كل ما تود معرفته عن الطفرات وأنواعها

الطفرة هي أي تغيير في ​​المادة الوراثية لدى الكائن. بمعنى آخر، هي تغيير في تسلسل النيوكليوتيدات للحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين DNA. أو في حالة فيروسات الحمض النووي الريبوزي RNA، فهي تغيير في تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبوزي RNA. يُمكن أن تحدث الطفرات في أي وقت وفي أي خلية. ويُمكن أن تنشأ لأسباب متعددة. على سبيل المثال، يُمكن أن تحدث الطفرات النقطية Point mutation تلقائيًا أثناء تكرار الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين DNA من خلال سوء دمج النيوكليوتيدات وفشل آليات التعديل من تصحيح الخطأ، أو من خلال عدم الاستقرار الكيميائي للنيوكليوتيدات.

تعريف الطفرة

الطفرة هي أي تغيير وراثي مفاجئ في ​​النمط الجيني لخلية أو كائن حي. وتشمل التغيرات الطفرية في النمط الجيني للكائن الحي التغييرات في عدد الكروموسومات وتركيبها، وكذلك التغييرات في تركيب الجينات.

أهمية الطفرة

الطفرة هي المصدر الأساسي لجميع الاختلافات الجينية لأنها توفر المادة الخام للتطور. لذلك بدون الطفرات، فإن جميع الجينات ستوجد في شكل واحد فقط. ولن توجد الأليلات، ولا التحليل الجيني الكلاسيكي. والنقطة الأهم هي أن الكائنات الحية لن تكون قادرة على التطور والتكيف مع التغيرات البيئية.

علاوة على ذلك، فإن الطفرات تمتلك جانب جيد يتمثل في دعم بقاء الكائنات وجانب آخر سيء يتمثل في إحداث المعاناة للكائنات عن طريق الأمراض والاضطرابات. من ناحية أخرى، فإن الطفرات هي الدافع الأساسي لتطور الكائنات كما ذكرت.

تحتاج الكائنات إلى مستوى معين من الطفرات لحدوث تنوع جيني جديد. وذلك لتسمح للكائنات الحية بالتكيف مع البيئات الجديدة. ولكن، إذا حدثت الطفرات بصورة متكررة، فإنها ستؤدي إلى تعطيل نقل المعلومات الجينية من جيل إلى آخر.

أنواع الطفرات

يمكن تصنيف الطفرات بعدة طرق. إذ يمكننا التمييز بين فئتين كبيرتين من الطفرات حسب نوع الخلية وهما: الطفرات الجسدية وطفرات الخلية الجنسية.

يمكن أيضًا تصنيف الطفرات وفقًا لمعايير أخرى، مثل أنواع التغييرات في الحمض النووي، وأنواع التأثيرات المظهرية الناتجة، وما إذا كان حدوث الطفرة تلقائي في الأصل أو نتجت عن التعرض لمطفر معروف.

1. الطفرات على أساس خلوي Cell based mutation

اعتمادًا على نوع الخلية، يمكن أن تكون الطفرات من الأنواع التالية

  • طفرة الخلية الجسدية Somatic mutation.
  • طفرة الخلية الجنسية Germline mutation.

طفرة الخلية الجسدية

تحدث الطفرة الجسدية في الخلايا غير التناسلية، أي في الخلايا الجسدية. عندما تنقسم الخلية الجسدية الطافرة عن طريق الانقسام الميتوزي، فإن الطفرة تنتقل إلى الخلايا الوليدة، بالتالي ينتج عنها مجموعة من الخلايا المتطابقة وراثيًا.

وبسبب العدد الهائل من الخلايا الموجودة في كائن حقيقي النواة، فإن الطفرات الجسدية عديدة. على سبيل المثال، يوجد حوالي 1014 خلية في جسم الإنسان. عادة تظهر طفرة مرة واحدة كل مليون انقسام خلوي، بالتالي يجب أن تظهر مئات الملايين من الطفرات الجسدية في كل شخص. ورغم ذلك، فإن الخلايا ذات الطفرة الجسدية التي تحفز انقسام الخلايا، يمكن أن تزيد من حيث العدد وتنتشر؛ هذا النوع من الطفرات هو الأساس لجميع أنواع السرطان.

طفرة الخلية الجنسية

تحدث طفرة الخط الجنسي في الخلايا التي تؤدي إلى نشوء الأمشاج. ويمكن أن تنتقل طفرة الخط الجنسي إلى الأجيال القادمة، بالتالي تنتج كائنات حية تحمل الطفرة في جميع خلاياها الجسدية وخلاياها الجنسية.

2. الأساس الجزيئي للطفرة Molecular basis of mutation

بناء على أساس الطبيعة الجزيئية للعيوب، توجد ثلاثة أنواع من الطفرات

  • طفرة استبدال قاعدة Base substitutions، وتسمى الطفرة النقطية Point mutation ولها نوعان: الانتقال Transition، والانقلاب/التبديل Transversion. الإدراج والحذف Insertion and Deletion مثل طفرة انزياح الإطار Frameshift mutation.
  • طفرة تكرار التوسع ثلاثي النوكليوتيدات Trinucleotide repeat expansion mutation.
  • طفرة استبدال القاعدة – الطفرة النقطية

أبسط نوع من الطفرات الجينية، والتي يحدث فيها تغيير في نيوكليوتيد واحد في الحمض النووي. علاوة على ذلك، فإن الاستبدال الأساسي له نوعين. واحد هو الانتقال بينما الآخر هو الانقلاب/التبديل.

طفرة الانتقال

في طفرة الانتقال، يُستبدل بيورين ببيورين مختلف أو يستبدل بيريميدين ببيريميدين مختلف.

طفرة التبديل/الانقلاب

على عكس طفرة الانتقال، في طفرة التبديل، يستبدل بيريميدين ببيورين، أو يحل البيورين محل البيريميدين. وعلى الرغم من أن عدد طفرات الاستبدال المحتملة هو ضعف عدد طفرات الانتقال المحتملة، إلا أن طفرات الانتقال تحدث بصورة أكبر وبشكل متكرر.

إجمالاً، توجد أربع طفرات انتقال محتملة وثمانية طفرات استبدال محتملة. بالتالي نستنتج أن طفرة استبدال القاعدة تحدث بصورة أكبر على شكل طفرات انتقال. إذ تبلغ نسبة طفرة الانتقال إلى طفرة الاستبدال ما يقارب 2:1.

طفرة الإدراج والحذف

الفئة الرئيسية الثانية من الطفرات الجينية تحتوي على عمليات إدراج وحذف. أي إضافة أو حذف زوج واحد أو أكثر من النيوكليوتيدات عند نقطة ما. قد تؤدي طفرات الحذف الصغيرة إلى إزالة زوج واحد أو بضعة أزواج أساسية داخل الجين، بينما يمكن لطفرة الحذف الأكبر إزالة جين كامل أو عدة جينات مجاورة. ونتيجة لذلك، قد لا يعمل البروتين الذي ينتجه الجين بشكل صحيح. ومن أنواع هذه الطفرة، طفرة انزياح الإطار Frameshift mutation.

طفرة انزياح الإطار

تؤدي طفرات انزياح الإطار عن طريق إضافة أو حذف النيوكليوتيدات إلى حدوث تغيير في إطار قراءة الكودونات. وعادةً ما تُغير الطفرة جميع الأحماض الأمينية المشفرة بواسطة النيوكليوتيدات بعد الطفرة، بالتالي يكون لها عمومًا تأثيرات جذرية على النمط الظاهري.

في الأساس، فإن الطفرات النقطية التي تضيف أو تحذف قاعدة من المحتمل أن تكون هي الأكثر ضررًا في تأثيرها على الخلية أو الكائن الحي لأنها تغير إطار القراءة للجين من موقع الطفرة فصاعدًا.

عادةً ما تسبب طفرة تغيير الإطارات مشكلتين. أولاً، ستكون جميع الكودونات من نقطة تغيير الإطارات وما بعدها مختلفة، بالتالي سوف تنتج على الأرجح بروتين عديم الفائدة. ثانيًا، سوف تُقرأ معلومات إشارة التوقف الخاصة بكودونات الإيقاف بصورة خاطئة.

طفرة تكرار التوسع ثلاثي النيوكليوتيدات

خلال طفرة تكرار التوسع ثلاثي النوكليوتيدات، يزداد عدد نسخ ثلاثي النوكليوتيد. إذ لوحظ هذا النوع من الطفرات لأول مرة في الجين FMR-1، المسبب لمتلازمة Fragile-X syndroms، وهي السبب الوراثي الأكثر شيوعًا للتخلف العقلي.

عُثر على تكرارات ثلاثي النوكليوتيدات الموسعة في أمراض وراثية بشرية أخرى أيضًا. على سبيل المثال، ضمور العضلات الشوكي والصدلي Spinal and bulbar muscular atrophy، ومتلازمة جاكوبسن Jacobsen syndrome، وضمور التوتر العضلي Myotonic dystrophy.

3. أنواع الطفرات التي تعتمد على التأثيرات المظهرية

هي طفرات لها تأثيرات نمطية متنوعة. ويتحقق التأثير المظهرى للطفرة عند مقارنة المتحولة مع النمط الظاهري من النوع البري/الأصلي. سأسرد قائمة بجميع أنواع الطفرات التي تحدث بسبب تأثيرات النمط الظاهري.

  • طفرة أمامية Forward mutation
  • طفرة عكسية Reverse mutation
  • طفرة مُغلطة Missense mutation
  • طفرة محايدة Neutral mutation
  • طفرة هرائية Non-sense mutation
  • طفرة صامتة Silent mutation
  • طفرة فقدان الوظيفة Loss of function mutation
  • طفرة اكتساب وظيفة Gain of function mutatiom
  • طفرة مشروطة Conditional mutation

الطفرة الأمامية

تسمى الطفرة التي تغير الأليل من النوع البري إلى أليل متحور بالطفرة الأمامية.

الطفرة العكسية

كما يوحي الاسم، فهي عكس الطفرة الأمامية. بالتالي يتغير الأليل الطافر مرة أخرى إلى الأليل من النوع البري.

الطفرة المغلطة – طفرة نقطية

يشار إلى استبدال القاعدة الذي ينتج عنه حمض أميني مختلف في البروتين باسم الطفرة المغلطة. إضافة إلى أن الطفرات المغلطة يمكن أن تجعل البروتين الناتج غير وظيفي. مثل هذه الطفرات مسؤولة عن أمراض الإنسان. على سبيل المثال، مرض فقر الدم المنجلي Sickle-cell disease.

الطفرة المحايدة

الطفرة المحايدة هي طفرة خاطئة تغير تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين ولكنها لا تغير وظيفتها. تحدث عندما تحل أحد الأحماض الأمينية محل حمض أميني آخر مشابه كيميائيًا.

الطفرة الهرائية – طفرة نقطية

طفرة لا معنى لها تؤدي إلى تغيير كودون sense يشفر حمض أميني إلى كودون non-sense يوقف الترجمة. بعبارة أخرى، تُوقف ترجمة الرنا المرسال mRNA وينتج عنها منتج بروتيني غير مكتمل أو غير وظيفي عادةً.

الطفرة الصامتة – طفرة نقطية

تخلق الطفرة الصامتة تسلسلاً مختلفًا للحمض النووي، لكنه يشفر نفس الحمض الأميني مثل تسلسل النوع البري.

طفرة فقدان الوظيفة

طفرة فقدان الوظيفية تؤدي إلى غياب جزئي أو كامل لوظيفة البروتين الطبيعية. وغالبًا ما تكون الأنماط الظاهرية المرتبطة بهذه الطفرات متنحية. وتكون طفرة فقدان الوظيفة سائدة فقط في الكائن الفرداني haploid.

طفرة اكتساب الوظيفة

في المقابل، تنتج طفرة اكتساب الوظيفة سمة جديدة تمامًا أو تتسبب في ظهور سمة في نسيج غير مناسب أو في وقت غير مناسب. إضافة إلى أن طفرات اكتساب الوظيفة غالبًا هي السائدة في تعبيرها.

الطفرة الشرطية

يحدث التعبير لهذا النوع من الطفرات في ظل ظروف معينة أو في وجود عامل بيئي. وفي بعض الأحيان، تؤدي هذه الطفرات إلى وظائف معيبة تجعل بقاء الكائن الحي صعبًا في ظل ظروف معينة. على سبيل المثال، الطفرة التي تعتمد على درجة الحرارة أو الطفرة الحساسة لدرجة الحرارة.

تتسبب هذه الطفرات في تعرض الكائن الحي لخطر موت الخلايا عندما ترتفع درجة الحرارة فوق مستوى معين أو تنخفض دونه. في مثل هذه الحالات، يؤدي التقييد في درجة الحرارة إلى خلل وظيفي شديد.

الطفرة القاتلة

تسبب الطفرة القاتلة الموت المبكر للكائن الحي. إذ تؤدي الطفرة القاتلة السائدة Dominant الى قتل متغاير الزيجوت Heterozygotes، بينما تؤدي الطفرة القاتلة المتنحية Recessive إلى قتل الزيجوت المتماثل Homozygotes.

4. الطفرة القامعة Suppressor mutation

الطفرة القامعة هي تغيير جيني يخفي أو يقمع تأثير طفرة أخرى. تحدث الطفرة القامعة في موقع مختلف عن موقع الطفرة الأصلية. بالتالي، فإن الفرد المصاب بطفرة قمعية هو مصاب بطفرة مزدوجة، أي يمتلك كل من الطفرة الأصلية والطفرة القامعة.

يرجى ملاحظة أن طفرة القمع تختلف عن الطفرة العكسية. ففي الطفرة العكسية، سيعود الجين المتحور مرة أخرى إلى تسلسل النوع البري/الأصلي بينما طفرة القمع تخفي الطفرة الأصلية دون استعادة التسلسل الأصلي.

5. الطفرات التلقائية والمستحثة Spontaneous and Induced mutation

تنتج الطفرات عن عوامل داخلية وخارجية. وتسمى تلك الناتجة عن التغيرات الطبيعية في بنية الحمض النووي بالطفرات التلقائية، في حين أن تلك التي تنتج عن التغيرات التي تسببها المواد الكيميائية البيئية أو الإشعاع هي طفرات مستحثة.

معدل الطفرة Mutation rate

معدل الطفرات يمثل عدد الطفرات التي تنشأ في كل انقسام خلية في البكتيريا والكائنات وحيدة الخلية، أو عدد الطفرات التي تنشأ لكل مشيج في الكائنات الحية الأعلى. معظم الجينات مستقرة نسبيًا والطفرة تعتبر حدث نادر. ومع ذلك، تختلف معدلات الطفرات بشكل كبير اعتمادًا على طول المادة الجينية ونوع الطفرة وعوامل أخرى.

على سبيل المثال، معدل الطفرة لكل انقسام خلوي في بكتيريا E. coli هو 3×10^-8 بينما معدل الطفرة القاتلة في ذبابة الفاكهة حوالي 1 × 10^-2 لكل مشيج للجينوم الكلي.

تحدث الطفرات بشكل متكرر في مناطق معينة من الجين أكثر من غيرها. وتسمى المناطق المفضلة بالنقاط الساخنة Hot spots.

المصادر:

  • Genetics Essentials: concepts and connections by Benjamin A. Pierce, chapter 13: Gene Mutations, Transposable Elements, and DNA Repair.
  • Principles of Genetics by Robert H. Tamarin, 7th edition; chapter 12: DNA: Its Mutation, Repair, and Recombination.
  • Genetics and Molecular Biology by Robert Schleif, second edition; chapter 8 genetics.
  • Also, Genetics: A Conceptual Approach by Benjamin A. Pierce , fourth edition chapter 18: Gene Mutations and DNA repair.
  • Lastly, Genetics Principles and analysis Fourth Edition, Daniel L. and Hartl Elizabeth W. Jones, Chapter 13:Mutation, DNA Repair, and Recombination.

المصادر: 1