ژن چیست؟ – به زبان ساده

ژن واحد فیزیکی و عملکردی وراثت است که جنس آن DNA است. ژن‌ها از والدین به فرزندان به ارث می رسند و اطلاعات مورد نیاز برای ایجاد صفات فیزیکی و زیستی را از نسلی به نسل بعد منتقل می‌کنند. بعضی از ژن‌ها به عنوان دستورالعمل‌هایی برای ساخت پروتئین‌ها استفاده می‌شوند، بعضی دیگر نیز وظیفه کنترل ژن‌های دیگر را برعهده دارند. به طور میانگین انسان‌ها در حدود ۲۰ هزار ژن کدکننده پروتئین دارند، اما نکته مهم این است که ما از هر ژن دو نسخه داریم که یکی را از مادر و دیگری را از پدر دریافت کرده‌ایم. در این مطلب از مجله فرادرس قصد داریم به طور کامل با ژن‌ها، انواع آن‌ها و حتی اصطلاحات مربوط به آن‌ها آشنا شویم.

ژن چیست؟

ژن قطعه‌ای از مولکول DNA است که اطلاعات ژنتیکی را با خود حمل می‌کند و از والدین به نسل بعد انتقال می‌دهد، بنابراین ژن‌ها باعث بروز صفاتی مشابه والدین در فرزندان می‌شوند. ژن‌ها دارای کدها یا توالی‌های نوکلئوتیدی هستند که می‌توانند اطلاعات ساخت و تولید RNA و پروتئین‌های مختلف را در اختیار سایر ابزارهای سلولی قرار دهند. برای این کار ابتدا توسط آنزیم‌های سلولی، ژن‌ها رونویسی شده و ‌RNA‌های عملکردی را می‌سازند و یا mRNAهایی برای ترجمه به پروتئین تولید می‌کنند.

در تصویر زیر می‌توانید با نحوه بیان ژن‌ها بهتر آشنا شوید. با رونویسی از ژن، رشته‌های RNA ایجاد می‌شوند که پس از فرایند ترجمه زنجیره‌های اسید آمینه یا پپتیدها را می‌سازند. این زنجیره‌ها پس از ایجاد تاخوردگی، ساختارهای فضایی و عملکردی پروتئین‌ها را به وجود می‌آورند.

«ویلهلم یوهانسن» (Wilhelm Johannsen) کسی بود که برای اولین بار اصطلاح ژن را به کار برد و از پیشینه دانش گیاه‌شناسی خود برای بررسی صفات ژنتیکی گیاهان استفاده کرد. براساس تئوری‌های قبلی علم ژنتیک، ژن به عنوان قطعه‌ای از اطلاعات منفرد است که تنها می‌تواند یک پروتئین واحد را بسازد. این تئوری‌ها در ژنتیک مدرن قابل قبول نیست.

اکنون می‌دانیم که با توجه به مکانی که فرآیند تکثیر از آن شروع می‌شود، ممکن است واحدهای رونویسی مختلفی از رشته پیام رسان RNA یعنی mRNA از روی یک ژن خاص تولید شوند و به همین ترتیب، یک ژن واحد نیز ممکن است با توجه به جایی که در آن ژن، فرآیند رونویسی آغاز می‌شود، تنها بخش کوچکی از یک واحد رونویسی شده mRNA را تشکیل دهد.

براساس مطالعات و مشاهدات انجام شده در مورد ژن‌ها، امروزه اعتقاد بر این است که ژن‌ها بدون از دست دادن عملکرد اصلی خود و بدون نیاز به طی کردن روند تکثیر قادر به انجام عملکرد دومی نیز هستند. این پدیده، به (Protein Moonlighting) یا اشتراک ژنی (Gene Sharing) معروف است، اشتراک ژنی به این معنا است که یک پروتئین می‌تواند بیش از یک عملکرد داشته باشد.

اشتراک ژنی باعث ایجاد چندین پروتئین با عملکردهای مختلفی می‌شود. این پروتئین‌ها شامل آنزیم‌ها، گیرنده‌های سلولی و کانال‌های یونی یا «چپرون‌ها» (Chaperon) هستند. اولین عملکرد پروتئین‌هایی از این دست، فعالیت کاتالیتیکی آنزیمی است اما این آنزیم‌ها در عملکرد دوم خود ممکن است نقش غیر آنزیمی داشته باشند. عملکردهای ثانویه می‌تواند شامل تنظیم رونویسی، مرگ برنامه‌ریزی شده (آپوپتوز) و نقش‌های ساختاری در سلول باشند.

با این تفاصیل تعریف یک ژن به عنوان یک واحد عملکردی که تنها یک نقش را بر عهده دارد، به کلی منسوخ شده است. اگرچه برای شناخت دقیق‌تر اطلاعات ژنتیکی، نیاز به تحقیقات بیشتری است، اما با توجه به تحقیقات انجام شده تاکنون، واضح است که یک ژن واحد می‌تواند نقش‌های زیادی را در جایگاه‌های مختلف داشته باشد.

انواع ژن‌ها

ژن‌ها انواع مختلفی دارند. در این مطلب در مورد انواع ژن‌هایی که تاکنون شناخته شده‌اند، بحث می‌شود. با توجه به افزایش فعلی تحقیقات ژنتیکی و درک ما از کدهای ژنتیکی که هر ارگانیسم را منحصر به فرد می‌کند، انواع ژن‌ها به طور مداوم در حال تکامل هستند اما می‌توان ژن‌ها را در سه سطح زیر مورد بررسی قرار داد.

1. ژن‌های ویروسی
2. ژن‌های باکتریایی
3. ژن‌های انسانی

ژن‌های ویروسی

ویروس‌ها را می‌توان با توجه به نوع ژن طبقه‌بندی کرد. آن‌ها می‌توانند ویروس RNA یا DNA باشند. تعداد ژن‌های موجود در ویروس‌ها از یک ژن تا حداکثر حدود 200 ژن متغیر است. ویروس‌های RNA میزان بسیار بالایی از جهش‌های ژنی را نشان می‌دهند. جهش ژنی یعنی تغییر توالی DNA به توالی متفاوتی که نسبت به توالی طبیعی کد گذاری شده است. این تغییر در یک نقطه واحد و یا در نواحی مختلف ژن و در طول تکثیر و رونویسی ژن و حتی ترجمه mRNA به پروتئین ممکن است، اتفاق بیوفتد. این میزان جهش تقربیا برابر با یک جهش در هر بار همانندسازی از ژن‌ها است. این در حالی است میزان جهش در ویروس‌های DNA بسیار نادر است و تقریباً از هر چند صد بار همانندسازی یک بار جهش اتفاق می‌افتد.

ویروس‌ها همچنین می‌توانند اطلاعات ژنتیکی خود را از طریق فرایند «نوترکیبی» (Recombination) تغییر دهند، نوترکیبی زمانی رخ می‌دهد که دو ویروس در داخل ارگانیسم میزبان مواد ژنتیکی خود را تبادل می‌کنند. یک ویروس به عنوان مثال، یک رتروویروس می‌تواند علاوه بر تبادل اطلاعات ژنتیکی خود با ویروس دیگر، یک نسخه از ژنوم خود را درون ژنوم میزبان جای گذاری کند. این توانایی برای تغییر مداوم کد‌های ژنتیکی انجام می‌شود، بدین معنی که ویروس‌های RNA می‌توانند برای زنده ماندن و تکثیر در میزبان مقاومت و سازگاری پیدا کنند.

برخی از ویروس‌های خطرناک جهان ویروس‌هایی هستند که ژنومی از جنس RNA دارند. این گروه از عوامل بیماری‌زا شامل ویروس‌هایی هستند که باعث ابتلا به بیماری‌های مهلکی نظیر ابولا،‌ هاری، آنفلوانزا، تب نیل، فلج اطفال و سرخک می‌شوند. یک نمونه از ژن ویروسی، ژن  BALF5 است. این ژن یک آنزیم پروتئینی به نام DNA پلیمراز را در ویروس «اپشتین-بار» (Epstein-Barr) تولید می‌کند.

ژن‌های باکتریایی

براساس مطالعات انجام شده، تخمین زده می‌شود که باکتری‌ها با توجه به پیچیدگی آن‌ها بین 500 تا 7500 ژن داشته باشند. بسیاری از باکتری‌ها یک کروموزوم واحد دارند که حاوی تمام ژنوم باکتری‌ است و همچنین دارای ساختارهای جداگانه‌ ژنتیکی به نام «پلاسمیدها» (Plasmids) نیز هستند که می‌توانند به طور مستقل از کروموزوم خود باکتری، تکثیر شوند. به همین دلیل به DNA موجود در پلاسمیدها، «DNA خارج کروموزومی» می‌گویند.

فیلم تفاوت ژن، دی ان ای DNA و کروموزوم چیست؟ – بررسی ساختار و عملکرد (آموزش رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

در حالی که معمولاً کروموزوم‌های باکتریایی به صورت حلقوی هستند، اما آن‌ها می‌توانند به صورت خطی نیز وجود داشته باشند. در شکل زیر تصویری از یک باکتری به صورت معمول را می‌توان مشاهده کرد.

نمونه‌ای از ژن‌های باکتریایی، ژن blaOXA-2 است که پروتئینی را رمزگذاری می‌کند که در تولید بتالاکتاماز کمک کننده است. محصول نهایی این آنزیم پروتئینی است که باعث افزایش مقاومت باکتری‌ها از جمله اشرشیا کولی (Ecoli) در برابر آنتی‌ بیوتیکی به نام بتا‌لاکتام می‌شود.

ژن‌های انسانی

هرچه ارگانیسم پیچیده‌تر باشد، ژنوم آن نیز پیچیده‌تر خواهد بود و تعداد ژن‌های آن نیز بیشتر خواهد شد. براساس مطالعات انجام شده در «پروژه ژنوم انسان» (Human Genome Project)، تخمین زده می‌شود که حدود 30،000 ژن انسانی، کدهایی مربوط به پروتئین‌هایی را ایجاد می‌کنند که هویت منحصر به فرد آناتومیکی و فیزیولوژیکی هر فرد را می‌سازند.

برای یادگیری نکات مربوط به ژن‌های انسانی و روند فعالیت آن‌ها پیشنهاد می‌دهیم ابتدا با استفاده از فیلم آموزش مبانی علم ژنتیک فرادرس اطلاعات پایه خود را تقویت کنید، به همین منظور لینک این فیلم آموزشی را در کادر زیر درج کرده‌ایم.

ژنوم انسان تقریباً سه میلیارد جفت باز دارد این بازها بخشی از مونومرهای نوکلئوتیدی تشکیل دهنده اسیدهای نوکلئیکی هستند. ترتیب و نحوه قرارگیری این جفت بازها کدهای مربوط به ژن‌ها را تشکیل می‌دهند و این ژن‌ها با استفاده از جفت‌ بازها، اطلاعات قابل انتقال برای تولید پروتئین‌ها را فراهم می‌کنند.

«پروتئین پی ۲ جعبهٔ سرچنگالی» (Forkhead P۲) یا (FOXP۲) یک فاکتور رونویسی را کد می‌کند. ژن FOXP۲ در یک مکان مشخص کروموزومی‌ در هر سلول انسانی یافت می‌شود (به جز گلبول‌های قرمز بالغ)، اما این ژن فقط در مغز، روده و ریه بیان (منجر به تولید پروتئین) می‌شود.

این فاکتور رونویسی خاص به DNA اتصال می‌یابد، اما وظیفه آن به یک عملکرد واحد محدود نمی‌شود، زیرا این توانایی را دارد که با صدها پروموتر DNA ارتباط برقرار کند و بنابراین، همان طور که قبلاً نیز گفته شد، می‌تواند در تولید بیش از یک پروتئین نقش داشته باشد. با این حال، یکی از کارکردهای اصلی ژن FOXP۲ در پیشرفت توانایی گفتار و زبان انسان است. به همین دلیل جهش در ژن FOXP۲ منجر به  اختلال اتوزمی غالب گفتاری یا SPCH1 می‌شود.

براساس مطالعات انجام شده، علت «سرطان سینه» (Breast Cancer)، جهش در ژن BRCA است. معمولاً، ژن‌های BRCA با ترمیم آسیب‌های DNA ناشی از آلودگی محیط، رژیم غذایی، عادات سبک زندگی مانند سیگار کشیدن، قرار گرفتن در معرض تابش و بسیاری از عوامل دیگر، تشکیل تومور را متوقف می‌کنند. در افرادی که دارای ژن BRCA جهش یافته یا آسیب دیده هستند، این محافظت و جلوگیری از تشکیل تومور دیگر اعمال نمی‌شود. افراد مختلف اعم از زن و مرد با ژن BRCA جهش یافته (جهش در محل ۱ ۱۷q21 BRCA یا ۱۳q۱۲٫۳ BRCA 2) بسیار در خطر ابتلا به سرطان سینه قرار دارند. اما این جهش‌ها در زنان خطر ابتلا به سرطان تخمدان را نیز افزایش می‌دهند.

ژن «COL۱A۱» یک جزء از پپتید آلفا-1 کلاژن نوع اول را رمزگذاری می‌کند، کلاژن پروتئینی است که در بسیاری از انواع بافت‌های همبند وجود دارد. این ژن را می‌توان در محل ۱۷q۲۱٫۳۳ یافت. این آدرس به موقعیت ژن COL۱A۱ در کروموزوم هفدهم اشاره دارد که به طور دقیق موقعیت ژن را در این کروموزوم بر روی بازوی بلند و در منطقه ۲، باند ۱، زیر باند ۳۳ نشان می‌دهد.

ژن MTHFR حاوی کدی است که در بدن انسان برای تولید آنزیم «ردوكتاز متیلن تتراهیدروفولات» (MethylenetetraHydrofolate Reductase) رونویسی و ترجمه می‌شود. جهش در ژن MTHFR بسیار متداول است، این جهش‌ها باعث می‌شود که بدن فرد نتواند محصول نهایی فرایندهای کاتالیز شده توسط آنزیم ردوكتاز متیلن تتراهیدروفولات مانند هموسیستئین و نوکلئوزید تیمیدین را تولید کند.

کمبود این محصولات می‌تواند منجر به ایجاد ناهنجاری‌های «هیپرهموسیستئینمی‌» (Hyperhomocysteinemia) شود. یکی از این ناهنجاری‌های ایجاد شده توسط هیپرهموسیستئینمی‌، کمبودهای ویژه در ویتامین‌های B است. از این گروه می‌توان به ویتامین B۹ (اسید فولیک) که برای رشد عصبی در دوران جنینی ضروری است، اشاره کرد.

CXorf۳۸ ژن انسانی دیگری است که پروتئین‌هایی را کد می‌کند که در تشکیل بافت‌ها نقش دارند. Cxorf38 عمدتا در غدد و گره‌های لنفاوی بیان می‌شوند و در محل p۱۱.۴ کروموزوم X یافت می‌شوند. این مکان یا لوکوس کروموزوم نشان دهنده قرارگیری ژن در کروموزوم جنسی X، بازوی کوتاه‌تر، ناحیه ۱، باند ۱ و زیر باند ۴ است. این لوکوس در شکل نشان داده شده است.

واژه‌نامه کوتاه از اصطلاحات ژنتیکی

ژن مترادف ژنوم نیست. ژنوم کل اطلاعات ژنتیکی یک ارگانیسم واحد را توصیف می‌کند. ژن قسمت خاصی از DNA ارگانیسم یا RNA آن را در بر می‌گیرد. ژن‌ها بخشی از رشته‌های اسیدهای نوکلئیک هستند که توالی ویژه‌ای دارند و قادر به انتقال بخشی از اطلاعات ژنتیکی از طریق فرآیند تکثیر، رونویسی و ترجمه هستند و یک یا چند پروتئین را تولید می‌کنند که نوع پروتئین براساس ژنی که آن را کد می‌کند، مشخص می‌شود.

اصطلاحات دیگری که اغلب در زمینه ژنتیک با آن روبرو می‌شوید، عبارتند از:

• صفت (Trait): یک ویژگی خاص در ارگانیسم، مانند رنگ چشم را صفت می‌نامند.
• مکان ژنی یا لوکوس (Locus): موقعیتی در یک کروموزوم که در آن یک ژن واحد یافت می‌شود.
• آلل (Allele): تنوع و اشکال احتمالی یک ژن موجود در یک لوکوس واحد، مانند بخشی از ژن‌های فنوتیپ رنگ چشم (آبی و قهوه ای)، آلل نام دارند.
• ژنوتیپ (Genotype): کل مجموعه آلل‌های موجود در یک یا چند ژن و لوکوس‌های مختلف که یک صفت واحد را کنترل می‌کنند، ژنوتیپ نامیده می‌شوند.
• فنوتیپ (Phenotype): ویژگی قابل مشاهده مانند رنگ چشم که تحت تاثیر ژنوتیپ و محیط زیست ارگانیسم قرار دارد، فنوتیپ فرد را تشکیل می‌دهد.

تصویر زیر نمودار ساده ای از آلل‌های مگس میوه را روی بازوی یک کروموزوم نشان می‌دهند. کدهای ژنتیکی موجود (آلل) برای هر صفت بالقوه و واقعی در همان مکان یافت می‌شوند. این صفات شامل طول پا، رنگ چشم، طول شاخک، شکل بال و رنگ شکم است.

اصطلاحات مربوط به ژن

ژن‌ها در بسیاری از فرآیندهای حیاتی یک ارگانیسم نقش دارند. در واقع ژن‌ها ساختار اصلی زندگی هر ارگانیسم محسوب می‌شوند. این عنوان قبلاً به اسیدهای آمینه داده شده بود، اما این ژن‌ها هستند که کدهای تولید اسیدهای آمینه برای تشکیل پروتئین‌ها را در بر دارند.

ژن درمانی

یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌های علمی‌ در دهه‌های اخیر، «ژن درمانی» (Gene Therapy) است. این تکنیک باعث تغییر در ژن‌های موجود در ارگانیسم شده که می‌تواند جهش‌های ایجاد شده را اصلاح کرده و پروتئین‌های ویژه‌ای را تولید کند.

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

کلیک کنید

محققان ژن درمانی این کار را با استفاده از ویروس‌هایی انجام می‌دهند که برای انتقال اطلاعات ژنتیکی جدید به سلول مورد نظر، بی‌خطر شده‌اند. این عملکرد نام جدیدی را به ویروس‌ها اطلاق می‌کند و آن‌ها در ژن درمانی تحت عنوان «وکتور» (Vector) یا ناقل وارد عمل می‌شوند.

ژن درمانی هنوز به یک روش درمانی روتین و قابل استفاده برای انسان تبدیل نشده است و همچنان در مراحل اولیه و آزمایشی قرار دارد. در حال حاضر تحقیقات بر روی طراحی یک ناقل مطمئن اما مؤثر متمرکز شده است.

در برخی از مراکز تحقیقاتی آزمایش‌های بالینی ژن درمانی بر روی انسان‌ها آغاز شده است و نتایج امید بخشی در بیماری‌هایی نظیر نقص ایمنی، هموفیلی، تالاسمی، اختلالات متابولیسم چربی و سرطان بدست آمده است. با این حال، نگرانی اصلی در این زمینه، یعنی احتمال بروز ناهنجاری و اختلال توسط ناقل‌های ژن درمانی، همچنان مطرح است.

جهش ژن

ژن‌ها و اطلاعات ژنتیکی می‌توانند از جهات مختلفی دچار جهش شوند. این موارد شامل جهش بی معنی (Nonsense)، بد معنی (Missense)، خاموش (Silent) و جهش جابجایی (Substitution) است و همچنین جهش‌ها می‌توانند یا در خود رشته DNA یا در طی مراحل تکثیر، رونویسی و ترجمه ژن‌ها به پروتئین، ایجاد شوند.

تنها درصد کمی‌ از جهش‌های ژنتیکی باعث رشد تومورهای بدخیم یا سرطان‌ها می‌شوند که آن‌ها می‌توانند ارثی یا اکتسابی باشند. جهش‌ها ممکن است در اثر عوامل محیطی مانند شیمی درمانی، پرتودرمانی، آلاینده‌های شیمیایی، عفونت‌های ویروسی و باکتریایی و فرآیندهای فیزیکی یا تحلیل سلول‌های بدن مانند روند پیری ایجاد شوند.

جریان ژن

«جریان ژنی» (Gene Flow) به عنوان «مهاجرت ژن» (Gene Migration) یا «جریان آللی» (Allele Flow) نیز شناخته می‌شود و مربوط به ادغام یک گونه با یک جمعیت از طریق انتقال اطلاعات ژنتیکی آن است. جریان ژنی زمانی اتفاق می‌افتد که با مهاجرت یک گونه، اطلاعات ژنتیکی آن از طریق DNA به جمعیت جدیدی انتقال یابد و اطلاعات ژنتیکی آن گونه وارد خزانه ژنی جمعیت جدید شود.

استخر ژن یا خزانه ژنی

جمع کل ژن‌ها (بیان شده و بیان نشده) در جمعیت یک گونه منفرد به عنوان استخر ژنی یا خزانه ژنی آن جمعیت شناخته می‌شود. تنوع خزانه ژنی به طیف گسترده‌ای از فنوتیپ‌های ممکن و در نتیجه تنوع گسترده بین یک گونه واحد، می‌انجامد.

تنظیم ژن

بعضی از ژن‌ها فقط در زمان‌های مشخص یا در برخی از بافت‌ها یا انواع سلول‌های خاص بیان می‌شوند. هر مکانیسمی‌ که بیان ژن‌ها را تحریک یا سرکوب کند، تحت عنوان مکانیسم تنظیم ژن به شمار می‌آید.

رانش ژنتیکی

یکی از دانشمندان متخصص ژنتیک به نام «Sewall Green Wright» اولین کسی بود که درباره «رانش ژنتیکی» (Genetic Drift)، به عنوان یکی از مکانیسم‌های تکاملی نظریه پردازی کرد. رانش ژنتیکی در جایی اتفاق می‌افتد که افراد خاصی در یک جمعیت، فرزندان بیشتری نسبت به دیگران تولید می‌کنند. این امر به این دلیل نیست که این افراد مناسب‌تر یا قوی‌تر هستند (بقای اصلح)، بلکه می‌تواند ناشی از عوامل دیگری باشد. به عنوان مثال، ممکن است جمعیت نرها در گروهی از سگ‌های وحشی آفریقایی در طی یک شکار کشته شوند و تنها یک یا دو نر ضعیف از این گروه برای زادآوری باقی بمانند. در این حالت رانش ژنتیکی اتفاق می‌افتد که منجر به كاهش اطلاعات ژنتیكی خزانه ژنی جمعیت این افراد می‌شود.