انواع جهش ژنتیکی – به زبان ساده + روش های ترمیم

همه صفات موجودات زنده به‌وسیله ماده ژنتیکی آن‌ها تعیین می‌شود. ماده ژنتیکی همه سلول‌های پروکاریوتی و یوکاریوتی DNA است. این مولکول از توالی نوکلئوتیدها تشکیل شده و در واحدهایی به نام ژن سازمان‌یابی می‌شود. هر ژن از واحدهای سه‌نوکلئوتیدی تشکیل شده است که پس از رونویسی به یک آمینواسید ساختار پروتئین ترجمه می‌شود. بین ژن‌ها، توالی تنظیم‌کننده ژن‌ها و توالی‌های ساختار کروموزوم وجود دارد. تغییر در توالی نوکلئوتیدی ژن‌ها یا توالی تنظیمی ممکن است منجر به تغییر ساختار یا عملکرد پروتئین‌ها شود. این تغییر جهش ژنتیکی نام دارد. انواع جهش ژنتیکی در یک باز یا توالی اولیگومری بازها تغییر ایجاد می‌کند.

جهش‌های ژنتیکی به دلیل اشتباهات همانندسازی DNA، خطاهای مراحل مختلف تقسیم سلولی و عوامل جهش‌زا ایجاد می‌شود. مکانیسم‌های ترمیم جهش در سلول‌های پروکاریوتی و یوکاریوتی، حین همانندسازی و رونویسی جهش‌ها را ترمیم می‌کنند. در این مطلب از مجله فرادرس انواع جهش ژنتیکی و مکانیسم‌های ترمیم آن را توضیح می‌دهیم.

جهش ژنتیکی چیست؟

ماده ژنتیکی تمام موجودات زنده DNA و ماده ژنتیکی ویروس‌ها DNA یا RNA است. DNA پروکاریوت‌ها در سیتوپلاسم، DNA سلول‌های جانوری در هسته و میتوکندری و DNA سلول‌های گیاهی در هسته و کلروپلاست قرار دارد. به تغییر در DNA هسته، میتوکندری، کلروپلاست و DNA یا RNA ویروسی جهش ژنتیکی گفته می‌شود. جهش ماده ژنتیکی ویروس‌ها به نسل بعدی منتقل می‌شود. اما انتقال جهش بین نسل‌ها در سلول‌های گیاهی و جانوری به نوع سلول بستگی دارد. جهش در سلول‌های زاینده تخمک و اسپرم جانوران یا سلول‌ها دانه یا هاگ گیاهان به نسل بعد منتقل می‌شود. اما جهش در سلول‌های سوماتیک جانوری و سلول‌های بافتی گیاهان به نسل بعد منتقل نمی‌شود.

ماده ژنتیکی از واحدهای عملکردی و ساختاری تشکیل شده است. واحدهای عملکردی توالی نوکلئوتیدهایی است که پس از رونویسی و ترجمه به پروتئین تبدیل می‌شود و جهش ژنتیکی آن‌ها بیشترین تاثیر را در ایجاد یک صفت جدید دارد. واحدهای ساختاری توالی نوکلئوتیدهای بین ژن‌ها هستند که در تنظیم بیان ژن نقش دارند. جهش ژنتیکی در این بخش‌ها ممکن است با افزایش، کاهی یا توقف بیتان ژن‌ها همراه باشد.

انواع جهش ژنتیکی چیست؟

جهش‌های ژنتیکی را بر اساس پیامد می‌توان به انواع دگرمعنی یا «بدمعنی» (Missense Mutation)، «بی‌معنی» (Nonsense Mutation) و خنثی تقسیم‌بندی کرد.

فیلم آموزش ژنتیک پیشرفته – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

در جهش‌های دگرمعنی تغییر ماده ژنتیکی با تغییر در توالی پروتئینی و جایگزینی یک آمینواسید با آمینواسید دیگر همراه است. بر اساس جایگاه آمینواسید، این جهش ممکن است با تغییر عملکرد پروتئین همراه باشد. در جهش‌های بی‌معنی تغییر ماده ژنتیکی با جایگزینی کدون‌های آمینواسید با کدون‌های پایان همراه است. در نتیجه رشته پلی‌پپتیدی حاصل از ترجمه کوتاهتر از پروتئین طبیعی است.

در این حالت عملکرد پروتئین کاهش یا کاملا از بین می‌رود. برای مثال اگر جهش دگرمعنی و بی‌معنی منجر به جایگزینی آمینواسید در جایگاه فعال آنزیم شود، عملکرد آنزیم کاهش می‌یابد یا از بین می‌رود. در جهش‌های خنثی تغییر ماده ژنتیکی با جایگزینی کدون‌های یک آمینواسید همراه است. در نتیجه تغییری در ساختار و عملکرد رشته پلی‌پپتیدی حاصل از ترجمه ایجاد نمی‌شود.

جهش‌های ژنتیکی را می‌توان بر اساس تعداد نوکلئوتیدهای تغییریافته به انواع کوچک و بزرگ تقسیم کرد. در جهش‌های کوچک یا نقطه‌ای یک نوکلئوتید تا چند نوکلئوتید تغییر می‌کند و در جهش‌های بزرگ یا کروموزومی توالی اولیگونوکلئوتیدی تغییر می‌کند.

انواع جهش ژنتیکی نقطه ای

«جانشینی» (Substitutions)، «حذف» (Deletions) و «اضافه» (Insertions) انواع جهش ژنتیکی نقطه‌ای است. در جهش جانشینی یک نوکلئوتید با نوکلئوتید دیگر جایگزین، در جهش حذف یک یا چند نوکلئوتید از توالی ژنی حذف و در جهش اضافه یک یا چند نوکلئوتید به توالی اضافه می‌شود. تغییر ایجاد شده از جهش‌های حذف و اضافه به تعداد نوکلئوتیدها بستگی دارد. حذف یکی یا دو نوکلئوتید با تغییر چارجوب خوانش ژن و تغییر تمام آمینواسیدهای پلی‌پپتید نهایی همراه است. اما تغییر سه نوکلئوتید با اضافه شدن یا حذف شدن یک آمینواسید جدید در پلی‌پپتید همراه است.

برای مثال توالی AUG|CAG|UCG را در نظر بگیرید. پلی‌پپتید ترجمه شده از این توالی از متیونین، گلوتامین و سرین تشکیل شده است. اگر نوکلئوتید آدنین بین A و G گلوتامین اضافه شود، توالی به AUG|CAA|GUC|G این تغییر می‌کند و پلی‌پپتیدی از متیونین، گلوتامین و والین تشکیل خواهد شد. این تغییر در ساختار چهارم پروتئین تغییر ایجاد می‌کند که پیش‌تر نیز راجع به این ساختار در مجله فرادرس صحبت کرده‌ایم.

انواع جهش ژنتیکی کروموزوم

جهش‌های ژنتیکی کروموزوم با تغییر تعداد کروموزوم‌ها یا تغییر توالی اولیگونوکلئوتیدی آن‌ها همراه است. حذف، اضافه، «مضاعف‌شدگی» (Duplication)، «واژگونی» (Inversion) و «جابه‌جایی» (Translocation) انواع جهش ژنتیکی بزرگ هستند که توالی نوکلئوتیدها را تغییر می‌دهند.

• حذف و اضافه: تفاوت این جهش با جهش‌های نقطه‌ای در تعداد نوکلئوتیدها است.
• مضاعف شدگی: در این جهش نسخه اضافه یک ژن روی کروموزوم کپی می‌شود.
• واژگونی: در این جهش توالی اولیگونوکلئوتیدی از کروموزوم شکسته و پس از معکوس شدن دوباره به همان کروموزوم اضافه می‌شود.
• جابه‌جایی: در این جهش توالی اولیگونوکلئوتیدی از کروموزوم جدا و به کروموزوم غیرهمولوگ متصل می‌شود.

تغییر تعداد به دلیل کامل جدا نشدن کروموزوم‌ها در متافاز میتوز یا میوز ایجاد می‌شود. در این حالت یکی از سلول‌های دختری یک نسخه اضافه و سلول دیگر یک نسخه کمتر از کروموزوم همولوگ دارد. حذف یا اضافه شدن یک کروموزوم جهش آنیوپلوئیدی نام دارد. برای مثال سندروم داون یکی از بیماری‌های ژنتیکی است که به دلیل جهش آنیوپلوئیدی کروموزوم ۲۱ ایجاد می‌شود. در مبتلایان به این بیماری سه کروموزوم همولوگ ۲۱ وجود دارد. اگر تغییر منجر به اضافه یا کم شدن تمام کروموزوم‌های همولوگ شود، جهش پلی‌پلوئیدی نام دارد. برای مثال در جهش‌های پلی‌پلوئیدی سلول‌های انسان تعداد کروموزوم‌ها از ۲n=۴۶ به ۳n=۶۹ تغییر می‌کند. جهش‌های پلی‌پلوئیدی بیشتر در گیاهان ایجاد می‌شود.

فیلم آموزش روش جهش در اصلاح نباتات (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

علت جهش های ژنتیکی

جهش‌های ژنتیکی به دلیل اشتباهات ترمیم نشده در همانندسازی یا عوامل بیرونی ایجاد می‌شود. دلایل ایجاد انواع جهش ژنتیکی را می‌توان به عوامل داخلی یا محیطی تقسیم کرد. اشتباهات همانندسازی DNA، اشتباهات سیستم ترمیم DNA، حذف گروه‌های آمین بازها، اکسیداسیون DNA، اضافه شدن گروه‌های متیل و ایجاد جایگاه بدون باز عوامل داخلی ایجاد انواع جهش ژنتیکی هستند. پرتوهای یون‌ساز‌، اشعه فرابنفش، ترکیبات شیمیایی (ترکیبات دارای گروه‌های آلکیل، آمین‌های آروماتیک و هیدروکربن‌های آروماتیک)، ژنوم ویروسی و توکسین قارچ‌ها عوامل خارجی جهش‌های ژنتیکی هستند.

• پرتوهای یونساز: پرتوهای یون‌ساز پیوند کوالانسی بین نوکلئوتیدها را می‌شکنند یا مولکول‌های آب را به رادیکال‌ها آزاد اکسیژن تبدیل می‌کنند.
• اشعه فرابنفش: اشعه فرابنش انرژی لازم برای ایجاد پیوند کوالانسی بین بازهای پیریمیدین کنار هم و تشکیل دیمر را فراهم می‌کند.
• ترکیبات شیمیایی: ترکیبات شیمیایی با بازها پیوند کوالانسی ایجاد می‌کنند یا بین دو رشته DNA قرار می‌گیرند. ایجاد پیوند کوالانسی منجر به شکسته شدن پیوند باز-قند و جدا شدن باز می‌شود. قرار گرفتن ترکیبات شیمیایی بین دو رشته منجر به فاصله گرفتن دو رشته از هم، شکسته شدن پیوند بین نوکلئوتیدها و آسیب DNA می‌شود.
• DNA ویروسی: ورود DNA ویروسی به توالی کدکننده ژن با جهش تغییر چارچوب و سنتر پروتئین غیرعملکردی همراه است.
• توکسین: توکسین بعضی از باکتری‌ها و قارچ‌ها در بدن به ترکیبات شیمیایی تبدیل می‌شود که در DNA آسیب ایجاد می‌کنند.

روش ترمیم انواع جهش ژنتیکی چیست؟

احتمال ایجاد جهش‌های ژنتیکی در هر مرحله همانندسازی DNA یا در مراحل مختلف چرخه سلولی وجود دارد. اما این جهش‌ها همیشه به سلول‌های بعدی منتقل یا منجر به ایجاد بیماری نمی‌شود. دلیل این اتفاق وجود سیستم ترمیم DNA است. آنزیم‌های DNA پلیمراز علاوه بر سنتز رشته DNA جدید می‌توانند اشتباهات ایجاد شده در همانندسازی را شناسایی و تغییرات ایجاد شده را ویرایش کنند. مکانسیم‌های ترمیمی در زمان همانندسازی یا رونویسی تغییرات DNA را شناسایی می‌کنند. ترمیم ناجور باز، جدا کردن ترکیبات شیمیایی، برش باز، برش نوکلئوتید و ترمیم شکست دو رشته DNA مکانیسم‌های ترمیمی انواع جهش ژنتیکی است.

• ترمیم ناجور باز: این مکانیسم تغییرات ایجاد شده بر اثر جهش‌های نقطه‌ای را ترمیم می‌کند. در مرحله اول پروتئین‌های شناسایی‌کننده ناجور باز با مولکول‌ DNA برهم‌کنش می‌دهند. در مرحله دوم آنزیم‌های نوکلئاز پیوند فسفودی‌استر نوکلئوتیدها در دو طرف جایگاه جهش را هیدرولیز می‌کنند. در مرحله بعدی تمام نوکلئوتیدهای بین دو جایگاه برش از DNA جدا می‌شود. سپس آنزیم DNA پلیمراز فاصله بین دو برش را با نوکلئوتیدهای مکمل پر می‌کند و در مرحله آخر آنزیم لیگاز بین انتهای ۳ اولیگونوکلئوتید تازه سنتز شده و انتهای ۵ رشته قبلی پیوند ایجاد می‌کند.

• جدا کردن ترکیبات شیمیایی: این مکانیسم در انسان جهش‌های ایجاد شده به‌وسیله ترکیبات شیمیایی، و در پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌های ابتدایی جهش‌های ایجاد شده به‌وسیله ترکیبات شیمیایی و اشعه فرابنفش را ترمیم می‌کند.
• برش باز: سلول‌های یوکاریوتی از این روش ترمیم برای جدا کردن بازهای تغییریافته استفاده می‌کنند. در این روش آنزیم‌های گلوکوزیداز پیوند باز و قند نوکلئوتید را هیدرولیز می‌کنند. در مرحله بعد اندونوکلئازهای جایگاه بدون باز را شناسایی و پیوند فسفودی‌استری قند بدون باز را در انتهای ۵ هیدرولیز می‌کنند. سپس قند دئوکسی ریبوز از DNA جدا می‌شود، آنزیم پلیمراز نوکلئوتید جدید را جایگزین می‌کند و آنزیم لیگاز بین انتهای ۳ و ۵ پیوند ایجاد می‌کند.
• برش نوکلئوتید: این مکانیسم جهش‌هایی را ترمیم می‌کند که منجر به تغییر جزئی ساختار DNA می‌شود. ترمیم دیمر تیمین ایجاد شده در اثر اشعه فرابنفش یکی از جهش‌هایی است که با این مکانیسم ترمیم می‌شود. در این روش نوکلئوتید تغییریرافته به همراه چند نوکلئوتید اطراف آن جدا می‌شود. در مرحله اول این روش آنزیم هلیکاز پیوند هیدروژنی بین دو رشته را باز می‌کند. در مرحله بعد آنزیم‌های اندونوکلئاز در فاصله چندنوکلئوتیدی از باز تغییر یافته برش ایجاد می‌کنند. سپس آنزیم‌ها توالی اولیگونوکلئوتیدی را خارج می‌کنند، آنزیم‌های پلیمراز نوکلئوتیدهای مکمل را جایگزین و آنزیم لیگاز پیوند انتهای ۳ را ایجاد می‌کند.

• ترمیم شکست دو رشته DNA: شکست DNA یکی زا خطرناک‌ترین انواع جهش است که به‌وسیله پرتوهای یونیزه ایجاد می‌شود و ممکن است به حذف قطعات بلند DNA از کروموزوم منجر شود. این جهش‌ها با دو روش اتصال انتهای غیرهمولوگ و نوترکیبی همولوگ ترمیم می‌شوند.
  • اتصال انتهای غیرهمولوگ: در این مکانیسم ترمیم آنزیم‌های اندونوکلئاز انتهای اضافه دو رشته DNA را برش می‌دهد و انتهای صاف ایجاد دشه به‌وسیله آنزیم لیگاز به هم متصل می‌شود. در انتهای این ترمیم بخشی از DNA از دو رشته حذف می‌شود.
  • نوترکیبی همولوگ: در این مکانیسم ترمیم از کروموزوم همولوگ به عنوان الگو همانندسازی DNA آسیب‌دیده استفاده می‌شود. در نتجیه تمام ژن‌ها در رشته‌های ترمیم شده وجود دارد.

 سوالات متداول

در این بخش از مطلب مجله فرادرس تعدادی از سوالات متداول پیرامون انواع جهش ژنتیکی را توضیح می‌دهیم.

جهش مفید چیست؟

جهش‌های مفید بر موجود زنده اثر مثبت دارند و سازگاری، بقا و توانایی رقابت را افزایش می‌دهند.

تریزومی چیست؟

تریزومی یکی انواع جهش‌های کروموزومی انسان است. در این حالت از یک کروموزوم سه نسخه در تمام یا بخشی از سلول‌های فرد وجود دارد.