ژنوم چیست؟ — به زبان ساده

بدون تردید، می‌توان برای هریک ویژگی‌های انسان، خواه از جنبه‌های جسمانی و خواه از نظر روانی، یک خاستگاه ژنتیکی، در نظر گرفت. هرچند، با دانش امروز، عملکرد دقیق بسیاری از این ژن‌ها و همچنین،‌ نوع و میزان برهم‌کنش آن‌ها ناشناخته باقی مانده است، اما در سال‌های اخیر، ظهور فناوری‌های نوین دانش‌بنیان، به حرکت ما در این مسیر، شتاب بیشتری بخشیده است. یکی از این شاخه‌های دانش، ژنومیکس است که به بررسی محتوای ژنوم جانداران می‌پردازد. برای استفاده از این ابزار علمی، باید نخست،‌ با ژنوم آشنا شویم.

در این نوشتار، به معرفی ژنوم و برخی از ابزارهای تعیین توالی DNA می‌پردازیم و پروژه ژنوم انسان و برخی از خطرات و کاربردهای آن را در پزشکی، مرور می‌کنیم.‌

DNA چیست؟

«دئوکسی ریبونوکلئيک اسید»، (DeoxyriboNucleic Acid | DNA) یک مولکول دو رشته‌ای بلند است که همه دستورالعمل‌های مورد نیاز برای توسعه و هدایت فعالیت‌های موجودات زنده را در برمی‌گیرد. دو رشته مولکول‌های DNA، مکمل یکدیگر هستند و بنابراین در بیشتر موارد، به صورت جفت دیده می‌شوند. به دلیل ممانعت فضایی واحدهای سازنده DNA، (یعنی نوکلئوتیدها)، این مولکول،‌ ناگزیر، به شکل مارپیچ دیده می‌شود. چنین مولکولی، اغلب، «مارپیچ مضاعف» (Double Helix) نام دارد.

فیلم آموزش زیست شناسی – پایه دوازدهم رشته تجربی – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

هر رشته DNA از چهار واحد شیمیایی به نام «نوکلئوتید» (Nucleotide)، ساخته شده است. این واحدها،‌ در واقع، «حروف الفبای» ژنتیکی به شمار می‌روند و طی فرایندهای رونویسی و ترجمه، پروتئین‌ها را رمز می‌کنند که به عنوان «واژه»‌های زیستی شناخته می‌شوند. همه تفاوت‌های ما با انسان‌های دیگر و به طور کلی، همه تفاوت موجودات زنده با یکدیگر، در تفاوت پروتئين‌های آن‌ها نهفته است. البته این تفاوت، آنقدر که به نظر می‌رسد، چشمگیر نیست.

به عنوان مثال، جالب است بدانید، مخمر ساکارومایسز سرویزیه که به آن مخمر نانوایی نیز گفته می‌شود، تقریبا در یک - سوم از محتوای ژنی و پروتئینی خود با انسان، مشترک است. این رقم، در مورد موجودات پیشرفته‌تر، بازهم کم‌تر می‌شود، تا جایی که در بخش قابل مقایسه ژنوم انسان و شامپانزه، میزان «یکسانی» (Identity) دو توالی، به رقمی بین 96 تا 99 درصد می‌رسد.

به این ترتیب، می‌بینیم که اختلاف، در تنها حدود یک درصد از محتوای ژنوم این دو گونه جانوری، موجب تفاوت‌های چشمگیری بین آن‌ها شده است. اختلاف در شکل ظاهری، سبک زندگی، الگوهای رفتاری و توانایی حل مسئله، نمونه‌هایی از این دست هستند.

به مولکول DNA برمی‌گردیم. گفتیم که این مولکول، از چهار واحد ساختاری به نام نوکلئوتید،  تشکیل شده است. هریک از  این واحد‌ها، به نوبه خود، شامل یک باز آلی و یک قند پنج کربنی است. این قند، «دئوکسی ریبوز» نام دارد و در همه واحدها یکسان است. بنابراین، تفاوت واحدهای DNA به باز آلی برمی‌گردد که یکی از چهار مولکول زیر است:

• آدنین (A)
• تیمین (T)
• گوانین (G)
• سیتوزین (C)

گفتیم که دو رشته DNA مکمل یکدیگر هستند و با هم جفت می‌شوند. روند این جفت شدن، به این صورت است که A همیشه با T و C همیشه با G جفت می‌شوند. تفاوت در تعداد و چیدمان نوکلئوتیدها در ژن‌های مختلف، منجر به ساخت طیف گسترده‌ای از پروتئین‌های متفاوت می شود، همانطور که با ترکیب‌های مختلفی از حروف الفبا، می‌توان میلیون‌ها واژه مختلف ساخت. بنابراین، روشن است که کل تنوع زیستی بر روی کره زمین، به همین چهار باز آلی برمی‌گردد که محتوای ژنوم جانداران را تشکیل می‌دهند.

ژنوم چیست؟

مجموعه کامل DNA هر موجود زنده،‌ «ژنوم» (Genome) آن نام دارد. از آنجا که DNA، تقریبا همیشه به صورت دو رشته‌ای وجود دارد، طول ژنوم با واحد «جفت‌باز» (‌Base Pair | bp) اندازه‌گیری می‌شود. مثال‌هایی از اندازه ژنوم موجودات مختلف، در جدول زیر آورده شده است.

فیلم آموزش مبانی علم ژنتیک در فرادرس

کلیک کنید

ژنوم در موجودات مختلف

تقریباً همه سلول‌های بدن انسان، حاوی یک نسخه کامل از حدود 3 میلیارد جفت باز DNA یا حروف تشکیل دهنده ژنوم او هستند.

DNA با زبان چهار حرفی خود (A، T، C و G)، اطلاعات مورد نیاز برای ساختن كل بدن انسان و بسیاری از جانداران دیگر را در خود، جای داده است. همانطور که می‌بینید، افزایش اندازه ژنوم و همچنین، افزایش تعداد کروموزوم‌ها، الزاما به معنی پیشرفته‌تر شدن موجود، در طی روند تکاملی نیست. هرچند، افزایش اندازه ژنوم، ظرفیت لازم برای حمل ژن‌های بیشتر را فراهم می‌کند و این، به معنی توانایی آن موجود در ساختن پروتئین‌های بیشتر و کسب ویژگی‌های متنوع‌تر است.

تفاوت بین ژن، ژنوم و کروموزوم چیست؟

شنیدن برخی اصطلاحات علمی، ممکن است کمی گیج‌کننده باشد. به همین دلیل، در ادامه، به معرفی بعضی از این اصطلاحات پرکاربرد در حوزه ژنومیکس می‌پردازیم.

ژن چیست؟

یک ژن، به طور سنتی، به بخشی از DNA گفته می‌شود که دستورالعمل ساخت یک پپتید، یک پروتئین یا مجموعه‌ای از پروتئین‌ها را در خود جای داده است. هر یک از 20 تا 25 هزار ژن تخمین زده شده در ژنوم انسان، به طور متوسط، اطلاعات رمزگشایی سه پروتئین دارای عملکرد را حمل می‌کنند. این امر، به طور عمده، ناشی از تغییرات کوچکی است که ممکن است در فرایند رونویسی، ترجمه یا پس از آن‌ها رخ دهند و نسخه‌های متنوعی از پروتئین را با عملکردهای کمی متفاوت، ایجاد کنند. این، یکی از اقدامات صرفه‌جویانه‌ای است که در سلول رخ می‌دهد تا از حداقل فضای ممکن، بیشترین میزان بهره‌وری را به دست آورد.

کروموزوم چیست؟

کل محتوای DNA انسان، بر روی یک دو رشته‌ای واحد، قرار ندارد. بلکه به 46 بخش نامساوی تقسیم شده است که «کروموزوم» (Chromosome) نام دارند. کروموزوم‌ها، در قالب دو مجموعه 23‌تایی، از هریک از والدین، به فرزندان به ارث می‌رسند. بنابراین، روشن است که از هر ژن، دو نسخه در هر سلول، موجود است. این نسخه‌های مختلف یک ژن واحد را «آلل» می‌نامیم. در هر زمان و در هر فرد، معمولا، تنها یکی از آلل‌ها فعال است؛ یعنی بیان می‌شود و ساخت یک پروتئین را هدایت می‌کند. این نسخه از ژن، به اصطلاح «روشن» (On) و نسخه دیگر «خاموش» (Off) است.

mRNA چیست؟

گفتیم که ژن‌ها از طریق ساخت پروتئين، نقش خود را ایفا می‌کنند. اما کل محتوای ژنوم انسانی، در هسته سلول، قرار دارد، در حالی که پروتئین‌سازی در سیتوپلاسم سلول رخ می‌دهد. پس ژن‌ها چطور در این فرایند شرکت می‌کنند؟ پاسخ این سوال، در فرایندی به نام «رونویسی» نهفته است،‌ که طی آن  آنزیم RNA پلیمراز، اطلاعات موجود در DNA ژن را کپی و در مولکولی به نام اسید ریبونوکلئیک پیام‌بر (mRNA) ذخیره می‌کند.

پروتئين چیست؟

mRNA از هسته خارج می‌شود و به داخل سیتوپلاسم سلول می‌رسد. سپس، در آنجا اطلاعات نوکلئوتیدی mRNA، توسط یک ماشین مولکولی به نام «ریبوزوم» (Ribosome) خوانده و به زبان پروتئينی، ترجمه می‌شود. زبان پروتئینی از ۲۰ حرف تشکیل شده است، که هر کدام، معرف یک اسید آمینه است. در واقع، رونویسی و ترجمه، دو فرایندی هستند که در مجموع، به سلول اجازه می‌دهند از اطلاعات موجود در DNA برای کنارهم نشاندن صحیح اسیدهای آمینه، استفاده کند. مجموعه‌ای از اسیدهای آمینه که در یک ترتیب درست، با یکدیگر پیوند برقرار کرده باشند، «پروتئین» را تشکیل می‌دهند.

پروتئین‌ها ساختارهای بدن، مانند اندام‌ها و بافت‌ها را تشکیل می‌دهند، واکنش‌های شیمیایی را کنترل می‌کنند و سیگنال‌هایی را بین سلول‌ها منتقل می‌کنند. اگر DNA سلول، جهش یافته باشد، ممکن است یک پروتئین غیر طبیعی تولید شود که می‌تواند فرایندهای معمول بدن را مختل کند و منجر به بیماری‌های مختلف شود. انواع ناهنجاری‌های مادرزادی، بیماری‌های خود-ایمنی و سرطان، مثال‌هایی از این دست هستند.

تعیین توالی DNA چیست؟

تعیین توالی، به سادگی، به معنای تعیین ترتیب دقیق بازها در یک رشته DNA است. از آنجا که بازها در DNA، به صورت جفت‌های مکمل، روبروی یکدیگر قرار می‌گیرند و هویت یکی از بازهای موجود در جفت، عضو دیگر این جفت را تعیین می‌کند، محققان نیازی به توالی یابی هر دو رشته DNA ندارند و تنها، تعیین توالی یک رشته کافیست.

در متداول‌ترین نوع توالی یابی ، موسوم به «تعیین توالی با استفاده از سنتز» (Sequencing by Synthesis)، آنزیم DNA پلیمراز برای تولید رشته جدید DNA از یک رشته مورد نظر، به کار گرفته می‌شود. چنین فرایندی، «همانندسازی DNA» نام دارد و این آنزیم، با استفاده از اطلاعات یک مولکول DNA، مولکول DNA دیگر را می‌سازد. در حین واكنش تعیین توالی، آنزيم، نوكلئوتيدهایی را در رشته DNA جدید، درج می‌کند كه دارای یک برچسب فلورسنت هستند. همزمان با فرایند ساخت رشته جدید، نوکلئوتید درج شده، با یک منبع نوری تحریک می‌شود تا نور فلورسنت ساطع کند.

این بازتاب فلورسنت، توسط دستگاه، شناسایی و آنالیز می‌شود. از آنجا که برای هریک از نوکلئوتیدها، برچسب فلورسنت مخصوصی در نظر گرفته شده است، در صورت درج هر کدام در رشته جدید، سیگنال متفاوتی دریافت خواهد شد. به این روش، می‌توان 125 نوکلئوتید را به صورت متوالی تعیین توالی کرد. این قطعه 125 نوکلئوتیدی را یک «خوانش» (Read) می‌نامند و امروزه، دستگاه‌های تعیین توالی می‌توانند میلیاردها خوانش همزمان را تامین کنند.

روشن است که به این روش، نمی‌توان کل توالی یک ژن را تنها در یک خوانش، به دست آورد. بنابراین، ناگزیر، این توالی، به قطعات کوتاه‌تر، شکسته شده و هر بخش، به طور جداگانه، تعیین توالی می‌شود. سپس، با استفاده از توالی بخش‌های همپوشان، توالی کل ژن، جمع‌آوری و سرهم‌بندی می‌شود. به کمک این فرایند، می‌توان از سرهم‌بندی قطعات کوتاه‌تر به یک توالی واحد طولانی‌تر دست یافت. نکته قابل توجه اینجاست که برای اطمینان از صحت ترتیب قطعات همپوشان، هر باز، باید نه فقط یک‌بار، بلکه چندین بار در این قطعات، دیده شود.

محققان می‌توانند از توالی DNA برای جستجوی تنوع ژنتیکی یا جهش‌هایی استفاده کنند که ممکن است در توسعه یا پیشرفت یک بیماری نقش داشته باشد. این تغییرات مسبب بیماری، ممکن است ناشی از جهش‌هایی به کوچکی یک جابه‌جایی، حذف یا اضافه شدن در یک جفت نوکلئوتید منفرد باشند یا در اثر تغییرات بزرگی مثل حذف یک‌باره هزاران نوکلئوتید، ایجاد شده باشند.

پروژه ژنوم انسان چیست؟

«پروژه ژنوم انسان» (Human Genome Project | HGP)، که توسط انستیتوی ملی تحقیقات ژنوم انسانی در انستیتو ملی بهداشت آمریکا (NIH) هدایت شد، نسخه‌ای بسیار با کیفیت از توالی ژنوم انسانی تولید کرد. این نسخه، به صورت رایگان، در پایگاه داده‌های عمومی، موجود است. این پروژه بین المللی، با موفقیت در آوریل 2003، با بودجه‌ای کمتر از حد انتظار و دو سال، زودتر از زمان برنامه‌ریزی شده، به پایان رسید.

فیلم مجموعه آموزش علم ژنتیک Genetics – مقدماتی تا پیشرفته در فرادرس

کلیک کنید

توالی ارائه شده در این پروژه، متعلق به یک شخص خاص نیست، بلکه برای انجام آن، DNA افراد مختلف، جمع‌آوری و تعیین توالی شده است. بنابراین، یک توالی «نماینده» (Representative) یا عمومی است. برای اطمینان از ناشناس بودن اهداکنندگان DNA، تعداد بیشتری نمونه خون (نزدیک به 100) از داوطلبان جمع آوری شد و مورد استفاده قرار گرفت و هیچ نامی به نمونه‌های مورد بررسی، ضمیمه نشد. بنابراین، حتی اهداکنندگان نیز نمی‌دانستند که از نمونه‌های کدامیک از آن‌ها در این پروژه استفاده شده است.

هدف از پروژه ژنوم انسان چیست؟

پروژه ژنوم انسانی، برای تولید منبعی طراحی شده است که می‌تواند برای طیف گسترده‌ای از مطالعات زیست پزشکی استفاده شود. یکی از این موارد، جستجوی تنوع‌های ژنتیکی است که خطر ابتلا به بیماری‌های خاص، مانند سرطان را افزایش می‌دهد. ردیابی انواع جهش‌های ژنتیکی مرتبط با سلول‌های سرطانی، مثال دیگری از این کاربردهاست. شناسایی عملکرد ژنوم و کشف مبانی ژنتیکی سلامت و بیماری، هنوز، نیازمند مطالعات بیشتر و گسترده‌تر است.

پروژه ژنوم انسان و چالش‌های اخلاقی و حقوقی

هرچند پروژه ژنوم انسانی، دریچه‌های نوینی از موفقیت را به سوی پژوهشگران گشوده است، اما باید همواره در نظر داشت، که افشای اطلاعات تنوع‌های ژنتیکی - به ویژه در مورد تنوع‌های نژادی - ممکن است بسیار خطرآفرین باشد. به عنوان مثال، با شناسایی چندشکلی‌های ژنتیکی (پلی موفیسم) دخیل در سیستم ایمنی، می‌توان، بمب‌های زیستی هدفمندی را به طور اختصاصی، برای طیف خاصی از افراد، طراحی کرد.

طراحی آفات مصنوعی هدفگیری شده برای گروه خاصی از گیاهان و طراحی انواع هدایت شده‌ای از بیماری‌های دامی نیز، موارد دیگری از جنبه‌های نگران‌کننده افشای اطلاعات ژنتیکی به شمار می‌روند.

کاربردهای پروژه ژنوم در پزشکی چیست؟

تقریباً هر بیماری انسانی، ریشه‌ای در ژن‌ها دارد. تا همین اواخر، پزشکان تنها در موارد نقص‌های تولد و مجموعه محدودی از سایر بیماری‌ها می‌توانستند جنبه‌های ژنتیکی را مطالعه و بررسی کنند. این گروه، شامل بیماری‌هایی مانند کم خونی سلول داسی شکل بودند، که دارای الگوهای ارثی بسیار ساده و قابل پیش بینی هستند. زیرا هریک از آنها ناشی از تغییر در یک ژن واحد است.

بسیاری از بیماری‌های انسان، ناشی از برهم‌کنش تعداد زیادی از عوامل ژنتیکی است. در موارد متعدد دیگری، نقش محیط هم به این مجموعه، افزوده می‌شود. بنابراین، گروه بزرگی از بیماری‌های جدی انسان، مثل انواع سرطان، دیابت و بیماری‌های قلبی عروقی، دارای پیچیدگی‌های فراوانی هستند که درمان آن‌ها را دشوار می‌سازد. گسترش داده‌های مربوط به DNA انسانی که توسط پروژه ژنوم انسان و سایر تحقیقات ژنومی انجام شده است، ابزارهای قدرتمندتری را برای بررسی نقش این عوامل پیچیده، در اختیار دانشمندان و پزشکان قرار داده است.

تحقیقات مبتنی بر ژنوم، در حال حاضر، محققان پزشکی را قادر می‌سازد تا میزان تشخیص‌های صحیح را افزایش دهند و راهکارهای درمانی مؤثرتری را برای بیماران فراهم کنند. در نهایت، به نظر می‌رسد که در آینده نه چندان دور، درمان یک بیماری واحد برای افراد مختلف، متناسب با محتوای ژنومی آن‌ها متغیر باشد. بنابراین، نقش ژنتیک در مراقبت‌های بهداشتی، عمیقاً در حال تغییر است و اولین نمونه‌های دوران «پزشکی ژنومی» (Genomic Medicine)، در عصر ما، در حال وقوع است.

با این وجود، درک این نکته مهم است که در بیشتر موارد، انتقال اکتشافات آزمایشگاه علمی به کلینیک پزشکی، نیازمند صرف وقت، انرژی و بودجه قابل توجهی است. تخمین زده می‌شود اکثر داروهای جدید مبتنی بر تحقیقات ژنومی، دست کم 10 تا 15 سال، پس از اکتشاف، وارد بازار شوند. اگرچه تلاش‌های اخیرِ ژنوم-محور در درمان کاهش لیپید، به طور قابل توجهی این فاصله را کاهش داده است. به گفته کارشناسان بیوتکنولوژی، در آمریکا، معمولاً بیش از یک دهه طول می‌کشد تا شرکت‌ها، انواع مطالعات بالینی مورد نیاز برای دریافت مجوز از سازمان غذا و دارو (FDA) را انجام دهند.

با وجود کندی روند ورود داروها به بازار، جنبه‌های دیگری از ژنومیکس، به سرعت، به بهره‌برداری عمومی رسیده‌اند. آزمایش‌های غربالگری و تشخیصی، نمونه‌ای این موارد هستند. پیشرفت سریع در حوزه نوظهور «فارماکوژنومیکس» (Pharmacogenomics) نیز مثال دیگری از این کاربردهاست. متخصصان این حوزه، از ویژگی‌های ژنتیکی بیمار استفاده می‌کنند تا درمان دارویی بهتر را متناسب با نیازهای فردی او، تجویز کنند.

بدیهی است، ژنتیک تنها یکی از چندین عامل موثر در ابتلا به بیماریهای شایع است. رژیم‌های غذایی، سبک زندگی و قرار گرفتن در شرایط مختلف محیط زیستی، عوامل تاثیرگذار دیگری هستند که نقشی انکار نشدنی در ایجاد و تقویت بسیاری بیماری‌ها، از جمله سرطان دارند. با این حال، درک عمیق تر از ژنتیک، کمک می‌کند تا به چیزی بیش از شانس به ارث رسیدن یک ژن معیوب، دست یابیم. به کمک این دانش، ساز و کار واحدهای اصلی حیات، یعنی ژن‌ها و برهم‌کنش آن‌ها با هم و با محیط، روشن‌تر می‌شود و می‌توان توضیح داد که چگونه همه این عناصر مختلف با هم کار می‌کنند تا بر روی بدن انسان، چه از نظر سلامتی و چه در بیماری تأثیر بگذارند.