مقدمه ولمحه تاريخيه وتعريف علم وراثه وفروعه في عصر حديث

-

مقدمة ولمحة تاريخية وتعريف علم الوراثة وفروعه في العصر الحديث

سامر الزعبي

لمحة تاريخية عن علم الوراثة

تعريف علم الوراثة Genetics

فروع علم الوراثة في العصر الحديث

مقدمة:

يُعد علم الوراثة  Geneticsواحداً من أسرع مجالات العلوم تقدماً، ولا يكادُ يمرُ شهرٌ إلا وهناك مقالٌ يتحدث عن اكتشاف جديد مهم فيه، مثلُ اكتمالِ معرفةِ مجينات genomesكائنات جديدة أو اكتشاف جينات لها علاقة بأمراض خطرة كالسرطان والتصلب المتعدد Multiple sclerosis (MS) و الاكتئاب.

انتبه القدماء لمفهوم التوريث  heredityفي الشرق الأوسط منذ ما يقارب 10,000 إلى 12,000 سنة خلت، وتجلى ذلك بتدجين الحيوانات (الأبقار والكلاب والأغنام والماعز)، واستنبات النباتات (القمح والشعير والعدس والبازلاء)، وانتقاء السلالات ذات الصفات المرغوبة، والعمل على تطويرها بالتهجين الاصطناعي عبر الأجيال.

قدم الإغريق دراسةً متأنيةً للتكاثر البشري والتوريث، وقد وضع الفلاسفة اليونان مفهوم شمولية التخلق  pangenesisالذي يتضمن جزيئات محددة دُعيت في وقت لاحق البُريعمات gemmules. وهي جزيئات تنقل المعلومات من مختلف أنحاء الجسم إلى الأعضاء التناسلية، وتمر بوساطتها إلى الجنين في لحظة الحمل،( الشكل 1). ومع أن مفهوم شمولية التخلق غير صحيح، فقد ظل تأثيره حتى أواخر عام 1800م. كما قاد مفهوم شمولية التخلق إلى اقتراح فكرة وراثة الخصائص المكتسبة inheritance of acquired characteristicsالتي تتضمن اندماج صفات الفرد المكتسبة في أثناء حياته في معلوماته الوراثية ونقلها إلى ذريته، فعلى سبيل المثال ينجب الأشخاص الذين طوروا قدراتهم الموسيقية بدراسة جدية أطفالاً وهبوا بالفطرة القدرة الموسيقية لآبائهم. ومع أن هذا الفكرة عادت غير مقبولة أبداً الآن، فقد ظلت شائعة في أثناء القرن العشرين.

الشكل (1) مقارنة بين شمولية التخلق بوصفه مفهوما قديما للتوريث والرؤية لنظرية البلاسما

لمحة تاريخية عن علم الوراثة

بدأ البزوغ الحقيقي لعلم الوراثة في بداية القرن التاسع عشر باكتشاف المبادئ الرئيسة للتوريث على يد ماندلGregor Mendel ، (الشكل2)، وذلك بمثابرته المتأنية على تجارب التهجين في نبات البازلاء، وقد ظلت مبادئ التوريث الرئيسة التي اكتشفها ماندل غير متداولة في المجتمع العلمي إلى أن أعادت الاهتمام بها من جديد مجموعة من العلماء بعد 35 سنة.الشكل (2)

غريغور ماندل مؤسس علم الوراثة الحديث اكتشف ماندل مبادئ التوريث من خلال تهجين سلالات مختلفة من نبات البازلاء وتحليلا انتقال الصفات في الاجيال اللاحقة

 

ففي عام 1839 وضع العالمان شلايدن وشوان النظرية الخلوية cell theory التي تقول إن جميع الكائنات الحية مؤلفة من خلايا، وتعد الخلية الوحدة الأساسية البنيوية والوظيفية لكل كائن حي، وكل خلية تأتي من خلية قبلها، وهذا ما دفع بيولوجيي الوراثة إلى تحري ما يجري في الخلية في أثناء تكاثرها.

وقام العالم Walther Flemming في عام 1879 بمراقبة انقسام الصبغيات chromosomes، ونشر وصفاً دقيقاً للانقسام الخيطي (الفتيلي) mitosis، وبحلول عام 1885 أصبح مؤكداً أن النواة تحوي المعلومات الوراثية للكائن الحي.

وفي عام 1859 نشر تشارلز داروين نظريته عن التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي Natural selectionفي كتابه المعروف "أصل الأنواع"، إذ أدرك داروين أن التوريث heredity أساسي لحدوث التطور على الرغم من عدم فهم داروين طبيعة مادة التوريث وماهيته.

في منتصف القرن التاسع عشر كشف علماء الخلية أنَّ لنواة الخلية nucleus شأناً في عملية الإخصاب fertilization.

وفي نهاية القرن التاسع عشر، وضع August Weismann نهايةً لفكرة وراثة الخصائص المكتسبة بتجاربه على الفئران في عشرين جيلاً، واقترح نظرية البلاسما المنشئة germ-plasm theory التي تقول إن خلايا في الأعضاء الجنسية تحمل مجموعة كاملة من المادة الوراثية التي تنتقل إلى البيضة والنطفة( الشكل1)

يُعد العام 1900 نقطة تحول مهمة في تاريخ علم الوراثة، إذ أعيد اكتشاف منشورات تجارب ماندل على نبات البازلاء التي كان نشرها عام 1866، وقد ضمت هذه المنشورات المبادئ الرئيسة للتوريث أو الوراثة، أو ما يسمى قوانين ماندل في الوراثة.

بعد رسوخ مبادئ ماندل في الوراثة ضمن الوسط العلمي صرح العالم Walter Sutton في عام 1902 أن الجينات (التي هي وحدات التوريث) تتوضع على الصبغيات. وفي عام 1910 اكتشف العالم Thomas Morgan أول طفرة جينية في ذباب الفاكهة fruit flies، ثم كشف مورغان اللثام عن تفاصيل عديدة لانتقال المعلومات الوراثية بين الأجيال.

في نهاية الثلاثينيات -بمشاركة مجموعة من العلماء- وُضع الأساس لفرع جديد هو علم الوراثة السكاني population genetics، وذلك بالمواءمة بين الوراثة المندلية والنظرية التطورية.

وفي فترة الأربعينيات بدأ علماء الوراثة باستخدام البكتريا والفيروسات في علم الوراثة، وذلك بسبب تكاثر هذه الكائنات السريع وامتلاكها مخزوناً وراثياً بسيطاً، مما ساعد على الحصول على تفاصيل دقيقة عن تنظيم الجينات وبنيتها, وفي هذه الفترة كان قد تجمع العديد من الأدلة التي تدعم القول إن جزيء الـحمض النووي الريبي المنقوص الأكسجين (الدناDNA ) هو مستودع المعلومات الوراثية أو مخزونها. وفعلاًفي عام 1953 تُوِّج العمل المشترك لمجموعة من العلماء هم:

James Watson and Francis Crick, Maurice Wilkins and Rosalind Franklin

بوضع البنية التفصيلية ثلاثية الأبعاد لجزيء الدناDNA.

وكان ذلك بمنزلة حجر الأساس لحقبة علم الوراثة الجزيئي molecular genetics. فقد عُرِفت في عام 1966 كيفية ترجمة المعلومات الوراثية إلى بروتين وذلك بنظام معقد يتضمن نسخ جزيء الحمض النووي الريبي (الرناRNA) من جزيء الدنا، ـومن ثم ترجمة الرنا إلى سلسلة من الحموض الأمينية باستعمال نظام الروامز الجينية الثلاثية أو الـcodons (الشكل 3). ومع تتالي تطور علم الوراثة الجزيئي استخدمت عام 1973 أول تجربة تحوي جزيء الدنا المأشوب (recombinant DNA). وبدأت ثورات علم الوراثة الجزيئي بالظهور بتطوير طرائق لسلسلة الـDNA في عام 1977 من قبل العالم Walter Gilbert والعالم.Frederick Sanger  فيعام 1983 كان الإنجاز الكبير في البيولوجيا عموماً وعلم الوراثة الجزيئي خصوصاً حين قام العالم Kary Mullis  بتطوير تفاعل البوليميراز السلسلي PCR الذي يسمح بتكثير كمية قليلة من الدناDNA بوقت قصير. استمر التقدم في مضمار علم الوراثة الجزيئي ليدخل نطاق التطبيق السريري، إذ استخدمت أول مرة في عام 1990 المعالجة الجينية gene therapy لعلاج مرض جيني بشري في الولايات المتحدة، كما أطلق في العام نفسه رسمياً مشروع المجين البشري Human Genome Project.

الشكل (3)

وفي نهاية العام 1995 أعلن رسمياً عن السَلسَلة الكاملة لدنا DNA أول كائن حي بكتري وهو المستدمية النزلية Haemophilus influenzae، وفي السنة التي تليها تمت السلسلة الكاملة لدنا DNA أول كائن حقيقي النواة eucaryoteوهو خميرة Yeast. في عام 2000 أعلن عن المسودة الأولية لتسلسل دنا DNA الجينوم البشري، وتُوِّج العام 2003 بالإعلان عن اكتمال السلسلة الأساسية لدنا الجينوم البشري، وبدأت بذلك حقبة جديدة في علم الوراثة. واليوم تمت سلسلة DNA جينومات العديد من الكائنات وتحليلها ومقارنة بعضها ببعض.

يظهر علم الوراثة حالياً في طليعة الأبحاث البيولوجية والطبية، ويتقدم هذا العلم سريعاً كل يوم، فقد طُوِّرت أجهزة سريعة لسَلْسَلة الدنا وبتكلفة منخفضة؛ مما أتاح الكشف عن جينومات أنواع هائلة من البكتريا والكائنات الراقية (كالفئران والفيلة والقردة وغيرها) وبخطا متسارعة، واستخدام معلومات سلسلة هذه الجينومات في فروع علمية عديدة منها الطب، وذلك لخدمة الإنسان وفهم الأمراض التي تواجهه وقهرها. وفي كل يوم هناك توسع في المعلومات وفهم جديد لبنية جينات معروفة مسبقاً أو جديدة ووظيفتها، وكيف يتم التعبير الجيني عن هذه الجينات لتعطي صفات محددة، كما حُدِّد الاستعداد الجيني للإصابة ببعض الأمراض البشرية وذلك ببحوث ودراسات يعتمد بعضها على ارتباطها بــتعدد أشكال أحادي النوكليوتيدSingle nucleotide polymorphisms (SNPs). وفي السنوات الأخيرة تغير فهم وظيفة جزيء الرناRNA ؛ إذ تبين أنه يقوم -إضافة إلى دوره في التعبير الجيني- بدور تنظيمي تحكمي ضبطي، وهذا ما يُعرف بالرناRNA  التداخلي الصغير الحجم (الصغري) small interfering RNAs ، والرنا التداخلي المكروي miRNAs(هناك اختلاف بينهما في الحجم والآلية والوظيفة).

تعريف علم الوراثة Genethcs:

هناك عدة تعاريف لعلم الوراثة، وفيما يلي التعريف الأشمل والأحدث والمستعمل حالياً:

علم الوراثة أو الوراثيات هو التخصص الذي يُعنى بـ:

1) دراسة التوريث Inheretince واختلافات الصفات البيولوجية.

2) دراسة الجينات genes على مستوى بنيتها ووظيفتها واختلافها وانتقالها بين الأجيال.

فروع علم الوراثة في العصر الحديث:

ألقى علم الوراثة بظلاله على جميع مناحي الحياة، ودخل تقريباً جميع الفروع والتخصصات العلمية والطبية. وفيما يلي أهم فروع علم الوراثة بإيجاز:

 

Ø علم الوراثة التقليدي أو المدرسي Classical genetics:

يُعد أقدم فروع علم الوراثة، ويتضمن الملاحظات والنتائج الملموسة والمشاهدة للعملية التكاثرية. بدأ علم الوراثة التقليدي بتجارب ماندل وتُوج بقوانين ماندل التي حددت المبادئ الأساسية للتوريث. ويقوم علم الوراثة التقليدي على الطرائق والتقنيات التي سبقت ظهور البيولوجيا الجزيئية. وكان الاكتشاف الرئيسي في علم الوراثة التقليدي في حقيقيات النوى eucaryote هو الارتباط الجيني genetic linkage (لا تنفصل بعض الجينات انفصالاً كاملاً في الانقسام الانتصافي meiosis، بل تميل إلى البقاء مرتبطة بعضها ببعض نسبياً، ويخالف هذا قوانين ماندل في التوريث). قدَّم الارتباط الجيني طريقة لتحديد مواقع الجينات على الصبغيات وترتيبها على نحو تقريبي، أي خرائط الارتباط الجينية linkage maps. استُغنيَ عن بعض أفكار علم الوراثة التقليدي أو فُسِّرت على نحو أدق مع ظهور علم الوراثة الجزيئي، وما يزال بعضها الآخر مُعتَمَداً عليه ومستخدماً حتى الآن.

Ø علم الوراثة الجزيئي Molecular genetics:

هو فرع من البيولوجيا، يدرس بنية الجينات ووظيفتها على المستوى الجزيئي. وهو يستخدم تقنيات علم الوراثة وعلم البيولوجيا الجزيئي لتوضيح وظيفة الجينات وتآثرها على المستوى الجزيئي. يتضمن علم الوراثة الجزيئي أيضاً دراسة التعبير الجينيGene expression  والطفراتMutations  والاختلافات الجينية genetic بين الأفرادvariations. ومن أهم التقنيات المستخدمة في هذا الفرع تقنية تفاعل البوليميراز السلسلي Polymerase chain reaction (PCR)، وتقنية سَلسَلة الدناDNA ، وتقنية عزل الدنا والرنا من الخلايا، وتقنية التحويل الجيني، وتنسيل cloning الدناDNA  في البكتريا لإنتاج بروتينات بشرية مهمة بأشكال نقية وبكميات كبيرة وتكلفة قليلة. وقد أسهم علم الوراثة الجزيئي إسهاماً كبيراً في تطوير مشروع الجينوم البشري وإتمامه.

Ø علم الوراثة السكاني Population genetics:

هو دراسة التركيب الجيني ضمن الجماعات، ويتضمن ذلك دراسة توزع الأليلات allelesالجينية وتواترها ضمن الجماعات تحت تأثير أربع ظواهر تطورية، هي الانتقاء الطبيعي natural selection، والانزياح (الانسياق) الجيني Genetic drift، والطفرات mutation، والانسياب الجيني gene flow. يهتم علم الوراثة السكاني بدراسة الظواهر التالية في الجماعة: التأشيب recombination، تركيب الجماعة أو بنيتها Population structure، التقسيمات الفرعية للجماعة population subdivision، وذلك لفهم عمليتي التلاؤم  adaptationو"الانتواع" speciation (تطور أنواع جديدة) وشرحها. في الحقيقة يندرج علم الوراثة السكاني تحت علم البيولوجيا التطوري evolutionary biology، ويستخدم العلماء في هذا الفرع العديد من النماذج الرياضياتية والمقاربات المحوسبة والعمل المخبري والحقلي لاختبار الفرضيات النظرية.

Ø علم الوراثة الخلوي Cytogenetics:

هو العلم الذي يجمع بين طرائق علم الخلية وعلم الوراثة وتقنياتهما، وبشيء من التفصيل هو العلم الذي يدرس الصبغيات في الخلية ويربط تغيراتها واختلافاتها وما تسببه من أمراض. ويمكن للتقنيات المستخدمة في هذا العلم أن تشخص العديد من المتلازمات الصبغية التي تصيب الإنسان إما نتيجة اختلال الصيغة الصبغية aneuploidyوإما نتيجة ما يحدث فيها من إزفاء translocation أو خبن deletion(حذف) بعض أجزاء الصبغي.

Ø علم الوراثة الحيوي الكيميائي Biochemical genetics:

هو دراسة العلاقات الأساسية بين الجينات والبروتينات والاستقلاب، ويهدف إلى تحديد أسباب العديد من الأمراض الوراثية الاستقلابية.

Ø علم الوراثة السريري Clinical genetics:

هو تخصص في علم الوراثة، يهتم بتشخيص الاضطرابات الوراثية التي تصيب الأفراد وعائلاتهم وتدبيرها والوقاية منها.

Ø علم الوراثة التطوري Developmental genetics:

هو فرع من علم الوراثة يدرس كيف تؤثر الجينات في عمليات تنامي الكائن الحي ومراحله. فهو يسمح بمقارنة اختلافات البنى الشكلية (ضمن مراحل تكون الكائن الحي، أو بين الكائنات) على مستوى المسالك أو السبل الجينية التي يُعبر عنها على تعبيراً مختلفاً بحسب كل مرحلة أو بنية تطورية. كما يبحث هذا الفرع في الجينات المتماثلة homologous gene (الجينات المتماثلة والثابتة التسلسل بين أنواع تطورية مختلفة) مقارنة بجينات التنامي التي تختلف بين نوع وآخر.

Ø علم المجينات Genomics:

هو تخصص في علم الوراثة يطبق تقنية الدناDNA المأشوب، وطرائق سلسلة الدنا، والمعلوماتية الحيوية bioinformatics، والتركيب والتحليل لبنية مجينات كائنات مختلفة ووظيفتها.

Ø الاستشارة الوراثية Genetic counselling:

هو تخصص يتضمن عملية تواصلية تشاورية، يزوّد بها خبير في الاضطرابات الوراثية الأفراد المصابين باضطرابات وراثية أو أقرباءهم بمعلومات عن خطورة الاضطراب المدروس وذلك لمساعدتهم على اتخاذ قرارات مستنيرة ومسؤولة فيما يتعلق بالزواج والإنجاب والتشخيص الباكر والإنذار.

Ø علم الوراثة البشري Human genetics:

هو علم الوراثة الذي يختص بالكائنات البشرية حصراً، ويشمل هذا العلم العديد من المجالات الوراثية الأخرى، مثل علم الوراثة المدرسي (الكلاسيكي) وعلم الوراثة الخلوي وعلم الوراثة الجزيئي وعلم وراثة الجماعات وعلم الوراثة الحيوي الكيميائي وعلم الوراثة السريري وعلم الوراثة التطوري وعلم الجينوم والاستشارة الوراثية.

 

Ø علم الوراثة السلوكي Behavioural genetics:

هو حقل من علم الوراثة يدرس دور العوامل الوراثية في أنماط سلوك الحيوانات بما فيها الإنسان.

Ø علم الوراثة البيئي Ecological genetics:

فرع من علم الوراثة يدرس جماعات الكائنات الحية طبيعياً من الناحية الوراثية (ضمن بيئتها الطبيعية، وليس في المختبر أو في ظروف خاصة مضبوطة)، ويدرس أيضاً دور الجينات في تكيفات هذه الجماعات مع التغييرات البيئية المحيطة.

Ø علم الوراثة الميكروبي Microbial genetics:

هو فرع من علم الوراثة يختص بدراسة الجينات والتوريث والتعبير الجيني في الكائنات المجهرية (المكروية)، مثل البكتريا Bacteria والعتائق Archaea والفيروسات Viruses وبعض الأوالي Protozoa والفطورFungi.

Ø علم الأوبئة الجيني Genetic epidemiology:

هو فرع من علم الأوبئة، يهتم بدراسة دور العوامل الجينية وتآثرها مع العوامل البيئية في تحديد الصحة والمرض في العائلات والجماعات. ويعتمد علم الأوبئة الجيني اعتماداً كبيراً على تحاليل إحصائية وكمية في تحديد دور العوامل الجينية في حالة الصحة والمرض في المجتمعات الكبيرة.

Ø علم الوراثة الكمي Quantitative genetics:

هو فرع من علم الوراثة يدرس الصفات المقيسة المتواصلة continual (كالطول والوزن) وآليات توريثها وتعبيرها. يمكن أن يُعَدَّ امتداداً للوراثة المندلية البسيطة من حيث إن التأثيرات المشتركة لجين أو أكثر مع العوامل البيئية (سواء داخل الجسد أم خارجه) تعطي التوزع المتواصل لقيم النمط الظاهري (قيم الصفات المتواصلة).

Ø علم الوراثة الإحصائي Statistical genetics:

يهتم بتطوير الطرائق الإحصائية وتطبيقها في رسم استنتاجات مهمة من بيانات جينية متاحة. تطور هذا الفرع بالتعاون الوطيد بين علماء الوراثة وعلماء البيولوجيا الجزيئية والأطباء السريريين وعلماء المعلوماتية الحيوية. وعلم الوراثة الإحصائي على صلة وثيقة بعلم وراثة الجماعات وعلم الأوبئة الجيني وعلم الوراثة الكمي.

Øالهندسة الجينية Genetic engineering:

مصطلح عام وشامل يغطي كل التقنيات المخبرية والصناعية التي تستخدم لتغيير الآلة الجينية لكائنات حية بحيث تستطيع هذه الكائنات إنتاج محصول متزايد من مركب معين موجود بالأصل في المخزون الحيوي لهذه الكائنات، أو تركيب مركبٍ جديدٍ كلياً غير موجودٍ في مخزونها الحيوي. وغالباً ما تضم الهندسة الجينية تقنيات تتلاعب بالجينات بطرق تتخطى عملية التكاثر الجنسي الطبيعية أو التكاثر اللاجنسي المعروف. يتم في البداية عزل الدنا المرغوب وتضخيمه بوساطة الاستنساخ (التنسيل) الجزيئي molecular cloning، ثم إدخاله في الكائن المضيف (المعدل جينياً)، أو يصطنع الدنا المرغوب بوساطة الـPCR ، مثلاً ثم يتم إدخاله في الكائن المضيف.

 

Øعلم الوراثة الدوائي Pharmacogenetics:

من الملاحظ أن الأفراد المصابين بمرض محدد يبدون استجابات مختلفة للدواء المُعطى نفسه، وهنا يأتي دور علم الوراثة الدوائي الذي يهتم بدراسة اختلاف استجابة الأفراد للأدوية نتيجة اختلافات موروثهم الجيني وتفسيره، أو بكلمة أخرى هو دراسة علاقة الاختلافات الجينية الموروثة بالاستجابة الدوائية لدى أفراد البشر أو حيوانات المختبر.

خاتمة:

لا يقف علم الوراثة عند حد معين فهو علم متجدد ومتطور يتداخل كثيراً مع الفروع والمجالات العلمية والطبية الأخرى ولا سيما تلك التي تهتم بصحة الإنسان وتوفير غذائه ومتطلباته، وما يزال هناك الكثير عن الجينوم ليتم اكتشافه. وما ذُكر هنا هو نبذة مختصرة عن علم الوراثة وأهم فروعه، ويمكن للدارس الرجوع إلى المراجع المختصة للاستزادة.

---

- التصنيف : الأمراض الوراثية - المجلد : المجلد السادس عشر مشاركة :