ناقل الحمض النووي

تنتقل عناصر النقل الجيني (الترانسبوزونات) في الجينوم تقليديًا عبر آلية القص واللصق. يتطلب هذا النظام إنزيم الترانسبوزاز الذي يحفز حركة الحمض النووي من موقعه الحالي في الجينوم وإدخاله في موقع جديد. تتطلب عملية النقل الجيني ثلاثة مواقع على الحمض النووي في عنصر النقل : موقعان عند كل طرف من أطرافه، يُطلق عليهما التكرارات المقلوبة الطرفية ، وموقع واحد في الموقع المستهدف. يرتبط إنزيم الترانسبوزاز بالتكرارات المقلوبة الطرفية لعنصر النقل الجيني، ويُحفز عملية التشابك بين طرفيه. بعد ذلك، يفصل إنزيم الترانسبوزاز العنصر عن الحمض النووي المحيط بموقع المانح الأصلي، ويُحفز تفاعل الربط الذي يربط عنصر النقل الجيني بموقع الإدخال الجديد. يؤدي إدخال الحمض النووي الجديد في الموقع المستهدف إلى ظهور فجوات قصيرة على جانبي الجزء المُدخل. ^{[ 10 ]} تقوم أنظمة الخلية المضيفة بإصلاح هذه الفجوات، مما ينتج عنه تكرار التسلسل المستهدف (TSD)، وهو ما يميز عملية النقل الجيني. في العديد من التفاعلات، يُستأصل العنصر المتحرك بالكامل من موقع المانح فيما يُعرف بعملية "القص واللصق" ^{[ 11 ]} ، ويُدمج في الحمض النووي المستهدف لتكوين إدخال بسيط. وفي بعض الأحيان، تُنسخ مادة وراثية لم تكن موجودة أصلاً في العنصر المتحرك وتُنقل أيضاً.

الهيليترونات هي أيضًا مجموعة من العناصر القابلة للنقل من الفئة الثانية في حقيقيات النوى. لا تتبع الهيليترونات آلية "القص واللصق" التقليدية، بل يُفترض أنها تتحرك في الجينوم عبر آلية دائرية متدحرجة. تتضمن هذه العملية إحداث قطع في شريط دائري بواسطة إنزيم، مما يفصل الحمض النووي إلى شريطين مفردين. يبقى بروتين البدء مرتبطًا بمجموعة الفوسفات 5' على الشريط المقطوع، كاشفًا مجموعة الهيدروكسيل 3' للشريط المكمل. يسمح هذا لإنزيم البوليميراز ببدء التضاعف على الشريط غير المقطوع. في النهاية، يتضاعف الشريط بأكمله، وعندها ينفصل الحمض النووي المُصنّع حديثًا ويتضاعف بالتوازي مع شريط القالب الأصلي. ^{[ 12 ]} تشفر الهيليترونات بروتينًا غير معروف يُعتقد أن له وظيفة إندونوكلياز HUH بالإضافة إلى نشاط هيليكاز من 5' إلى 3' . يقوم هذا الإنزيم بقطع أحادي السلسلة في الحمض النووي، مما يفسر غياب تكرارات مواقع الهدف الموجودة في الهيليترونات. كما كانت الهيليترونات أول فئة من العناصر القابلة للنقل يتم اكتشافها حاسوبياً، وقد مثّلت نقلة نوعية في طريقة دراسة الجينومات الكاملة. ^{[ 13 ]}

تُعدّ البولينتونات مجموعة من عناصر النقل الجيني من الفئة الثانية في حقيقيات النوى. وباعتبارها من أكثر عناصر النقل الجيني تعقيدًا في حقيقيات النوى، فإنها تُشكّل جينومات الطلائعيات والفطريات والحيوانات، مثل الأميبا وصدأ فول الصويا والدجاج على التوالي . تحتوي البولينتونات على جينات ذات تشابه مع البروتينات الفيروسية ، والتي غالبًا ما توجد في جينومات حقيقيات النوى ، مثل البوليميراز والإنزيم المدمج للفيروسات القهقرية . مع ذلك، لا يوجد بروتين معروف يُشابه وظيفيًا بروتينات الغلاف أو القفيصة الفيروسية . تشترك البولينتونات في العديد من خصائصها البنيوية مع البلازميدات الخطية والعاثيات والفيروسات الغدية ، التي تتضاعف باستخدام بوليميرازات الحمض النووي المعتمدة على البروتين. وقد اقتُرح أن البولينتونات تخضع لعملية تخليق ذاتي مماثلة بواسطة بوليميرازها. يبلغ طول البولينتونات 15-20 كيلوبايت، وتُشفّر ما يصل إلى 10 بروتينات فردية. للتضاعف ، تستخدم هذه العناصر بوليميراز الحمض النووي B المُحفَّز بالبروتين، وإنزيم التكامل الفيروسي ، وبروتياز السيستين ، وإنزيم ATPase . أولًا، أثناء تضاعف جينوم الخلية المضيفة، يُستأصل عنصر بولينتون أحادي السلسلة خارج الكروموسوم من الحمض النووي للخلية المضيفة باستخدام إنزيم التكامل، مُشكِّلًا بنيةً شبيهةً بالمضرب. ثانيًا، يخضع عنصر بولينتون للتضاعف باستخدام بوليميراز الحمض النووي B، حيث يبدأ التضاعف بواسطة بروتين طرفي، قد يكون مُشفَّرًا في بعض البلازميدات الخطية. بمجرد تكوين عنصر بولينتون ثنائي السلسلة، يقوم إنزيم التكامل بإدخاله في جينوم الخلية المضيفة. تُظهر عناصر بولينتون تباينًا كبيرًا بين الأنواع المختلفة، وقد تخضع لتنظيم دقيق، مما يؤدي إلى انخفاض معدل تكرارها في العديد من الجينومات. ^{[ 14 ]}

اكتشفت باربرا مكلينتوك ووصفت لأول مرة عناصر النقل الجيني (الترانسبوزونات) في نبات الذرة (Zea mays) خلال أربعينيات القرن العشرين ، ^{[ 19 ]} وهو إنجازٌ نالت عنه جائزة نوبل عام 1983. وصفت مكلينتوك نظام Ac/Ds حيث كانت وحدة Ac (المنشط) مستقلة الحركة، بينما كانت وحدة Ds الجينومية بحاجة إلى وجود المنشط لكي تتحرك. يُعد هذا العنصر من أكثر العناصر الجينية وضوحًا من الناحية البصرية، إذ كان قادرًا على تغيير لون الذرة من الأصفر إلى البني/البقعي على حباتها.

تم وصف عنصر النقل Mariner /Tc1 ، الموجود في العديد من الحيوانات والذي دُرِسَ في ذبابة الفاكهة، لأول مرة من قِبَل جاكوبسون وهارتل. ^{[ 20 ]} يُعرف عنصر Mariner بقدرته على الاستئصال والإدخال الأفقي في كائن حي جديد. ^{[ 21 ]} وقد وُجِدَت آلاف النسخ من هذا العنصر متناثرة في الجينوم البشري، وكذلك في جينومات حيوانات أخرى.

تمت دراسة عناصر النقل Hobo في ذبابة الفاكهة على نطاق واسع نظراً لقدرتها على التسبب في خلل تكوين الغدد التناسلية . ^{[ 22 ]} يؤدي إدخال التسلسلات الشبيهة بـ Hobo والتعبير اللاحق عنها إلى فقدان الخلايا الجرثومية في غدد الذباب النامية.

تُعدّ العناصر المتحركة البكتيرية فعّالة بشكل خاص في تسهيل انتقال الجينات الأفقي بين الكائنات الدقيقة. ويُسهّل هذا الانتقال نقل وتراكم جينات مقاومة المضادات الحيوية . في البكتيريا، تستطيع العناصر المتحركة الانتقال بسهولة بين الجينوم الكروموسومي والبلازميدات . في دراسة أجراها ديفود وآخرون عام ١٩٨٢، تم عزل سلالة من بكتيريا أسينيتوباكتر مقاومة للعديد من الأدوية وفحصها. أشارت الأدلة إلى انتقال بلازميد إلى البكتيريا، حيث تم نقل جينات المقاومة إلى الجينوم الكروموسومي. ^{[ ٢٣ ]}

قد تؤثر العناصر المتحركة على تعزيز التنوع الجيني للعديد من الكائنات الحية. إذ يمكن لهذه العناصر أن تدفع تطور الجينومات من خلال تعزيز إعادة تموضع أجزاء من تسلسل الحمض النووي. ونتيجة لذلك، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تغيير المناطق التنظيمية للجينات والأنماط الظاهرية. ^{[ 24 ]} اكتشفت باربرا مكلينتوك العناصر المتحركة عندما لاحظت أن هذه العناصر قادرة على تغيير لون نباتات الذرة التي كانت تدرسها، مما قدم دليلاً سريعاً على إحدى نتائج حركة هذه العناصر. ^{[ 25 ]} ومن الأمثلة الأخرى عنصر Tol2 المتحرك في أسماك الميداكا، والذي يُعتقد أنه ناتج عن تنوع أنماط التصبغ فيها. ^{[ 26 ]} تُظهر هذه الأمثلة أن العناصر المتحركة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على عملية التطور من خلال إحداث تغييرات سريعة في الجينوم.

يشير النقل الأفقي إلى انتقال معلومات الحمض النووي بين خلايا الكائنات الحية المختلفة. وقد يشمل هذا النقل انتقال عناصر قابلة للنقل (TEs) من كائن حي إلى جينوم كائن حي آخر. يسمح هذا الإدخال للعنصر القابل للنقل بأن يصبح جينًا نشطًا في الكائن المضيف الجديد. تستخدم عناصر النقل الحمضية (DNA transposons) النقل الأفقي لمنع تعطيلها وفقدانها الكامل. يُطلق على هذا التعطيل اسم التعطيل الرأسي، أي أن عنصر النقل الحمضي يصبح غير نشط ويبقى كأحفورة. هذا النوع من النقل ليس الأكثر شيوعًا، ولكنه لوحظ في حالة بروتين ضراوة القمح ToxA، الذي انتقل بين مسببات الأمراض الفطرية المختلفة Parastagonospora nodorum و Pyrenophora tritici-repentis و Bipolaris sorokiniana. ^{[ 29 ]} تشمل الأمثلة الأخرى النقل بين القشريات البحرية ، والحشرات من رتب مختلفة ، والكائنات الحية من شعب مختلفة ، مثل البشر والديدان الأسطوانية . ^{[ 30 ]}

على الرغم من أن إعادة تركيب V(D)J ليست عنصرًا متحركًا في الحمض النووي، إلا أنها تشبه إلى حد كبير العناصر المتحركة . تُعد إعادة تركيب V(D)J العملية التي تُنتج التباين الكبير في مواقع ارتباط الأجسام المضادة. في هذه الآلية، يُعاد تركيب الحمض النووي لخلق تنوع جيني. ^{[ 32 ]} لهذا السبب، يُفترض أن هذه البروتينات، وخاصة Rag1 و Rag2 ^{[ 33 ]،} مشتقة من عناصر متحركة. ^{[ 34 ]}

تشير الأدلة إلى أن ما لا يقل عن 40 عائلة من عناصر النقل الجيني في الحمض النووي البشري كانت نشطة خلال تطور الثدييات وسلالة الرئيسيات المبكرة. ثم حدث توقف مؤقت في نشاط النقل الجيني خلال الجزء الأخير من تطور الرئيسيات، مع توقف تام لحركة عناصر النقل الجيني في سلف الرئيسيات العليا. لا يوجد دليل على وجود أي عنصر قابل للنقل الجيني أحدث من حوالي 37 مليون سنة. ^{[ 35 ]}