين وتساوى قواعد الجوانين مع قواعد السيتوسين بما يشير إلى أن الدنا يتكون من سلسلتين وليس سلسلة واحدة من النيوكليوتيدات. كما كل

من قام فرانكلين وولكنز Franklin and Wilkins في بداية خمسينات القرن العشرين بإجراء دراسات على التركيب البنائي الجزئ هذا المركب لكشف خواصه الطبيعية باستخدام الأشعة السينية أوضحت أن جزئ الدنا غير متناظر وأنه طويل جداً وذو تركيب معقد، يبلغ عرضه 20 انجستروم وتتكرر فيه النيوكليوتيدات على مسافات منتظمة قدرها 3.4 أنجستروم (الأنجستروم - 10 سم) على طول محور الجزئ. كما

لاحظا أن سلسلتي الجزئ تلتفان حول محور على مسافات متساوية هي 34 أنجستروم أى يوجد 10 أزواج من النيوكليوتيدات في كل لفة. بناء على النتائج السابقة تمكن العالمان واطسون وكريك Watson and Crick عام 1953 من التوصل إلى التركيب البنائي الصحيح الجزئ الدنا. إقترح واطسون وكريك أن جزى الدنا يوجد في صورة حلزون مزدوج Double helix حيث تلتف سلسلتي النيوكليوتيدات في شكل حلزوني حول محور واحد. وترتبط النيوكليوتيدات في السلسلتين مع بعضها بروابط هيدروجينية Hydrogen bonds حيث يتقابل الأدينين مع التيمين ويتقابل الجوانين مع السيتوسين. وضرورة تكوين أزواج القواعد Base pairs بهذه الطريقة هي إحدى الملامح الفريدة الجزئ الدنا. ويتم ارتباط الأدنين بالثيمين برابطتين بينما يتم إرتباط الجوانين والسيتوسين بثلاث روابط هيدروجينية. وفى نموذج واطسون وكريك تجد أن الروابط

الفوسفو - استرية بين السكر والفوسفات في إحدى السلسلتين في الإتحاد 35 بمعنى أن جزيئ السكر يتصل بمجموعة فوسفات عن طريق ذرة الكربون رقم 5 في السكر ويتصل بالمجموعة التالية عن طريق ذرة الكربون رقم 3 في نفس السكر. بينما يكون الاتصال بالسلسلة المقابلة في

)4-3( الإتجاه

يتم تضاعف الدنا بانفصال سلسلتي الجزئ عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين أزواج القواعد النيتروجينية المتكاملة، ثم تقوم كل سلسلة منهما بناء سلسلة جديدة مكملة لها بمعنى أن كل سلسلة في الجزئ الأصلى تعمل كقالب السلسلة جديدة مكملة لها، ويعنى ذلك أن إحدى سلسلتي الجزيئ الجديد تتكون من نيوكليوتيدات جديدة بينما تتكون السلسلة الأخرى من نيوكليوتيدات

TAC-TCA-ACC-GGC-CTT-CAA ATG-AGT-TGG-CCG-GAA- TAC-TCA-ACC-GGC-CTT-CAA ATG-AGT-TGG-CCG-GAA-GTT

TAC-TCA-ACC-GGC-CTT-CAA ATG-AGT-TGG-CCG-GAA-GTT

شكل 4-5 : ترتيب القواعد النيتروجينية لجزء من دنا يوضح التضاعف شبه المحافظ لجزئ الدنا في جزيئين

متماثلين مع بعضهما ومع الجزيئ الأصلى

كانت ضمن الجزيئ الأصلي. ولذلك فإن عملية تضاعف الدنا تعرف بأنها شبه محافظة Semiconservative. وتضمن هذه الآلية أن يكون الجزيئين الناتجين من الجزئ الأصلى متماثلين معه ومع بعضهما تماماً (شكل 4-5).

إثبات الطريقة شبه المحافظة لتضاعف الدنا

قدم ميسلسون Meselson وشتال Stal عام 1958 برهاناً على أن عملية تضاعف الدنا

في خلايا بكتيريا الأمعاء تتم بطريقة شبه محافظة باستخدام طريقة تغيير الكثافة أثناء الطرد المركزي، وهذه الطريقة تعتمد على أن كثافة الدنا مماثلة تقريباً لكثافة المحاليل المركزة لبعض الأملاح الثقيلة مثل كلوريد السيزيوم CsCl، وعند الطرد المركزى على سرعة عالية (50000-30000 دورة في الدقيقة) محلول 6 عيارى من كلوريد السيزيوم لمدة يومين أو ثلاثة فإن قوى الطرد المركزي تجعل الملح يترسب عند قاع الأنبوبة التي يوجد بها المحلول، ويضاد هذه العملية انتشار عكسى الجزيئات الدنا في إتجاه أعلى الأنبوبة حيث يوجد تركيز منخفض من الملح، وبعد فترة كافية من الطرد المركزي عند تلك السرعات العالية سوف تحدث حالة إتزان بين الترسيب والإنتشار وعندئذ سوف تحدث حالة إتزان بين الترسيب والإنتشار، وفى هذا لوقت سوف يتزايد تدرج الكثافة من أعلى إلى أسفل الأنبوب ويسمى الإتزان الناتج بالإتزان متدرج الكثافة Equilibrium density gradient فإذا ما تواجد الدنا في المحلول فإنه سوف يتحرك إلى الموقع الذي تكون فيه كثافته مساوية لكثافة المحلول الملحى.

استند مسیلسون وشتال على إمكانية التمييز بين الدنا المحتوى على نيتروجين عادى وزنه الذرى 14 وذلك المحتوى على نظيره المحتوى على نيتروجين ثقيل وزنه الذرى 15 قام مسيلسون و شتال بزراعة خلايا بكتريا الأمعاء على وسط غذائي يحتوى على النيتروجين الثقيل لعدة أجيال حتى صار كل الدنا في هذه الخلايا يحتوى على النيتروجين الثقيل، وبعد ذلك نقلا هذه الخلايا إلى وسط غذائى يحتوى على النيتروجين العادى وتركت هذه الخلايا للنمو في وجود النيتروجين العادي لفترات زمنية مختلفة تكفى كل فترة لأن تنقسم الخلايا مرة واحدة، وبالطبع فإن الإنقسام مرة واحدة يعنى أن العدد الكلي للخلايا قد تضاعف ويعنى ذلك ايضاً أن الدنا بهذه الخلايا أيضا قد تضاعف. وقد تبين أن الدنا المستخلص من خلايا بكتيرية تضاعف بها الدنا مرة واحدة له كثافة وسط بين الدنا المحتوى على نيتروجين ثقيل وذلك المحتوى على نيتروجين عادى ويطلق على هذه الكثافة الوسطية بالكثافة الهجينة، وبزيادة فترة نمو خلايا البكتيريا على الوسط الغذائي المحتوى على نيتروجين عادى لمدة جيل آخر فإن كثافة نصف الدنا تكون خفيفة لإحتوائها على نيتروجين عادى بينما تكون كثافة النصف الآخر هجينة (شكل (3-6).

كثافة ثقيلة

جزئ دنا الأصلي يحوى نيتروجين وزنه الذرى 15 في سلسلتيه

W

كثافة متوسطة هجينة

جزيئان من دنا يحويان سلسلة بهما نيتروجين 15 في إحدى سلسلتيهما ونيتروجين 14 في السلسلة الأخرى

كثافة حقيقة كثافة متوسطة هجينة

أربعة جزيئات من دنا تحوى اثنتان منهما سلسلة بها نيتروجين 15 وسلسلة بها نيتروجين 14 وجزيئان بهما نيتروجين 14 في كلتا سلسلتيهما

شكل :- رسم توضیحی لنتائج تجربة مسيلسون وشتال عن التضاعف شبه المحافظة لجزئ الدنا

ولتفسير نتائج هذه التجربة تقول أن الدنا الموجود بالخلايا البكتيرية التي تم تنميتها على وسط غذائي يحتوى على النيتروجين الثقيل تحتوى كلنا سلسلتيه على قواعد نيتروجينية بها نيتروجين ثقيل، وعند نقل هذه الخلايا إلى وسط غذائي

جديد يحتوى على النيتروجين العادى يحدث تضاعف للدنا في هذ الخلايا وتكون إحدى سلسلتي الجزيئين الناتجين بها قواعد نيتروجينية تحتوى على نيتروجين عادى بينما تحتوى السلسلة الأخرى على قواعد نيتروجينية محتوية على نيتروجين ثقيل وعلى ذلك تكون كثافة هذا الجزئ وسط بين كثافة الجزئ المتكون من سلسلتين بهما نيتروجين ثقيل وكثافة الجزئ المتكون من سلسلتين بهما نيتروجين عادى وعندما يستمر نمو الخلايا البكتيرية على وسط غذائى به نيتروجين عادى لمدة جيل آخر فإن جزيئات الدنا يحدث لها تضاعف مرة أخرى، وبذلك تتكون جزيئات يكون نصفها محتوياً على سلسلة بها قواعد نيتروجينية محتوية على نيتروجين عادى والسلسلة الأخرى محتوية على نيتروجين ثقيل. أما النصف الآخر من جزيئات الدنا بالخلايا بعد التضاعف الثاني فتحتوى سلسلتيها على قواعد نيتروجينية بها كلها نيتروجين عادى. ويوضح الشكل التالي

نتائج وتفسير تجربة مسيلسون وشتال التي برهنت على أن تضاعف المادة الوراثية يتم بطريقة شبه محافظة.

الآلية الجزيئية لتضاعف دنا

تبدأ عملية التضاعف أو تكوين المثيل الجزئ الدنا عند نقطة تسمى منشأ (أصل) التضاعف، ويحمل تتابع النيوكليوتيدات في هذه المنطقة من الكروموسوم البكتيرى الجين الذي يسبب بداية عملية التضاعف المسمى بجين منشأ التضاعف (0) Replication origin gene، ويسبب تفكك الروابط الهيدروجينية التي تربط سلسلتي الدنا في هذه المنطقة انفصال السلسلتين عن بعضهما بمساعدة بروتينات تعمل على تفكك السلسلتين وتمنع تكوين روابط هيدروجينية بينهما مرة أخرى تسمى بروتينات فك الحلزنة Unwinding protein، كما أن هذه البروتينات تحمى النيوكليوتيدات غير المرتبطة في هذه المنطقة من الهدم بإنزيمات هدم الدنا، وباضطراد إنفصال السلسلتين في هذه المنطقة يتم تكوين

ما يسمى بشوكة التضاعف Replication fork في الاتجاهين.

يتم تخليق سلاسل دنا الجديدة بتجميع نيوكليوتيدات جديدة وارتباطها طوليا مع بعضها في سلسلة وارتباط كل نيوكليوتيدة مع النيوكليوتيدة المناسبة لها من السلسلة الأصلية بروابط هيدروجينية بمساعدة إنزيم بلمرة الدنا DNA polymerase، ولكى تبدأ عملية التضاعف فإن إنزيم بلمرة دنا يحتاج إلى منشط أو بادئ Primer من نيوكليوتيدات رنا يمكنها أن تستطيل بإضافة نيوكليوتيدات دنا إليها، ويستخدم إنزيم بلمرة رنا سلسلتي دنا المفردة في منطقة عين التضاعف Replication eye لتخليق جزء من سلسلة رنا يبلغ طولها حوالى 100 نيوكليوتيدة في الإتجاه 35 تمثل مناطق البداية Start points لتخليق جزئ دنا الجديد. ويضيف إنزيم بلمرة دنا نيوكليوتيدات تحتوى على الديوكسي ريبوز طبقاً لنوع القواعد النيتروجينية الموجودة في السلسلة الأصلية حيث تتحد القواعد النيتروجينية المحتوية على الأدنين مع القواعد المحتوية على الثيمين والقواعد المحتوية على

الجوانين مع قواعد تحتوى على السيتوسين.

وفي عملية تضاعف دنا يكون تكوين السلسلة الجديدة في الاتجاه 35 متصل ومستمر، أما السلسلة الأخرى فإن تخليقها لا يكون في نفس الاتجاه لأن إنزيم بلمرة دنا يعمل فقط عندما يكون الإرتباط بين السكر والفوسفات في الإتجاه 35، وعلى ذلك فإن هذه السلسلة يتم تخليقها في الإتجاه العكسى ولا تكون متصلة بل يتم تخليقها في صورة أجزاء منفصلة تسمى أجزاء أوكازاكي Okazaki fragments يتم الربط بينها بإنزيم الوصل أو الربط Ligase (شكل) (73)، ولكي تكتمل عملية تضاعف الدنا فإن جزء البادئ من الرنا يختفى بإنزيم هدم رنا RNA nuclease ويسبب ذلك فجوات في جزئ الدنا الجديد يتم ملئها بنيوكليوتيدات دنا باستخدام إنزيم بلمرة دنا. ويختلف تضاعف الدنا في الكائنات الراقية حقيقية الأنوية عنه في الكائنات بدائية الأنوية في نوعية الإنزيمات التي تتحكم في عملية التضاعف وفى بعض تفاصيل آلية عملية التضاعف ذاتها، ففى الحيوانات الراقية تم إكتشاف ثلاث إنزيمات من إنزيم بلمرة دنا تسمى في الثدييات ألفا a وبيتا B وجاما 6 ويمكن التمييز بين هذه الإنزيمات بوزنها الجزيئي وفي حساسيتها للأملاح، وفي النباتات والفطريات يوجد إنزيم واحد يسمى ألفا إلا أنه يختلف عن إنزيم ألفا في الثدييات