بدن ما از میلیون ها سلول تشکیل شده است(100,000,000,000,000) که هر کدام مجموعه کاملی از دستورالعمل های مخصوص به خود را برای ساختن ما دارند، مانند کتاب دستور غذا. این مجموعه دستورالعمل ها به عنوان ژنوم ما شناخته می شود و از DNA تشکیل شده است. هر سلول در بدن، به عنوان مثال، یک سلول پوست یا یک سلول کبد، حاوی این مجموعه دستورالعمل‌ها است: دستورالعمل های موجود در ژنوم ما از DNA تشکیل شده است. درون DNA، یک کد شیمیایی منحصر به فرد وجود دارد که رشد، توسعه و سلامت ما را هدایت می کند. این کد با ترتیب چهار باز نوکلئوتیدی آدنین، سیتوزین، گوانین و تیمین، به اختصار A، C، G و T، DNA را تشکیل می‌دهد.DNA، ساختاری پیچ خورده به شکل یک مارپیچ دوتایی دارد. تک رشته های DNA، به ساختارهایی به نام کروموزوم پیچیده می شوند. کروموزوم ها در درون هر سلول در هسته قرار دارند ودر آنها بخش‌هایی از DNA با هم خوانده می‌شوند تا ژن‌ها را تشکیل دهند. این ژن ها، ویژگی های مختلفی مانند رنگ چشم و قد را کنترل می کنند. تمام موجودات زنده ژنوم خاص خود را دارند. ژنوم انسان از 3.2 میلیارد پایه DNA ساخته شده است اما سایر موجودات دارای اندازه های ژنوم متفاوتی هستند.
بله درست است. ژنوم شما تمام 3.2 میلیارد حرف DNA شماست که شامل حدود 20000 ژن است. ژن ها، دستورالعملی برای ساخت پروتئین هایی هستند که بدن ما از آن ساخته شده است. از کراتین موجود در مو و ناخن گرفته تا پروتئین های آنتی بادی که با عفونت مبارزه می کنند. ژن ها حدود 1 تا 5 درصد از ژنوم شما را تشکیل می دهند. مابقی DNA، بین ژن‌ها، قبلاً به نام DNA ناخواسته نامیده می‌شد و تصور نمی شد که مهم باشد. اما اکنون می دانیم که DNA بین ژن ها برای تنظیم ژن ها و ژنوم مهم است. به عنوان مثال، می تواند ژن ها را در زمان مناسب روشن و خاموش کند.
ژنوم، اغلب به عنوان مخزن اطلاعات یک موجود زنده توصیف می شود. چرا که با میلیون‌ها یا میلیاردها حرف DNAو انتقال آن در بین نسل‌ها واسطه اصلی وراثت صفات ارگانیسمی است. حوزه های تحقیقاتی نوظهور نشان می دهد که این تعریف یک ساده سازی بیش از حد است. در اینجا، مسائلی را بررسی می‌کنیم که درک عمیق‌تر تنوع ژنومی و فیزیولوژی سلولی، مفاهیم ماندگاری فیزیکی متصل به ژنوم و همچنین نقش آن را به عنوان تنها منبع اطلاعاتی برای یک موجود زنده به چالش می‌کشد.
واژه ژنوم در سال 1920 برای توصیف "مجموعه کروموزوم های هاپلوئید، که همراه با پروتوپلاسم مربوطه، پایه های مادی گونه را مشخص می کند" ابداع شد. این اصطلاح، بلافاصله مطرح نشد. اگرچه ژنتیک مندلی در سال 1900 دوباره کشف شد و کروموزوم ها به عنوان حامل اطلاعات ژنتیکی در سال 1902 شناسایی شدند، در سال 1920 مشخص نشد که آیا اطلاعات ژنتیکی توسط DNA یا جزء پروتئینی کروموزوم ها حمل می شود. علاوه بر این، مکانیسمی که توسط آن سلول اطلاعات را در سلول های جدید کپی می کند و به توابع تبدیل می کند، برای چندین دهه، پس از ابداع واژه "ژنوم" ناشناخته بود.
اما امروزه، ما در داده های ژنومی غرق شده ایم. انتشار اخیر پایگاه داده GenBank، شامل بیش از 621 میلیارد جفت پایه از 2557 ژنوم یوکاریال، 432 ژنوم باستانی و 7474 ژنوم باکتری و همچنین ده ها هزار ویروس است. به علاوه، در حال حاضر ما درک بسیار گسترده تر و دقیق تری از نحوه بیان ژنوم و اینکه چگونه عوامل مختلف بیولوژیکی و محیطی در شکل گیری آن نقش دارند، داریم. با این حال، تقریباً یک قرن پس از ابداع این اصطلاح، تعریف استاندارد ژنوم در وب سایت مرجع ژنتیکی خود، با تعریف مؤسسه ملی بهداشت (NIH) این گونه می باشد: «مجموعه کامل DNA یک موجود زنده، شامل همه ژن‌ها، ژنوم را می‌سازد و هر ژنوم حاوی تمام اطلاعات مورد نیاز برای ساخت و نگهداری آن ارگانیسم است.
DNA چیست؟
DNA (اسید نوکلئیک دئوکسی ریبوز) یک مولکول طولانی است. DNA، شکل مارپیچ دوتایی دارد و از چهار ماده شیمیایی یا باز تشکیل شده است که با حروف A، T، C و G نشان داده می شوند. پایه ها به دو ستون فقرات فسفات متصل هستند و معمولا، با هم جفت می شوندA با T، G با C .هر دوی ستون فقرات به دور یکدیگر می پیچند تا مارپیچ دوگانه مشخصه را ایجاد کنند.
DNA، علاوه بر شکل مارپیچی، محکم و بسته بندی شده است، بنابراین فضای کمتری را اشغال می کند. اگر DNA را در یک سلول تا انتها بکشید، طول آن حدود 2 متر خواهد بود.
توالی ژنوم چیست؟
توالی یابی تکنیکی است که برای "خواندن" DNA استفاده می شود. در این فرآیند، ترتیب حروف DNA ، A، T، C و G را یکی یکی پیدا می کنید. تعیین توالی ژنوم انسان به معنای یافتن توالی 3 میلیارد حرف DNA منحصر به فرد است.
چرا توالی یک ژنوم را تعیین می کنیم؟
یادگیری بیشتر در مورد ژنوم می تواند به ما در شناسایی علت بیماری های ژنتیکی کمک کند. برخی از بیماری‌های نادر، تنها به دلیل یک تغییر (نوعی)، مانند یک اشتباه املایی، در DNA فرد ایجاد می‌شوند. نگاهی به ژنوم یک فرد مبتلا به یک بیماری نادر می تواند به یافتن اینکه کدام تغییرات DNA ممکن است باعث این مشکل شود، کمک کند. در سرطان، سلول‌های تومور ژنوم متفاوتی نسبت به سلول‌های سالم ایجاد کرده‌اند. مقایسه ژنوم طبیعی و سرطانی ممکن است سرنخ هایی در مورد راه های درمان سرطان به دست دهد. برای برخی از بیماران، دانستن بیشتر در مورد ژنوم آنها ممکن است به این معنی باشد که می توان درمان خاصی رابرایشان توصیه کرد. هنگامی که توالی ژنوم بیماران با شرایط مشابه با هم مقایسه می شود، امکان مشاهده الگوها وجود دارد. این الگوها را می توان با اطلاعات سلامت بیمار، کنار هم قرار داد. هنگامی که این کار انجام شد، ممکن است بتوانیم الگوهای خاصی را با احتمال ابتلای افراد به بیماری مشاهده و احتمال شدت بیماری آنها را تخمین بزنیم.
اطلاعات فرا ژنومی
اطلاعات هم یک مفهوم اساسی است که درک ما از عملکرد ژنوم را پایه ریزی می کند و هم مفهومی است که تعریف آن بسیار دشوار است. ژنوم حاوی اطلاعات است، اما سایر اجزای سلول نیز حاوی اطلاعات هستند. یک دیدگاه معمولی و غیر قابل بحث این است که ژنوم حامل اطلاعات است اما برای تبدیل معنی دار اطلاعات ژنومی به عملکرد مولکولی به حضور پروتئین ها، RNA های ریبوزومی و RNA های انتقالی در سلول نیاز دارد. در واقع، ساخت ژنوم های مصنوعی، نیازمند پیوند ژنوم سنتز شده شیمیایی به یک سلول از پیش موجود بود. شواهدی برای اطلاعات ارثی فراتر از ژنوم نیز از دهه 1960 شناخته شده است
کنترل اپی ژنتیکی تنظیم ژن نمونه‌ای ظریف‌تر از اطلاعات برون ژنتیکی ارائه می‌کند. پلتفرم های ژنوم، امکان انتقال اطلاعات در بین نسل ها را فراهم می کند، در حالی که به نظر می رسد ژنوم DNA را دور می زند. هنوز نشان داده نشده است که آیا اطلاعات اپی ژنتیکی می‌توانند در مقیاس‌های زمان تکامل باقی بمانند یا خیر، اما واضح است که بسیاری از ژنوم‌ها، ظرفیت کنترل اپی ژنتیکی را ایجاد کرده‌اند که باعث می‌شود چنین ژنوم‌هایی نسبت به اطلاعات خارجی که کدگذاری نمی‌شوند حساس باشند، و این، به نوبه خود بر توانایی آنها برای سازگاری با محیط‌های متغیر تأثیر می‌گذارد و در برخی موارد، توانایی بازگشت به ژنوم نوع وحشی سابق را حفظ می‌کند. نمونه دوم از اطلاعات برون ژنومی از طریق مطالعات ارتباطی گسترده ژنومی به دست آمده است که همبستگی بین بسیاری از صفات فنوتیپی و گونه های ژنتیکی را شناسایی کرده است. در انجام این کار، چنین مطالعاتی مشکل به اصطلاح «وراثت‌پذیری از دست رفته» را نیز آشکار کرده است، که تنوع ژنتیکی همیشه 100 درصد وراثت‌پذیری اندازه‌گیری‌شده را شامل نمی‌شود، چه رسد به واریانس فنوتیپی مشاهده‌شده در بسیاری از صفات پیچیده. در بسیاری از موارد، این وراثت‌پذیری از دست رفته را می‌توان به عنوان فقدان قدرت آماری به دلیل تأثیر فنوتیپی کم تنوع ژنتیکی یا فراوانی کم در جمعیت توضیح داد.
بطور کلی، ژنوم ها لزوماً تمام اطلاعات سلول را رمزگذاری نمی کنند، بلکه مجموعه ای از حالت های بالقوه را رمزگذاری می کنند که ممکن است از طریق تعامل با محیط های مختلف محقق شوند . روشی که در آن محتوای اطلاعاتی ژنوم به‌عنوان عملکردها و فنوتیپ‌ها محقق می‌شود، به سایر اجزای سلولی و همچنین محیط بستگی دارد. توانایی ژنوم ها برای تأثیرپذیری از این اطلاعات خارجی، روی ژنوم کدگذاری شده است. به این ترتیب، ژنوم ها تنها منبع اطلاعات سلولی نیستند، بلکه آرشیو گسترده تری از حالت های احتمالی هستند که می توانند از طریق تعامل با عوامل داخلی و خارجی ایجاد شوند.
در پایان
ما از طریق نمونه‌هایی از رتروویروس‌ها که نوعی یوکاریوت میکروبی هستند و زیست‌شناسی مصنوعی نشان داده‌ایم که ژنوم می‌تواند خصوصیات فیزیکی را تغییر دهد و در عین حال اطلاعات لازم رمزگذاری شده را در خود حفظ کند. همچنین نمونه‌هایی معرفی شده اند که در آنها عوامل غیر ژنومی می‌توانند روشی را که در آن اطلاعات درون ژنوم به عملکردها و فنوتیپ‌های مولکولی ترجمه می‌شود، را تغییر دهند. این مثال‌ها تعریف گسترده‌تری از ژنوم به‌عنوان یک موجود اطلاعاتی را پیشنهاد می‌کنند که اغلب به‌عنوان DNA ظاهر می‌شود و مجموعه گسترده‌ای از احتمالات عملکردی را رمزگذاری می‌کند که همراه با سایر منابع اطلاعات، ارگانیسم را تولید و حفظ می‌کند.
نمونه‌های گذرای فیزیکی در ژنوم‌ها نشان می‌دهند که ترکیب شیمیایی و پایداری ژنوم، الزامات ثابتی در همه زمان‌ها در هر موجود زنده نیست. زیست شناسان مصنوعی این نکته را بیشتر از طریق سنتز شیمیایی ژنوم های ویروسی و باکتریایی نشان داده اند. قبل از سنتز شیمیایی این کروموزوم‌های DNA، ژنوم‌ها در یک حالت کاملاً اطلاعاتی به‌عنوان توالی‌های نوکلئوتیدی در یک فایل کامپیوتری وجود داشتند. در این موارد، ژنوم ویروس یا سلول از یک نوع اسید نوکلئیک به نوع دیگر منتقل نمی شود، بلکه از یک مولکول DNA فیزیکی به یک توالی نوکلئوتیدی غیرفیزیکی و دوباره به یک مولکول DNA فیزیکی منتقل می شود. اگرچه این مثال یک پدیده طبیعی نیست، اما نشان می دهد که محتوای اطلاعاتی ژنوم مهمتر از ماندگاری فیزیکی آن است. بنابراین، مفهوم برتری اطلاعاتی که برای تعریف ژنوم استفاده می شود، به عنوان مثال، "تمام اطلاعات مورد نیاز برای ساخت و نگهداری آن ارگانیسم" نیز شایسته بررسی بیشتر است.
ترجمه و تالیف: حدیثه سقاتپه
References:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/
https://www.genomicsengland.co.uk/
https://www.yourgenome.org/