الطفرة وتلف الحمض النووي هما النوعان الرئيسيان من الأخطاء التي تحدث في الحمض النووي، لكنهما يختلفان اختلافًا جوهريًا. تلف الحمض النووي هو تغيير فيزيائي في بنيته، مثل انقطاع أحد أو كلا الشريطين، أو وجود بقايا غوانوزين معدلة في الحمض النووي مثل 8-هيدروكسي ديوكسي غوانوزين ، أو إضافة هيدروكربون عطري متعدد الحلقات . يمكن للإنزيمات التعرف على تلف الحمض النووي، وبالتالي يمكن إصلاحه بشكل صحيح باستخدام الشريط المكمل غير التالف في الحمض النووي كقالب، أو باستخدام تسلسل غير تالف في كروموسوم متماثل إن وُجد. إذا بقي تلف الحمض النووي في الخلية، فقد يُمنع نسخ الجين، وبالتالي قد يُمنع أيضًا ترجمته إلى بروتين. كما قد يُمنع تضاعف الحمض النووي ، و/أو قد تموت الخلية. على النقيض من تلف الحمض النووي، فإن الطفرة هي تغيير في تسلسل قواعد الحمض النووي. عادةً، لا يمكن للإنزيمات التعرف على الطفرة بمجرد وجود تغيير القاعدة في كلا شريطي الحمض النووي، وبالتالي لا يتم إصلاح الطفرة عادةً. على المستوى الخلوي، يمكن للطفرات أن تُغير وظيفة البروتين وتنظيمه. وعلى عكس تلف الحمض النووي، تتضاعف الطفرات عند انقسام الخلية. وعلى مستوى مجموعات الخلايا، يزداد أو ينقص تواتر الخلايا الحاملة للطفرات تبعًا لتأثير الطفرات على قدرة الخلية على البقاء والتكاثر. ورغم اختلافهما الواضح، إلا أن تلف الحمض النووي والطفرات مرتبطان، إذ غالبًا ما يتسبب تلف الحمض النووي في أخطاء في تخليق الحمض النووي أثناء التضاعف أو الإصلاح، وتُعد هذه الأخطاء مصدرًا رئيسيًا للطفرات. [ 7 ]
ملخص
قد تتضمن الطفرات تكرار أجزاء كبيرة من الحمض النووي، عادةً من خلال إعادة التركيب الجيني . [ 8 ] تُعدّ هذه التكرارات مصدرًا رئيسيًا للمادة الخام لتطوير جينات جديدة، حيث تتكرر عشرات إلى مئات الجينات في جينومات الحيوانات كل مليون سنة. [ 9 ] تنتمي معظم الجينات إلى عائلات جينية أكبر ذات أصل مشترك، يمكن الكشف عنها من خلال تشابه تسلسلها . [ 10 ] تُنتَج الجينات الجديدة بعدة طرق، عادةً من خلال تكرار جين سلفي وطفرته، أو عن طريق إعادة تركيب أجزاء من جينات مختلفة لتكوين تركيبات جديدة ذات وظائف جديدة. [ 11 ] [ 12 ]
قد تشمل التغيرات في عدد الكروموسومات طفراتٍ أكبر، حيث تنكسر أجزاء من الحمض النووي داخل الكروموسومات ثم تُعاد ترتيبها. على سبيل المثال، في فصيلة أشباه البشر ، اندمج كروموسومان لتكوين الكروموسوم البشري الثاني ؛ لم يحدث هذا الاندماج في سلالة القردة الأخرى ، واحتفظت هذه القردة بكروموسوماتها المنفصلة. [ 19 ] في التطور، قد يكون الدور الأهم لمثل هذه التغيرات الكروموسومية هو تسريع تباين مجموعة سكانية إلى أنواع جديدة عن طريق تقليل احتمالية التزاوج بين المجموعات السكانية، وبالتالي الحفاظ على الاختلافات الجينية بين هذه المجموعات. [ 20 ]
تتراكم الطفرات غير المميتة داخل المجمع الجيني وتزيد من مقدار التباين الجيني. [ 23 ] يمكن أن يقلل الانتقاء الطبيعي من وفرة بعض التغيرات الجينية داخل المجمع الجيني ، بينما قد تتراكم طفرات أخرى "أكثر فائدة" وتؤدي إلى تغيرات تكيفية.
على سبيل المثال، قد تُنجب فراشة ذرية تحمل طفرات جديدة. لن يكون لمعظم هذه الطفرات أي تأثير؛ لكن إحداها قد تُغير لون أحد صغار الفراشة، مما يُصعّب (أو يُسهّل) على المفترسات رؤيته. إذا كان هذا التغيير اللوني مفيدًا، فإن فرص بقاء هذه الفراشة على قيد الحياة وإنجابها ذريةً تتحسن قليلًا، ومع مرور الوقت، قد تُشكّل الفراشات التي تحمل هذه الطفرة نسبةً أكبر من مجموع الفراشات. [ 24 ]
يمكن للطفرات المفيدة أن تحسن النجاح الإنجابي. [ 28 ] [ 29 ]
الأسباب
توجد أربعة أنواع من الطفرات (1)(1) الطفرات التلقائية (التحلل الجزيئي)، (2) الطفرات الناتجة عن تجاوز التضاعف المعرض للخطأ لتلف الحمض النووي الطبيعي (يُسمى أيضًا تخليق الحمض النووي عبر الآفات المعرض للخطأ)، (3) الأخطاء التي تحدث أثناء إصلاح الحمض النووي، و(4) الطفرات المُستحثة الناتجة عن المطفرات . قد يُدخل العلماء أحيانًا طفرات عمدًا في الخلايا أو الكائنات الحية لأغراض البحث العلمي. [ 30 ]
أشارت إحدى الدراسات التي أجريت عام 2017 إلى أن 66% من الطفرات المسببة للسرطان عشوائية، و29% منها ناتجة عن البيئة (شملت الدراسة السكان من 69 دولة)، و5% منها وراثية. [ 31 ]
ينقل البشر في المتوسط 60 طفرة جديدة إلى أطفالهم، لكن الآباء ينقلون طفرات أكثر تبعاً لأعمارهم، حيث يضيف كل عام طفرتين جديدتين إلى الطفل. [ 32 ]
الطفرة التلقائية
تحدث الطفرات التلقائية باحتمالية غير معدومة حتى في الخلايا السليمة غير الملوثة. ويُقدّر حدوث تلف تأكسدي طبيعي في الحمض النووي بمعدل 10,000 مرة لكل خلية يوميًا لدى البشر، و100,000 مرة لكل خلية يوميًا لدى الفئران . [ 33 ] ويمكن تمييز الطفرات التلقائية بالتغير المحدد التالي: [ 34 ]
نزع الأمين - التحلل المائي يُغير القاعدة الطبيعية إلى قاعدة غير نمطية تحتوي على مجموعة كيتون بدلاً من مجموعة الأمين الأصلية . من الأمثلة على ذلك C → U و A → HX ( هيبوكسانثين )، والتي يمكن تصحيحها بواسطة آليات إصلاح الحمض النووي؛ و 5MeC ( 5-ميثيل سيتوزين ) → T، والتي من غير المرجح اكتشافها كطفرة لأن الثايمين قاعدة طبيعية في الحمض النووي.
عدم تطابق السلاسل المنزلقة - يحدث هذا نتيجة لانفصال السلسلة الجديدة عن القالب أثناء عملية التضاعف، ثم إعادة ارتباطها في موضع مختلف ("انزلاق"). قد يؤدي ذلك إلى إدخالات أو حذف.
تجاوز النسخ المتماثل المعرض للأخطاء
تتزايد الأدلة على أن غالبية الطفرات التي تنشأ تلقائيًا تعود إلى تضاعف الحمض النووي المعرض للخطأ ( تخليق الحمض النووي عبر الآفات ) بعد تلف الحمض النووي في السلسلة الأصلية. في الفئران ، تحدث غالبية الطفرات بسبب تخليق الحمض النووي عبر الآفات. [ 37 ] وبالمثل، في الخميرة ، وجد كونز وآخرون [ 38 ] أن أكثر من 60% من عمليات استبدال وحذف أزواج القواعد المفردة التلقائية كانت ناجمة عن تخليق الحمض النووي عبر الآفات.
الأخطاء التي تحدث أثناء إصلاح الحمض النووي
على الرغم من أن انقطاعات الحمض النووي المزدوجة تحدث بشكل طبيعي بتردد منخفض نسبيًا، إلا أن إصلاحها غالبًا ما يُسبب طفرات. يُعدّ الربط غير المتجانس للأطراف (NHEJ) مسارًا رئيسيًا لإصلاح هذه الانقطاعات. يتضمن هذا المسار إزالة بعض النيوكليوتيدات للسماح بمحاذاة غير دقيقة إلى حد ما للطرفين لإعادة الربط، يليها إضافة نيوكليوتيدات لملء الفجوات. ونتيجة لذلك، غالبًا ما يُدخل الربط غير المتجانس للأطراف طفرات. [ 39 ]
العوامل المؤلكلة (مثل N- إيثيل- N- نيتروزويوريا (ENU)). يمكن لهذه العوامل أن تُحدث طفرات في الحمض النووي أثناء تضاعفه أو عدم تضاعفه. في المقابل، لا يُمكن لنظير القاعدة أن يُحدث طفرات في الحمض النووي إلا عند دمجه في الحمض النووي أثناء تضاعفه. لكل فئة من هذه الفئات من المطفرات الكيميائية تأثيرات معينة تؤدي إلى تحولات أو تبديلات أو حذف.
يقوم حمض النيتروز بتحويل مجموعات الأمين على A و C إلى مجموعات ديازو ، مما يؤدي إلى تغيير أنماط الروابط الهيدروجينية الخاصة بها، مما يؤدي إلى اقتران القواعد غير الصحيح أثناء التضاعف.
الإشعاع المؤين . التعرض للإشعاع المؤين، مثل أشعة جاما ، يمكن أن يؤدي إلى حدوث طفرات، مما قد يؤدي إلى الإصابة بالسرطان أو الوفاة.
بينما كان يُعتقد سابقًا أن الطفرات تحدث صدفةً أو بفعل عوامل مطفرة، فقد تم اكتشاف آليات جزيئية للطفرات في البكتيريا وعبر شجرة الحياة. وكما ذكر س. روزنبرغ، "تكشف هذه الآليات عن صورة لطفرات مُنظمة بدقة، يتم تنظيمها مؤقتًا بواسطة استجابات الإجهاد، وتُفعَّل عندما تكون الخلايا/الكائنات الحية غير مُتكيفة مع بيئاتها - أي عند تعرضها للإجهاد - مما قد يُسرِّع عملية التكيف." [ 43 ] ولأنها آليات طفرية ذاتية التحفيز تزيد من معدل تكيف الكائنات الحية، فقد سُميت أحيانًا بآليات الطفرات التكيفية، وتشمل استجابة SOS في البكتيريا، [ 44 ] وإعادة التركيب الكروموسومي الداخلي غير الطبيعي [ 45 ] وأحداث كروموسومية أخرى مثل التضاعف. [ 43 ]
تصنيف الأنواع
عن طريق التأثير على الهيكل
خمسة أنواع من الطفرات الكروموسوميةأنواع الطفرات الصغيرة
يمكن تغيير تسلسل الجين بعدة طرق. [ 46 ] وتختلف تأثيرات الطفرات الجينية على الصحة تبعًا لموقع حدوثها وما إذا كانت تُغير وظيفة البروتينات الأساسية. ويمكن تصنيف الطفرات في بنية الجينات إلى عدة أنواع. [ 47 ]
قد يحدث تضخيم (أو تضاعف جيني ) أو تكرار جزء من الكروموسوم، أو وجود قطعة إضافية من كروموسوم مكسور، حيث قد تلتصق هذه القطعة بكروموسوم متماثل أو غير متماثل، مما يؤدي إلى وجود بعض الجينات بأكثر من نسختين، وبالتالي ظهور نسخ متعددة من جميع المناطق الكروموسومية، وزيادة عدد نسخ الجينات الموجودة فيها. في بعض الحالات، يتضاعف جزء فقط من الجين، مما ينتج عنه جين أقصر من الجين الأصلي. وفي حالات أخرى، يُنسخ الجين المتضاعف (أو جزء منه) ويُدرج مباشرة بعد تسلسل الحمض النووي الأصلي (تضاعف متتالي)، مما ينتج عنه جين أطول. وعلى المدى البعيد، تُهيمن هذه الظواهر التضاعفية على توزيع أطوال الجينات. [ 48 ]
تعدد الصيغ الصبغية ، وهو تكرار مجموعات كاملة من الكروموسومات، مما قد يؤدي إلى ظهور مجموعة تكاثر منفصلة ونشوء أنواع جديدة .
حذف مناطق كروموسومية كبيرة، مما يؤدي إلى فقدان الجينات الموجودة داخل تلك المناطق.
الطفرات التي يكون تأثيرها هو وضع قطع منفصلة سابقًا من الحمض النووي جنبًا إلى جنب، مما قد يؤدي إلى جمع جينات منفصلة لتشكيل جينات اندماجية متميزة وظيفيًا (على سبيل المثال، bcr-abl ).
تُعرف التغيرات واسعة النطاق في بنية الكروموسومات بإعادة ترتيب الكروموسومات ، والتي قد تؤدي إلى انخفاض اللياقة، ولكنها قد تؤدي أيضًا إلى نشوء أنواع جديدة في التجمعات السكانية المعزولة والمتزاوجة داخليًا. وتشمل هذه التغيرات ما يلي:
فقدان التغاير الزيجوتي : فقدان أحد الأليلات ، إما عن طريق الحذف أو حدث إعادة التركيب الجيني، في كائن حي كان لديه سابقًا أليلان مختلفان.
طفرات صغيرة النطاق
تؤثر الطفرات الصغيرة على الجين في نيوكليوتيد واحد أو بضعة نيوكليوتيدات. (إذا تأثر نيوكليوتيد واحد فقط، تُسمى طفرات نقطية ). تشمل الطفرات الصغيرة ما يلي:
تؤدي الحذوفات إلى إزالة نيوكليوتيد واحد أو أكثر من الحمض النووي. ومثل الإدخالات، يمكن لهذه الطفرات أن تغير إطار قراءة الجين. وبشكل عام، فهي غير قابلة للعكس: فعلى الرغم من أنه من الممكن نظريًا استعادة التسلسل نفسه تمامًا عن طريق الإدخال، إلا أن العناصر القابلة للنقل القادرة على عكس حذف قصير جدًا (مثلاً 1-2 قاعدة) في أي موقع إما أنها نادرة الوجود أو غير موجودة على الإطلاق.
تحدث طفرات الاستبدال ، التي غالبًا ما تنتج عن مواد كيميائية أو خلل في تضاعف الحمض النووي، باستبدال نيوكليوتيد واحد بآخر. [ 49 ] تُصنف هذه التغيرات إلى انتقالات أو تحولات. [ 50 ] أكثرها شيوعًا هو الانتقال الذي يستبدل بيورينًا ببيورين آخر (A ↔ G) أو بيريميدينًا ببيريميدين آخر (C ↔ T). يمكن أن يحدث الانتقال بسبب حمض النيتروز، أو عدم تطابق القواعد، أو نظائر القواعد المطفرة مثل BrdU. أما التحول فهو أقل شيوعًا، ويستبدل بيورينًا ببيريميدين أو بيريميدينًا ببيورين (C/T ↔ A/G). مثال على التحول هو تحويل الأدينين (A) إلى سيتوزين (C). الطفرات النقطية هي تعديلات على أزواج قواعد مفردة من الحمض النووي أو أزواج قواعد صغيرة أخرى داخل الجين. يمكن عكس الطفرة النقطية بطفرة نقطية أخرى، حيث يعود النيوكليوتيد إلى حالته الأصلية (انعكاس حقيقي)، أو بانعكاس موقع ثانٍ (طفرة مكملة في مكان آخر تؤدي إلى استعادة وظيفة الجين). وكما سيُناقش لاحقًا ، يمكن تصنيف الطفرات النقطية التي تحدث ضمن منطقة ترميز البروتين في الجين إلى استبدالات مترادفة وغير مترادفة ، والتي بدورها يمكن تقسيمها إلى طفرات خاطئة أو طفرات توقف .
عن طريق التأثير على تسلسل البروتين
بنية جين مُشفِّر للبروتين في حقيقيات النوى . قد تؤدي طفرة في منطقة ترميز البروتين (باللون الأحمر) إلى تغيير في تسلسل الأحماض الأمينية. أما الطفرات في مناطق أخرى من الجين فقد يكون لها تأثيرات متنوعة. كما أن التغييرات في التسلسلات التنظيمية (باللونين الأصفر والأزرق) قد تؤثر على تنظيم النسخ والترجمة للتعبير الجيني .الطفرات النقطية مصنفة حسب تأثيرها على البروتيناختيار الطفرات المسببة للأمراض، في جدول قياسي للرمز الجيني للأحماض الأمينية [ 51 ]
يعتمد تأثير الطفرة على تسلسل البروتين جزئيًا على موقعها في الجينوم، وخاصةً ما إذا كانت في منطقة ترميزية أو غير ترميزية . يمكن للطفرات في التسلسلات التنظيمية غير الترميزية للجين، مثل المحفزات والمعززات والمثبطات، أن تُغير مستويات التعبير الجيني، ولكن من غير المرجح أن تُغير تسلسل البروتين. أما الطفرات داخل الإنترونات وفي المناطق التي ليس لها وظيفة بيولوجية معروفة (مثل الجينات الكاذبة ، والعناصر المتنقلة الرجعية ) فهي محايدة عمومًا ، ولا تؤثر على النمط الظاهري، مع أن طفرات الإنترونات قد تُغير ناتج البروتين إذا أثرت على عملية تضفير الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA).
من المرجح أن تؤدي الطفرات التي تحدث في المناطق المشفرة من الجينوم إلى تغيير المنتج البروتيني، ويمكن تصنيفها حسب تأثيرها على تسلسل الأحماض الأمينية:
تحدث طفرة الإزاحة نتيجة إدخال أو حذف عدد من النيوكليوتيدات لا يقبل القسمة على ثلاثة في تسلسل الحمض النووي. ونظرًا لطبيعة التعبير الجيني الثلاثية بواسطة الكودونات، فإن الإدخال أو الحذف قد يُخلّ بإطار القراءة، أو بتجميع الكودونات، مما ينتج عنه ترجمة مختلفة تمامًا عن الترجمة الأصلية. [ 52 ] وكلما حدث الحذف أو الإدخال في موضع مبكر من التسلسل، زاد تغيّر البروتين الناتج. (على سبيل المثال، يرمز التسلسل CCU GAC UAC CUA للأحماض الأمينية برولين، وحمض الأسبارتيك، وتيروسين، وليوسين. إذا حُذف الحرف U من CCU، فسيكون التسلسل الناتج CCG ACU ACC UAx، والذي سيرمز بدلاً من ذلك للبرولين، والثريونين، والثريونين، وجزء من حمض أميني آخر أو ربما كودون توقف (حيث يرمز x إلى النيوكليوتيد التالي)). في المقابل، يُطلق على أي إدخال أو حذف يقبل القسمة على ثلاثة اسم طفرة ضمن الإطار .
تؤدي طفرة الاستبدال النقطي إلى تغيير في نيوكليوتيد واحد ويمكن أن تكون مرادفة أو غير مرادفة.
يستبدل الاستبدال المترادف كودونًا بكودون آخر يُشفّر نفس الحمض الأميني، بحيث لا يتغير تسلسل الأحماض الأمينية الناتج. تحدث الطفرات المترادفة نتيجة لطبيعة الشفرة الوراثية المتكررة . إذا لم تُؤدِّ هذه الطفرة إلى أي تأثيرات ظاهرية، تُسمى صامتة ، ولكن ليست كل الاستبدالات المترادفة صامتة. (قد تحدث أيضًا طفرات صامتة في النيوكليوتيدات خارج المناطق المشفرة، مثل الإنترونات، لأن تسلسل النيوكليوتيدات الدقيق ليس بنفس أهمية تسلسلها في المناطق المشفرة، ولكن هذه لا تُعتبر استبدالات مترادفة).
يُستبدل الكودون في الطفرة غير المترادفة بكودون آخر يُشفّر حمضًا أمينيًا مختلفًا، مما يُؤدي إلى تغيير تسلسل الأحماض الأمينية الناتج. ويمكن تصنيف الطفرات غير المترادفة إلى طفرات توقف أو طفرات خاطئة.
تُغير طفرة الاستبدال النيوكليوتيد، مما يؤدي إلى استبدال حمض أميني مختلف. وهذا بدوره قد يجعل البروتين الناتج غير وظيفي. وتُعد هذه الطفرات مسؤولة عن أمراض مثل انحلال البشرة الفقاعي ، ومرض فقر الدم المنجلي ، والتصلب الجانبي الضموري الناتج عن طفرة في جين SOD1 . [ 53 ] من ناحية أخرى، إذا حدثت طفرة استبدال في كودون حمض أميني، مما يؤدي إلى استخدام حمض أميني مختلف ولكنه مشابه كيميائيًا، فقد لا يحدث تغيير يُذكر في البروتين. على سبيل المثال، سيؤدي التغيير من AAA إلى AGA إلى ترميز الأرجينين ، وهو جزيء مشابه كيميائيًا لليسين المقصود . في هذه الحالة الأخيرة، سيكون للطفرة تأثير ضئيل أو معدوم على النمط الظاهري، وبالتالي ستكون محايدة .
الطفرة غير المنطقية هي طفرة نقطية في تسلسل الحمض النووي تؤدي إلى ظهور كودون توقف مبكر، أو كودون غير منطقي في الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) المنسوخ، وربما إلى بروتين مبتور، وغالبًا ما يكون غير وظيفي. وقد رُبط هذا النوع من الطفرات بأمراض مختلفة، مثل تضخم الغدة الكظرية الخلقي . (انظر: كودون التوقف ).
عن طريق التأثير على الوظيفة
تُصبح الطفرة طفرةً مؤثرةً على الوظيفة عندما تتغير دقة الوظائف بين البروتين المُطفر والبروتين المُتفاعل معه مباشرةً. قد تكون هذه البروتينات المُتفاعلة بروتينات أخرى، أو جزيئات، أو أحماض نووية، إلخ. هناك العديد من الطفرات التي تندرج تحت فئة الطفرات المؤثرة على الوظيفة، ولكن اعتمادًا على خصوصية التغيير، ستحدث الطفرات المذكورة أدناه. [ 54 ]
تؤدي طفرات فقدان الوظيفة، والتي تُسمى أيضًا بالطفرات المُعطِّلة، إلى انخفاض وظيفة ناتج الجين أو انعدامها (تعطيله جزئيًا أو كليًا). عندما يفقد الأليل وظيفته تمامًا ( أليل مُعطَّل )، يُطلق عليه غالبًا اسم طفرة غير شكلية أو طفرة غير شكلية في مخطط مولر للأنماط الشكلية . غالبًا ما تكون الأنماط الظاهرية المرتبطة بهذه الطفرات متنحية . ويُستثنى من ذلك حالة الكائن الحي أحادي المجموعة الكروموسومية ، أو عندما لا تكفي الجرعة المُخفَّضة من ناتج الجين الطبيعي لظهور نمط ظاهري طبيعي (يُسمى هذا قصورًا أحادي المجموعة الكروموسومية ). من أمثلة الأمراض التي تُسببها طفرة فقدان الوظيفة متلازمة جيتلمان والتليف الكيسي . [ 55 ]
تُعرف طفرات اكتساب الوظيفة، أو الطفرات المنشطة، بتغيير ناتج الجين بحيث يصبح تأثيره أقوى (تنشيط مُعزز) أو حتى يُستبدل بوظيفة مختلفة وغير طبيعية. عند ظهور الأليل الجديد، يُظهر الفرد غير المتجانس الذي يحمل الأليل الجديد بالإضافة إلى الأليل الأصلي، الأليل الجديد؛ وهذا ما يُحدد الطفرات وراثيًا على أنها أنماط ظاهرية سائدة . تتوافق العديد من أشكال مولر مع اكتساب الوظيفة، بما في ذلك الشكل المفرط (زيادة التعبير الجيني) والشكل الجديد (وظيفة جديدة).
الطفرات السائدة السلبية (وتُسمى أيضًا الطفرات المضادة للشكل) تُنتج جينًا مُعدَّلًا يعمل بشكلٍ مُضادٍّ للأليل الطبيعي. عادةً ما تُؤدي هذه الطفرات إلى تغيير في الوظيفة الجزيئية (غالبًا ما تكون غير نشطة)، وتتميز بنمط ظاهري سائد أو شبه سائد . في البشر، ارتبطت الطفرات السائدة السلبية بالسرطان (مثل الطفرات في الجينات p53 و ATM و CEBPA و PPARgamma ). متلازمة مارفان ناتجة عن طفرات في جين FBN1 ، الموجود على الكروموسوم 15 ، والذي يُشفِّر الفيبريلين-1، وهو مُكوِّن بروتيني سكري للمصفوفة خارج الخلوية . تُعد متلازمة مارفان أيضًا مثالًا على الطفرة السائدة السلبية ونقص التعبير الجيني.
تؤدي الطفرات المميتة إلى موت الكائن الحي بسرعة عند حدوثها أثناء النمو، وتسبب انخفاضًا ملحوظًا في متوسط العمر المتوقع للكائنات الحية البالغة. ومن الأمثلة على الأمراض التي تسببها طفرة مميتة سائدة مرض هنتنغتون .
الطفرات الصفرية، والمعروفة أيضًا بالطفرات غير الشكلية، هي نوع من طفرات فقدان الوظيفة التي تمنع وظيفة الجين تمامًا. تؤدي هذه الطفرة إلى فقدان كامل للعملية على المستوى الظاهري، كما أنها تمنع تكوين أي منتج جيني. يُعدّ كل من الأكزيما التأتبية ومتلازمة التهاب الجلد من الأمراض الشائعة الناتجة عن طفرة صفرية في الجين المسؤول عن تنشيط الفيلاغرين.
الطفرات الكابتة هي نوع من الطفرات التي تجعل الطفرة المزدوجة تبدو طبيعية. في هذه الطفرات، يتم كبح النشاط الظاهري لطفرة أخرى تمامًا، مما يجعل الطفرة المزدوجة تبدو طبيعية. هناك نوعان من الطفرات الكابتة: داخلية وخارجية. تحدث الطفرات الداخلية في الجين الذي حدثت فيه الطفرة الأولى، بينما تحدث الطفرات الخارجية في الجين الذي يتفاعل مع ناتج الطفرة الأولى. ومن الأمراض الشائعة الناتجة عن هذا النوع من الطفرات مرض الزهايمر . [ 56 ]
الطفرات المُستحدثة هي جزء من طفرات اكتساب الوظيفة، وتتميز بالتحكم في تخليق منتج بروتيني جديد. يحتوي الجين المُستحدث عادةً على تعبير جيني أو وظيفة جزيئية جديدة. نتيجة الطفرة المُستحدثة هي أن الجين الذي حدثت فيه الطفرة يشهد تغييراً كاملاً في وظيفته. [ 57 ]
الطفرة العكسية أو الانعكاسية هي طفرة نقطية تعيد التسلسل الأصلي وبالتالي النمط الظاهري الأصلي. [ 58 ]
حسب التأثير على اللياقة (طفرات ضارة، مفيدة، محايدة)
في علم الوراثة ، من المفيد أحيانًا تصنيف الطفرات إماضار أو مفيد(أومحايد):
ضار، أوالطفرة الضارة تقلل من قدرة الكائن الحي على البقاء. العديد من الطفرات في الجينات الأساسية ضارة، ولكن ليس كلها (إذا لم تُغير الطفرة تسلسل الأحماض الأمينية في بروتين أساسي، فهي غير ضارة في معظم الحالات).
تزيد الطفرة المفيدة أو المُحسّنة من قدرة الكائن الحي على البقاء والتكاثر. ومن الأمثلة على ذلك الطفرات التي تؤدي إلى مقاومة المضادات الحيوية في البكتيريا (وهي مفيدة للبكتيريا ولكنها عادةً ليست كذلك بالنسبة للبشر).
لا تُحدث الطفرة المحايدة أي تأثير ضار أو مفيد على الكائن الحي. تحدث هذه الطفرات بمعدل ثابت، مُشكلةً أساس الساعة الجزيئية . في النظرية المحايدة للتطور الجزيئي ، تُوفر الطفرات المحايدة الانحراف الوراثي كأساس لمعظم التباين على المستوى الجزيئي. في الحيوانات أو النباتات، تكون معظم الطفرات محايدة، نظرًا لأن الغالبية العظمى من جينوماتها إما غير مُشفِّرة أو تتكون من تسلسلات متكررة ليس لها وظيفة واضحة (" حمض نووي غير وظيفي "). [ 59 ]
تُظهر عمليات الفحص الكمي واسعة النطاق للطفرات ، والتي يتم فيها اختبار ملايين الطفرات، أن نسبة كبيرة من الطفرات لها آثار ضارة، ولكنها تُظهر دائمًا عددًا من الطفرات المفيدة أيضًا. على سبيل المثال، في فحص لجميع عمليات حذف الجينات في بكتيريا الإشريكية القولونية ، كانت 80% من الطفرات سلبية، بينما كانت 20% إيجابية، على الرغم من أن العديد منها كان له تأثير ضئيل جدًا على النمو (بحسب الظروف). [ 60 ] تتضمن عمليات حذف الجينات إزالة جينات كاملة، لذا فإن الطفرات النقطية يكون لها دائمًا تأثير أقل بكثير. في فحص مماثل في بكتيريا المكورات الرئوية ، ولكن هذه المرة مع إدخال عناصر متنقلة ، صُنفت 76% من الطفرات المُدخلة على أنها محايدة، و16% منها أظهرت انخفاضًا ملحوظًا في اللياقة، بينما كانت 6% منها مفيدة. [ 61 ]
من الواضح أن هذا التصنيف نسبي ومصطنع إلى حد ما: فقد تتحول الطفرة الضارة بسرعة إلى طفرة مفيدة عند تغير الظروف. كما يوجد تدرج من الطفرات الضارة/المفيدة إلى المحايدة، إذ قد يكون للعديد من الطفرات تأثيرات طفيفة وغير مهمة في الغالب، ولكنها تصبح ذات أهمية في ظل ظروف معينة. كذلك، تُحدد العديد من الصفات بواسطة مئات الجينات (أو المواقع الجينية)، بحيث يكون لكل موقع تأثير طفيف. على سبيل المثال، يُحدد طول الإنسان بواسطة مئات المتغيرات الجينية ("الطفرات")، ولكن لكل منها تأثير طفيف جدًا على الطول، [ 62 ] باستثناء تأثير التغذية . وقد يكون الطول (أو الحجم) بحد ذاته مفيدًا بدرجات متفاوتة، كما يتضح من التباين الكبير في أحجام مجموعات الحيوانات أو النباتات.
توزيع تأثيرات اللياقة البدنية (DFE)
بُذلت محاولات لاستنتاج توزيع تأثيرات اللياقة (DFE) باستخدام تجارب الطفرات والنماذج النظرية المطبقة على بيانات التسلسل الجزيئي. يُعدّ توزيع تأثيرات اللياقة، المستخدم لتحديد الوفرة النسبية لأنواع الطفرات المختلفة (أي الضارة بشدة، أو شبه المحايدة، أو المفيدة)، ذا صلة بالعديد من المسائل التطورية، مثل الحفاظ على التنوع الجيني ، [ 63 ] ومعدل التدهور الجينومي ، [ 64 ] والحفاظ على التكاثر الجنسي الخارجي مقابل التزاوج الداخلي ، [ 65 ] وتطور الجنس وإعادة التركيب الجيني . [ 66 ] يمكن أيضًا تتبع توزيع تأثيرات اللياقة من خلال تتبع انحراف توزيع الطفرات ذات التأثيرات الشديدة المفترضة مقارنةً بتوزيع الطفرات ذات التأثيرات الطفيفة أو المعدومة. [ 67 ] باختصار، يلعب توزيع تأثيرات اللياقة دورًا مهمًا في التنبؤ بالديناميكيات التطورية . [ 68 ] [ 69 ] وقد استُخدمت مجموعة متنوعة من المناهج لدراسة توزيع تأثيرات اللياقة، بما في ذلك الأساليب النظرية والتجريبية والتحليلية.
توزيع تأثيرات اللياقة (DFE) للطفرات في فيروس التهاب الفم الحويصلي . في هذه التجربة، أُدخلت طفرات عشوائية إلى الفيروس باستخدام تقنية الطفرات الموجهة للموقع، وقورنت لياقة كل طفرة بالنمط الأصلي. تشير اللياقة الصفرية، أو الأقل من واحد، أو الواحد، أو الأكبر من واحد، على التوالي، إلى أن الطفرات مميتة، أو ضارة، أو محايدة، أو مفيدة. [ 70 ]
يوضح هذا الشكل نسخة مبسطة من طفرات فقدان الوظيفة، وتغيير الوظيفة، واكتساب الوظيفة، والحفاظ على الوظيفة.تحليل التسلسل الجزيئي: مع التطور السريع لتقنية تسلسل الحمض النووي ، أصبح لدينا كم هائل من بيانات تسلسل الحمض النووي، وسيزداد هذا الكم في المستقبل. وقد طُوّرت طرقٌ عديدة لاستنتاج تأثير الطفرات الضارة على التنوع البيولوجي من بيانات تسلسل الحمض النووي. [ 77 ] [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] ومن خلال دراسة اختلافات تسلسل الحمض النووي داخل الأنواع وفيما بينها، نستطيع استنتاج خصائص مختلفة لتأثير الطفرات الضارة على التنوع البيولوجي للطفرات المحايدة والضارة والمفيدة. [ 23 ] وبشكلٍ أدق، يُمكّننا تحليل تسلسل الحمض النووي من تقدير تأثيرات الطفرات ذات التأثيرات الطفيفة جدًا، والتي يصعب اكتشافها من خلال تجارب الطفرات.
أجرى موتو كيمورا ، عالم الوراثة السكانية النظرية المؤثر ، إحدى أوائل الدراسات النظرية لتوزيع تأثيرات اللياقة . تقترح نظريته المحايدة للتطور الجزيئي أن معظم الطفرات الجديدة ستكون ضارة للغاية، بينما ستكون نسبة ضئيلة منها محايدة. [ 25 ] [ 81 ] وفي وقت لاحق، اقترح هيروشي أكاشي نموذجًا ثنائي النمط لتوزيع تأثيرات اللياقة، حيث تتمركز الأنماط حول الطفرات الضارة للغاية والطفرات المحايدة. [ 82 ] تتفق النظريتان على أن الغالبية العظمى من الطفرات الجديدة إما محايدة أو ضارة، وأن الطفرات المفيدة نادرة، وهو ما تدعمه النتائج التجريبية. ومن الأمثلة على ذلك دراسة أجريت على توزيع تأثيرات اللياقة للطفرات العشوائية في فيروس التهاب الفم الحويصلي . [ 70 ] من بين جميع الطفرات، كانت 39.6% مميتة، و31.2% ضارة غير مميتة، و27.1% محايدة. ومثال آخر يأتي من تجربة طفرات عالية الإنتاجية على الخميرة. [ 75 ] في هذه التجربة تبين أن DFE الإجمالي ثنائي النمط، مع مجموعة من الطفرات المحايدة، وتوزيع واسع للطفرات الضارة.
على الرغم من أن عددًا قليلًا نسبيًا من الطفرات يُعدّ مفيدًا، إلا أن تلك الطفرات المفيدة تلعب دورًا هامًا في التغيرات التطورية. [ 83 ] ومثل الطفرات المحايدة، يمكن أن تُفقد الطفرات المفيدة التي تخضع لانتقاء ضعيف نتيجةً للانحراف الوراثي العشوائي، بينما من المرجح أن تثبت الطفرات المفيدة التي تخضع لانتقاء قوي. قد يؤدي معرفة توزيع الطفرات المفيدة إلى زيادة القدرة على التنبؤ بالديناميكيات التطورية. وقد أجرى جون هـ. جيليسبي [ 84 ] وهـ . ألين أور [ 85 ] دراسات نظرية حول توزيع الطفرات المفيدة. واقترحا أن يكون توزيع الطفرات المفيدة أُسّيًا في ظل نطاق واسع من الظروف، وهو ما دعمته الدراسات التجريبية عمومًا، على الأقل بالنسبة للطفرات المفيدة التي تخضع لانتقاء قوي. [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ]
بشكل عام، من المقبول أن غالبية الطفرات إما محايدة أو ضارة، بينما الطفرات المفيدة نادرة؛ ومع ذلك، تختلف نسبة أنواع الطفرات بين الأنواع. يشير هذا إلى نقطتين مهمتين: أولاً، من المرجح أن تختلف نسبة الطفرات المحايدة فعلياً بين الأنواع، نتيجةً لاعتمادها على حجم التجمع الفعال ؛ ثانياً، يختلف متوسط تأثير الطفرات الضارة اختلافاً كبيراً بين الأنواع. [ 23 ] بالإضافة إلى ذلك، يختلف توزيع الطفرات الضارة أيضاً بين المناطق المشفرة وغير المشفرة ، حيث يحتوي توزيع الطفرات الضارة في الحمض النووي غير المشفر على طفرات ذات انتقاء أضعف. [ 23 ]
في الكائنات متعددة الخلايا ذات الخلايا التناسلية المخصصة ، يمكن تقسيم الطفرات إلى طفرات جرثومية ، والتي يمكن نقلها إلى النسل من خلال خلاياهم التناسلية، وطفرات جسدية (تسمى أيضًا الطفرات المكتسبة)، [ 89 ] والتي تشمل خلايا خارج المجموعة التناسلية المخصصة والتي لا تنتقل عادة إلى النسل.
تحتوي الكائنات ثنائية المجموعة الكروموسومية (مثل الإنسان) على نسختين من كل جين - أليل أبوي وأليل أمومي. وبناءً على حدوث الطفرات على كل كروموسوم، يمكننا تصنيف الطفرات إلى ثلاثة أنواع. الكائن البري أو المتماثل الزيجوت غير الطافر هو الكائن الذي لا يحمل أي طفرة في أي من الأليلين.
الطفرة غير المتجانسة هي طفرة في أليل واحد فقط.
الطفرة المتماثلة هي طفرة متطابقة لكل من الأليل الأبوي والأليل الأمومي.
تؤدي الطفرة الجرثومية في الخلايا التناسلية للفرد إلى طفرة وراثية في النسل، أي طفرة موجودة في كل خلية. وقد تحدث الطفرة الوراثية بعد الإخصاب بفترة وجيزة ، أو قد تستمر من طفرة وراثية سابقة لدى أحد الوالدين. [ 91 ] ويمكن أن تنتقل الطفرة الجرثومية عبر الأجيال اللاحقة من الكائنات الحية.
يُعدّ التمييز بين الطفرات الجرثومية والجسدية مهمًا في الحيوانات التي تمتلك خطًا جرثوميًا متخصصًا لإنتاج الخلايا التناسلية. مع ذلك، فإنّ هذا التمييز قليل الفائدة في فهم تأثيرات الطفرات في النباتات، التي تفتقر إلى خط جرثومي متخصص. كما أنّ هذا التمييز غير واضح في الحيوانات التي تتكاثر لا جنسيًا عبر آليات مثل التبرعم ، لأنّ الخلايا التي تُنتج الكائنات الوليدة تُنتج أيضًا الخط الجرثومي للكائن الحيّ.
تُسمى الطفرة الجرثومية الجديدة التي لم يتم توريثها من أي من الوالدين بالطفرة الجديدة (de novo) .
طفرة جسدية
يُطلق على التغير في التركيب الجيني الذي لا يُورث من أحد الوالدين، ولا ينتقل إلى النسل، اسم الطفرة الجسدية . [ 89 ] لا تُورَث الطفرات الجسدية إلى نسل الكائن الحي لأنها لا تؤثر على الخلايا الجنسية . ومع ذلك، فإنها تنتقل إلى جميع ذرية الخلية المتحولة داخل الكائن الحي نفسه أثناء الانقسام المتساوي. ولذلك، قد يحمل جزء كبير من الكائن الحي نفس الطفرة. عادةً ما تُحفَّز هذه الأنواع من الطفرات بعوامل بيئية، مثل الأشعة فوق البنفسجية أو أي تعرض لبعض المواد الكيميائية الضارة، ويمكن أن تُسبب أمراضًا بما في ذلك السرطان. [ 92 ]
في النباتات، يمكن إكثار بعض الطفرات الجسدية دون الحاجة إلى إنتاج البذور، على سبيل المثال، عن طريق التطعيم والعقل الساقية. وقد أدت هذه الأنواع من الطفرات إلى ظهور أنواع جديدة من الفاكهة، مثل تفاح "ديليشوس" وبرتقال "واشنطن" ذي السرة . [ 93 ]
تتميز الخلايا الجسدية لدى الإنسان والفأر بمعدل طفرات يزيد عن عشرة أضعاف معدل الطفرات في الخلايا الجنسية لكلا النوعين؛ إذ يُلاحظ لدى الفئران معدل طفرات أعلى في كل من الخلايا الجسدية والجنسية لكل انقسام خلوي مقارنةً بالإنسان. ويُرجح أن يعكس هذا التباين في معدل الطفرات بين الأنسجة الجنسية والجسدية الأهمية الأكبر لصيانة الجينوم في الخلايا الجنسية مقارنةً بالخلايا الجسدية. [ 94 ]
صفوف خاصة
الطفرة المشروطة هي طفرة تُظهر نمطًا ظاهريًا طبيعيًا (أو أقل حدة) في ظل ظروف بيئية "مُيسِّرة"، ونمطًا ظاهريًا طافرًا في ظل ظروف "مُقيِّدة". على سبيل المثال، قد تُسبب طفرة حساسة للحرارة موت الخلايا عند درجات حرارة عالية (ظروف مُقيِّدة)، ولكنها قد لا تُسبب أي آثار ضارة عند درجات حرارة منخفضة (ظروف مُيسِّرة). [ 95 ] هذه الطفرات غير ذاتية، إذ يعتمد ظهورها على وجود ظروف معينة، على عكس الطفرات الأخرى التي تظهر بشكل تلقائي. [ 96 ] قد تكون الظروف المُيسِّرة هي درجة الحرارة ، [ 97 ] أو بعض المواد الكيميائية، [ 98 ] أو الضوء ، [ 98 ] أو طفرات في أجزاء أخرى من الجينوم . [ 96 ] يمكن لآليات حيوية داخل الكائن الحي، مثل مفاتيح النسخ، أن تُنشئ طفرات مشروطة. على سبيل المثال، يمكن لارتباط نطاق ربط الستيرويد أن يُنشئ مفتاح نسخ يُمكنه تغيير تعبير الجين بناءً على وجود ربيطة ستيرويدية. [ 99 ] تُستخدم الطفرات المشروطة في الأبحاث لأنها تسمح بالتحكم في التعبير الجيني. وهذا مفيدٌ بشكل خاص عند دراسة الأمراض لدى البالغين، إذ يسمح بالتعبير الجيني بعد فترة نمو معينة، مما يُزيل التأثير الضار للتعبير الجيني الذي يُلاحظ خلال مراحل النمو في الكائنات النموذجية. [ 98 ] يمكن لأنظمة إعادة تركيب الحمض النووي، مثل إعادة تركيب Cre-Lox، المستخدمة مع المحفزات التي يتم تنشيطها في ظل ظروف معينة، أن تُولّد طفرات مشروطة. ويمكن استخدام تقنية إعادة التركيب المزدوجة لتحفيز طفرات مشروطة متعددة لدراسة الأمراض التي تظهر نتيجة طفرات متزامنة في جينات متعددة. [ 98 ] تم تحديد بعض الإنتينات التي لا تُربط إلا عند درجات حرارة معينة، مما يؤدي إلى تخليق بروتيني غير سليم، وبالتالي طفرات فقدان الوظيفة عند درجات حرارة أخرى. [ 100 ] يمكن أيضًا استخدام الطفرات المشروطة في الدراسات الجينية المرتبطة بالشيخوخة، حيث يمكن تغيير التعبير الجيني بعد فترة زمنية معينة من عمر الكائن الحي. [ 97 ]
لتصنيف طفرة ما، يجب الحصول على التسلسل "الطبيعي" من الحمض النووي لكائن حي "طبيعي" أو "سليم" (على عكس كائن حي "طافر" أو "مريض")، ويجب تحديده والإبلاغ عنه؛ ومن الأفضل أن يكون متاحًا للعموم لإجراء مقارنة مباشرة بين النيوكليوتيدات، وأن يحظى بموافقة المجتمع العلمي أو مجموعة من علماء الوراثة وعلماء الأحياء الخبراء ، الذين تقع على عاتقهم مسؤولية وضع التسلسل القياسي أو ما يُسمى بالتسلسل "التوافقي". تتطلب هذه الخطوة جهدًا علميًا هائلًا. بمجرد معرفة التسلسل التوافقي، يمكن تحديد الطفرات في الجينوم ووصفها وتصنيفها. وقد طورت لجنة جمعية تنوع الجينوم البشري (HGVS) التسمية القياسية لمتغيرات التسلسل البشري، [ 101 ] والتي ينبغي على الباحثين ومراكز تشخيص الحمض النووي استخدامها لإنشاء أوصاف طفرات لا لبس فيها. من حيث المبدأ، يمكن أيضًا استخدام هذه التسمية لوصف الطفرات في الكائنات الحية الأخرى. تحدد التسمية نوع الطفرة والتغيرات في القواعد أو الأحماض الأمينية.
استبدال النيوكليوتيدات (مثال: 76A>T) – يُمثل الرقم موضع النيوكليوتيد من الطرف 5'؛ الحرف الأول يُمثل النيوكليوتيد الأصلي، والحرف الثاني يُمثل النيوكليوتيد الذي حلّ محله. في المثال المذكور، استُبدل الأدينين في الموضع 76 بالثايمين.
إذا دعت الحاجة إلى التمييز بين الطفرات في الحمض النووي الجينومي ، والحمض النووي للميتوكوندريا ، والحمض النووي الريبوزي (RNA) ، يُستخدم اصطلاح بسيط. على سبيل المثال، إذا طرأ تغيير على القاعدة رقم 100 في تسلسل النيوكليوتيدات من G إلى C، يُكتب ذلك على النحو التالي: g.100G>C إذا حدثت الطفرة في الحمض النووي الجينومي، أو m.100G>C إذا حدثت في الحمض النووي للميتوكوندريا، أو r.100g>c إذا حدثت في الحمض النووي الريبوزي (RNA). تجدر الإشارة إلى أنه بالنسبة للطفرات في الحمض النووي الريبوزي (RNA)، يُكتب رمز النيوكليوتيدات بأحرف صغيرة.
استبدال الأحماض الأمينية (مثل D111E) – الحرف الأول هو رمز الحمض الأميني الأصلي، والرقم هو موقع الحمض الأميني من الطرف الأميني ، والحرف الثاني هو رمز الحمض الأميني الموجود في الطفرة. تُمثل الطفرات غير المنطقية بالحرف X للحمض الأميني الثاني (مثل D111X).
حذف حمض أميني (مثلاً، ΔF508) – يشير الحرف اليوناني Δ ( دلتا ) إلى الحذف. يشير الحرف إلى الحمض الأميني الموجود في النمط البري، بينما يشير الرقم إلى موضع الحمض الأميني من الطرف الأميني (N) لو كان موجودًا كما في النمط البري.
معدلات الطفرات
تختلف معدلات الطفرات بشكل كبير بين الأنواع، والقوى التطورية التي تحدد الطفرات بشكل عام هي موضوع بحث مستمر.
يبلغ معدل الطفرات لدى البشر حوالي 50-90 طفرة جديدة لكل جينوم في كل جيل، أي أن كل إنسان يكتسب حوالي 50-90 طفرة جديدة لم تكن موجودة لدى والديه. وقد تم تحديد هذا الرقم من خلال تسلسل آلاف العائلات البشرية المكونة من ثلاثة أفراد، أي أبوين وطفل واحد على الأقل. [ 102 ]
تعتمد جينومات فيروسات الحمض النووي الريبي (RNA) على الحمض النووي الريبي ( RNA) وليس الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA). يمكن أن يكون جينوم فيروس الحمض النووي الريبي مزدوج السلسلة (كما في الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين) أو أحادي السلسلة. في بعض هذه الفيروسات (مثل فيروس نقص المناعة البشرية أحادي السلسلة )، يحدث التضاعف بسرعة، ولا توجد آليات للتحقق من دقة الجينوم. غالبًا ما تؤدي هذه العملية المعرضة للخطأ إلى حدوث طفرات.
يختلف معدل الطفرات الجديدة، سواءً كانت وراثية أو جسدية، بين الكائنات الحية. [ 103 ] بل قد يُظهر الأفراد ضمن النوع الواحد معدلات طفرات متفاوتة. [ 104 ] عمومًا، تُعد معدلات الطفرات الجديدة منخفضة مقارنةً بالطفرات الموروثة، مما يصنفها كأشكال نادرة من التباين الجيني . [ 105 ] وقد ربطت العديد من الدراسات معدلات الطفرات الجديدة بارتفاعها مع تقدم عمر الأب. في الكائنات الحية التي تتكاثر جنسيًا، يُشير التواتر الأعلى نسبيًا لانقسامات الخلايا في الخلايا الوراثية للمتبرع بالحيوانات المنوية إلى إمكانية تتبع معدلات الطفرات الجديدة على أساس مشترك. كما أن تكرار الأخطاء أثناء عملية تضاعف الحمض النووي في تكوين الأمشاج ، وخاصةً مع الإنتاج السريع للحيوانات المنوية، يُمكن أن يُعزز فرص تضاعف الطفرات الجديدة دون تنظيم من قِبل آليات إصلاح الحمض النووي. [ 106 ] يجمع هذا الادعاء بين التأثيرات الملحوظة لزيادة احتمالية حدوث الطفرات في عملية تكوين الحيوانات المنوية السريعة ، وفترات زمنية قصيرة بين الانقسامات الخلوية تحد من كفاءة آليات الإصلاح. [ 107 ] كما يمكن أن تزداد معدلات الطفرات الجديدة التي تصيب الكائن الحي أثناء نموه مع بعض العوامل البيئية. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي شدة معينة من التعرض للعناصر المشعة إلى إلحاق الضرر بجينوم الكائن الحي، مما يزيد من معدلات الطفرات. في البشر، يُعزى ظهور سرطان الجلد خلال حياة الفرد إلى التعرض المفرط للأشعة فوق البنفسجية التي تُسبب طفرات في جينوم الخلايا والجلد. [ 108 ]
عشوائية الطفرات
يسود اعتقاد شائع بأن الطفرات عشوائية تمامًا فيما يتعلق بنتائجها (من حيث الاحتمالية). وقد ثبت خطأ هذا الاعتقاد، إذ يمكن أن يختلف معدل الطفرات بين مناطق الجينوم، ويرتبط هذا التحيز في إصلاح الحمض النووي والطفرات بعوامل مختلفة. على سبيل المثال، أثبت مونرو وزملاؤه أن الجينات الأكثر أهمية في نبات الرشاد ( Arabidopsis thaliana ) تتعرض للطفرات بمعدل أقل من الجينات الأقل أهمية. وقد أثبتوا أن الطفرة "ليست عشوائية بطريقة تفيد النبات". [ 109 ] [ 110 ] بالإضافة إلى ذلك، فقد تبين أن التجارب السابقة التي تُستخدم عادةً لإثبات عشوائية الطفرات فيما يتعلق باللياقة (مثل اختبار التذبذب واختبار الاستنساخ ) تدعم فقط الادعاء الأضعف بأن هذه الطفرات عشوائية فيما يتعلق بالقيود الانتقائية الخارجية، وليس اللياقة ككل. [ 111 ]
أسباب المرض
يمكن أن تُسبب التغيرات في الحمض النووي الناتجة عن طفرات في منطقة ترميزية أخطاءً في تسلسل البروتين، مما قد يؤدي إلى بروتينات غير وظيفية جزئيًا أو كليًا. تعتمد كل خلية، لكي تعمل بشكل صحيح، على آلاف البروتينات لتؤدي وظائفها في الأماكن والأوقات المناسبة. عندما تُغير طفرة بروتينًا يؤدي دورًا حيويًا في الجسم، قد ينتج عن ذلك حالة طبية. تشير إحدى الدراسات التي قارنت الجينات بين أنواع مختلفة من ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا) إلى أنه إذا أدت طفرة ما إلى تغيير بروتين، فمن المرجح أن تكون هذه الطفرة ضارة، حيث يُقدر أن 70% من تعدد أشكال الأحماض الأمينية له آثار ضارة، بينما تكون النسبة المتبقية إما محايدة أو ذات فائدة طفيفة. [ 6 ] تُغير بعض الطفرات تسلسل قواعد الحمض النووي للجين، لكنها لا تُغير البروتين الذي يُنتجه. أظهرت الدراسات أن 7% فقط من الطفرات النقطية في الحمض النووي غير المشفر للخميرة ضارة، و12% في الحمض النووي المشفر ضارة. أما بقية الطفرات فهي إما محايدة أو ذات فائدة طفيفة. [ 112 ]
الاضطرابات الوراثية
إذا وُجدت طفرة في خلية جرثومية ، فقد تُنتج نسلًا يحمل هذه الطفرة في جميع خلاياه. هذا هو الحال في الأمراض الوراثية. على وجه الخصوص، إذا وُجدت طفرة في جين إصلاح الحمض النووي داخل خلية جرثومية، فقد يكون لدى الأشخاص الذين يحملون هذه الطفرات الجرثومية خطر متزايد للإصابة بالسرطان. ترد قائمة تضم 34 طفرة جرثومية من هذا النوع في مقال " اضطراب نقص إصلاح الحمض النووي" . ومن الأمثلة على ذلك المهق ، وهي طفرة تحدث في جين OCA1 أو OCA2 . الأفراد المصابون بهذا الاضطراب أكثر عرضة للإصابة بأنواع عديدة من السرطانات، واضطرابات أخرى، ويعانون من ضعف البصر.
قد يتسبب تلف الحمض النووي في حدوث خطأ أثناء عملية تضاعفه، وهذا الخطأ قد يؤدي إلى طفرة جينية، والتي بدورها قد تُسبب اضطرابًا وراثيًا. يُصلح نظام إصلاح الحمض النووي في الخلية تلف الحمض النووي. تحتوي كل خلية على مسارات متعددة تتعرف من خلالها الإنزيمات على تلف الحمض النووي وتُصلحه. ونظرًا لإمكانية تلف الحمض النووي بطرق عديدة، تُعد عملية إصلاحه وسيلةً مهمةً لحماية الجسم من الأمراض. وبمجرد أن يُؤدي تلف الحمض النووي إلى حدوث طفرة، لا يُمكن إصلاح هذه الطفرة.
دورها في التسرطن
من جهة أخرى، قد تحدث طفرة في خلية جسدية للكائن الحي. ستكون هذه الطفرات موجودة في جميع الخلايا المنحدرة من هذه الخلية داخل الكائن الحي نفسه. يُعد تراكم طفرات معينة عبر أجيال الخلايا الجسدية أحد أسباب التحول الخبيث ، من خلية طبيعية إلى خلية سرطانية. [ 113 ]
قد تعمل الخلايا التي تحمل طفرات فقدان الوظيفة غير المتجانسة (نسخة سليمة من الجين ونسخة متحولة) بشكل طبيعي مع النسخة غير المتحولة إلى أن تتعرض النسخة السليمة لطفرة جسدية تلقائية. يحدث هذا النوع من الطفرات بشكل متكرر في الكائنات الحية، ولكن يصعب قياس معدل حدوثه. يُعد قياس هذا المعدل مهمًا للتنبؤ بمعدل احتمالية إصابة الأشخاص بالسرطان. [ 114 ]
قد تنشأ الطفرات النقطية من طفرات تلقائية تحدث أثناء تضاعف الحمض النووي. ويمكن أن تزيد المطفرات من معدل الطفرات. قد تكون المطفرات فيزيائية، مثل الإشعاع الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية أو الحرارة الشديدة، أو كيميائية (جزيئات تُغير مواقع أزواج القواعد أو تُخلّ بالبنية الحلزونية للحمض النووي). غالبًا ما تُدرس المطفرات المرتبطة بالسرطانات لفهم السرطان وسبل الوقاية منه.
الطفرات المفيدة والمشروطة
على الرغم من أن الطفرات التي تُحدث تغييرات في تسلسل البروتينات قد تكون ضارة بالكائن الحي، إلا أن تأثيرها قد يكون إيجابيًا في بعض الأحيان ضمن بيئة معينة. في هذه الحالة، قد تُمكّن الطفرة الكائن المُتحوّر من تحمّل ضغوط بيئية مُحددة بشكل أفضل من الكائنات البرية، أو التكاثر بسرعة أكبر. في هذه الحالات، تميل الطفرة إلى أن تصبح أكثر شيوعًا في الجماعة من خلال الانتقاء الطبيعي. مع ذلك، قد تكون الطفرة نفسها مفيدة في حالة ما وضارة في حالة أخرى. ومن الأمثلة على ذلك ما يلي:
مقاومة المضادات الحيوية : تُطوّر جميع البكتيريا تقريبًا مقاومة للمضادات الحيوية عند تعرضها لها. في الواقع، تمتلك تجمعات البكتيريا بالفعل طفرات من هذا النوع يتم اختيارها في ظل ظروف التعرض للمضادات الحيوية. [ 119 ] من الواضح أن هذه الطفرات مفيدة للبكتيريا فقط، وليست مفيدة للبكتيريا المصابة.
من خلال إدخال صفات وراثية جديدة إلى مجموعة من الكائنات الحية، تلعب الطفرات الجديدة دورًا حاسمًا في القوى المُجتمعة للتغير التطوري. ومع ذلك، غالبًا ما يُنظر إلى ثقل التنوع الجيني الناتج عن التغير الطفري على أنه قوة تطورية "ضعيفة" بشكل عام. [ 104 ] على الرغم من أن الظهور العشوائي للطفرات وحده يُوفر أساسًا للتنوع الجيني عبر جميع أشكال الحياة العضوية، إلا أنه يجب أخذ هذه القوة في الاعتبار جنبًا إلى جنب مع جميع القوى التطورية المؤثرة. تعتمد الطفرات الجديدة التلقائية، باعتبارها أحداثًا كارثية للتطور النوعي، على عوامل ناتجة عن الانتقاء الطبيعي ، والتدفق الجيني، والانحراف الوراثي . على سبيل المثال، تكون المجموعات السكانية الأصغر حجمًا ذات المدخلات الطفرية الكثيفة (معدلات الطفرات العالية) عرضة لزيادة التنوع الجيني الذي يؤدي إلى التطور النوعي في الأجيال اللاحقة. في المقابل، تميل المجموعات السكانية الأكبر حجمًا إلى رؤية تأثيرات أقل للصفات المتحولة المُدخلة حديثًا. في هذه الظروف، تُقلل قوى الانتقاء من تواتر الأليلات المتحولة، والتي غالبًا ما تكون ضارة، بمرور الوقت. [ 121 ]
الانحرافات المرضية المعوضة
تشير الانحرافات المرضية المُعوَّضة إلى بقايا الأحماض الأمينية في تسلسل بروتيني، والتي تُعدّ مُمرضة في نوعٍ ما، بينما تُعتبر من النوع البري في البروتين المُكافئ وظيفيًا في نوعٍ آخر. فعلى الرغم من أن بقايا الحمض الأميني مُمرضة في النوع الأول، إلا أنها ليست كذلك في النوع الثاني، لأن قدرتها على إحداث المرض تُعوَّض باستبدال حمض أميني واحد أو أكثر في النوع الثاني. ويمكن أن تحدث الطفرة المُعوِّضة في البروتين نفسه أو في بروتين آخر يتفاعل معه. [ 122 ]
من الأهمية بمكان فهم تأثيرات الطفرات التعويضية في سياق الطفرات الضارة الثابتة، نظرًا لانخفاض لياقة الجماعة بسبب التثبيت. [ 123 ] يشير حجم الجماعة الفعال إلى الجماعة القادرة على التكاثر. [ 124 ] وقد ارتبطت زيادة حجم هذه الجماعة بانخفاض معدل التنوع الجيني. [ 124 ] يُعد موقع الجماعة بالنسبة لحجم الجماعة الحرج المؤثر أمرًا أساسيًا لتحديد تأثير الأليلات الضارة على اللياقة. [ 123 ] إذا كان حجم الجماعة أقل من الحجم الفعال الحرج، فإن اللياقة ستنخفض بشكل كبير، أما إذا كان حجم الجماعة أعلى من الحجم الحرج المؤثر، فقد تزداد اللياقة بغض النظر عن الطفرات الضارة بفضل الأليلات التعويضية. [ 123 ]
الطفرات التعويضية في الحمض النووي الريبي
بما أن وظيفة جزيء الحمض النووي الريبوزي (RNA) تعتمد على بنيته، [ 125 ] فإن بنية جزيئات الحمض النووي الريبوزي محفوظة تطوريًا. لذلك، يجب تعويض أي طفرة تُغير البنية المستقرة لجزيئات الحمض النووي الريبوزي بطفرات تعويضية أخرى. في سياق الحمض النووي الريبوزي، يمكن اعتبار تسلسل الحمض النووي الريبوزي بمثابة "النمط الجيني"، ويمكن اعتبار بنيته بمثابة "النمط الظاهري". نظرًا لأن الحمض النووي الريبوزي يتميز بتركيب أبسط نسبيًا من البروتينات، يمكن التنبؤ ببنية جزيئات الحمض النووي الريبوزي حسابيًا بدقة عالية. وبسبب هذه السهولة، دُرست الطفرات التعويضية في محاكاة حاسوبية باستخدام خوارزميات طي الحمض النووي الريبوزي. [ 126 ] [ 127 ]
آلية التعويض التطورية
يمكن تفسير الطفرات التعويضية بظاهرة التفاعل الجيني (التفاعل بين الجينات)، حيث يعتمد التأثير الظاهري لطفرة ما على طفرات في مواقع جينية أخرى. وبينما طُورت هذه الظاهرة في الأصل في سياق التفاعل بين جينات مختلفة، فقد دُرست التفاعلات داخل الجين الواحد مؤخرًا. [ 128 ] ويمكن تفسير وجود انحرافات مرضية مُعوَّضة بـ"التفاعل بين الإشارات"، حيث يمكن تعويض آثار طفرة ضارة بوجود طفرة مُعوِّضة في موقع جيني آخر. بالنسبة لبروتين معين، يمكن النظر في طفرة ضارة (D) وطفرة تعويضية (C)، حيث يمكن أن تكون C في نفس البروتين الذي توجد فيه D أو في بروتين متفاعل مختلف حسب السياق. قد يكون تأثير C على اللياقة محايدًا أو ضارًا إلى حد ما بحيث يمكن أن يظل موجودًا في المجموعة، بينما يكون تأثير D ضارًا لدرجة أنه لا يمكن أن يوجد في المجموعة. ومع ذلك، عندما تتواجد C وD معًا، يصبح تأثير اللياقة المُجتمع محايدًا أو إيجابيًا. [ 122 ] وبالتالي، يمكن للطفرات التعويضية أن تُضفي طابعًا جديدًا على البروتينات من خلال شق مسارات جديدة لتطور البروتين : فهي تسمح للأفراد بالانتقال من ذروة لياقة إلى أخرى عبر وديان اللياقة المنخفضة. [ 128 ]
قدم ديبريستو وآخرون (2005) نموذجين لتفسير ديناميكيات الانحرافات المرضية التعويضية (CPD). [ 129 ] في الفرضية الأولى، يُمثل P طفرة حمض أميني ممرضة، بينما يُمثل C طفرة تعويضية محايدة. [ 129 ] في ظل هذه الظروف، إذا ظهرت الطفرة الممرضة بعد طفرة تعويضية، فقد تثبت P في المجموعة. [ 129 ] أما النموذج الثاني للانحرافات المرضية التعويضية فينص على أن P وC كلاهما طفرات ضارة تؤدي إلى انخفاضات في اللياقة عند حدوث الطفرات في آن واحد. [ 129 ] باستخدام بيانات متاحة للعموم، حصل فيرير-كوستا وآخرون (2007) على مجموعات بيانات للطفرات التعويضية والطفرات الممرضة البشرية، وتم توصيفها لتحديد أسباب الانحرافات المرضية التعويضية. [ 130 ] تشير النتائج إلى أن القيود الهيكلية والموقع في بنية البروتين هما ما يحددان حدوث الطفرات التعويضية. [ 130 ]
أدلة تجريبية على الطفرات التعويضية
تجربة على البكتيريا
اختبر لونزر وآخرون [ 131 ] نتائج استبدال الأحماض الأمينية المتباينة بين بروتينين متماثلين من إنزيم نازع هيدروجين إيزوبروبيل مالات (IMDH). استبدلوا 168 حمضًا أمينيًا في إنزيم IMDH لبكتيريا الإشريكية القولونية ، وهي أحماض أمينية طبيعية في إنزيم IMDH لبكتيريا الزائفة الزنجارية . ووجدوا أن أكثر من ثلث هذه الاستبدالات أضعفت النشاط الإنزيمي لإنزيم IMDH في الخلفية الجينية للإشريكية القولونية . وهذا يُظهر أن تطابق الأحماض الأمينية قد يؤدي إلى حالات ظاهرية مختلفة تبعًا للخلفية الجينية. كما أوضح كوريجان وآخرون (2011) كيف استطاعت بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية النمو بشكل طبيعي في غياب حمض الليبوتيكويك بفضل الطفرات التعويضية. [ 132 ] كشفت نتائج تسلسل الجينوم الكامل أنه عند تعطيل إنزيم فوسفودايستراز ثنائي AMP الحلقي (GdpP) في هذه البكتيريا، فإنه يعوض عن اختفاء بوليمر جدار الخلية، مما يؤدي إلى نمو الخلية بشكل طبيعي. [ 132 ]
أظهرت الأبحاث أن البكتيريا قد تكتسب مقاومة للأدوية من خلال طفرات تعويضية لا تؤثر بشكل كبير على قدرتها على البقاء أو يكون تأثيرها ضئيلاً. [ 133 ] وقد وجدت دراسة سابقة أجراها غانيو وآخرون عام 2006 أن سلالات المتفطرة السلية المُستزرعة مخبرياً والمقاومة للريفامبيسين تعاني من انخفاض في قدرتها على البقاء، بينما لا تعاني السلالات السريرية المقاومة للأدوية من هذه البكتيريا الممرضة من انخفاض في قدرتها على البقاء. [ 134 ] استخدم كوماس وآخرون عام 2012 مقارنات الجينوم الكامل بين السلالات السريرية والطفرات المُستخلصة مخبرياً لتحديد دور ومساهمة الطفرات التعويضية في مقاومة الريفامبيسين. [ 133 ] وكشف تحليل الجينوم أن السلالات المقاومة للريفامبيسين تحمل طفرة في جيني rpoA وrpoC. [ 133 ] وقد بحثت دراسة مماثلة قدرة البكتيريا على البقاء المرتبطة بالطفرات التعويضية في بكتيريا الإشريكية القولونية المقاومة للريفامبيسين . [ 135 ] تُظهر النتائج التي تم الحصول عليها من هذه الدراسة أن مقاومة الأدوية مرتبطة باللياقة البكتيرية، حيث ترتبط تكاليف اللياقة الأعلى بزيادة أخطاء النسخ. [ 135 ]
تجربة على الفيروس
قام غونغ وآخرون [ 136 ] بجمع بيانات النمط الجيني لبروتين النوكليوبروتين الخاص بفيروس الإنفلونزا من فترات زمنية مختلفة، ورتبوها زمنيًا وفقًا لوقت نشأتها. ثم عزلوا 39 استبدالًا للأحماض الأمينية حدثت في فترات زمنية مختلفة، واستبدلوها في خلفية جينية تُقارب النمط الجيني الأصلي. ووجدوا أن 3 من هذه الاستبدالات الـ 39 قللت بشكل ملحوظ من كفاءة الخلفية الأصلية. الطفرات التعويضية هي طفرات جديدة تنشأ ولها تأثير إيجابي أو محايد على كفاءة التجمعات السكانية. [ 137 ] وقد أظهرت الأبحاث السابقة أن التجمعات السكانية قادرة على تعويض الطفرات الضارة. [ 122 ] [ 137 ] [ 138 ] اختبر بورش وتشاو نموذج فيشر الهندسي للتطور التكيفي من خلال اختبار ما إذا كان العاثي φ6 يتطور بخطوات صغيرة. [ 139 ] أظهرت نتائجهم أن كفاءة العاثية φ6 انخفضت بسرعة ثم تعافت تدريجيًا. [ 139 ] وقد ثبت أن البروتينات النووية الفيروسية تتجنب الخلايا اللمفاوية التائية السامة (CTLs) من خلال استبدال الأرجينين بالجليسين. [ 140 ] تؤثر طفرات الاستبدال هذه على كفاءة البروتينات النووية الفيروسية، إلا أن الطفرات التعويضية المصاحبة تعيق انخفاض الكفاءة وتساعد الفيروس على تجنب التعرف عليه من قبل الخلايا اللمفاوية التائية السامة. [ 140 ] يمكن أن يكون للطفرات ثلاثة تأثيرات مختلفة؛ فقد يكون لها تأثيرات ضارة، وبعضها يزيد الكفاءة من خلال الطفرات التعويضية، وأخيرًا قد تكون الطفرات متوازنة مما يؤدي إلى طفرات محايدة تعويضية. [ 141 ] [ 135 ] [ 134 ]
التطبيق في التطور البشري والأمراض
في الجينوم البشري، دُرست وتيرة وخصائص الطفرات الجديدة كعوامل سياقية مهمة في تطورنا. بالمقارنة مع الجينوم البشري المرجعي، يختلف الجينوم البشري النموذجي بحوالي 4.1 إلى 5.0 مليون موقع جيني، وتشترك غالبية هذا التنوع الجيني مع ما يقرب من 0.5% من السكان. [ 142 ] يحتوي الجينوم البشري النموذجي أيضًا على ما بين 40,000 و200,000 متغير نادر، لوحظت في أقل من 0.5% من السكان، والتي لا يمكن أن تكون قد حدثت إلا نتيجة طفرة جديدة واحدة على الأقل في الخلايا الجرثومية خلال تاريخ التطور البشري. [ 143 ] كما دُرست الطفرات الجديدة باعتبارها تلعب دورًا حاسمًا في استمرار الأمراض الوراثية لدى البشر. مع التطورات الحديثة في تقنيات التسلسل الجيني من الجيل التالي (NGS)، أصبح من الممكن دراسة جميع أنواع الطفرات الجديدة داخل الجينوم بشكل مباشر، مما يوفر فهمًا عميقًا لأسباب الاضطرابات الوراثية النادرة والشائعة على حد سواء. حالياً، يُقدّر معدل الطفرات الجينية في الخلايا الجرثومية البشرية بـ 1.18 × 10^-8، أي ما يقارب 78 طفرة جديدة لكل جيل. وتتيح إمكانية إجراء تسلسل الجينوم الكامل للآباء والأبناء مقارنة معدلات الطفرات بين الأجيال، مما يُضيّق نطاق الاحتمالات المتعلقة بأصل بعض الاضطرابات الوراثية. [ 144 ]
↑ مونتيلون، بكالوريوس (1998). "الطفرة، والمطفرات، وإصلاح الحمض النووي" . www-personal.ksu.edu . مؤرشف من الأصل في 26 سبتمبر 2015. تم الاطلاع عليه في 2 أكتوبر 2015 .
1 2 "الطفرة الجينية في الخلايا الجسدية" . قاموس الجينوم . أثينا، اليونان: جمعية تكنولوجيا المعلومات. 30 يونيو 2007. مؤرشف من الأصل في 24 فبراير 2010. تم الاسترجاع في 6 يونيو 2010 .
↑ "متغاير الزيجوت المركب" . MedTerms . نيويورك: WebMD . 14 يونيو 2012. مؤرشف من الأصل في 4 مارس 2016. تم الاطلاع عليه في 9 أكتوبر 2015 .
↑ " علم الوراثة RB1 " . صندوق ديزي لسرطان العين . أكسفورد، المملكة المتحدة. مؤرشف من الأصل في 26 نوفمبر 2011. تم الاطلاع عليه في 9 أكتوبر 2015 .
1 2 تشادوف، ب. ف.، فيدوروفا، ن. ب.، تشادوفا، إ. ف. (1 يوليو 2015). "الطفرات المشروطة في ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا ميلانوجاستر): بمناسبة الذكرى المئوية والخمسين لتقرير ج. مندل في برنو". مجلة أبحاث الطفرات/مراجعات في أبحاث الطفرات . 765 : 40-55 . Bibcode : 2015MRRMR.765...40C . doi : 10.1016/j.mrrev.2015.06.001 . PMID 26281767 .
1 2 لانديس جي، بهول دي، لو إل، تاور جيه (يوليو 2001). "التوليد عالي التردد للطفرات المشروطة التي تؤثر على نمو ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا ميلانوجاستر) وعمرها" . علم الوراثة . 158 (3): 1167-1176 . doi : 10.1093/genetics/158.3.1167 . PMC 1461716. PMID 11454765. مؤرشف من الأصل في 22 مارس 2017. تم الاسترجاع في 21 مارس 2017 .
↑ بارتليت، ج. (2023). "العشوائية فيما يتعلق باللياقة أم الانتقاء الخارجي؟ تمييز مهم ولكنه غالبًا ما يُتجاهل". مجلة أكتا بيوثيوريتيكا . 71 (2) 12. doi : 10.1007/s10441-023-09464-8 . PMID 36933070. S2CID 257585761 .
↑ "لغز الموت الأسود" . أسرار الموتى . الموسم 3. الحلقة 2. 30 أكتوبر 2002. PBS . مؤرشف من الأصل في 12 أكتوبر 2015. تم الاطلاع عليه في 10 أكتوبر 2015 .خلفية الحلقة.