الأحياء الجامعية — السنة الثالثة · Bachelor Year 3

1الصبغين وعلم اللاجينات

فأران من بطن واحدة، متطابقان وراثيًا حتى آخر قاعدة، يجلسان جنبًا إلى جنب: أحدهما نحيل بني، والآخر بدين أصفر سيصاب بالسكري. وقطة كاليكو تلبس بقعًا برتقالية وسوداء مع أن كل خلية من جلدها تحمل الصبغيين الجنسيين X نفسيهما. وطفل يرث من الصبغي 15 القطعة المحذوفة نفسها التي ورثها طفل آخر، فيصاب أحدهما بمتلازمة برادر–فيلي ويصاب الآخر بمتلازمة أنجلمان — والفارق الوحيد هو من أي الأبوين جاء الحذف. لا شيء من هذا مكتوب في تسلسل DNA، بل هو مكتوب عليه: في الطريقة التي يُرصّ بها مترا DNA في نواة قطرها عشرة ميكرومترات، وفي الزمر الكيميائية الصغيرة الملتصقة ببروتينات الرص وبالسيتوزينات نفسها، وفي الآلية التي تنسخ تلك العلامات من خلية إلى بناتها. يتناول هذا الفصل تلك الطبقة الثانية من المعلومات، وحواملها الجزيئية، والحدود الصادقة لما تستطيع أن تتذكره.

1.1 الصبغين: DNA على بكرة

تعريف 1.1 (الجسيم النووي والصبغين)

الصبغين هو معقّد DNA مع البروتينات الذي يوجد فيه الجينوم داخل نواة حقيقية النوى. ووحدته المتكررة هي الجسيم النووي: $147\,\mathrm{bp}$ من DNA ملفوفة في $1.65$ لفة يسارية حول ثماني هستونات — نسختان من كل من البروتينات الصغيرة الشديدة القاعدية H2A وH2B وH3 وH4 — يليها وصلة طولها $20\text{ ⁧إلى⁩ }60\,\mathrm{bp}$ إلى الجسيم النووي التالي. ويرتبط هستون خامس، هو H1، بالوصلة عند دخولها اللب وخروجها منه، ويساعد الخرزات على التراصّ بعضها إلى بعض. ويحمل كل هستون لبّي ذيلًا أميني الطرف غير منتظم البنية طوله نحو $20\text{ ⁧إلى⁩ }40$ بقية تبرز خارج الجسيم. والصبغين الذي يصطبغ بخفة، ويكون فضفاض الرص ويُستنسخ، هو الصبغين المتجانس؛ أما الصبغين الشديد الرص المتأخر التضاعف الصامت في معظمه، عند القسيمات المركزية والقسيمات الطرفية والمتتاليات المكررة، فهو الصبغين المتغاير.

شواهد. هضم هويش وبرغوين (1973) أنوية كبد الجرذ بنوكلياز داخلي المنشأ فوجدا أن DNA لم يخرج لطخة متصلة بل سلّمًا من القطع تتضاعف أطوالها في نحو $200\,\mathrm{bp}$ : فقد كان DNA محميًا على فترات منتظمة ولم يُقطع إلا بينها. وبيّن كورنبرغ (1974) أن الوحدة المحمية جسيم من ثمانية هستونات مع نحو $200\,\mathrm{bp}$ ، وأظهرت الصور المجهرية الإلكترونية لصبغين مفرود برفق “الخرزات على خيط”. وحلّ لوغر وزملاؤه (1997) البنية البلورية للجسيم اللبّي عند $2.8\,\text{Å}$ : $147\,\mathrm{bp}$ ، وثماني هستونات تمر ذيولها بين لفتي DNA. ∎

ليف 10\, nm: لبوب الجسيمات النووية (بالأزرق) على DNA متصل (بالأحمر)، كل خرزة ثماني هستونات بذيولها (بالبرتقالي) البارزة خارجًا، وهستون الوصلة H1 (بالأخضر) عند نقطة الدخول والخروج. وتشغل ستة جسيمات نووية تقريبًا الطول الذي يشغله 1200\, bp من DNA عاريًا. — ليف $10\,\mathrm{nm}$ : لبوب الجسيمات النووية (بالأزرق) على DNA متصل (بالأحمر)، كل خرزة ثماني هستونات بذيولها (بالبرتقالي) البارزة خارجًا، وهستون الوصلة H1 (بالأخضر) عند نقطة الدخول والخروج. وتشغل ستة جسيمات نووية تقريبًا الطول الذي يشغله $1200\,\mathrm{bp}$ من DNA عاريًا.

الصبغين على المقياس الجزيئي: اللولب المزدوج ملفوفًا حول لبوب هستونية متعاقبة، وهي “الخرزات على خيط” التي كشفها سلّم النوكلياز.

قضية 1.2 (مستويات الرص)

نسبة الرص في بنية صبغينية هي طول DNA الذي تحتويه مقسومًا على طول البنية. ويعطي اللف في ليف $10\,\mathrm{nm}$ نسبة تقارب $6$ : إذ تُضغط $68\,\mathrm{nm}$ من دورة $200\,\mathrm{bp}$ في خرزة واحدة قطرها $11\,\mathrm{nm}$ . وفي النواة البينية لا يُلف الليف في ليف أغلظ منتظم، كما رسمته الكتب طويلًا، بل يُطوى في عرى تبلغ عشرات الكيلوقواعد إلى مئاتها تُمسك عند قواعدها بمعقدات كوهيزين الحلقية وببروتين CTCF الرابط لجزيء DNA؛ وتنتظم العرى في نطاقات مترابطة طوبولوجيًا (TAD) يبلغ حجم الواحد منها نحو ميغاقاعدة، تلتقي داخلها المورّثة بمنظماتها أكثر بكثير مما تلتقي بأي شيء خارجها. أما الصبغي الانقسامي، وهو أشد الحالات رصًا، فنسبة رصه قرب $10\,000$ : إذ تُطوى $4\,\mathrm{cm}$ من DNA في صبغي بشري وسطي لتصير قضيبًا طوله $4\,\text{µ}\mathrm{m}$ .

مثال 1.3 (مترانِ في عشرة ميكرومترات)

تضم النواة البشرية ثنائية الصيغة $6.4\times 10^{9}$ زوج قواعد. وعند $0.34\,\mathrm{nm}$ لكل زوج قواعد يكون ذلك $2.2\,\mathrm{m}$ من اللولب المزدوج، في نواة قطرها نحو $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ . ويُرصّ ذلك في $6.4\times 10^{9}/200 \approx 3.2\times 10^{7}$ جسيم نووي، يحمل كل منها نحو $108\,\mathrm{kDa}$ من الهستون مقابل $96\,\mathrm{kDa}$ من DNA ( $147\,\mathrm{bp}$ بوزن $650\,\mathrm{Da}$ للزوج): فالنواة تحوي من الهستون كتلةً تقارب ما تحويه من DNA. أما DNA نفسه، إذا عُدّ أسطوانة قطرها $2\,\mathrm{nm}$ ، فحجمه لا يتجاوز $7\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ ، أي نحو $1\,\%$ من نواة كروية نصف قطرها $5\,\text{µ}\mathrm{m}$ ؛ فمشكلة الرص مشكلة تشابك ونفاذ، لا مشكلة حيّز.

1.2 شيفرة الهستونات

تعريف 1.4 (تعديلات الهستونات)

تُعدَّل بقايا ذيول الهستونات تعديلًا تساهميًا: أستلة الليزينات (وهي تعادل شحنتها الموجبة فتُرخي قبضتها على DNA)، ومثيلة الليزينات والأرجينينات (زمرة ميثيل أو اثنتان أو ثلاث، بلا تغير في الشحنة)، وفسفرة السيرينات، وأبيقنة الليزينات. ويُسمّى التعديل بالهستون والبقية والزمرة: فالعلامة H3K4me3 هي الهستون H3، الليزين 4، ثلاثي المثيلة؛ وH3K27ac هو H3 الليزين 27 مؤستلًا. وشيفرة الهستونات هي الارتباط بين توليفات العلامات وحالة المورّثة الكامنة تحتها: H3K4me3 وH3K27ac عند المروّجات والمعزِّزات النشطة، وH3K36me3 على امتداد أجسام المورّثات المستنسخة، وH3K9me3 على الصبغين المتغاير البنيوي، وH3K27me3 على المورّثات المُسكتة أثناء التطور. والإنزيمات التي تضيف علامة هي الكتبة (ناقلات الأستيل الهستونية HAT، وناقلات الميثيل)، والإنزيمات التي تزيلها هي المواحي (نازعات الأستيل الهستونية HDAC، ونازعات الميثيل)، والبروتينات التي ترتبط بعلامة وتعمل بموجبها هي القرّاء: إذ يرتبط النطاق البرومي بالليزين المؤستل، ويرتبط النطاق الكرومي بالليزين الممثيل.

قضية 1.5 (العلامات تُقرأ، لا تُحسّ فحسب)

تعمل الأستلة جزئيًا بالكهرباء الساكنة — فالذيل المؤستل يمسك DNA أقل شدة فينفتح الليف — غير أن معظم العلامات تعمل باستدعاء القرّاء. فالعلامة H3K9me3 يرتبط بها النطاق الكرومي من بروتين الصبغين المتغاير HP1، الذي يتثنّى ويجسر بين جسيمين نوويين متجاورين ويستدعي ناقلة الميثيل نفسها (SUV39H) التي تكتب H3K9me3 على الجسيم النووي التالي: فتنتشر العلامة على امتداد الليف حتى تلقى حدًّا، وترصّ ما تغطيه. أما H3K27me3 فيكتبه معقّد بوليكومب الكابح 2 (PRC2، ووحدته الحفّازة EZH2)، ويقرأه PRC1 الذي يؤبقن H2A ويرصّ الليف، والمعقّد نفسه تحفزه العلامة التي يصنعها؛ وتكتب زمرة بروتينات تريثوراكس العلامة المضادة H3K4me3 وتُبقي مورّثات التطور الخاصة بنمط خلوي بعينه مفتوحة. وكل عروة من هذا القبيل — قارئ يستدعي كاتبًا — تغذية راجعة موجبة تتيح للحالة أن تصون نفسها متى ترسخت، وهذا ما تحتاجه العلامة القابلة للتوريث.

منطق الكاتب والقارئ والماحي. القارئ المرتبط بعلامة على جسيم نووي يستدعي الكاتب الذي يضع العلامة نفسها على الجسيم التالي، فتنتشر الحالة وتنسخ نفسها؛ والمواحي تعاكسها. زمر الأستيل (بالأخضر) تفتح الليف، وH3K9me3 (بالأحمر) يغلقه.

طريقة 1.6 (الترسيب المناعي للصبغين (ChIP))

لرسم موضع علامة أو بروتين على الجينوم: (1) تُشبك البروتينات بجزيء DNA في الخلايا الحية بالفورمالدهيد؛ (2) يُقصّ الصبغين إلى قطع من بضع مئات من أزواج القواعد؛ (3) تُرسَّب القطع بجسم مضاد تجاه العلامة (وليكن H3K27me3) مثبت على حبيبات؛ (4) تُعكس الشبكات ويُنقّى DNA؛ (5) يُسلسل (ChIP-seq) وتُعدّ القراءات على امتداد الجينوم: فالذرى هي المواضع التي كانت فيها العلامة. وتضبط عينةُ الدخل من DNA بلا جسم مضاد مستوى الخلفية. أما التمييز فهو تمييز القطع، أي نحو جسيم نووي واحد.

ملاحظة 1.7 (شيفرة أم ارتباط)

لفظ “الشيفرة” يبالغ في الأمر. فكثير من العلامات نتائج للاستنساخ لا أسباب له (H3K36me3 تضعه ناقلة ميثيل تسير مع البوليميراز)، وحذف كاتب ما كثيرًا ما يغير التعبير أقل بكثير مما يوحي به توزع علامته. والمقرر أن بضع علامات — H3K9me3 وH3K27me3 ومثيلة DNA أدناه — تحمل إسكاتًا ذاتي الانتشار يعمّر بعد زوال الإشارة التي أنشأته.

1.3 مثيلة DNA ونسخ العلامة

تعريف 1.8 (مثيلة DNA)

في الفقاريات تُضاف زمرة ميثيل إلى الكربون 5 من السيتوزين، ولا يكاد ذلك يحدث إلا في ثنائي النوكليوتيد CpG (سيتوزين يتبعه غوانين على الطاق نفسه)، وهو متتالية متممة لنفسها، فثنائي CpG الممثيل يكون ممثيلًا عادةً على الطاقين معًا. ونحو $70\text{ ⁧إلى⁩ }80\,\%$ من CpG في الخلية البشرية ممثيلة، والمروّجات الممثيلة صامتة: إذ تقرأ زمرَ الميثيل بروتيناتٌ رابطة بثنائي CpG الممثيل (MeCP2 وMBD1–4) تستدعي HDAC وميثيلازات H3K9، وتحجب عدة عوامل استنساخ حجبًا مباشرًا. والاستثناء هو جزر CpG، وهي قطع طولها نحو كيلوقاعدة، غنية بالقاعدتين G وC وبثنائيات CpG، تقع عند مروّجات معظم مورّثات التدبير المنزلي وتبقى غير ممثيلة في الخلايا السوية. وتكتب زمرة الميثيل ناقلات ميثيل DNA: فالإنزيمان DNMT3A وDNMT3B تنفذان المثيلة المستجدة للمواقع غير الممثيلة، وDNMT1، التي تفضّل CpG نصف ممثيل — طاق ممثيل وآخر غير ممثيل — تنفذ مثيلة الصيانة خلف شوكة التضاعف. أما الإزالة فسلبية بالتضاعف من دون صيانة، أو فعالة بإنزيمات TET التي تؤكسد 5-ميثيل سيتوزين إلى 5-هيدروكسي ميثيل سيتوزين وما بعده حتى يستبدل به إصلاحُ استئصال القاعدة سيتوزينًا عاديًا.

مثال 1.9 (لماذا يفتقر الجينوم إلى CpG)

الجينوم البشري $42\,\%$ من G $+$ C، فلو كانت القواعد مستقلة لورد CpG بتواتر $0.21\times 0.21 \approx 0.044$ ، أي نحو $2.8\times 10^{8}$ مرة في الجينوم ثنائي الصيغة. والعدد المرصود نحو $5.6\times 10^{7}$ ، أي خُمس ذلك. والسبب هو العلامة نفسها: فالسيتوزين الممثيل إذا فقد زمرته الأمينية صار ثيمينًا، وهي قاعدة سوية لا يستطيع الإصلاح أن يعدّها خطأً، في حين أن السيتوزين غير الممثيل ينزع أمينه فيصير يوراسيلًا يُستأصل. وعبر الزمن التطوري تحولت CpG الممثيلة إلى TpG وCpA، ولم تحتفظ بثنائياتها إلا الجزر غير الممثيلة. فقد تركت العلامة بصمتها في التسلسل نفسه.

مبرهنة 1.10 (صيانة حالة المثيلة عبر الانقسامات)

لنأخذ موقع CpG واحدًا ونتابعه في سلالة من الخلايا. عند كل انقسام يُمثيل سيتوزين الطاق الجديد باحتمال $\mu$ إذا كان سيتوزين الطاق القالب ممثيلًا (كفاءة الصيانة)، وباحتمال $\delta$ إذا لم يكن (معدل المثيلة المستجدة). وليكن $p_{n}$ احتمال أن يكون الموقع ممثيلًا بعد $n$ انقسامًا. عندئذٍ

p_{n+1} = \mu\, p_{n} + \delta\,(1 - p_{n}), \qquad p_{n} = p^{*} + (p_{0} - p^{*})\,(\mu - \delta)^{n}, \qquad p^{*} = \frac{\delta}{1 - \mu + \delta}.

ينجرف كل موقع نحو التوازن $p^{*}$ نفسه مهما كانت حالته الابتدائية، وتتلاشى ذاكرة الحالة الابتدائية تلاشيًا هندسيًا بنسبة $\mu - \delta$ . وتُذكر العلامة نحو $1/(1 - \mu + \delta)$ انقسامًا؛ ومن ثم فإن الذاكرة الأمينة لأي فرق بين موقعين تقتضي أن يكون $\mu$ قريبًا جدًا من $1$ و $\delta$ قريبًا جدًا من $0$ ، أو أن تكون هناك تغذية راجعة تجعل $\mu$ و $\delta$ تابعين لحالة الجوار.

برهان. التكرار هو قانون الاحتمال الكلي على حالتي القالب. وتحل نقطته الثابتة $p^{*} = \mu p^{*} + \delta(1 - p^{*})$ ، فينتج $p^{*}(1 - \mu + \delta) = \delta$ . وبطرح معادلة النقطة الثابتة من التكرار نجد $p_{n+1} - p^{*} = (\mu - \delta)(p_{n} - p^{*})$ ، وهو ما يتكرر إلى الصيغة المغلقة. وبما أن $0 \le \delta \le \mu \le 1$ ، فإن النسبة $\mu - \delta$ تقع في $[0,1]$ والانحراف يتقلص؛ وينتصف كل $\ln 2 / (-\ln(\mu - \delta)) \approx \ln 2/(1 - \mu + \delta)$ انقسامًا حين يكون $\mu - \delta$ قريبًا من $1$ . ∎

مثال 1.11 (أرقام)

القيم المقيسة في خلايا الثدييات هي $\mu \approx 0.99$ و $\delta \approx 0.02$ لكل انقسام عند CpG نمطي. ومن ثم $p^{*} = 0.02/0.03 \approx 0.67$ ، وهي قريبة من نسبة المثيلة على مستوى الجينوم، و $\mu - \delta = 0.97$ : فموقع ممثيل تمامًا متروك للآلية وحدها يقطع نصف الطريق عائدًا إلى المتوسط بعد $\ln 2 / 0.03 \approx 23$ انقسامًا. فالمروّج المُسكت الذي يبقى صامتًا مئات الانقسامات في عمر كامل يحتاج إذن إلى أكثر من DNMT1: فقرّاء CpG الممثيل يستدعون مثيلة H3K9، وقرّاء H3K9 يستدعون DNMT3، حتى إن جزيرة كثيفة العلامات ترفع $\mu$ الخاص بها نحو $1$ وتخفض $\delta$ المجاور نحو $0$ . وعلى العكس، فالخلية التي تفقد DNMT1 تفقد العلامة سلبيًا: فمع $\mu = \delta = 0$ تنتصف نسبة الطاقات الممثيلة عند كل انقسام.

يسارًا: مثيلة الصيانة. بعد التضاعف يصير كل CpG نصف ممثيل، وينسخ DNMT1 العلامة على الطاق الجديد باحتمال لكل موقع. يمينًا: مصير موقع عبر الانقسامات عند = 0.99 و= 0.02 (بالأزرق من حالة ممثيلة، وبالأحمر من حالة غير ممثيلة) — وكلاهما يتقارب إلى p* = 0.67 — ثم موقع ترفع تغذيةُ جواره الراجعةُ فيه إلى 0.999 (بالأخضر). — يسارًا: مثيلة الصيانة. بعد التضاعف يصير كل CpG نصف ممثيل، وينسخ DNMT1 العلامة على الطاق الجديد باحتمال $\mu$ لكل موقع. يمينًا: مصير موقع عبر الانقسامات عند $\mu = 0.99$ و $\delta = 0.02$ (بالأزرق من حالة ممثيلة، وبالأحمر من حالة غير ممثيلة) — وكلاهما يتقارب إلى $p^{*} = 0.67$ — ثم موقع ترفع تغذيةُ جواره الراجعةُ $\mu$ فيه إلى $0.999$ (بالأخضر).

طريقة 1.12 (قراءة المثيلة: تسلسل البيسلفيت)

لا يرى التسلسل وحده زمرة الميثيل. عالِج DNA المفكوك ببيسلفيت الصوديوم: فالسيتوزين غير الممثيل يُنزع أمينه فيصير يوراسيلًا يُقرأ T بعد PCR، أما 5-ميثيل سيتوزين فمحمي ويبقى يُقرأ C. سلسِل DNA المحوَّل وقارنه بالمرجع: فكل C بقي C كان ممثيلًا، وكل C صار T لم يكن. وإذا أُجري ذلك على الجينوم كله (تسلسل البيسلفيت للجينوم الكامل) أعطى حالة المثيلة في كل واحد من $2.8\times 10^{7}$ موقع CpG في جينوم أحادي الصيغة بتمييز القاعدة الواحدة، بوصفها نسبة من خلايا العينة.

1.4 تعطيل X والبصم الجينومي

تعريف 1.13 (تعطيل الصبغي X)

في إناث الثدييات يُسكت أحد الصبغيين X في كل خلية جسدية إسكاتًا استنساخيًا باكرًا في التطور، وهو ضرب من معاوضة الجرعة يسوّي التعبير عن المورّثات المرتبطة بالصبغي X بين الإناث XX والذكور XY. ويُرصّ الصبغي المُسكت في جسم كثيف ملتصق بالغلاف النووي هو جسم بار. واختيار أي الصبغيين X يُسكت اختيار عشوائي في الجنين نفسه، ومتى وقع ورثته نسيليًا كل ذرية تلك الخلية. ويبدأ التعطيل بالجزيء Xist، وهو RNA غير مشفِّر طوله $17\,\mathrm{kb}$ يُستنسخ من مركز تعطيل X في الصبغي الذي سيُسكت: فيغلّف ذلك الصبغي على الجانب نفسه، ويستدعي بوليكومب (H3K27me3)، وبديل الهستون macroH2A، وأخيرًا مثيلة DNA للمروّجات، ثم تُصان السكتة بعد ذلك من دون حاجة إلى Xist في كل انقسام. وينجو من التعطيل نحو $15\,\%$ من المورّثات البشرية المرتبطة بالصبغي X، كليًا أو جزئيًا.

شواهد. لاحظ بار وبرترام (1949) جسمًا كثيفًا في أنوية عصبونات القطط الإناث دون الذكور. وبيّن أونو (1959) أنه صبغي X كامل متكاثف. وجمع ليون (1961) القطع معًا: فإناث الفئران المتغايرة اللواقح لمورّثات لون الفروة المرتبطة بالصبغي X لها فروة فسيفسائية من بقع يعبَّر في كل منها عن أليل أو آخر، فكل بقعة نسيلة أُسكت فيها أحد الصبغيين X، وهو نفسه دائمًا؛ وينطبق ذلك على البقع البرتقالية والسوداء في قطة السلحفاة أو الكاليكو، التي مورّثة اللون البرتقالي فيها مرتبطة بالصبغي X، وعلى الغدد العرقية الفسيفسائية عند النساء الحاملات لأليل طافر من مورّثة مرتبطة بالصبغي X. والقط الكاليكو الذكر يكاد يكون دائمًا XXY. ∎

يسارًا: نواة أنثوية مصطبغة لجزيء DNA، وفيها الصبغي X المعطل المرصوص — جسم بار — ملتصقًا بحافة النواة. يمينًا: قطة كاليكو. كل بقعة برتقالية أو سوداء نسيلة من خلايا الجلد أسكتت الصبغي X نفسه؛ أما الأبيض فمورّثة تبقيع أخرى جسدية الصبغي.

تعريف 1.14 (البصم الجينومي)

تكون المورّثة مبصومة حين لا يُعبَّر إلا عن أحد أليليها، ويتوقف أيهما على الأب الذي جاء منه: فبعض المورّثات لا يُعبَّر عنها إلا من النسخة الأبوية، وبعضها إلا من الأمومية. وللثدييات نحو $100\text{ ⁧إلى⁩ }200$ مورّثة مبصومة، متجمعة في عناقيد، يحكم كلًا منها منطقة تحكم بالبصم (ICR) ممثيلة على أحد الأليلين الأبويين دون الآخر. وتُضبط المثيلة في السلالة الجنسية — نمط في النطاف وآخر في البيوض — ثم تُمحى في الخلايا الجنسية للجيل التالي وتُضبط من جديد وفق جنس ذلك الفرد. ومن ثم فالطفل الذي يتلقى نسختي صبغي من الأب نفسه (ثنائي الصيغة أحادي الأبوين) تكون عنده جرعة خاطئة من المورّثات المبصومة عليه مع أن تسلسله سويّ تمامًا.

شواهد. صنع مكغراث وسولتر، وبالتوازي سوراني وبارتون ونوريس (1984)، لواقح فئران تحمل نواتين أوليتين أموميتين، أو أبويتين، بنقل النوى الأولية بين بيوض ملقحة. ولم يتطور أي من النوعين إلى نهاية الحمل، مع أن لكل منهما طقمين كاملين من الصبغيات: فأجنّة النواتين الأموميتين كوّنت جنينًا معقولًا بمشيمة رديئة، وأجنّة النواتين الأبويتين كوّنت مشيمة كبيرة وبالكاد جنينًا. فالجينومان الأبويان ليسا متكافئين وكلاهما مطلوب. وبيّن كاتاناتش وكيرك (1985) بثنائيات صيغة أحادية الأبوين خاصة بصبغيات بعينها أن عدم التكافؤ محصور في مناطق بعينها من صبغيات بعينها، وهي حيث وُجدت عناقيد البصم لاحقًا. ∎

مثال 1.15 (عنقود Igf2–H19)

يُعبَّر عن Igf2، وهو عامل نمو جنيني، من الأليل الأبوي؛ ويُعبَّر عن جاره H19، وهو RNA غير مشفِّر، من الأمومي. وبينهما تقع ICR، وخلف H19 تقع مجموعة معزِّزات مشتركة. فعلى الصبغي الأمومي تكون ICR غير ممثيلة وترتبط بالبروتين CTCF الذي يعمل عازلًا: فتبلغ المعزِّزات H19 ولا تبلغ Igf2. وعلى الصبغي الأبوي تكون ICR ممثيلة (ضُبطت في النطفة)، فلا يستطيع CTCF الارتباط، وتمتد المعزِّزات عبرها إلى Igf2؛ كما تنتشر المثيلة فتُسكت مروّج H19. فعلامة واحدة، ضُبطت في سلالة جنسية واحدة، تقرر مصير المورّثتين معًا.

البصم عند Igf2–H19. الأليل الأمومي: ICR غير الممثيلة ترتبط بالبروتين CTCF العازل، فلا تنشّط المعزِّزات التالية إلا H19. الأليل الأبوي: مُثيلت ICR في النطفة، فلا يستطيع CTCF الارتباط، وتبلغ المعزِّزات Igf2، وتُسكت المثيلة H19. — البصم عند *Igf2*–*H19*. الأليل الأمومي: ICR غير الممثيلة ترتبط بالبروتين CTCF العازل، فلا تنشّط المعزِّزات التالية إلا *H19*. الأليل الأبوي: مُثيلت ICR في النطفة، فلا يستطيع CTCF الارتباط، وتبلغ المعزِّزات *Igf2*، وتُسكت المثيلة *H19*.

مثال 1.16 (برادر–فيلي وأنجلمان)

الحذف نفسه، وقدره نحو $5\,\mathrm{Mb}$ من الصبغي 15 (المنطقة 15q11–q13)، يسبب متلازمة برادر–فيلي — ضعف المقوية العضلية عند الولادة، ثم شره لا يُشبع وبدانة — حين يقع على الصبغي الأبوي، ويسبب متلازمة أنجلمان — إعاقة ذهنية شديدة وغياب الكلام وهيئة مرحة ونوب اختلاجية — حين يقع على الأمومي. فالمنطقة تحمل مورّثات يُعبَّر عنها أبويًا (SNRPN وعنقودًا من RNA صغيرة) تُفقد نسختها الفاعلة الوحيدة في الحالة الأولى، وتحمل UBE3A المعبَّر عنها أموميًا، وهي المفقودة في الثانية. كما أن ثنائي الصيغة الأمومي أحادي الأبوين للصبغي 15، بلا أي حذف، يعطي برادر–فيلي أيضًا: نسختان أموميتان، صامتتان للمورّثات الأبوية.

ملاحظة 1.17 (لماذا البصم أصلًا)

المورّثات المبصومة غنية بالتحكم في نمو الجنين وفي نقل المغذيات عبر المشيمة، وتميل المورّثات المعبَّر عنها أبويًا (Igf2 و Peg3) إلى تعزيز النمو، والمعبَّر عنها أموميًا (H19 و Igf2r وCdkn1c) إلى كبحه. وتقرأ نظرية القرابة ذلك تنازعًا: فمورّثات الأب تكسب من انتزاع المزيد من أمّ قد تحمل لاحقًا ذرية ذكور آخرين، ومورّثات الأم تكسب من توزيع المؤونة على بطونها كلها. والبصم يقع في الثدييات المشيمية وفي النباتات الزهرية، التي تغذي الأمُّ سويداءَها كذلك، ولا يقع في الطيور ولا الزواحف، وهو ما تتنبأ به النظرية.

1.5 الوراثة اللاجينية وحدودها

تعريف 1.18 (علم اللاجينات)

علم اللاجينات هو دراسة التغيرات القابلة للتوريث في نشاط المورّثات من غير أن تكون تغيرات في تسلسل DNA: حالات تحملها مثيلة DNA أو علامات الهستونات أو دارات عوامل استنساخ ذاتية الإدامة، وتُنسخ عبر انقسام الخلية. وأليلان متطابقا التسلسل مختلفا الحالة اللاجينية المستقرة هما أليلان لاجينيان. والتوريث عبر الانقسام الفتيلي هو القاعدة، وهو ما يُبقي الخلية المتمايزة متمايزة. أما التوريث عبر الانقسام المنصّف، من الوالد إلى الخلف، فهو الاستثناء في الثدييات، لأن العلامات تُمحى في موجتي إعادة برمجة: في الخلايا الجنسية البدئية، حيث تُمسح البصمات ومعظم المثيلة ثم تُضبط من جديد وفق الجنس، ثم مرة أخرى في اللاقحة والجنين الباكر، حيث يُنزع الميثيل فعالًا من الجينوم الأبوي بإنزيم TET3 ومن الأمومي سلبيًا، قبل أن ترسي DNMT3 أنماط الجنين نفسه.

مثال 1.19 (فأر الأغوتي الأصفر القابل للحياة)

في الأليل $A^{vy}$ اندس ناقل رجعي أعلى مورّثة لون الفروة agouti. فحيث يكون مروّج الناقل غير ممثيل يقود agouti باستمرار في كل خلية؛ فيكون الفأر أصفر بدينًا مهيّأً للسكري. وحيث يكون ممثيلًا تتبع المورّثة تحكمها الطبيعي ويكون الفأر بنيًا (“شبيه الأغوتي”). وتتوزع صغار البطن الواحدة المتطابقة وراثيًا على الطيف كله، وللأم الصفراء صغار صفر أكثر مما للبنية: فالأليل اللاجيني لا يُمحى تمامًا عبر السلالة الجنسية الأمومية. وقد أطعم واترلاند وجيرتل (2003) أمهات $A^{vy}$ الحوامل غذاءً غنيًا بواهبات الميثيل (الفولات وفيتامين B₁₂ والكولين والبيتائين) فأزاحا فراء الصغار نحو البني. فبيئة جيل واحد ضبطت علامة حملها الجيل التالي.

صغيران من بطن Avy واحدة بالنمط الوراثي نفسه: فأر أصفر بدين لم يُمثيل فيه الناقل الواقع أعلى agouti، وفأر بني شبيه بالأغوتي مُثيل فيه. — صغيران من بطن $A^{vy}$ واحدة بالنمط الوراثي نفسه: فأر أصفر بدين لم يُمثيل فيه الناقل الواقع أعلى *agouti*، وفأر بني شبيه بالأغوتي مُثيل فيه.

قضية 1.20 (أين توجد الحالات اللاجينية القابلة للتوريث)

ثلاث منظومات مدروسة جيدًا تجسّد الآليات السابقة. تنوع أثر الموضع في Drosophila: مورّثة نقلتها إعادة ترتيب صبغية إلى جوار صبغين متغاير تُسكت في بعض الخلايا دون بعض، فتعطي عينًا مبقعة؛ كل بقعة نسيلة، والإسكات ينتشر من الصبغين المتغاير بعروة HP1، والمورّثات التي تكبح طفرتُها التنوعَ (مورّثات Su(var)) هي HP1 وناقلة ميثيل H3K9. والإرباع في Arabidopsis: أسابيع من برد الشتاء تُسكت كابح الإزهار FLC بالعلامة H3K27me3 الذي يضعه بوليكومب، وتصمد السكتة شهور النمو الربيعي وآلاف الانقسامات الخلوية، وتُصفَّر في كل جيل حتى يلزم كل نبتة أن تعيش شتاءها الخاص. والطفرة الجانبية في الذرة: أليل من مورّثة الصباغ b1، إذا لقي أليلًا آخر بعينه في متغاير اللواقح، حوّله إلى حالته الصامتة، ونقل الأليلُ المحوَّل الحالةَ إلى ذريته أجيالًا، عبر مثيلة توجهها RNA صغيرة يتناولها الفصل 2. والتوريث في كل حالة انقسامي فتيلي ومتين؛ أما الانتقال عبر الأجيال فإما أن يُصفَّر فعالًا (في النبات) وإما أن يكون راشحًا جزئيًا (في الفئران).

ملاحظة 1.21 (حدود الدعاوى العابرة للأجيال)

الدعوى بأن مجاعة جدٍّ أو كربه “يُورَّث لاجينيًا” إلى الأحفاد من البشر شائعة وغير مبرهنة في معظمها. فبين علامة جسدية وحفيدٍ موجتا محو، والمورّثات المبصومة وقليل من النواقل هي الناجيات الموثقة الوحيدة من المحو في الثدييات، وفي الأتراب البشرية يصعب فصل أثر البيئة المشتركة وأثر البيئة الرحمية وأثر الفروق الوراثية عن علامة محمولة في السلالة الجنسية. أما الحالات المبرهنة — $A^{vy}$ ، وبعض الأليلات اللاجينية المرتبطة بالنواقل، والحالات التي تتوسطها RNA في الديدان والنبات — فحقيقية ومفهومة جزيئيًا وضيقة. ومبرهنة هذا الفصل تقول لماذا: فمن دون تغذية راجعة تدفع $\mu$ إلى $1$ تنسى العلامة نفسها في بضع عشرات من الانقسامات، وتضيف السلالة الجنسية تصفيرًا فعالًا فوق ذلك.

1.6 تمارين

تمرين 1.1 ★

اذكر تركيب الجسيم النووي اللبّي، وطول DNA الذي يربطه، وطول الوصلة النمطي. ولماذا أعطى هضم الصبغين بالنوكلياز سلّمًا من القطع بدل لطخة متصلة؟

حل

حل التمرين 1.1.

نسختان من كل من H2A وH2B وH3 وH4 (ثماني هستونات) مع $147\,\mathrm{bp}$ من DNA في $1.65$ لفة؛ ووصلات طولها $20\text{ ⁧إلى⁩ }60\,\mathrm{bp}$ ، فتكون الدورة قرب $200\,\mathrm{bp}$ . ولا يقطع النوكلياز إلا DNA الوصلة المكشوف ولا يقطع داخل لبّ أبدًا، فتكون كل قطعة عددًا صحيحًا من الدورات: سلّم من $200$ و $400$ و $600\,\mathrm{bp}$ ، لا لطخة متصلة.

تمرين 1.2 ★

لجينوم ضفدع $3.0\times 10^{9}$ زوج قواعد في الطقم الأحادي. كم جسيمًا نوويًا تحوي نواة ثنائية الصيغة، إذا كانت الدورة $190\,\mathrm{bp}$ ، وكم يبلغ طول DNA فيها؟

حل

حل التمرين 1.2.

ثنائي الصيغة: $6.0\times 10^{9}$ زوج قواعد؛ و $6.0\times 10^{9}/190 \approx 3.2\times 10^{7}$ جسيم نووي؛ والطول $6.0\times 10^{9}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 2.0\,\mathrm{m}$ .

تمرين 1.3 ★

فُكّ رموز H3K27me3 وH4K16ac وH3S10ph. وقل في كل منها هل يقترن بصبغين نشط أم صامت، وسمِّ قارئًا للأولى.

حل

حل التمرين 1.3.

H3K27me3: الهستون H3، الليزين 27، ثلاثي المثيلة — صبغين صامت لمورّثات مكبوتة تطوريًا، يكتبه PRC2 وتقرأه بروتينات النطاق الكرومي في PRC1. وH4K16ac: الهستون H4، الليزين 16، مؤستل — صبغين نشط مفتوح (فهو يكسر تماسًا بين جسيمين نوويين). وH3S10ph: الهستون H3، السيرين 10، مفسفر — علامة انقسامية تقترن بتكاثف الصبغيات (وعابرًا بتنشيط المورّثات عند بعض الإشارات)؛ وليست علامة إسكات ولا تنشيط مستقرة.

تمرين 1.4 ★

فسّر لماذا تكون قطة الكاليكو أنثى دائمًا تقريبًا، وما الذي يجب أن يكون عليه الكاليكو الذكر.

حل

حل التمرين 1.4.

مورّثة اللون البرتقالي مرتبطة بالصبغي X ولها أليل برتقالي وآخر أسود؛ والفروة المبقعة تقتضي واحدًا من كل منهما على صبغيي X مختلفين، يُسكت أحدهما في كل خلية. أما الذكر فله صبغي X واحد فيكون برتقاليًا كله أو أسود كله. والذكر الكاليكو يحمل صبغيي X وصبغيًا Y (XXY)، وهو عقيم.

تمرين 1.5 ★★

احسب نسبة رص ليف $10\,\mathrm{nm}$ من أرقام التعريف 1.1 (الدورة $200\,\mathrm{bp}$ ، والخرزة $11\,\mathrm{nm}$ )، والنسبة اللازمة لإدخال $4\,\mathrm{cm}$ من DNA لصبغي بشري وسطي في صبيغية انقسامية طولها $4\,\text{µ}\mathrm{m}$ . بأي عامل إضافي يجب أن يُطوى الليف؟

حل

حل التمرين 1.5.

$200\,\mathrm{bp}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 68\,\mathrm{nm}$ لكل خرزة قطرها $11\,\mathrm{nm}$ : فالنسبة $6.2$ . والمطلوب: $4\,\mathrm{cm}/4\,\text{µ}\mathrm{m} = 10^{4}$ . فالطي الإضافي بعامل $10^{4}/6.2 \approx 1600$ .

تمرين 1.6 ★★

في نموذج المبرهنة 1.10 عند $\mu = 0.98$ و $\delta = 0.01$ ، أوجد $p^{*}$ وعدد الانقسامات التي يفقد بعدها موقع بدأ ممثيلًا نصف فائضه فوق $p^{*}$ . وأعد ذلك عند $\mu = 0.999$ و $\delta = 0.001$ .

حل

حل التمرين 1.6.

$\mu = 0.98$ و $\delta = 0.01$ : فالقيمة $p^{*} = 0.01/0.03 = 0.33$ ؛ والنسبة $\mu - \delta = 0.97$ ؛ وعمر النصف $\ln 2/(-\ln 0.97) = 22.8 \approx 23$ انقسامًا. وعند $\mu = 0.999$ و $\delta = 0.001$ : $p^{*} = 0.5$ ؛ والنسبة $0.998$ ؛ وعمر النصف $\ln 2 / 0.002 \approx 350$ انقسامًا.

تمرين 1.7 ★★

أعطت تجربة ChIP-seq على خلايا كبدية ذروة H3K4me3 وذروة H3K27ac عند مروّج المورّثة $A$ ، ونطاقًا عريضًا من H3K27me3 فوق المورّثة $B$ ، وH3K9me3 فوق المورّثة $C$ . تنبأ بالحالة الاستنساخية لكل منها، وقل أيّ المورّثتين $B$ و $C$ أرجح أن تُفتح في نمط خلوي آخر ولماذا.

حل

حل التمرين 1.7.

$A$ : نشطة (مروّج يحمل H3K4me3 مع أستلة). و $B$ : صامتة مكبوتة ببوليكومب — صبغين متغاير اختياري، وهي حالة مورّثة تطورية أُطفئت في هذه السلالة وتُستعمل في غيرها، فالمورّثة $B$ هي الأرجح أن تكون نشطة في نمط خلوي آخر. و $C$ : صامتة، صبغين متغاير بنيوي (مسلك HP1)، وهي عادةً متتاليات مكررة أو مورّثات مُسكتة في كل نمط خلوي.

تمرين 1.8 ★★

امرأة تحمل حذفًا لمنطقة UBE3A على أحد الصبغيين 15 وهي سليمة. وكان أبوها يحمل الحذف نفسه وكان سليمًا أيضًا. ما المتلازمة، إن وُجدت، التي يتهدد كلًا من أبنائها خطرُها، وبأي احتمال؟ وماذا لو كان الحذف قد جاءها من أمها؟

حل

حل التمرين 1.8.

يُعبَّر عن UBE3A من الأليل الأمومي وحده في العصبونات. وحذفها جاءها من أبيها، على الأليل الصامت أصلًا، فهي سليمة؛ فإذا ورّثته صار حذفًا أموميًا: فلكل ولد احتمال $1/2$ أن يرثه فيصاب حينئذٍ بمتلازمة أنجلمان. ولو كان الحذف قد جاءها من أمها لأصيبت هي نفسها بمتلازمة أنجلمان؛ فالحاملة السليمة لا يمكن أن تكون قد ورثته إلا أبويًا. (أما الحذف الأبوي للمنطقة كلها فيعطي برادر–فيلي؛ وUBE3A وحدها لا تكفي لذلك.)

تمرين 1.9 ★★

تنبأ بنتيجة حذف مورّثة Xist من أحد الصبغيين X في جنين فأرة؛ ثم من كليهما. وتنبأ بما يفعله مورثٌ نقيل من Xist أُدخل في صبغي جسدي بذلك الصبغي.

حل

حل التمرين 1.9.

الصبغي X الذي ينقصه Xist لا يمكن تعطيله، فيُسكت الصبغي X الآخر في كل خلية: فالتعطيل تام لكنه لم يعد عشوائيًا (منحرف)، والجنين قابل للحياة. وإذا نقص Xist من الصبغيين معًا: فلا تعطيل، وصبغيا X نشطان، وتعبير مضاعف عن المورّثات المرتبطة بالصبغي X، ويموت الجنين الأنثوي باكرًا. أما مورث Xist النقيل على صبغي جسدي فيغلّف ذلك الصبغي على الجانب نفسه ويُسكت مورّثاته، فيسبب فقد وظيفة نسخة جسدية واحدة — وهي التجربة التي أثبتت أن Xist كافٍ للإسكات على الجانب نفسه.

تمرين 1.10 ★★★

فسّر، مستعينًا بما في المثال 1.9، لماذا احتفظت جزر CpG بثنائياتها بينما فقد سائر الجينوم أربعة أخماسها، وما الذي يعنيه ذلك عن حالة مثيلة الجزر في السلالة الجنسية عبر الزمن التطوري. ولماذا تسقط الحجة في مورّثة لا تُمثيل إلا في الكبد؟

حل

حل التمرين 1.10.

السيتوزينات الممثيلة يُنزع أمينها فتصير ثيمينًا لا يتعرفه الإصلاح، فثنائي CpG الممثيل يطفر إلى TpG أو CpA بمعدل عالٍ. ولا تحتفظ بثنائيات CpG إلا المتتاليات غير الممثيلة في السلالة الجنسية جيلًا بعد جيل؛ وقد احتفظت الجزر بها، فهي إذن غير ممثيلة في السلالة الجنسية طوال معظم تاريخ الفقاريات. أما المورّثة التي لا تُمثيل إلا في الكبد فهي غير ممثيلة في النطفة والبيضة؛ والطفرات الناشئة في خلايا الكبد لا تُورَّث، فلا تترك المثيلة الجسدية أثرًا في التسلسل.

تمرين 1.11 ★★★

بيّن، باستعمال عروة الكاتب والقارئ في القضية 1.5، كيف يمكن لنطاق من H3K9me3 أن يكون مستقرًا عبر التضاعف مع أن كل انقسام يخفف الهستونات المعلَّمة إلى النصف بأخرى جديدة غير معلَّمة. وما الذي يحدد أين يتوقف النطاق عن الانتشار؟ واقترح تجربة لاختبار تفسيرك.

حل

حل التمرين 1.11.

عند التضاعف تُقتسم الهستونات القديمة المعلَّمة بين اللولبين الوليدين وتتخلل بينها أخرى جديدة غير معلَّمة، فيكون كل نطاق وليد نصف معلَّم تقريبًا. وHP1 المرتبط بجسيم نووي معلَّم محتفَظ به يستدعي SUV39H الذي يمثيل الجيران غير المعلَّمين؛ وما دامت الجسيمات المعلَّمة كثيفة كفايةً لجلب كاتب إلى كل ثغرة، امتلأ النطاق قبل الانقسام التالي — وهي التغذية الراجعة نفسها التي ترفع $\mu$ في المبرهنة. ويتوقف الانتشار عند الحدود: بروتينات العزل (CTCF)، والمورّثات الشديدة الاستنساخ ومورّثات tRNA، والجسيمات النووية الحاملة علامات نشاط غير متوافقة (H3K4me3، الأستلة) لا يستطيع الكاتب استعمالها، والنقطة التي تسبق فيها المواحي (نازعات الميثيل، دوران HDAC) الكاتبَ. والاختبار: استدعِ HP1 عابرًا إلى مورّثة كاشفة (اندماج مع نطاق رابط لجزيء DNA يُتحكم بارتباطه بدواء)، ثم حرّره، وتابع سكوت الكاشفة وH3K9me3 عبر الانقسامات؛ وتوقّع دوامًا يتوقف على الكاتب، وزوالًا إذا طُفر الكاتب أو تثنّي القارئ، أو إذا وُضع عازل داخل النطاق.

تمرين 1.12 ★★★

تقرر دراسةٌ أن لأحفاد من عاشوا مجاعةً مثيلةً متبدلة عند مورّثة نمو وكتلةً جسمية أعلى. عدّد التفسيرات البديلة التي يجب استبعادها قبل استنتاج أن علامة مثيلة انتقلت عبر السلالة الجنسية، وقل أي تجربة في الفئران تحسم المسألة.

حل

حل التمرين 1.12.

استبعِد: البيئة المشتركة (غذاء الأحفاد أنفسهم وفقرهم)؛ والأثر الرحمي — فابنة الأم التي تعرضت للمجاعة كانت جنينًا وخلاياها الجنسية حاضرة سلفًا، فسلالة الحفيد الجنسية تعرضت تعرضًا مباشرًا والأثر ليس عابرًا للأجيال؛ والفروق الوراثية بين الأسر التي نجت وتلك التي لم تنجُ؛ والسببية العكسية (فالكتلة الجسمية نفسها تغيّر المثيلة في الدم)؛ والفروق في تركيب خلايا الدم؛ وتعدد الاختبارات على مواقع CpG كثيرة. والتجربة الفأرية: عرّض ذكورًا من الجيل F $_0$ من سلالة داخلية التزاوج (فلا سبيل رحمي)، وزاوجها بإناث غير معرَّضة أو استعمل الإلقاح خارج الجسم ونقل الأجنة، وتابع F $_2$ وF $_3$ عبر الخط الأبوي، قائسًا المثيلة في نطاف كل جيل؛ فالعلامة التي تدوم في نطاف F $_3$ وفي النمط الظاهري، في سلالة بلا تنوع وراثي، هي انتقال عبر السلالة الجنسية.

1.7 مسألة: ذاكرة مورّثة مُسكتة

مسألة 1.1

مسألة نهاية الأسبوع — جينوم بشري مرصوص في نواته، وعلامة مثيلة متابَعة عبر الانقسامات، وقطة كاليكو مقروءة خريطةً نسيلية، وأمراض منطقة مبصومة معدودة، وتنتهي إلى عدد الانقسامات التي تنجو فيها العلامة بلا تغذية راجعة وإلى حجم جمهرة الخلايا التي اختارت صبغيها X

معطيات: النواة البشرية ثنائية الصيغة تضم $6.4\times 10^{9}$ زوج قواعد، بمعدل $0.34\,\mathrm{nm}$ و $650\,\mathrm{Da}$ للزوج؛ ودورة الجسيم النووي $200\,\mathrm{bp}$ ، وكتلة ثماني الهستونات $108\,\mathrm{kDa}$ ، والجسيم اللبّي قرص قطره $11\,\mathrm{nm}$ وثخنه $5.5\,\mathrm{nm}$ . والنواة كرة قطرها $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ . والجينوم $42\,\%$ من G $+$ C. والمثيلة عند CpG عادي: $\mu = 0.99$ و $\delta = 0.02$ لكل انقسام.

الجزء الأول — الرصّ.

احسب طول DNA الكلي في النواة وعدد الجسيمات النووية.
احسب كتلة الهستون الكلية (ثمانيات فقط) وكتلة DNA، بالبيكوغرام ( $1\,\mathrm{Da} = 1.66 \times 10^{-24}\,\mathrm{g}$ ).
احسب حجم النواة والحجم الكلي للجسيمات اللبّية، معدودةً أسطوانات. ما نسبة ما تملؤه من النواة؟
لو صُفّت الجسيمات النووية طرفًا إلى طرف ليفًا قطره $10\,\mathrm{nm}$ ، فكم يبلغ طول الليف، وما نسبة الرص قياسًا إلى DNA العاري؟
يُطوى الليف في عرى طول الواحدة $200\,\mathrm{kb}$ تثبتها كوهيزين. كم عروة، وكم جسيمًا نوويًا في العروة الواحدة؟
بفرض الاستقلال، كم ثنائي نوكليوتيد CpG يحوي الجينوم ثنائي الصيغة؟ والعدد المرصود $5.6\times 10^{7}$ . ما النسبة المفقودة، وبأي آلية طفرية؟

الجزء الثاني — علامة عبر الانقسامات.

اكتب علاقة التكرار في $p_{n}$ واحسب $p^{*}$ .
موقع CpG في مروّج ممثيل تمامًا عند $n = 0$ . احسب $p_{n}$ بعد $10$ و $50$ و $200$ انقسام.
بعد كم انقسامًا ينتصف الفائض $p_{n} - p^{*}$ ؟ والخلية الجذعية النسيجية تنقسم نحو مرة في الأسبوع: كم سنة ذلك؟
يثبط دواءٌ DNMT1 تثبيطًا تامًا ( $\mu = 0$ ) ويثبط DNMT3 كذلك ( $\delta = 0$ ). بيّن أن نسبة الطاقات الممثيلة في الجمهرة تنتصف عند كل انقسام، وأوجد عدد الانقسامات اللازمة لخفض مثيلة $80\,\%$ دون $5\,\%$ .
في جزيرة مُسكتة يستدعي قرّاء CpG الممثيل مثيلة H3K9، التي تستدعي DNMT3، حتى يصير داخل الجزيرة $\mu = 0.9995$ و $\delta = 0.0005$ . أعد حساب عمر النصف للفائض، بالانقسامات وبالسنين عند انقسام واحد في الأسبوع.
فسّر في جملة واحدة لماذا تكون نتيجة السؤال 11 لا نتيجة السؤال 9 هي ما تقتضيه مورّثة مُسكتة مدى العمر، وأي ترتيب جزيئي ينتجها.

الجزء الثالث — خريطة الكاليكو.

قطة متغايرة اللواقح لمورّثة اللون البرتقالي المرتبطة بالصبغي X. فسّر لماذا لفروتها بقع برتقالية وسوداء، وما الذي تمثله البقعة الواحدة.
وقع تعطيل X حين كان عدد الخلايا المقدَّر لها أن تكوّن الجلد $N$ ، واختارت كل منها صبغي X عشوائيًا. ما احتمال أن تختار الخلايا $N$ كلها الصبغي نفسه فتعطي قطة أحادية اللون؟
لم توثَّق قطة متغايرة اللواقح أحادية اللون بين ما لعله مليار قطة؛ خذ الاحتمال $10^{-9}$ وقدّر $N$ .
مساحة جلد القطة نحو $0.3\,\mathrm{m}^{2}$ ومتوسط بقعها $15\,\mathrm{cm}^{2}$ . قدّر عدد البقع، وفسّر لماذا يفوق $N$ .
القط XXY كاليكو أيضًا. كم جسم بار تُظهر خلاياه؟ وكم في أنثى XXX وفي ذكر XY؟
المورّثة الناجية من التعطيل حاضرة بنسختين فاعلتين في الإناث وبنسخة واحدة في الذكور. أعطِ سببًا واحدًا لاحتمال التسامح مع هذه النجاة وحالةً واحدة تكون فيها ذات أثر.

الجزء الرابع — الصبغي 15.

تصيب متلازمة برادر–فيلي نحو ولادة واحدة من كل $15\,000$ ؛ و $70\,\%$ من الحالات حذف مستجد للمنطقة 15q11–q13 الأبوية، و $25\,\%$ ثنائي صيغة أمومي أحادي الأبوين. احسب تواتر كل سبب عند الولادة.
لمتلازمة أنجلمان التواتر نفسه تقريبًا؛ و $70\,\%$ منها حذوف أمومية، و $5\,\%$ ثنائيات صيغة أبوية، و $10\,\%$ طفرات نقطية في UBE3A. لماذا تكون الطفرات النقطية سببًا لأنجلمان ولا تكاد تكون سببًا لبرادر–فيلي؟
أبٌ يحمل انتقالًا متوازنًا يعطي $20\,\%$ من نطافه حذفًا للمنطقة 15q11–q13. ما نسبة أبنائه المصابين ببرادر–فيلي، وما نسبة المصابين بأنجلمان؟
ينشأ ثنائي الصيغة أحادي الأبوين حين تفقد لاقحة ثلاثية الصيغة أحد صبغياتها. إذا فقدت لاقحة ثلاثية الصبغي 15 أحد صبغياتها الثلاثة عشوائيًا، وكان التثلث آتيًا من الأم (نسختان أموميتان)، فما احتمال أن يكون للناجي ثنائي صيغة أمومي؟ وأي متلازمة؟
يُعبَّر عن مورّثات برادر–فيلي أبويًا وعن مورّثة أنجلمان أموميًا. باستعمال نظرية القرابة، قل أيّ أعراض المتلازمتين (صعوبة الرضاعة عند الولادة مقابل الشره النهم) يوافق النظرية وأيها أعسر على التوفيق.
تُقترح طريقة لعلاج أنجلمان بإعادة تنشيط UBE3A الأبوية الصامتة. وسكوتها ناجم عن RNA مضاد للمعنى يُعبَّر عنه أبويًا. اقترح الهدف الجزيئي وقل لماذا لا يخل العلاج بالمورّثات المبصومة الأخرى.
لخّص: عمر نصف العلامة بلا تغذية راجعة (السؤال 9) ومعها (السؤال 11)، بالانقسامات؛ وجمهرة التأسيس $N$ لفروة الكاليكو (السؤال 15).

حل

حل المسألة 1.1.

1. $6.4\times 10^{9}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 2.2\,\mathrm{m}$ ؛ و $6.4\times 10^{9}/200 = 3.2\times 10^{7}$ جسيم نووي. 2. الهستون: $3.2\times 10^{7}\times 1.08\times 10^{5} = 3.5\times 10^{12}$ دالتون $= 5.7\,\mathrm{pg}$ . وDNA: $6.4\times 10^{9}\times 650 = 4.2\times 10^{12}$ دالتون $= 6.9\,\mathrm{pg}$ . فالكتلتان متقاربتان. 3. النواة: $\tfrac{4}{3}\pi\,(5\,\text{µ}\mathrm{m})^{3} = 520\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ . واللبّ: $\pi\,(5.5)^{2}\times 5.5 = 520\,\mathrm{nm}^{3} = 5.2\times 10^{-7}\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ ؛ والمجموع $3.2\times 10^{7}\times 5.2\times 10^{-7} = 17\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : أي نحو $3\,\%$ من النواة. 4. $3.2\times 10^{7}\times 11\,\mathrm{nm} = 0.35\,\mathrm{m}$ ؛ ونسبة الرص $2.2/0.35 \approx 6$ . 5. $6.4\times 10^{9}/2\times 10^{5} = 32\,000$ عروة، في كل منها $1000$ جسيم نووي. 6. $0.21^{2}\times 6.4\times 10^{9} = 2.8\times 10^{8}$ ؛ والمرصود $5.6\times 10^{7}$ ، أي فُقد $80\,\%$ ، بنزع أمين 5-ميثيل سيتوزين إلى ثيمين (تحولات C $\to$ T غير مصلَحة عند CpG الممثيلة). 7. $p_{n+1} = 0.99\,p_{n} + 0.02\,(1 - p_{n}) = 0.97\,p_{n} + 0.02$ ؛ و $p^{*} = 0.02/0.03 = 0.67$ . 8. $p_{n} = 0.67 + 0.33\times 0.97^{n}$ : فعند $n = 10$ : $0.91$ ؛ وعند $n = 50$ : $0.74$ ؛ وعند $n = 200$ : $0.67$ (والفائض $7\times 10^{-4}$ ). 9. $\ln 2/(-\ln 0.97) = 22.8 \approx 23$ انقسامًا؛ وبانقسام في الأسبوع، نحو $23$ أسبوعًا — خمسة أشهر. 10. كل تضاعف يقرن طاقًا قديمًا ما زال ممثيلًا بطاق جديد لا يمثيله أي إنزيم؛ فالطاقات القديمة لا تزيد ولا تنقص، وعدد الطاقات يتضاعف، فتنتصف النسبة الممثيلة. و $0.80/2^{n} < 0.05$ تقتضي $2^{n} > 16$ : أي خمسة انقسامات ( $0.025$ ؛ وأربعة تعطي $5\,\%$ بالضبط). 11. النسبة $0.9995 - 0.0005 = 0.999$ ؛ وعمر النصف $\ln 2/(-\ln 0.999) \approx 690$ انقسامًا، أي نحو $13$ سنة بانقسام في الأسبوع. 12. المورّثة الصامتة طوال عمر يبلغ نحو $4000$ انقسام أسبوعي تحتاج إلى عمر نصف بمئات الانقسامات، وهو ما لا توفره إلا التغذية الراجعة في السؤال 11: فقرّاء العلامة (MeCP2 وHP1) يستدعون كتّابها (ميثيلاز H3K9 وDNMT3)، فينسخ نطاق كثيف من العلامات نفسه بكفاءة لا يبلغها إنزيم منفرد. 13. أحد الصبغيين X يحمل الأليل البرتقالي والآخر الأسود؛ وكل خلية جلدية أسكتت أحدهما ولا تعبّر إلا عن الآخر؛ وذرية الخلية تحفظ اختيارها، فالبقعة نسيلة (أو مجموعة نسائل متجاورة) اختارت الاختيار نفسه. 14. إما أن تختار الخلايا $N$ كلها الصبغي X الحامل للبرتقالي وإما أن تختار كلها الآخر: $2\times (1/2)^{N} = 2^{1-N}$ . 15. $2^{1-N} = 10^{-9}$ : أي $N - 1 = \log_{2} 10^{9} = 29.9$ ، أي $N \approx 30$ خلية. 16. $3000\,\mathrm{cm}^{2}/15\,\mathrm{cm}^{2} = 200$ بقعة، وهي أكثر بكثير من $30$ مؤسسًا: ففي أثناء النمو تتبعثر ذرية المؤسس الواحد بالاختلاط الخلوي والهجرة، فتكوّن النسيلة الواحدة عدة جزر (ويندمج الجاران اللذان اختارا الاختيار نفسه، وهو يعمل في الاتجاه المعاكس لكن بأثر أقل). 17. جسم بار واحد عن كل X بعد الأول: ففي XXY واحد، وفي XXX اثنان، وXY لا شيء. 18. يُتسامح مع النجاة حين يكون للمورّثة نظير وظيفي على Y، فيكون للذكور نسختان أيضًا (المورّثات شبه الجسدية وأزواج مثل KDM5C/KDM5D)؛ وتكون ذات أثر في اختلالات عدد X — ففي متلازمة تيرنر (XO) تكون المورّثات الناجية بنسخة واحدة، ولهذا لا يكون الفرد XO أنثى سوية ببساطة (قصور SHOX وقصر القامة)، وفي XXY تكون الناجيات بجرعة زائدة. 19. $1/15\,000 = 6.7\times 10^{-5}$ ؛ والحذوف $0.70\times 6.7\times 10^{-5} = 4.7\times 10^{-5}$ (واحد من $21\,000$ )؛ وثنائي الصيغة الأمومي $1.7\times 10^{-5}$ (واحد من $60\,000$ ). 20. أنجلمان فقدُ مورّثة واحدة هي UBE3A، فتكفي طفرة نقطية واحدة في الأليل الأمومي. أما برادر–فيلي ففقدُ عدة مورّثات معبَّر عنها أبويًا دفعةً واحدة (SNRPN وعنقود RNA الصغيرة)؛ والطفرة النقطية تعطّل واحدة منها فتعطي نمطًا ظاهريًا جزئيًا على أحسن تقدير، لا المتلازمة كلها. 21. $20\,\%$ من الأبناء يتلقون حذفًا أبويًا فيصابون ببرادر–فيلي؛ ولا يصاب أحد بأنجلمان، فهو يقتضي حذفًا أموميًا. 22. ثلاثة صبغيات، اثنان أموميان وواحد أبوي، يُفقد واحد عشوائيًا: فيُفقد الأبوي باحتمال $1/3$ فيبقى ثنائي صيغة أمومي وبرادر–فيلي؛ وباحتمال $2/3$ تُفقد نسخة أمومية فيكون الولد سويًا. 23. ينبغي للمورّثات الأبوية أن تزيد الطلب على الأم؛ وفقدها (برادر–فيلي) ينبغي أن يخفض الطلب — وهو ما يوافق ضعف الرضاعة وتعثر النمو عند الوليد — أما الشره النهم اللاحق فهو النقيض وأعسر على التوفيق (ومن القراءات المقترحة أن المورّثات الأبوية تدفع الولد عادةً نحو الفطام). وأنجلمان، وهو فقد مورّثة أمومية، ينبغي أن يزيد الطلب؛ فالمصّ المطوّل وكثرة الاستيقاظ ليلًا عند أطفال أنجلمان يوافقان ذلك، أما النوب الاختلاجية وفقد الكلام فلا شأن لهما بالموارد أصلًا. 24. استهدف النسخة المضادة للمعنى الأبوية (UBE3A-ATS) بقليل نوكليوتيد مضاد للمعنى يحلّلها أو يمنع استطالتها: ذلك أن UBE3A الأبوية سليمة ولا تُسكت إلا على الجانب نفسه بذلك RNA، فإزالته تعيد التعبير عنها. ولا تُمسّ مثيلة منطقة التحكم بالبصم، فتحتفظ SNRPN وسائر المورّثات المبصومة بنمطها الأبوي السوي. 25. عمر نصف العلامة: نحو $23$ انقسامًا بلا تغذية راجعة، ونحو $690$ معها؛ وفروة الكاليكو قررتها جمهرة مؤسسة من نحو $30$ خلية.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد