الطفرة النقطية المقبولة

الطفرة النقطية المقبولة والمعروفة أيضًا باسم PAMهي تلك الطفرة التي يستبدل فيها حمض أميني واحد في التركيب الأساسي للبروتين بحمض أميني آخر، وهو ما يعد أمر مقبول خلال عمليات الاصطفاء الطبيعي. ولا يشمل هذا التعريف جميع أنواع الطفرات النقطية (Point mutations) في الحمض النووي للكائن الحي؛ حيث لا تعد الطفرات الصامتة أو الطفرات المميتة أو غيرها من الطفرات المرفوضة بواسطة الاصطفاء الطبيعي،من أنواع PAM.
هذا ويمثل كل عامود و صف في مصفوفة  PAMاحد الأحماض الأمينية العشرين الأساسية. ولهذا تستخدم مصفوفات PAM، في المعلوماتية الحيوية، بانتظام كمصفوفات بديلة لتسجيل مدى انتظام تسلسل البروتينات. ويشير كل إدخال في مصفوفة PAM إلى احتمال استبدال الحمض الأميني في ذلك الصف بالحمض الأميني في ذلك العمود من خلال سلسلة واحدة أو أكثر من PAMخلال فترة تطور محددة ، بدلاً من افتراض تراص هذين الحمضين الأمينين من باب الصدفة. بالإضافةإلى ذلك فأن مصفوفات PAM المختلفة تتوافق مع أطوال زمنية مختلفة في تطور تسلسل البروتين.

الخلفية البيولوجية

توجد التعليمات الوراثية لكل خلية مكررة في الكائن الحي، في الحمض النووي الخاص فيه [1]. تنسخ هذه المعلومات وتكرر، طيلة فترة حياة الخلية، بواسطة الآليات الخلوية لإنتاج البروتينات أو لتوفير إرشادات للخلايا الابنة أثناء انقسام الخلايا، وهنا يتواجد احتمال تغيير الحمض النووي خلال هذه العمليات [1] [2] والذي يؤدي إلى ما يعرف بالطفرة. أما على المستوى الجزيئي ،فهناك أنظمة تنظيمية تصحح معظم - و ليس كل - هذه التغييرات على الحمض النووي قبل تكرارها[2] [3].
أحد الطفرات المحتملة التي يمكن أن تحدث هو استبدال نيوكلوتيدة واحدة أو زوج منها مما يؤدي إلى ما يعرف باسم الطفرة النقطية. وإذا ما حدثت الطفرة النقطية داخل الإكسون، فأن ذلك سيؤدي إلى تغيير الكودون الذي يحدد حمض أميني معين في البروتين الذي تنتجه تلك الجينة. وعلى الرغم من التكرار في الكود الوراثي، فأن هناك احتمال أن هذا الطفرة سوف تغير الأحماض الأمينية التي يتم إنتاجها أثناء عملية التشفير، ونتيجة لذلك سيتم تغيير بنية البروتين. 
تعتمد وظيفة البروتين بشكل كبير على تركيبته [4] وقد يؤدي تغيير حمض أميني واحد في أحد البروتينات إلى التقليل من قدرته على تنفيذ هذه الوظيفة، أوقد يغير الوظيفة التي يؤديها البروتين [2]. مثل هذه التغييرات قد تؤثر بشدة على وظيفة حساسة في الخلية، مما قد يؤدي إلى موت الخلية أو حتى موت الكائن الحي في الحالات القصوى [5].من جهة أخرى ، فإن هذا التغيير قد يسمح للخلية بمواصلة عملها وإن كان بشكل مختلف. علاوة على ذلك، يمكن أن تنتقل الطفرة إلى نسل الكائن الحي وفي حال عدم تسبب هذا التغيير بأي ضرر جسدي كبير للنسل ، فاحتمالية استمرار هذه الطفرة في أوساط السكان كبيرة. ولا يمكن أن نغفل عن احتمالية أن يكون هذا التغييرفي الوظيفة مفيدًا. في كلتا الحالتين، فأن الطفرة النقطية قد قبلت في المجموعة الوراثية أثناء تعرضها لعمليات الاصطفاء الطبيعي. 
على الرغم من تباين الأحماض الأمينية العشرين المشفرة بواسطة الشفرة الوراثية تباينًا كبيرًا وفقاًللخصائص الفيزيائية والكيميائية لسلاسلها الجانبية [4] إلا أنه يمكن تصنيف هذه الأحماض الأمينية إلى مجموعات ذات خصائص فيزيائية كيميائية متماثلة [4]. ومن المرجح أن يكون لاستبدال حمض أميني بحمض آخر من نفس الفئة تأثير أصغر على بنية البروتين ووظيفته من ما لو استبدل بحمض أميني من فئة مختلفة. وبالتالي ، يعتمد قبول الطفرات النقطية اعتمادًا كبيرًا على الحمض الأميني الذي يتم استبداله في الطفرة وعلى بديل ذلك الحمض الأميني. هذا وتعد مصفوفات PAM أداة رياضية تراعي معدلات القبول المتفاوتة هذه عند تقييم تشابه البروتينات أثناء ترتيبها.

المصطلح

استخدم مصطلح الطفرة النقطية المقبولة (accepted point mutation) في البداية لوصف ظاهرة الطفرة، وفضل استخدام الاختصارPAM للتعبير عنه بدلاً من APM لأسباب تتعلق بمدى سهولة قراءته، لذلك يستعاض عن التسمية الأولى للمصطلح غالباً ب (point accepted mutation) [6].نظرًا لأن القيمة n في مصفوفة  PAMₙتمثل عدد الطفرات لكل 100 من الأحماض الأمينية، وبالتالي يمكن تسميتها بالنسبة المئوية للطفرات. نتيجة لذلك يمكن ملاحظة استخدام مصطلح النسبة المئوية للطفرة المقبولة أحيانًا 
من المهم التمييز بين الطفرات النقطية المقبولة (PAMs) ومصفوفات الطفرة النقطية المقبولة (مصفوفاتPAM) ومصفوفة  PAMₙ. حيث يشير مصطلح "الطفرة النقطية  المقبولة" إلى حدث الطفرة نفسه. و يشير مصطلح "مصفوفةPAM " إلى مجموعة من المصفوفات التي تحتوي على درجات تمثل احتمالية محاذاة اثنين من الأحماض الأمينية بسبب سلسلة من أحداث الطفرة وليس بسبب الصدفة العشوائية. في حين أن  "مصفوفةPAMₙ " هي مصفوفة PAM تتوافق وإطار زمني طويل بما يكفي لإحداث عدد (n)من الطفرات لكل 100 من الأحماض الأمينية.

بناء مصفوفات PAM

أول من قدم فكرة مصفوفات PAMهي مارجريت دايهوف Margare Dayhoff  في عام 1978 [7]. واستند حساب هذه المصفوفات إلى 1572 طفرة ملحوظة في أشجار تطور السلالات، أخذت من 71 عائلة من البروتينات وثيقة الصلة. وتم اختيار البروتينات المراد دراستها بناءاً على وجود تشابه كبير مع سابقاتها. وكانت محاذاة البروتين مطلوبة لعرض تطابق ما لا يقل عن 85 ٪ [6] [8]. نتيجةً لذلك، من المنطقي افتراض أن عدم تطابق أي محاذاة هو نتيجة لحدث طفرة واحدة، بدلاً من افترض حدوثه نتيجة للعديد من الطفرات في نفس الموقع. 
تحتوي كل مصفوفة من مصفوفات  PAMعلى عشرين صفًا وعشرين عمودًا–  كل منها  تمثل الأحماض الأمينية العشرين المشفرة بواسطة الشفرة الوراثية. ترتبط القيمة في كل خلية من مصفوفة PAM باحتمال وجود صف من الحمض الأميني قبل محاذاة الطفرة مع عمود من الأحماض الأمينية بعد الطفرة [6] [7] [8].يمكن أن نستنتج من هذا التعريف بأن مصفوفاتPAM هي مثالاً لمصفوفة الاستبدال.

جميع البيانات من اشجار تطور السلالات

سجل لكل فرع من فروع أشجار تطور السلالات لعائلات البروتين عدد من حالات عدم التطابق التي تمت ملاحظتها بالإضافة إلى تسجيل الحمضين الأمينيين المعنيين بذلك [7]. واستخدمت هذه التعدادات كإدخالات أسفل القطر الرئيسي للمصفوفة A. ونظرًا لأن الغالبية العظمى من عينات البروتين تأتي من كائنات حية اليوم، فأنه من الصعب تحديد "اتجاه"  الطفرة. أي أن الحمض الأميني الموجود قبل الطفرة لايمكن تمييزه عن الحمض الأميني الذي حل محله بعد الطفرة. لهذا السبب، يفترض أن المصفوفة A متناظرة، ويتم حساب إدخالات A أعلى القطر الرئيس على هذا الأساس. الإدخالات على طول قطري A لا تتوافق مع الطفرات ويمكن تركها بدون تعبئة. 
بالإضافة إلى هذه الإحصائيات، تم الحصول على بيانات حول قابلية التحول وتواتر الأحماض الأمينية[6] [7]. حيث أن قابلية تحول الأحماض الأمينية هي نسبة عدد الطفرات التي تشارك فيها وعدد مرات حدوثها في المحاذاة. [7] وتقيس قابلية التحول مدى احتمال تحول الحمض الأميني إلى طفرة. ووجد أن الأسباراجين، وهو حمض أميني ذي سلسلة جانبية قطبية صغيرة، ليكون أكثر الأحماض قابلية للتحول من بين الأحماض الأمينية. [7] في حين أن كل من السيستين و التريبتوفان هما الأقل قابلية للتحول من بين الأحماض الأمينية. [7] حيث تحتوي السلاسل الجانبية للسيستين و التريبتوفان على هياكل أقل شيوعًا؛ فتحتوي السلسلة الجانبية لسيستين على الكبريت الذي يشارك في روابط ثاني كبريتيد مع جزيئات السيستين الأخرى، أما التريبتوفان فيحتوي على أكبر سلسلة جانبية عطرية بين الأحماض الأمينية. [4] نظرًا لوجود العديد من الأحماض الأمينية القطبية الصغيرة، فإن هذه الحالات المتطرفة تشير إلى أن الأحماض الأمينية أكثر عرضة للطفرة إذا كانت خواصها الفيزيائية والكيميائية أكثر شيوعًا بين الأحماض الأمينية البديلة. [6] [8]

مثال - PAM250

PAM 250 هي مصفوفة تسجيل شائعة الاستخدام لمقارنة التسلسل، وفيها يجب حساب النصف السفلي فقط من المصفوفة.  حيث إنه من خلال بنائها ، يجب أن تكون مصفوفات PAM متماثلة. يظهر كل من الأحماض الأمينية العشرين أسفل الجزء العلوي من المصفوفة وجانبها ، مع 3 أحماض أمينيه غامضة إضافية. تظهر الأحماض الأمينية في الغالب مدرجة في قائمة أبجدية أو مدرجة في مجموعات. هذه المجموعات هي الخصائص المشتركة بين الأحماض الأمينية. [7]

الاستخدام في الBLAST

يتم أيضًا استخدام مصفوفات PAM كمصفوفة تسجيل عند مقارنة تسلسل الحمض النووي أو تسلسل البروتين للحكم على جودة المحاذاة. يتم استخدام هذا النوع من نظام التسجيل من خلال مجموعة واسعة من برامج المحاذاة بما في ذلك BLAST .

مقارنة بين PAM و BLOSUM

بالإضافة إلى مصفوفات PAM ، يمكن استخدام مصفوفة تسجيل أخرى تم تطويرها مؤخرًا والتي تعرف باسم BLOSUM. ينتج الاثنان نفس نتيجة التسجيل ، لكنهما يستخدمان منهجيات مختلفة. في حين تنظر BLOSUM مباشرةً إلى الطفرات في أشكال التسلسلات ذات الصلة، تقوم PAM باستقراء المعلومات التطورية استنادًا إلى متواليات وثيقة الصلة. [16] 
ونظرًا لأن كلاً من PAM و BLOSUM هما طريقتان مختلفتان لإظهار معلومات التسجيل نفسها ، فيمكن مقارنة الاثنين ولكن وبسبب الطريقة المختلفة جدًا للحصول على هذه النتيجة ، فإن PAM100 لا تساوي BLOSUM100  . [17]