“`html
دی ان ای (DNA) چیست ؟
دی ان ای (دئوکسی ریبونوکلئیک اسید(DNA) یک نوع اسید نوکلئیک است که حاوی دستورالعملهای ژنتیکی برای رشد و کارکرد موجودات زنده و ویروسها میباشد. وظیفه اصلی مولکول DNA ذخیرهسازی اطلاعات ژنتیکی برای مدت طولانی است. این اطلاعات در نهایت برای مواردی چون ساخت پروتئینها و مولکولهای RNA در سلول استفاده میشود.
قسمتهایی از DNA که اطلاعات ژنتیکی را حمل میکنند، ژن نامیده میشوند. اما DNA همچنین دارای توالیهای دیگری است که به ساخت خود DNA یا تنظیم استفاده از اطلاعات ژنتیکی در ژن کمک میکند. از نظر شیمیایی، DNA از دو رشته بلند و متصل به هم تشکیل شده است که از واحدهای نوکلئوتید ساخته شدهاند، این واحدها شامل ستونهایی از گروههای قند و فسفات هستند که با یکدیگر پیوند دارند. این دو رشته DNA به صورت موازی در کنار هم قرار دارند.
مولکولهای قند از طریق چهار نوع باز آلی به یکدیگر متصل هستند. ترتیب این چهار باز آلی کد ژنتیکی را ایجاد میکند که برای ساخت آمینو اسیدها که سازندههای پروتئین هستند، استفاده میشود. این کد توسط مولکول RNA در مرحلهای به نام ترجمه خوانده میشود تا آمینو اسیدها ساخته شوند. DNA در داخل سلول به شکل ساختارهایی به نام کروموزوم وجود دارد. در زمان تقسیم سلولی، دو نسخه از هر کروموزوم تولید میشود که این فرآیند نسخهبرداری DNA نامیده میشود.
در موجودات یوکاریوت (مانند جانوران، گیاهان، قارچها و آغازیان)، کروموزومها در هسته سلول قرار دارند، در حالی که در پروکاریوتها (مانند باکتریها و آرکیها)، کروموزومها در سیتوپلاسم سلول قرار دارند و مکان مشخصی ندارند. در داخل کروموزومها، پروتئینهای کروماتینی (که واحد سازنده DNA هستند) مانند هیستون وجود دارد که مسئول فشردهسازی DNA میباشند. این فشردهسازی به تعامل DNA و سایر پروتئینها در مرحله رونویسی کمک میکند.
دی ان ای یک پلیمر است که از رشتههای تکرار شوندهای ساخته شده است که از واحدهای نوکلئوتید تشکیل شدهاند. طول این رشتهها معمولا بین ۲۲ تا ۲۶ آنگستروم (۲٫۲ تا ۲٫۶ نانومتر) و عرض آن حدود ۰٫۳۳ نانومتر است. با اینکه هر واحد تکرار شونده بسیار کوچک است، اما رشتههای پلیمری DNA ممکن است از میلیونها نوکلئوتید تشکیل شده باشند. برای مثال، بزرگترین کروموزوم انسان (کروموزوم شماره یک) حدود ۲۲۰ میلیون باز آلی مکمل دارد. دو رشته سازنده DNA به شکل مارپیچی و درهم پیچیدهاند. یک باز آلی متصل به قند نوکلوئوزید نامیده میشود و اگر نوکلوئوزید از طریق باز خود به گروه فسفات متصل شود، نوکلئوتید تشکیل میشود. چندین نوکلئوتید که با هم پیوند خورده باشند، به آن پلی نوکلئوتید گفته میشود.
رشتههای DNA از واحدهایی متشکل از قند و گروه فسفات تشکیل شدهاند که به صورت متناوب و تکراری در طول رشته قرار گرفتهاند. قند مورد استفاده در DNA دئوکسی ریبوز (نوعی قند پنج کربنی) است. این قندها به وسیله گروههای فسفری به یکدیگر متصل شدهاند.
آزمایش DNA چگونه انجام میشود؟
شاید بخواهید بدانید که محققان آزمایش DNA را چگونه انجام میدهند. در این آزمایش، قطعات خاصی از کدهای ژنتیکی که از سلولهای بدن فرد مورد آزمایش به دست آمده بررسی میشود.
این ماده در تمام سلولهای بدن شما وجود دارد. یکی از سادهترین و بیخطرترین راهها برای دستیابی به سلولها برای آزمایش DNA این است که از یک گوش پاککن برای جمعآوری سلولهای داخلی دهان استفاده کنید. سپس در آزمایشگاه، DNA از این سلولها جدا شده و قسمتهای خاصی از آن مورد بررسی قرار میگیرد. این بخشهای خاص به …
“““html
آنها میتوانند ارتباطات فامیلی و خانوادگی بین افراد را نشان دهند و همچنین در شناسایی هویت فرد مؤثر باشند.
بدن انسان از میلیونها سلول ساخته شده است. همه این سلولها به جز گلبولهای قرمز، هستهای دارند که تمام اطلاعات ژنتیکی فرد در آن ذخیره شده است.
چه چیزهایی برای انجام آزمایش DNA لازم است؟
کوتاهترین زمان برای انجام آزمایش مولکولی DNA حدود 36 ساعت است، اما بستگی به تعداد و کیفیت نمونهها دارد و ممکن است تا سه هفته نیز طول بکشد. هر چیزی که حاوی سلولهایی از یک موجود زنده باشد، مانند تار موی فرد، قطرهای از خون، تکهای کوچک از پوست یا حتی نوشیدنی باقیمانده در لیوان، میتواند بهعنوان نمونه استفاده شود.
روشهای نوین آزمایشات مولکولی
اثر انگشت DNA جدیدترین و پیشرفتهترین تکنیک برای آزمایش اختلالات ژنتیکی است که شامل بررسی مستقیم مولکول DNA میشود. دیگر آزمایشهای بیماریهای ژنتیکی شامل تستهای بیوشیمیایی برای بررسی عملکرد آنزیمها و پروتئینهایی است که چنین ژنهایی تولید میکنند و همچنین آزمایشهای میکروسکوپی برای رنگآمیزی یا فلورسانس کروموزومها است.
آزمایشات ژنتیکی به دلایل مختلف انجام میشوند، از جمله:
- تشخیصهای ژنتیکی پیش از لانهگزینی نطفه
- آزمایشهای تشخیصی پیش از تولد
- غربالگری نوزادان
- آزمایش پیش نشانهها برای پیشگویی اختلالاتی که در بزرگسالی بروز میکنند، مانند بیماری هانتینگتون
- آزمایش پیش نشانهها برای ارزیابی خطر ابتلا به سرطان و بیماری آلزایمر
آزمایشی قابل اطمینان
جواب آزمایشات DNA اگر به طور کامل انجام شوند، به طور قطع و 100 درصد قابل استناد هستند و احتمال ایجاد شباهت تصادفی یک در 40 میلیون است.
این آزمایش در دوران بارداری با نمونهبرداری از مایع آمنیوتیک اطراف جنین که شامل سلولهای بدن جنین است، انجام میشود. این آزمایش علاوه بر شناسایی هویت، میتواند از به دنیا آمدن نوزاد مبتلا به بیماریهای ژنتیکی خطرناک جلوگیری کند.
امروزه این آزمایش برای بسیاری از افراد خبرهای خوبی بههمراه داشته و برای برخی دیگر خبرهای بدی داشته است. اما دانشمندان با استفاده از این نوع آزمایش، بسیاری از فرزندان را با والدین خود مرتبط کردهاند و ارتباطات خانوادگی جدیدی را کشف کردهاند. در کشور ما یکی از مهمترین کاربردهای این آزمایشات، شناسایی شهدای گمنام بوده و امروز نیز خانوادهها منتظر شناسایی شهدای حادثه تروریستی عراق هستند.
چه کسی DNA را کشف کرد؟
بیایید برایتان داستان کشف DNA را تعریف کنیم.
DNA یکی از مولکولهایی است که در گروه اسیدهای نوکلئیک قرار میگیرد. اسیدهای نوکلئیک برای اولین بار در سال 1868 میلادی توسط فردریش میشر، زیستشناس سوئیسی کشف شدند. اگرچه میشر به وجود اطلاعات ژنتیکی در اسیدهای نوکلئیک شک داشت، اما نتوانست این را تأیید کند.
در سال 1943، اسوالد ایوری و همکارانش در دانشگاه راکفلر به این نتیجه رسیدند که DNA گرفتهشده از باکتری استرپتوکوکوس نومونیا میتواند سلولهای سالم باکتریایی را آلوده کند. این یافته نشان میداد که DNA، همان مولکولی است که حاوی اطلاعات سلولها است.
نقش اطلاعاتی DNA بعدها در سال 1952 توسط آلفرد هرشی و مارتا چیس تأیید شد. این دو دانشمند با استفاده از باکتریوفاژها (ویروسهایی که از باکتریها به عنوان سلول میزبان استفاده میکنند) اثبات کردند که DNA نقش اصلی را دارد و نه پروتئینها. اگرچه دانشمندان سالها قبل به این مسئله پی برده بودند، اما هیچکس نمیدانست که این اطلاعات چگونه کدگذاری شدهاند و چه عملکردی دارند.
در سال 1953، جیمز واتسون
“`
و فرانسیس کریک، ساختار DNA را در دانشگاه کمبریج کشف کردند. داستان این کشف در کتابی به نام «مارپیچ دوگانه» که توسط جیمز واتسون نوشته شده است، توضیح داده شده و بعداً فیلمی نیز با عنوان “The Race for Double Helix” ساخته شد.
واتسون و کریک برای کشف DNA از تکنیک مدل سازی مولکولی و همچنین اطلاعات دیگر دانشمندان مانند ماوریس ویلکینز، رزالیند فرانکلین، اروین چارگف و لینوس پائولینگ استفاده کردند. شما میتوانید داستان کشف DNA و نقش مهم فرانکلین را در مقالهای به نام «نگاهی به زندگی رزالیند فرانکلین، دانشمندی که جهان را تغییر داد اما هیچگاه شناخته نشد» بخوانید. واتسون، کریک و ویلکینز به دلیل کشف DNA، موفق به دریافت جایزه نوبل پزشکی آن سال شدند.
ساختار دی ان ای (DNA)
DNA، یکی از انواع اسیدهای نوکلئیک است (نوع دیگر آن RNA یا ریبونوکلئیک اسید میباشد). DNA در هسته تمامی سلولهای بدن ما وجود دارد و اطلاعاتی که در این مولکول وجود دارد:
به سلول کمک میکند تا پروتئینهایی بسازد که رفتارهای بیولوژیکی ما را تعیین میکنند و این اطلاعات از نسلی به نسل دیگر منتقل میشود.
بر اساس این ادعا که واتسون و کریک مطرح کردند، کلید عملکرد تمامی رفتارهای سلولی در DNA قرار دارد. اگرچه ممکن است به نظر پیچیده بیاید، اما تمام اطلاعات بدن ما از توالیهای تکرارشوندهی ۴ مولکول کوچک به نام نوکلئوتیدها تشکیل شده است.
تصور کنید که یک ساختمان بزرگ فقط از ۴ نوع مصالح ساخته شده باشد یا یک زبان پیچیده که فقط چهار حرف دارد. DNA یک زنجیره بلند و دراز از این حروف و بلوکهای کوچک است.
هر نوکلئید از یک قند (به نام دئوکسی ریبوز)، یک گروه فسفات و یک باز نیتروژنی تشکیل شده است.
این بازهای نیتروژنی به دو گروه تقسیم میشوند: پورینی (با دو حلقه) و پیریمیدینی (با یک حلقه) که شامل موارد زیر هستند:
- آدنین (Adenin) – یک باز پورینی
- سیتوزین (Cytosine) – یک باز پیریمیدینی
- گوانین (Guanine) – یک باز پورینی
- تیمین (Thymine) – یک باز پیریمیدینی
واتسون و کریک متوجه شدند که DNA به دو رشته تقسیم میشود. این دو رشته در کنار یکدیگر قرار میگیرند و دور هم میپیچند. نوکلئیدها در بین این دو رشته قرار دارند و به این شکل، ساختاری شبیه نردبان پیدا میکند که به نام دابل هلیکس یا مارپیچ دوگانه شناخته میشود.
قسمت نردبانی مولکول از قسمت قند-فسفات نوکلئیدهای مجاور تشکیل شده و آنها به یکدیگر پیوستهاند. پیوند فسفات یک نوکلئید با قند نوکلئید بعدی به شکل کووالان است (در این نوع پیوند، یک یا دو جفت الکترون بین دو اتم به اشتراک گذاشته میشود). پیوندهای هیدروژنی بین فسفاتها سبب پیچش نوارهای DNA میشود.
پایههای نیتروژنی به عنوان پلکانی برای این نردبان دو به دو به هم متصل میشوند. هر دو نوکلئید (یک پورین و یک پیریمیدین) با پیوند هیدروژنی رو به روی یکدیگر قرار میگیرند و واحدهای DNA را تشکیل میدهند. در دئوکسی ریبونوکلئیک اسیدها، به هیچ وجه اشتباهی وجود ندارد، آدنین همیشه در برابر تیمین (A-T) و سیتوزین همیشه در برابر گوانین (C-G) قرار میگیرد.
پیوند هیدروژنی
پیوند هیدروژنی نوعی پیوند ضعیف در علم شیمی است که بین اتمهای هیدروژن یک مولکول و اتمهای الکترونگاتیو در مولکولهای دیگر مانند اکسیژن، نیتروژن و فلوئور ایجاد میشود. این پیوند ممکن است حتی بین اتمهای یک مولکول واحد هم اتفاق بیفتد.
برخلاف پیوندهای یونی و کووالان، در پیوند هیدروژنی هیچگونه اشتراک الکترونی وجود ندارد. این پیوند مانند نیروی مغناطیسی در آهن ربا عمل میکند و جاذبهای ضعیف را بین دو اتم به وجود میآورد. پیوندهای هیدروژنی به راحتی در فواصل نزدیک شکل میگیرند و به آسانی از بین میروند، اما میتوانند در ساختار مولکولی نقش مهمی ایفا کنند.
جای گیری DNA درون سلول
DNA یک مولکول بسیار بلند است. برای درک اندازه آن، تصور کنید یک باکتری معمولی مانند اشرشیا coli، دارای DNA ای است که از ۳۰۰۰ ژن تشکیل شده. هر ژن بخشی از DNA است که یک پروتئین خاص را کدگذاری میکند و سلول میتواند با ترجمه آن، پروتئین بسازد.
اگر این DNA را بکشیم، طولش به یک میلیمتر میرسد، در حالی که یک اشرشیا coli فقط ۳ میکرون (یعنی ۳ هزارم میلیمتر) طول دارد. بنابراین DNA به شدت پیچ و تاب خورده و به شکل یک کروموزوم سردرگم در آمده است تا در سلول جا بگیرد.
موجودات پیشرفتهتر مثل حیوانات و گیاهان، بین ۵۰ تا ۱۰۰ هزار ژن روی هر کروموزوم دارند (انسان ۴۶ کروموزوم دارد). در سلولهای این موجودات، DNA به دور پروتئینهای کروی به نام هیستون پیچیده شدهاند. هیستونها هم به سختی در هم پیچیده شدهاند تا کروموزومها درون هسته قرار بگیرند. وقتی سلول تقسیم میشود، کروموزومها (DNA) باز شده و از روی هر دو رشته آن یک مولکول جدید تولید میشود.
سلولهای غیر جنسی دو کپی از هر کروموزوم که قرار است کپی شوند دارند و در فرآیند میتوز، هر سلول جدیدی که از سلول مادر ایجاد میشود، دو کپی جدید و مشابه دریافت میکند.
اما در تقسیم میوز، ماده ژنتیکی به طور کامل به دو سلول دیگر داده نمیشود، بلکه تقسیم میشود و هر نیمه آن به یکی از ۴ سلول جدید میرسد.
سلولهای جنسی (اسپرم در مردان و تخمک در زنان) فقط یک کپی از کروموزومها را دارند و وقتی عمل جنسی انجام میشود و اسپرم و تخمک با هم ترکیب میشوند، یک ورژن ناقص کروموزوم از پدر با ورژن ناقص دیگر از مادر ادغام میشود و DNA جدیدی ایجاد میکند.
همانند سازی DNA
DNA حاوی اطلاعاتی است که برای ساخت تمام پروتئینهای لازم برای سلولها ضروری است و این پروتئینها به همراه هم، موجود زنده را تشکیل میدهند. قبل از اینکه یک سلول بتواند تقسیم شود، این اطلاعات باید به درستی منتقل شود تا سلول مادر و دختر یکسان باقی بمانند.
قبل از اینکه یک سلول تقسیم شود، روند ساخت کپی از DNA باید انجام شود.
“““html
DNA آن آماده شود.
محل انجام همانندسازی DNA بسته به نوع سلول، یعنی یوکاریوت (سلول با هسته) یا پروکاریوت (سلول بدون هسته) متفاوت است. در پروکاریوتها، این فرآیند در سیتوپلاسم و در یوکاریوتها در هسته انجام میشود. با اینکه مکان انجام این فرآیند متفاوت است، بقیه مراحل آن در هر دو نوع سلول یکسان است.
ساختمان DNA به گونهای است که آنزیمها و پروتئینهای لازم برای همانندسازی به راحتی میتوانند به آن متصل شوند و فرآیند را شروع کنند. هر دو سمت مارپیچ دوگانه DNA به صورت معکوس نسبت به یکدیگر قرار دارند، به این معنا که انتهای یکی، ابتدای دیگری است.
این ساختار شبیه زیپ است، با این تفاوت که میتوان آن را از هر نقطهای باز کرد و الگوی آن را کپی کرد. چون چیزی از بین نمیرود و تنها یک الگوی جدید بر اساس الگوی قبلی شکل میگیرد، به این فرآیند، همانندسازی DNA نیمه محافظتی گفته میشود. برای انجام این کار به ابزارهای خاصی نیاز است.
مراحل همانندسازی
- یک آنزیم به نام DNA Gyrase یا تروپوایزومراز 2، شکافی در مارپیچ دوگانه ایجاد میکند.
- آنزیمی به نام هلیکاز به فرآیند وارد میشود و دو رشته DNA را از هم جدا میکند.
- پروتئینهای کوچک به نام SSB به رشتههای منفرد DNA متصل میشوند و از بسته شدن مجدد آنها جلوگیری میکنند.
- یک مجموعه از آنزیمهای DNA پلیمراز (به ویژه DNA پلیمراز 3) به آرامی بر روی رشته DNA حرکت کرده و نوکلئوتید مکمل را در برابر آن قرار میدهند. مثلاً اگر رشته مادر TGAC باشد، DNA پلیمراز رشته ACTG را مقابل آن قرار میدهد.
- DNA پلیمراز 1 و 2 به دنبال آن میآیند و دوباره همه چیز را بررسی میکنند تا در صورتی که اشتباهی رخ داده باشد، نوکلئوتید صحیح را جایگزین کنند.
- آنزیم دیگری به نام DNA لیگاز، قطعات اکازاکی را متصل کرده و یک رشته کامل ایجاد میکند.
- رشتههای کپی شده دوباره به یکدیگر متصل میشوند.
سلولها با سرعتهای متفاوتی DNA را همانندسازی میکنند. برخی سلولها به صورت مداوم تقسیم میشوند، مانند سلولهای مو، ناخن و مغز استخوان. برخی دیگر بعد از چند مرحله تقسیم متوقف میشوند (مانند سلولهای ماهیچهای، قلب و مغز). همچنین برخی سلولها با اینکه دیگر رشد نمیکنند، قابلیت ترمیم خود را دارند، مانند سلولهای پوست.
DNA حیوانات در مقایسه با گیاهان
ساختار DNA همه موجودات زنده مشابه است و کدهای مشابهی دارد، اگرچه برخی ویروسها به جای DNA از RNA برای انتقال اطلاعات خود استفاده میکنند. بیشتر حیوانات، دو کپی از هر کروموزوم دارند، اما گیاهان ممکن است تعداد بیشتری از کروموزومها داشته باشند.
البته داشتن سه یا چهار کروموزوم در یک موجود طبیعی نیست، حتی در گیاهان. در حیوانات، جهشهای زیاد میتواند منجر به مشکلاتی مانند مرگ یا بیماریهایی مانند سندروم داون شود. اما گیاهان معمولاً نسبت به وجود کروموزومهای اضافی واکنش خاصی نشان نمیدهند.
شکل جدید و مرموز DNA پس از سالها تحقیق
دانشمندان اخیراً اعلام کردند که پس از سالها تحقیق، یک شکل جدید از ساختار DNA (DNA) در سلولهای زنده انسان کشف کردهاند که با شکل دو رشتهای سنتی DNA تفاوتهای بسیاری دارد.
“`
وقتی مردم درباره دی ان ای (DNA) صحبت میکنند، معمولاً نخستین تصویری که به ذهنشان میرسد، آن مارپیچ دوتایی معروف است که سالهاست به عنوان ساختار اصلی کدهای ژنتیکی در بدن ما شناخته میشود.
اما دانشمندان به تازگی اعلام کردهاند که این شکل تنها نوع دی ان ای در سلولهای زنده نیست و آن را با یک ساختار جدید و گرهدار مرتبط میدانند که اولین بار در سلولهای زنده انسان مشاهده شده است.
کشف فرم جدید دی ان ای
عملکرد بیولوژیکی بدن ما به ساختار DNA بستگی دارد. در حالی که یک ترکیب جدید که به نام i-motif شناخته میشود، از دهه نود در سلولهای غیرزنده مشاهده شده بود، اکنون برای اولین بار وجود این ساختار در سلولهای زنده تایید شده است.
دنیل کرایست (Daniel Christ) از دانشگاهی در اتریش که یکی از اعضای تیم تحقیقاتی کشف اخیر بوده، میگوید که مشاهدات او و تیمش نشان میدهد که ژنتیک ما به ساختارهایی پیچیدهتر از آنچه تصور میشد، وابسته است و این اطلاعات به درک عمیقتر محققان از عملکرد سلولی کمک میکند.
ساختار دی ان ای i-motif
مهدی زراعتی (Mahdi Zeraati)، نویسنده اصلی تحقیق که به نظر میرسد از ایرانیان مقیم اتریش باشد، توضیح داده است که این ساختار چهار رشتهای به طرز قابل توجهی با مارپیچ دوتایی معروف تفاوت دارد و پیش از این نیز انواع مختلفی از ساختارها کشف شده که احتمال وجود آنها در سلولهای زنده انسان وجود دارد، درست مانند i-motif.
قبل از این، در سال 2013 یک ساختار دی ان ای متفاوت به نام G4 در سلولهای زنده انسان کشف شد و این کشف به کمک نوعی پادتن مهندسیشده انجام شد؛ زراعتی در تحقیق خود نیز از روش مشابهی برای شناسایی i-motif استفاده کرد و از پادتنی به نام iMab برای شناسایی محل این ساختار در سلولهای زنده بهره برد. او از نورهای سبز بسیار ریز برای مشخص کردن این محل استفاده کرده است.
زراعتی در این رابطه میگوید که نکته جالب در کشف اخیر، پدیدار شدن و ناپدید شدن این ساختار در سلولها است. این ساختار بعد از مدتی ناپدید میشود و دوباره در طول زمان به وجود میآید. البته به تحقیقات بیشتری برای فهم عملکرد i-motif نیاز داریم، اما شواهد اولیه نشان میدهد که این ساختار در اواخر چرخه عمر سلولی و همچنین در تلومرها که به پیری مرتبط است، ظاهر میشود.
زراعتی و تیمش میگویند که اثبات وجود این ساختار اولین قدم برای فهم عملکرد آن به شمار میرود و در مراحل بعدی، اطلاعات بیشتری که درباره ژنتیک انسان به دست میآوریم میتواند به بهبود داروهای ضد سرطان که دی ان ای را هدف قرار میدهند، یا هر زمینه دیگری که بر وضعیت سلامت انسان تأثیر میگذارد، کمکی کند.