التجزئة (علم الأحياء الخلوي)

يُشير مصطلح التجزئة إلى عملية انقسام الخلية إلى عدة أجزاء أو شظايا. في علم الأحياء الخلوي ، تُعدّ التجزئة مفيدة للخلية خلال كلٍّ من استنساخ الحمض النووي (DNA) والاستماتة الخلوية. يُعدّ استنساخ الحمض النووي مهمًا في التكاثر اللاجنسي أو إنتاج جزيئات DNA متطابقة، ويمكن أن يحدث تلقائيًا بواسطة الخلية أو عمدًا بواسطة الباحثين في المختبر. أما الاستماتة الخلوية فهي التدمير المُبرمج للخلايا وجزيئات DNA الموجودة بداخلها، وهي عملية مُنظّمة بدقة. تُوضّح هاتان الطريقتان اللتان تُستخدم فيهما التجزئة في العمليات الخلوية الوظائف الخلوية الطبيعية والإجراءات المختبرية الشائعة التي تُجرى على الخلايا. مع ذلك، قد تُسبّب بعض المشاكل داخل الخلية تجزئةً تُؤدّي إلى اضطرابات مثل تجزئة خلايا الدم الحمراء وتجزئة الحمض النووي للحيوانات المنوية.

يمكن للخلايا استنساخ الحمض النووي تلقائيًا لأغراض التكاثر. وهذا شكل من أشكال التكاثر اللاجنسي، حيث ينقسم الكائن الحي إلى أجزاء، ثم يتطور كل جزء منها إلى فرد بالغ مكتمل النمو، وهو نسخة طبق الأصل من الكائن الأصلي (انظر: تجزئة التكاثر ). كما يمكن للباحثين في المختبرات إجراء استنساخ الحمض النووي عمدًا. في هذه الحالة، تُعد تجزئة الحمض النووي تقنية وراثية جزيئية تسمح للباحثين باستخدام تقنية الحمض النووي المؤتلف لتحضير أعداد كبيرة من جزيئات الحمض النووي المتطابقة. ولإتمام عملية استنساخ الحمض النووي، من الضروري الحصول على مناطق صغيرة منفصلة من الحمض النووي للكائن الحي، والتي تُشكل جينات محددة . ولا يمكن استنساخ سوى جزيئات الحمض النووي الصغيرة نسبيًا في أي ناقل متاح . لذلك، يجب تقسيم جزيئات الحمض النووي الطويلة التي تُكوّن جينوم الكائن الحي إلى أجزاء يمكن إدخالها في الحمض النووي للناقل. ^{[ 1 ]} يُسهّل إنزيمان إنتاج جزيئات الحمض النووي المؤتلف هذه:

1. إنزيمات التقييد

إنزيمات التقييد هي نوكليازات داخلية تنتجها البكتيريا، وتتعرف عادةً على تسلسلات صغيرة من أزواج القواعد (تُسمى مواقع التقييد )، ثم تقطع كلا شريطي الحمض النووي عند هذا الموقع. ^{[ 2 ]} موقع التقييد عادةً ما يكون تسلسلًا متناظرًا ، مما يعني أن تسلسل موقع التقييد يكون متطابقًا على كل شريط من شريطي الحمض النووي عند قراءته في الاتجاه من 5' إلى 3'.

لكل إنزيم تقييد، تُنتج البكتيريا أيضًا إنزيم تعديل لحماية الحمض النووي الخاص بها من التلف. ويتم ذلك بتعديل الحمض النووي للبكتيريا المضيفة عند أو بالقرب من كل موقع قطع محتمل. يُضيف إنزيم التعديل مجموعة ميثيل إلى قاعدة واحدة أو قاعدتين، ويمنع وجود هذه المجموعة إنزيم التقييد من قطع الحمض النووي. ^{[ 3 ]}

تُحدث العديد من إنزيمات التقييد قطعًا متداخلة في سلسلتي الحمض النووي عند موقع التعرف الخاص بها، مما يُنتج شظايا ذات "ذيل" أحادي السلسلة يتدلى من كلا الطرفين، ويُسمى الطرف اللاصق. كما يمكن لإنزيمات التقييد أن تُحدث قطعًا مستقيمة في سلسلتي الحمض النووي عند موقع التعرف الخاص بها، مما يُنتج نهايات غير لاصقة. ^{[ 4 ]}

2. إنزيم ربط الحمض النووي

أثناء عملية تضاعف الحمض النووي الطبيعية ، يحفز إنزيم ربط الحمض النووي (DNA ligase) عملية ربط طرفي (ربط) أجزاء قصيرة من الحمض النووي، تُسمى أجزاء أوكازاكي . ولأغراض استنساخ الحمض النووي، يُستخدم إنزيم ربط الحمض النووي النقي لربط طرفي قطعة التقييد وحمض نووي ناقل لهما نهايات متكاملة بروابط تساهمية. ويتم ربطهما معًا بروابط فوسفاتية ثنائية الإستر قياسية من 3' إلى 5' في الحمض النووي. ^{[ 5 ]}

يستطيع إنزيم ربط الحمض النووي ربط النهايات اللزجة والنهايات غير اللزجة المتكاملة ، إلا أن ربط النهايات غير اللزجة غير فعال ويتطلب تركيزًا أعلى من كلٍّ من الحمض النووي وإنزيم ربط الحمض النووي مقارنةً بربط النهايات اللزجة. ^{[ 6 ]} لهذا السبب، تُجري معظم إنزيمات التقييد المستخدمة في استنساخ الحمض النووي قطعًا متداخلة في خيوط الحمض النووي لتكوين نهايات لزجة.

يكمن مفتاح استنساخ قطعة من الحمض النووي في ربطها بجزيء ناقل من الحمض النووي قادر على التضاعف داخل الخلية المضيفة. بعد إدخال جزيء واحد من الحمض النووي المؤتلف (يتكون من ناقل وقطعة من الحمض النووي مُدرجة) إلى الخلية المضيفة، يمكن تضاعف الحمض النووي المُدرج مع الناقل، مما يُنتج عددًا كبيرًا من جزيئات الحمض النووي المتطابقة. ^{[ 7 ]} يمكن تلخيص المخطط الأساسي لذلك على النحو التالي:

ناقل + قطعة من الحمض النووي

↓

الحمض النووي المؤتلف

↓

تضاعف الحمض النووي المؤتلف داخل الخلية المضيفة

↓

عزل وتسلسل ومعالجة شظايا الحمض النووي المنقى

توجد العديد من الاختلافات التجريبية لهذه الخطة، لكن هذه الخطوات ضرورية لاستنساخ الحمض النووي في المختبر. ^{[ 8 ]}

يشير مصطلح الاستماتة إلى موت الخلايا من خلال شكل محدد من الموت الخلوي المبرمج ، والذي يتميز بتسلسل واضح من التغيرات المورفولوجية. ^{[ 10 ]} وتشمل التغيرات المورفولوجية الرئيسية في عملية الاستماتة انكماش الخلية والنواة، وتكثف الكروماتين وتفتته، وتكوين الأجسام الاستماتية ، والبلعمة بواسطة الخلايا المجاورة. ^{[ 11 ]} وتضمن التغيرات المورفولوجية والكيميائية الحيوية الواسعة النطاق التي تحدث أثناء الاستماتة أن تترك الخلايا الميتة أقل تأثير ممكن على الخلايا و/أو الأنسجة المجاورة.

الجينات المشاركة في التحكم في موت الخلايا تشفر بروتينات ذات ثلاث وظائف متميزة: ^{[ 12 ]}

• البروتينات "القاتلة" ضرورية لكي تبدأ الخلية عملية موت الخلايا المبرمج.
• تقوم بروتينات "التدمير" بأشياء مثل هضم الحمض النووي في الخلية المحتضرة
• تُعد بروتينات "الابتلاع" ضرورية لعملية البلعمة التي تقوم بها خلية أخرى للخلية المحتضرة

يُعدّ انقسام الحمض النووي الصبغي إلى أجزاء أصغر جزءًا لا يتجزأ من عملية موت الخلايا المبرمج، وعلامة بيوكيميائية مميزة لها. تتضمن هذه العملية تنشيط الإنزيمات النووية الداخلية، وما يتبعه من انقسام الحمض النووي الكروماتيني إلى أجزاء يبلغ طولها 180 زوجًا قاعديًا أو مضاعفاتها (مثل 360 أو 540 زوجًا قاعديًا). يمكن استخدام نمط التجزئة هذا للكشف عن موت الخلايا المبرمج في اختبارات مثل اختبار تدرج الحمض النووي باستخدام الرحلان الكهربائي الهلامي ، واختبار TUNEL ، واختبار نيكوليتي . ^{[ 13 ]} يعتمد تجزئة الحمض النووي في موت الخلايا المبرمج على إنزيم يُسمى ديوكسي ريبونيوكلياز المنشط بالكاسبيز (CAD) . ^{[ 14 ]} عادةً ما يُثبّط إنزيم CAD بواسطة بروتين آخر في الخلية يُسمى مثبط ديوكسي ريبونيوكلياز المنشط بالكاسبيز (ICAD) . ^{[ 15 ]} لكي تبدأ عملية موت الخلايا المبرمج، يقوم إنزيم يُسمى كاسبيز 3 بقطع ICAD، مما يؤدي إلى تنشيط CAD. ثم يقوم CAD بقطع الحمض النووي بين النيوكليوسومات ، الموجودة في الكروماتين على مسافات 180 زوجًا من القواعد. وتُعد المواقع بين النيوكليوسومات هي الأجزاء الوحيدة من الحمض النووي التي تكون مكشوفة ومتاحة لـ CAD. ^{[ 16 ]}

قد يحدث تفتت الحمض النووي في ظروف معينة في أنواع مختلفة من الخلايا. قد يؤدي ذلك إلى مشاكل للخلية، أو قد يدفعها إلى تلقي إشارة للخضوع للاستماتة. فيما يلي مثالان على التفتت غير المنتظم الذي قد يحدث في الخلايا.

1. تفتت خلايا الدم الحمراء

تُعرف خلية الدم الحمراء المتفتتة باسم "الشستوسيت"، وهي عادةً ما تنتج عن إصابة ميكانيكية داخلية في خلية الدم الحمراء. ^{[ 17 ]} يمكن ملاحظة أنواع عديدة من الشستوسيتات. عادةً ما تُشاهد الشستوسيتات بأعداد قليلة نسبيًا، وترتبط بحالات يكون فيها الغشاء البطاني الأملس، أو البطانة الوعائية ، خشنًا أو غير منتظم، و/أو يخترق تجويف الأوعية الدموية خيوط من الفيبرين . ^{[ 18 ]} تُشاهد الشستوسيتات بشكل شائع لدى مرضى فقر الدم الانحلالي . كما أنها سمة من سمات فقر الدم المتقدم الناتج عن نقص الحديد ، ولكن في هذه الحالة، يُرجح أن يكون التفتت الملاحظ ناتجًا عن هشاشة الخلايا الناتجة في ظل هذه الظروف.

2. تفتت الحمض النووي للخلايا المنوية

في المتوسط، تحتوي أقل من 4% من الحيوانات المنوية للرجل على حمض نووي مجزأ. مع ذلك، فإن ممارسة سلوكيات مثل التدخين قد تزيد بشكل ملحوظ من تجزئة الحمض النووي في الحيوانات المنوية. ثمة علاقة عكسية بين نسبة تجزئة الحمض النووي وحركة الحيوانات المنوية وشكلها وتركيزها. كما توجد علاقة عكسية بين نسبة الحيوانات المنوية التي تحتوي على حمض نووي مجزأ ومعدل الإخصاب ومعدل انقسام الجنين. ^{[ 19 ]}