موضوع مقاله: ناپایداری ژنوم | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # ناپایداری ژنوم | مقدمه: ناپایداری ژنوم (یا ناپایداری ژنتیکی یا بی‌ثباتی ژنومی) به فراوانی بالای جهش‌ها در ژنوم یک دودمان سلولی اشاره دارد. | ## بخش 1: ناپایداری ژنوم | این جهش‌ها می‌توانند شامل تغییراتی در توالی‌های اسید نوکلئیک، بازآرایی‌های کروموزومی یا آنیوپلوئیدی باشند. در ارگانیسم‌های چندسلولی، ناپایداری ژنوم نقش مرکزی در سرطان‌زایی دارد، و در انسان‌ها نیز عاملی در برخی از بیماری‌های زوال عصبی مانند اسکلروز جانبی آمیوتروفیک یا بیماری عصبی-عضلانی دیستروفی میوتونیک است. منبع دیگر ناپایداری ژنوم ممکن است تغییرات اپی‌ژنتیک یا کاهش‌های جهشی در بیان ژن‌های ترمیم‌کننده دی‌ان‌ای باشد. از آنجا که آسیب دی‌ان‌ای بسیار شایع است و به‌طور متوسط بیش از ۶۰٬۰۰۰ بار در روز در ژنوم سلول‌های انسانی رخ می‌دهد، هرگونه کاهش در ترمیم دی‌ان‌ای احتمالاً منبع مهمی برای ناپایداری ژنوم است. وضعیت معمول ژنوم معمولاً، تمام سلول‌های یک فرد در یک گونه معین (گیاه یا جانور) تعداد ثابتی از کروموزوم‌ها را نشان می‌دهند که در مجموع کاریوتیپ تعریف‌کننده آن گونه را تشکیل می‌دهند (همچنین ببینید: فهرست تعداد کروموزوم‌های موجودات مختلف)، اگرچه برخی گونه‌ها تنوع کاریوتیپی بسیار بالایی دارند. در انسان‌ها، جهش‌هایی که یک آمینو اسید را در ناحیه کدکننده پروتئین در ژنوم تغییر دهند، با میانگین تنها ۰٫۳۵ در هر نسل (کمتر از یک پروتئین جهش‌یافته در هر نسل) رخ می‌دهند. گاهی در گونه‌ای با کاریوتیپ باثبات، تغییرات تصادفی که تعداد طبیعی کروموزوم‌ها را تغییر می‌دهند، مشاهده می‌شوند. در موارد دیگر، تغییرات ساختاری (مانند جابه‌جایی‌های کروموزومی، حذف‌ها) وجود دارند که مکمل کروموزومی استاندارد را تغییر می‌دهند. در این موارد گفته می‌شود که ارگانیسم آسیب‌دیده دارای ناپایداری ژنوم (یا ناپایداری ژنتیکی، و حتی ناپایداری کروموزومی) است. فرایند ناپایداری ژنوم اغلب به وضعیتی از آنیوپلوئیدی منجر می‌شود، که در آن سلول‌ها دارای تعداد کروموزومی بالاتر یا پایین‌تر از مکمل طبیعی آن گونه هستند. علل ناپایداری ژنوم نقص‌های همانندسازی دی‌ان‌ای در طول چرخه سلول، دی‌ان‌ای معمولاً در هنگام همانندسازی بیشترین آسیب‌پذیری را دارد. رپلیزوم باید بتواند از موانعی مانند کروماتین محکم پیچ‌خورده با پروتئین‌های متصل، و شکستگی‌های تک‌رشته‌ای و دورشته‌ای که می‌توانند به توقف چنگال همانندسازی منجر شوند، عبور کند. هر پروتئین یا آنزیم در رپلیزوم باید عملکرد خود را به خوبی انجام دهد تا یک کپی بی‌نقص از دی‌ان‌ای حاصل شود. جهش در پروتئین‌هایی مانند دی‌ان‌ای پلیمراز یا دی‌ان‌ای لیگاز می‌تواند به اختلال در همانندسازی و تبادلات کروموزومی خودبه‌خودی منجر شود. | ## بخش 2: ناپایداری ژنوم | پروتئین‌هایی مانند Tel1 و Mec1 (در انسان ATM و ATR) می‌توانند شکستگی‌های تک‌رشته‌ای و دورشته‌ای را تشخیص داده و عواملی مانند هلیکاز Rmr3 را برای تثبیت چنگال همانندسازی به منظور جلوگیری از فروپاشی آن فراخوانی کنند. ATR به‌طور خاص به چنگال‌های همانندسازی متوقف‌شده و شکستگی‌های تک‌رشته‌ای ناشی از آسیب پرتو فرابنفش (UV) پاسخ می‌دهد، در حالی که ATM مستقیماً به شکستگی‌های دورشته‌ای پاسخ می‌دهد. این پروتئین‌ها همچنین با مهار فعال‌شدن مبدأهای همانندسازی دیرهنگام، از پیشروی به مرحله میتوز جلوگیری می‌کنند تا زمانی که شکستگی‌های دی‌ان‌ای از طریق فسفریله کردن CHK1 و CHK2 ترمیم شوند؛ که این امر منجر به یک آبشار سیگنال‌دهی برای توقف سلول در فاز اس می‌شود. در مورد شکستگی‌های تک‌رشته‌ای، همانندسازی تا محل شکستگی انجام می‌شود، سپس رشته دیگر برش داده می‌شود تا یک شکستگی دورشته‌ای ایجاد شود که می‌تواند توسط «همانندسازی ناشی از شکستگی» یا نوترکیبی همولوگ با استفاده از کروماتید خواهر به عنوان یک الگوِ بدون خطا، ترمیم شود. علاوه بر نقاط وارسی فاز S، نقاط وارسی G1 و G2 برای بررسی آسیب‌های گذرا در دی‌ان‌ای که ممکن است توسط جهش‌زاهایی مانند آسیب UV ایجاد شده باشند، وجود دارند. یک مثال ژن rad9 در مخمر ساکارومایسس پومبه است که در حضور آسیب دی‌ان‌ای ناشی از پرتو، سلول‌ها را در اواخر فاز S/G2 متوقف می‌کند. سلول‌های مخمری دارای rad9 معیوب پس از پرتودهی نتوانستند متوقف شوند، به تقسیم سلولی ادامه دادند و به سرعت مردند؛ در حالی که سلول‌های دارای rad9 از نوع وحشی (سالم) با موفقیت در اواخر فاز S/G2 متوقف شده و زنده ماندند. سلول‌هایی که متوقف شدند توانستند به دلیل افزایش زمان در فاز S/G2 که به آنزیم‌های ترمیم دی‌ان‌ای اجازه عملکرد کامل می‌داد، زنده بمانند. جایگاه‌های شکننده نقاط داغی در ژنوم وجود دارند که در آن‌ها توالی‌های دی‌ان‌ای مستعد ایجاد شکاف و شکستگی پس از مهار سنتز دی‌ان‌ای هستند، مانند توقف در نقطه وارسی که پیش‌تر ذکر شد. این جایگاه‌ها، جایگاه‌های شکننده نامیده می‌شوند و می‌توانند به صورت رایج و طبیعی در ژنوم بیشتر پستانداران وجود داشته باشند، یا به ندرت و در نتیجه جهش‌هایی مانند گسترش تکرارهای دی‌ان‌ای رخ دهند. جایگاه‌های شکننده نادر می‌توانند منجر به بیماری‌های ژنتیکی مانند سندرم ناتوانی ذهنی ایکس شکننده، دیستروفی میوتونیک، آتاکسی فریدریش و بیماری هانتینگتون شوند، که اکثر آن‌ها به دلیل گسترش تکرارها در سطح دی‌ان‌ای، آران‌ای یا پروتئین ایجاد می‌شوند. اگرچه این جایگاه‌های شکننده رایج به ظاهر مضر هستند، اما از مخمرها گرفته تا باکتری‌ها به‌طور تکاملی حفظ شده‌اند. این تکرارهای سه‌نوکلئوتیدی می‌توانند ساختارهای سنجاق‌سری (hairpins) تشکیل دهند که به دشواری در همانندسازی منجر می‌شود. تحت استرس همانندسازی، مانند ماشین‌آلات سلولی معیوب یا آسیب بیشتر به دی‌ان‌ای، شکستگی‌ها و شکاف‌های دی‌ان‌ای ممکن است در این جایگاه‌های شکننده شکل بگیرند. | ## بخش 3: ناپایداری ژنوم | ناپایداری مرتبط با رونویسی در هر دو ارگانیسم اشریشیا کلی و ساکارومایسس پومبه، مکان‌های رونویسی معمولاً دارای نرخ‌های بالاتری از نوترکیبی و جهش هستند. رشته کدگذار یا رشته رونویسی‌نشده، جهش‌های بیشتری نسبت به رشته الگو جمع‌آوری می‌کند. این امر به دلیل تک‌رشته‌ای بودن رشته کدگذار در طول رونویسی است که از نظر شیمیایی ناپایدارتر از دی‌ان‌ای دورشته‌ای است. در طول مرحله طویل‌شدن در رونویسی، ابرپیچیدگی می‌تواند در پشت کمپلکس در حال پیشرویِ آران‌ای پلیمراز رخ دهد که به شکستگی‌های تک‌رشته‌ای می‌انجامد. زمانی که رشته کدگذار تک‌رشته‌ای است، می‌تواند با خود هیبرید شود و ساختارهای ثانویه دی‌ان‌ای ایجاد کند که می‌توانند همانندسازی را مختل کنند. در اشریشیا کلی، هنگام تلاش برای رونویسی از تریپلت‌های GAA، مانند آنچه در آتاکسی فریدریش یافت می‌شود، آران‌ایِ حاصل و رشته الگو می‌توانند حلقه‌های ناجوری (mismatched loops) بین تکرارهای مختلف تشکیل دهند و بخش مکمل را در رشته کدگذار برای تشکیل حلقه‌های خود که مانع از همانندسازی می‌شود، در دسترس بگذارند. علاوه بر این، همانندسازی و رونویسی از دی‌ان‌ای به لحاظ زمانی مستقل از هم نیستند؛ آن‌ها می‌توانند به‌طور همزمان رخ دهند و به برخوردهایی بین چنگال همانندسازی و کمپلکس آران‌ای پلیمراز منجر شوند. در ساکارومایسس سرویزیه، هلیکاز RRM3 در ژن‌های با رونویسی بالا در ژنوم مخمر یافت می‌شود، که همان‌طور که در بالا توضیح داده شد، برای تثبیت یک چنگال همانندسازی متوقف‌شده فراخوانده می‌شود. این نشان می‌دهد که رونویسی مانعی برای همانندسازی است، که می‌تواند باعث افزایش استرس در کروماتینی شود که فاصله کوتاه بین چنگال همانندسازی بازشده و نقطه شروع رونویسی را پوشش می‌دهد، و به‌طور بالقوه باعث شکستگی‌های دی‌ان‌ای تک‌رشته‌ای می‌شود. در مخمرها، پروتئین‌ها به عنوان موانعی در انتهای '۳ واحد رونویسی عمل می‌کنند تا از پیشروی بیشتر چنگال همانندسازی دی‌ان‌ای جلوگیری کنند. در طول تکامل سلول B، یک قطعه مشخص از V, D و J انتخاب می‌شود تا به هم متصل شده و ژن نهایی را تشکیل دهند که این فرایند توسط ریکامبینازهای RAG1 و RAG2 کاتالیز می‌شود. سپس سیتیدین دآمیناز ناشی از فعال‌سازی (AID)، سیتیدین را به اوراسیل تبدیل می‌کند. اوراسیل معمولاً در دی‌ان‌ای وجود ندارد، بنابراین این باز حذف شده و بریدگی به یک شکستگی دورشته‌ای تبدیل می‌شود که توسط فرایند اتصال انتهای غیرهمولوگ (NHEJ) ترمیم می‌گردد. این ناپایداری ژنومی برای اطمینان از بقای پستانداران در برابر عفونت بسیار مهم است. | ## جمع‌بندی | نوترکیبی V(D)J می‌تواند میلیون‌ها گیرنده منحصربه‌فرد برای سلول B تضمین کند؛ با این حال، ترمیم تصادفی توسط NHEJ تنوعی را ایجاد می‌کند که می‌تواند گیرنده‌ای بسازد که با میل ترکیبی بالاتری به آنتی‌ژن‌ها متصل شود.