جهش ژنتیکی – به زبان ساده

در حالت کلی جهش به معنی تغییر و تحول است اما در زیست شناسی، جهش‌ها فرایندهایی هستند که منجر به تغییر در «کروموزوم‌های» (Chtomosome) و «ژن‌های» (Gene) موجود در ماده ژنتیکی هر ارگانیسم می‌شوند که به طور معمول در ظاهر یا «فنوتیپ» (Phenotype) ارگانیسم قابل مشاهده هستند.

جهش چیست؟

در علم ژنتیک «جهش» (Mutation) عبارت است از آسیب یا تغییر ماده ژنتیکی که منجر به از بین رفتن یا تغییر عملکرد یک ژن یا ایجاد نقص در آن می‌شود. اثر یک جهش به ناحیه‌ای از توالی ماده ژنتیکی که جهش در آن اتفاق افتاده است، بستگی دارد. ساده‌ترین و بی‌ضررترین جهش، جهش تعویض یا جایگزینی یک جفت باز با یک باز دیگر در یک ژن است که هیچ تاثیری بر توالی اسید آمینه‌های پروتئین آن ژن ندارد. از سوی دیگر از خطرناک‌ترین جهش‌ها می‌توان به جهش‌های حذفی یا جهش جایگیری اشاره کرد که منجر به ایجاد محصولات ژنی یا پروتئین‌هایی غیر کاربردی و معیوب می‌شوند.

جهش‌ها همچنین می‌توانند در مقیاس وسیع رخ دهند، به طوری که بخش‌های طویلی از DNA یا RNA (وقتی ماده ژنتیکی است) دچار جهش‌هایی نظیر «وارونگی» (Invertion)، «جایگیری» (Insertion)، «مضاعف شدن» (Duplication)، «حذف» (Deletion)، «جابجایی» (Translocation) می‌شوند. نتیجه یک جهش می‌تواند مضر یا مفید باشد اما گاهی جهش منجر به هیچ گونه تغییری در بیان ژن‌ها و فنوتیپ ارگانیسم‌ها نمی‌شود به این جهش‌ها در اصطلاح جهش‌های خنثی یا «جهش‌های خاموش» (Silent Mutation) می‌گویند. جهش می‌تواند منجر به از بین رفتن یا به دست آوردن یک عملکرد خاص و یا تغییر در سطح بیان ژن شود در مواردی خاص جهش‌ها قادر هستند که تغییراتی را در ژنوم ارگانیسم ایجاد کنند که منجر به مرگ شود.

انواع جهش

جهش‌ها را می‌توان با توجه به علت جهش، تأثیر آن بر عملکرد محصول ژن یا نوع تغییر در ساختار خود ژن، به روش‌های مختلفی طبقه‌بندی کرد. عوامل جهش‌زا مانند فاکتورهای ایجاد سرطان، پرتوهای پر انرژی مانند پرتوهای یونیزان، عوامل محیطی مانند آلودگی‌ها و برخی از مواد غذایی منجر به تغییر در ماده ژنتیکی ارگانیسم‌ها می‌شوند. برخی جهش‌ها نیز به عنوان یک اتفاق طبیعی در هنگام تکثیر و همانندسازی DNA یا RNA رخ می‌دهند، به طوری که گاهی ممکن است آنزیم‌ها و سایر اجزای مکانیسم‌های همانندسازی در قرار دادن بازها در رشته ژنتیکی جدید دچار خطا شده و باعث تغییر در توالی بازهای ژنوم شوند.

جهش‌ها را می‌توان براساس تاثیری که بر ظاهر و فنوتیپ افراد دارند، تقسیم‌بندی کرد. بر این اساس جهش‌ها سه نوع مختلف دارند:

• «جهش مضر» (Harmful): در این جهش صفتی در فرد ظاهر می‌شود که برای حیات او مضر است و به تدریج افراد دارای این نوع جهش براساس انتخاب طبیعی از محیط حذف می‌شوند.
• «جهش خنثی» (Neutral): این نوع جهش ممکن است تغییر خاصی یا صفت متمایزی در فرد ایجاد نکند و تاثیر آن در حیات فرد مضر یا مفید نباشد.
• «جهش مفید» (Beneficial): در افرادی که جهش مفید دارند، معمولا صفاتی ظاهر می‌شود که دارای اثرات مثبتی در حیات افراد دارای آن جهش می‌شود و این افراد توسط انتخاب طبیعی، انتخاب شده و شرایط برای حیات و افزایش باوری و تولید نسل آن‌ها بهبود می‌یابد.

براساس اینکه در اثر جهش محصول ژن غیرفعال شده یا فعالیت آن افزایش یافته است، جهش می‌تواند یک جهش «از دست دادن عملکرد» ( Loss-Of-Function) یا «افزایش عملکرد» (Gain-Of-Function) باشد. در هتروزیگوت‌ها با دو نسخه از هر آلل، برخی از محصولات ژن‌های جهش یافته می‌توانند اثر «آلل نوع وحشی» (Wild-Type Allele) یا غالب را سرکوب کنند. به این جهش‌ها «منفی غالب» (Dominant Negative Mutations) گفته می‌شود.

همه این اثرات ناشی از تغییر ساختار ژن یا ماده کروموزومی‌ مربوط به آن است. این تغییرات ساختاری را می‌توان به عنوان جهش‌های جایگزینی، حذف، جایگیری، «تقویت» (Amplifications) یا مضاعف شدن و جابجایی طبقه‌بندی کرد.

جهش‌های جایگزینی

جهش‌هایی جایگزینی یا تعویضی (جانشینی) در شرایطی رخ می‌دهند که یک نوکلئوتید منفرد به نوکلئوتید دیگری تغییر پیدا می‌کند. در ارگانیسم‌هایی که دارای DNA یا RNA دو رشته هستند، این بدان معنی است که جفت باز مکملِ باز جهش یافته نیز تغییر می‌کند. به عنوان مثال، یک جفت باز A: T می‌تواند به یک جفت پایه G: C یا حتی یک جفت باز T: A تغییر یابد.  با توجه به این که این نوع جهش در کدام بخش از ماده ژنتیکی اتفاق می‌افتد، ممکن است تغییرات گوناگونی را در ارگانیسم به همراه داشته باشد.

در مناطق بسیار محافظت شده، مانند بخش‌هایی از ژن‌هایی که پروتئین‌های حفاظت شده را کد می‌کنند یا بخش‌های تنظیم کننده آن، جهش‌ها اغلب به اثرات زیان آوری منجر می‌شوند. در حالی که ایجاد این جهش‌ها در  بخش‌های دیگر ژنوم می‌تواند اثرات کم‌تر و کم خطرتری به همراه داشته باشد.

در ناحیه پروموتور یا سایر قسمت‌های تنظیم کننده در ژنوم، یک جهش جانشینی ممکن است بیان ژن یا پاسخ ژن به محرک را تغییر دهد. در ناحیه‌ای از ژن که پروتئين‌های مختلفی را کد می‌کند، یک جایگزینی در وضعیت سوم یا انتهای «کدون» (Codon) (هر کدون شامل توالی از سه باز است که یک رمز اسید آمینه برای تشکیل پروتئین را می‌سازد) باعث ایجاد یک «جهش خاموش» می‌شود، زیرا هیچ تغییری در دنباله اسید آمینه پروتئین ایجاد شده، به وجود نمی‌آید.

هنگامی‌که یک جهش جایگزینی منجر به ایجاد یک اسید آمینه جدید اما با خواص مشابه در توالی پروتئین شود، در این حالت یک «جهش خنثی» (Neutral Mutation) یا محافظت شده اتفاق افتاده است. به عنوان مثال، اگر در یک توالی پروتئینی دو اسید آمینه «اسید آسپارتیک» (Aspartic Acid) و «اسید گلوتامیک» (Glutamic Acid) با یکدیگر جایگزین شوند، احتمال منطقی وجود دارد که تغییرات بسیار کمی‌ در عملکرد و بیوشیمیایی پروتئین ایجاد شود، به دلیل این که این دو اسید آمینه خواص و عملکرد‌های مشابه‌ای دارند.

شدیدترین جهش جانشینی جهشی است که منجر به خاتمه زودرس ترجمه پروتئینی می‌شود، این جهش زمانی اتفاق می‌افتد که در  ابتدا یا اواسط رشته mRNA که برای تولید یک پروتئین در حال ترجمه است، یک کدون اسید آمینه به یک کدون خاتمه جهش پیدا کند و در این حالت فرایند ترجمه به طور ناگهانی خاتمه می‌یابد و پروتئینی معیوبی ایجاد می‌شود که عملکردی ندارد. به عنوان مثال، اگر رمزگذاری کدون UAC برای ترئونین به یک کدون UAA تغییر یابد،  احتمالاً منجر به تولید یک پروتئین بسیار کوتاه و احتمالاً غیر کاربردی خواهد شد.

کدون‌های خاتمه در توالی‌های ژنتیکی شامل سه کدون UAG و UAA, UGA هستند به طوری که هر گاه یکی از این کدون‌ها در توالی در حال ترجمه قرار گیرند در همان ناحیه ترجمه خاتمه یافته و توالی پروتئین تکمیل می‌شود.

جهش‌های جایگیری و حذف

جهش‌های حذفی و جهش‌های جایگیری به حذف یا اضافه شدن بخش‌هایی کوتاه توالی نوکلئوتیدی اشاره دارد. این نوع جهش‌ها معمولاً از از جهش‌های جایگزینی مخرب‌تر و خطرناک‌تر هستند زیرا می‌توانند باعث «جهش تغییر قاب» (Frame Shift Mutations) شوند و کل توالی اسید آمینه در پایین دست از محل جهش را تغییر دهند.

فیلم آموزش مبانی علم ژنتیک – جامع و با نکات مهم در فرادرس

کلیک کنید

همان طور که می دانیم هر اسید آمینه برای قرار گیری در توالی پروتئین نیاز به توالی خاصی از سه باز آلی دارد که به هر توالی سه تایی از بازها یک کدون یا یک قاب می‌گویند. زمانی که در توالی ژن کد کننده پروتئین، جهش‌های حذفی یا جایگیری اتفاق بیوفتد در واقع قاب یا کدون اسیدهای آمینه تشکیل دهنده پروتئین‌ها تغییر کرده است، بنابراین تمام کدون‌ها و توالی پروتئین عوض می‌شود و در نتیجه پروتئین اصلی تبدیل به یک پروتئینی دیگر می‌شود که ممکن است غیر عملکردی یا با عملکرد مفید یا مخرب باشد.

در حالت کلی جهش‌های حذف و جایگیری می‌توانند منجر به تغییر طول پلی پپتید شوند، یا با ایجاد پروتئین‌هایی غیر طبیعی طولانی یا کوتاه پروتئین‌های غیر کاربردی تولید کنند و ماشین ترجمه را در سلول با اختلال مواجه کنند.

زمانی که جهش‌های حذف یا جایگیری در مناطقی از توالی ژنتیکی اتفاق بیوفتد که بخش‌های تنظیم کننده کد کننده پروتئین‌ها هستند بسیار مخرب‌تر و خطرناک‌تر از نواحی از توالی‌های ژن‌های غیر کد کننده RNA محسوب می‌شود. بنابراین این امر نشان می‌دهد که محل ایجاد جهش در توالی ژنوم ارگانیسم تعیین کننده اثرات جهش است.

جهش‌‌های جابجایی

در ژنتیک، جابجایی کروموزوم پدیده‌ای است که باعث قرارگیری غیر طبیعی کروموزوم‌ها می‌شود. جابجایی در کروموزوم‌ها به دو حالت جابجایی متعادل و غیر متعادل اتفاق می‌افتد. هر دو این جابجایی‌ها نیز دارای دو نوع مختلف به نام‌های «جابجایی دو طرفه یا متقابل» (Reciprocal Translocation) و «جابجایی روبرت سونی» (Robertsonian Translocation) هستند.

جابجایی متقابل یک تغییر غیر طبیعی کروموزومی است که به دلیل تبادل بخش‌هایی از کروموزوم بین دو کروموزوم غیر همولوگ رخ می‌دهد. در این جابجایی دو قطعه جدا از دو کروموزوم متفاوت با یکدیگر جابجا می‌شوند.

جابجایی روبرت سونی زمانی اتفاق می‌افتد که دو کروموزوم غیر همولوگ به یکدیگر متصل شوند به این معنی که از دو جفت کروموزوم سالم، یک جفت از هر کدام به هم بچسبند.

این جابجایی‌ها گاهی به صورت تبادل ماده ژنتیکی، بدون حذف و از دست رفتن عملکرد می‌شود که به این جابجایی‌ها، جابجایی متعادل می‌گویند. از سوی دیگر اگر این جابجایی‌ها باعث حذف بخشی از ژن و از بین رفتن عملکرد آن‌ها شود، جابجایی نامتعادل رخ داده است.

جهش مضاعف شدگی

جهش مضاعف شدگی در واقع اصلی‌ترین مکانیسم برای ایجاد مواد ژنتیکی جدید در طول تکامل است. این جهش در تمام بخش‌های ‌DNA که شامل ژن‌ها می‌شود، اتفاق می‌افتد. مضاعف شدگی ژن‌ها اغلب ناشی از خطا در همانندسازی DNA و اختلال در مکانیسم‌های ترمیمی ژنوم به وجود می‌آید. به طور کلی اغلب منابع ایجاد این نوع جهش شامل ایجاد «کراس اور» (Cross Over) بین کروموزوم‌های همولوگ در حین تقسیم میوز، «رتروترانسپوزون» (Retrotransposons) یا ژن‌های انتقالی (ژن‌هایی که توانایی تکثیر دارند و در ژنوم یوکاریوت‌ها یافت می‌شوند)، «آنیوپلوئیدی» (Aneuploid) (حضور تعداد غیر طبیعی از کروموزوم‌ها در سلول) و «پلی‌پلوئیدی» (Polyploidy) (شرایطی که در آن سلول‌های یک ارگانیسم بیش از دو دسته از کروموزوم‌های همولوگ دارد) هستند.

جهش‌هایی در مقیاس بزرگ

تغییر در توالی نوکلئوتیدی در ماده ژنتیکی نیز می‌تواند در مقیاس بزرگ اتفاق بیفتد که گاه شامل تغییر در هزاران جفت باز و نوکلئوتید می‌شود. این نوع جهش‌ها شامل جهش‌های مضاعف شدگی، جهش‌های حذفی یا جابجایی هستند، به طوری که بخش‌هایی از مواد ژنتیکی در نسخه‌هایی متعدد درون ژنوم وجود دارند و یا جهش‌های حذفی بخش بزرگی از مواد ژنتیکی از ژنوم را حذف کرده است.

به طور معمول با جهش‌های جابجایی قسمت‌هایی از ژنوم به یک کروموزوم متفاوت منتقل می‌شوند یا دوباره در همان موقعیت و در جهت معکوس (وارونه) قرار می‌گیرند. جهش‌های جابجایی‌ و حذفی می‌توانند ژن‌هایی را که به طور معمول بسیار دور از هم قرار دارند، در کنار هم قرار دهند. این امر خود منجر به تولید پلی پپتیدهای موزاییک یا ایجاد تنظیم کننده‌های متفاوتی در ژن‌ها می‌شود.

مثال‌هایی از انواع جهش‌ها

در انسان و سایر ارگانیسم‌ها جهش‌ها تغییرات ویژه‌ای هم در ژنوتیپ و هم در فنوتیپ ایجاد می‌کنند. برخی از این جهش‌ها در انسان موجب بروز بیماری‌های ژنتیکی می‌شود. در ادامه به برخی از این جهش‌ها در انسان و سایر موجودات اشاره می‌کنیم.

بیماری کم خونی داسی شکل و مالاریا

بیماری «کم خونی داسی شکل» (Sickle Cell Disease)، به دلیل تاثیری که بر شکل و ساختار گلبول‌های قرمز ایجاد می‌کند، نامگذاری شده است. اثرات مخرب این نوع از گلبول‌های قرمز به صورت اختلال در فرایند لخته شدن خون، کم خونی، تورم و التهاب دست و پا، عفونت‌های باکتریایی و... مشاهده می‌شود. با توجه به پیشرفت‌های پزشکی و ساخت و تولید داروهایی برای کاهش علائم این بیماری اما مبتلایان به کم خونی داسی شکل همچنان با مشکلاتی در زندگی روزمره خود مواجه هستند.

اگرچه بیماری کم خونی داسی شکل یک بیماری نادر که در اثر جهش ژنتیکی ایجاد می‌شود، به شمار می‌آید، اما با مطالعات صورت گرفته در مورد این بیماری، ویژگی‌ها و سازوکار ایجاد این بیماری به خوبی شناخته شده است.

این بیماری در اثر جهش در کروموزوم شماره ۱۱ اتفاق می‌‌‌‌افتد که موجب تولید هموگلوبین غیر طبیعی در خون می‌شود. کم خونی داسی شکل از دریافت ژن مربوط به این نوع هموگلوبین از هر دو والد بروز پیدا می‌کند.

براساس آمارهای موجود بیماری کم خونی داسی شکل در بین جمعیت‌های غربی آفریقا شیوع بیشتری دارد و در حدود ۴ درصد از جامعه به این بیماری مبتلا هستند.

تحقیقات نشان می‌دهد که شیوع کم خونی داسی شکل در غرب آفریقا یک پدیده براساس شانس نیست. با وجود اثرات آن بر سلامتی، نشان داده شده است كه این بیماری خطر آلودگی با نیش پشه مالاریا را نیز کاهش می‌دهد. از آنجا که آب و هوای آفریقای غربی شرایط مساعدی را برای رشد و گسترش پشه مالاریا فراهم می‌کند، بیماری کم خونی داسی شکل به عنوان محافظی برای جلوگیری از ابتلا افراد مبتلا به این بیماری به بیماری مالاریا به شمار می‌آید.

در حالت کلی، بیماری کم خونی داسی شکل نمونه‌ای از جهش ژنتیکی است که اگرچه اثرات مخرب بر سلامتی دارد اما در برخی از جمعیت‌ها برای بقای افراد اهمیت دارد. در واقع به همین دلیل است که برخی جهش‌هایی ژنتیکی چندین دهه و حتی قرن‌ها در میان خزانه ژنتیکی جمعیت‌ها باقی مانده و حذف نشده‌اند.

سندرم کلاین فلتر

«سندرم کلاین فلتر» (Klinefelter Syndrome)، همچنین به عنوان سندرم XXY نیز شناخته می‌شود، یک جهش ژنتیکی است که در آن فرد مذکر یک کروموزوم X اضافی را در ژنوم خود حمل می‌کند، به این معنی که ژنوتیپ ماده XX را علاوه بر ژنوتیپ نر خود XY در کروموزوم‌های خود دارد. به همین دلیل، مردان مبتلا به سندرم کلاین فلتر اغلب دارای ویژگی‌هایی زنانه مانند بافت سینه هستند و ممکن است قادر به تولید مثل نباشند.

فیلم آموزش سیتوژنتیک + مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

با توجه به این که کد‌های ژنتیکی بین بسیاری از گونه‌های جانوری یکسان است، بنابراین سندرم کلاین فلتر مختص انسان نیست. بنابراین، گربه‌ها، سگ‌ها و حتی نهنگ‌ها نیز می‌توانند ژنوتیپ XXY را به ارث ببرند.

در گربه‌ها، علاوه بر این که کروموزوم X بیشتر اطلاعات مربوط به ویژگی‌های جنسی را در خود دارد، ویژگی‌های دیگر را نیز تعیین می‌کند، به عنوان مثال صفت رنگ موهای بدن گربه روی کروموزوم X حمل می‌شود. از آنجا که گربه‌های نر معمولاً تنها یک کروموزوم X را به ارث می‌برند و گربه‌هایی ماده دو کروموزوم X را به همراه دارند، گربه‌هایی ماده نسبت به گربه‌هایی نر به احتمال زیاد دارای الگوهای موی پوست چند رنگ هستند.

این امر به ویژه در مورد گونه «کالیکو» (Calico) گربه مشاهده می‌شود. این گربه بخاطر موهای نارنجی و سیاه بدنش معروف است. ژن موی سیاه و موی نارنجی به طور همزمان بر روی کروموزوم X قرار نمی‌گیرند. بنابراین گربه‌های کالیکو با رنگ سیاه و نارنجی منحصرا ماده هستند.

با این حال، وجود گربه کالیکو نر را نمی‌توان غیرممکن تصور کرد. گربه‌هایی نر با دو کروموزوم X یا ژنوتیپ XXY ممکن است ژن موی نارنجی را روی یک کروموزوم X و ژن دیگر برای موی سیاه را در کروموزوم X دیگری حمل کنند. به این ترتیب، آن‌ها گربه‌هایی هستند که مبتلا به سندرم کلاین فلتر هستند.

تحمل لاکتوز

همان طور که در بالا ذکر کردیم، بیماری کم خونی داس شکل، بیماری است که بر اثر جهش مشخصی در فرد ایجاد می‌شود، به دلیل علائمی که در افراد مبتلا بروز می‌کند، ممکن است خطرات بسیاری برای زندگی فرد به همراه داشته باشد از سوی دیگر همین جهش می‌تواند فرد را در برابر ابتلا به بیماری مالاریا مصون کند. «تحمل لاکتوز » (Lactose Tolerance) هم از آن دسته جهش‌هایی است که گاهی به نفع افراد مبتلا عمل می‌کند.

انسان از زمان تولد تا مدتی پس از ماه‌های اول زندگی قادر به تولید لاکتاز، آنزیمی‌ که پروتئین‌های موجود در شیر گاو را تجزیه می‌کند، نیست. این امر به این دلیل است که انسان‌ها معمولاً مصرف شیر یا سایر محصولات لبنی را بعد از گذراندن دروان شیرخورای شروع می‌کنند.

با افزایش مصرف لبنیات در جوامع مختلف، جهشی در جهت افزایش تولید آنزیم لاکتاز در انسان صورت گرفت. به این ترتیب افرادی که حامل این جهش هستند با داشتن آنزیم لاکتاز بدون هیچ مشکلی می‌توانند لبنیات را هضم کنند. اما افرادی هستند که فاقد این جهش در ژن آنزیم لاکتاز خود هستند این افراد با مصرف هر نوع لبنیاتی که دارای لاکتوز است، دچار تهوع و درد معده می‌شوند. این افراد دچار حساسیت به لاکتوز هستند و بدن آن‌ها نمی‌تواند لاکتوز را تحمل کند.

مانند بیماری کم خونی داسی شکل، این جهش در طول زمان همچنان در ژنوم انسان‌ها باقی مانده است، زیرا به انسان کمک می‌کند تا از طریق منابع متنوعی از مواد مغذی حیاتی مانند کلسیم و پتاسیم استفاده کند.

اگر مطالعه این مطلب برای شما مفید بود، مطالب و آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شود:

• مجموعه آموزش‌های زیست‌شناسی
• آموزش مبانی علم ژنتیک
• مجموعه آموزش‌های علوم پزشکی
• هورمون رشد چیست؟ -- به زبان ساده
• آزمایش خون -- از صفر تا صد
• تیروئید -- از صفر تا صد