الخط الجرثومي

في علم الأحياء وعلم الوراثة ، يُشير مصطلح "الخط الجرثومي" إلى مجموعة خلايا الكائن الحي متعدد الخلايا التي تتطور إلى خلايا جرثومية . بعبارة أخرى، هي الخلايا التي تُكوّن الأمشاج ( البويضات والحيوانات المنوية )، والتي تتحد لتكوين الزيجوت . تتمايز هذه الخلايا في الغدد التناسلية من خلايا جرثومية أولية إلى خلايا مشيجية أولية ، والتي تتطور بدورها إلى خلايا مشيجية أولية، ثم إلى الأمشاج النهائية. ^{[ 1 ]} تُعرف هذه العملية باسم تكوين الأمشاج .

تنقل الخلايا الجنسية المادة الوراثية من خلال عملية التكاثر الجنسي. وتشمل هذه العملية الإخصاب ، وإعادة التركيب، والانقسام الاختزالي . وتساعد هذه العمليات على زيادة التنوع الجيني في النسل. ^{[ 2 ]}

تتكاثر بعض الكائنات الحية لا جنسيًا من خلال عمليات مثل التكاثر اللاجنسي ، والتوالد العذري ، والتلقيح الذاتي ، والاستنساخ . ^{[ 3 ] [ 4 ]} يشمل كل من التكاثر اللاجنسي والتوالد العذري نمو الجنين دون إخصاب. يحدث التكاثر اللاجنسي عادةً في النباتات، بينما يُلاحظ التوالد العذري في الديدان الأسطوانية وبعض أنواع الزواحف والطيور والأسماك. ^{[ 5 ] [ 6 ]} يشير التلقيح الذاتي إلى التلقيح الذاتي في النباتات، بينما الاستنساخ هو تقنية تُستخدم لإنتاج خلايا أو كائنات حية متطابقة وراثيًا. ^{[ 7 ]} الاستنساخ هو تقنية تُستخدم لإنتاج خلايا أو كائنات حية متطابقة وراثيًا. ^{[ 8 ]}

في الكائنات الحية التي تتكاثر جنسيًا، تُسمى الخلايا التي لا تنتمي إلى الخط الجرثومي بالخلايا الجسدية . ووفقًا لهذا التعريف، قد تنتقل الطفرات وإعادة التركيب والتغيرات الجينية الأخرى في الخط الجرثومي إلى النسل، بينما لا تنتقل التغيرات في الخلية الجسدية. ^{[ 9 ]} ولا ينطبق هذا بالضرورة على الكائنات الحية التي تتكاثر جسديًا، مثل بعض أنواع الإسفنجيات ^{[ 10 ]} والعديد من النباتات. فعلى سبيل المثال، تنتج العديد من أنواع الحمضيات ^{[ 11 ]} ، ونباتات الفصيلة الوردية ، وبعض نباتات الفصيلة النجمية ، مثل الهندباء البرية ، بذورًا لا جنسية عندما تحل الخلايا الجسدية ثنائية المجموعة الكروموسومية محل البويضة أو الجنين في مراحله المبكرة. ^{[ 12 ]}

في مرحلة مبكرة من الفكر الوراثي، كان هناك تمييز واضح بين الخلايا الجنسية والخلايا الجسدية. فعلى سبيل المثال، اقترح أوغست وايزمان وأشار إلى أن الخلية الجنسية خالدة بمعنى أنها جزء من سلالة تتكاثر بلا حدود منذ بدء الحياة، ويمكنها، ما لم يحدث خلل، أن تستمر في ذلك إلى ما لا نهاية. ^{[ 13 ]} ومع ذلك، بات من المعروف الآن بتفصيلٍ ما أن هذا التمييز بين الخلايا الجسدية والجنسية هو تمييز اصطناعي جزئيًا، ويعتمد على ظروف معينة وآليات خلوية داخلية مثل التيلوميرات، وآليات تحكم مثل التطبيق الانتقائي للتيلوميراز في الخلايا الجنسية والخلايا الجذعية وما شابهها. ^{[ 14 ]}

لا تتمايز جميع الكائنات متعددة الخلايا إلى خلايا جسدية وخلايا تناسلية، ^{[ 15 ]} ولكن في غياب التدخل البشري التقني المتخصص، فإن جميع الكائنات متعددة الخلايا تقريبًا، باستثناء أبسطها، تتمايز. في هذه الكائنات، تميل الخلايا الجسدية إلى أن تكون قادرة على التمايز إلى جميع أنواع الخلايا، ولأكثر من قرن من الزمان، عُرف أن خلايا الإسفنج تعيد تجميع نفسها لتكوين إسفنجات جديدة بعد فصلها عن طريق تمريرها عبر منخل. ^{[ 10 ]}

يمكن أن يشير مصطلح "الخط الجرثومي" إلى سلالة من الخلايا تمتد عبر أجيال عديدة من الأفراد - على سبيل المثال، الخط الجرثومي الذي يربط أي فرد حي بالسلف المشترك العالمي الأخير المفترض، والذي تنحدر منه جميع النباتات والحيوانات .

لا تُخصّص النباتات والحيوانات القاعدية متعددة الخلايا، مثل الإسفنجيات (Porifera) والمرجانيات (Anthozoa)، خطًا جرثوميًا منفصلًا، بل تُنتج الأمشاج من سلالات الخلايا الجذعية متعددة القدرات التي تُنتج أيضًا الأنسجة الجسدية العادية. ولذلك، يُرجّح أن يكون تخصيص الخط الجرثومي قد تطوّر أولًا في الحيوانات المعقدة ذات التركيب الجسمي المتطور، أي ثنائيات التناظر. توجد عدة نظريات حول أصل التمييز الدقيق بين الخط الجرثومي والجسدي. قد يُعزّز تخصيص مجموعة معزولة من الخلايا الجرثومية في المراحل المبكرة من تكوين الجنين التعاون بين الخلايا الجسدية للكائن الحي المعقد متعدد الخلايا. ^{[ 16 ]} وتشير نظرية حديثة أخرى إلى أن تخصيص الخط الجرثومي المبكر قد تطوّر للحد من تراكم الطفرات الضارة في جينات الميتوكوندريا في الكائنات الحية المعقدة ذات الاحتياجات العالية من الطاقة ومعدلات الطفرات الميتوكوندرية السريعة. ^{[ 15 ]}

تُنتَج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) كمنتجات ثانوية لعمليات الأيض. في الخلايا الجنسية، يُرجَّح أن تكون أنواع الأكسجين التفاعلية سببًا رئيسيًا لتلف الحمض النووي ، الذي يؤدي، أثناء تضاعف الحمض النووي ، إلى حدوث طفرات . يُنتَج 8-أوكسوجوانين ، وهو مشتق مؤكسد من الجوانين ، عن طريق الأكسدة التلقائية في الخلايا الجنسية للفئران، ويتسبب أثناء تضاعف الحمض النووي في حدوث طفرات تحويلية من GC إلى TA . ^{[ 17 ]} تحدث هذه الطفرات في جميع أنحاء كروموسومات الفأر، وكذلك خلال مراحل مختلفة من تكوين الأمشاج .

تُعدّ معدلات الطفرات في الخلايا خلال مراحل تكوين الأمشاج المختلفة أقل بنحو 5 إلى 10 أضعاف منها في الخلايا الجسدية، وذلك في كلٍّ من تكوين الحيوانات المنوية ^{[ 18 ]} وتكوين البويضات ^{[ 19 ]} . ويبدو أن انخفاض معدلات الطفرات في الخلايا الجنسية مقارنةً بالخلايا الجسدية يعود إلى كفاءة إصلاح الحمض النووي التالف، ولا سيما إصلاح إعادة التركيب المتماثل ، خلال الانقسام الاختزالي في الخلايا الجنسية ^{[ 20 ]} . ويُصاب حوالي 5% من المواليد الأحياء من البشر باضطراب وراثي، ويعود حوالي 20% من هذه الحالات إلى طفرات جنسية حديثة الظهور ^{[ 18 ]} .

تشمل التغيرات فوق الجينية في الحمض النووي تعديلات تؤثر على التعبير الجيني، ولكنها لا تنتج عن تغييرات في تسلسل القواعد في الحمض النووي. ومن الأمثلة المدروسة جيدًا على هذا النوع من التغيرات مثيلة السيتوزين في الحمض النووي لتكوين 5-ميثيل سيتوزين . يحدث هذا عادةً في تسلسل الحمض النووي CpG ، مما يُغير الحمض النووي في موقع CpG من CpG إلى 5-mCpG. يمكن أن تؤدي مثيلة السيتوزينات في مواقع CpG في مناطق المحفزات الجينية إلى تقليل التعبير الجيني أو إسكاته. ^{[ 21 ]} يوجد حوالي 28 مليون ثنائي نيوكليوتيد CpG في الجينوم البشري، ^{[ 22 ]} وحوالي 24 مليون موقع CpG في جينوم الفأر (الذي يبلغ حجمه 86% من حجم الجينوم البشري ^{[ 23 ]} ). في معظم أنسجة الثدييات، في المتوسط، تتم مثيلة 70% إلى 80% من سيتوزينات CpG (مكونةً 5-mCpG). ^{[ 24 ]}

في الفأر، بين اليومين 6.25 و7.25 بعد إخصاب البويضة بالحيوان المنوي، تُخصَّص خلايا الجنين كخلايا جرثومية أولية. ستُنتج هذه الخلايا الجرثومية الأولية لاحقًا خلايا منوية أو بويضات. في هذه المرحلة، تتميز الخلايا الجرثومية الأولية بمستويات عالية من المثيلة. بعد ذلك، تخضع الخلايا الجرثومية الأولية في الفأر لإزالة مثيلة الحمض النووي على مستوى الجينوم ، تليها مثيلة جديدة لإعادة ضبط الإبيجينوم بهدف تكوين بويضة أو حيوان منوي. ^{[ 25 ]}

في الفئران، تخضع الخلايا الجرثومية الأولية (PGCs) لإزالة مثيلة الحمض النووي على مرحلتين. تبدأ المرحلة الأولى في اليوم الجنيني 8.5 تقريبًا، وتحدث أثناء تكاثر الخلايا الجرثومية الأولية وهجرتها، وتؤدي إلى فقدان المثيلة على مستوى الجينوم بأكمله، بما في ذلك جميع التسلسلات الجينومية تقريبًا . يحدث هذا الفقدان للمثيلة من خلال إزالة المثيلة السلبية نتيجة لكبح المكونات الرئيسية لآلية المثيلة. ^{[ 25 ]} أما المرحلة الثانية فتحدث خلال الأيام الجنينية من 9.5 إلى 13.5، وتسبب إزالة مثيلة معظم المواقع الجينية المتبقية، بما في ذلك الجينات الخاصة بالخلايا الجرثومية والجينات الخاصة بالانقسام الاختزالي. تتوسط إنزيمات TET1 وTET2 هذه المرحلة الثانية من إزالة المثيلة، حيث تقوم بالخطوة الأولى في إزالة المثيلة عن طريق تحويل 5-ميثيل سيتوزين (5-mC) إلى 5-هيدروكسي ميثيل سيتوزين (5-hmC) خلال الأيام الجنينية من 9.5 إلى 10.5. ومن المرجح أن يتبع ذلك تخفيف يعتمد على التضاعف خلال الأيام الجنينية من 11.5 إلى 13.5. ^{[ 26 ]} في اليوم الجنيني 13.5، تُظهر جينومات الخلايا الجرثومية الأولية أدنى مستوى من مثيلة الحمض النووي على مستوى جميع الخلايا في دورة الحياة. ^{[ 25 ]}

في الفئران، يتم تنظيم الغالبية العظمى من الجينات التي يتم التعبير عنها بشكل مختلف في الخلايا الجرثومية الأولية من اليوم الجنيني 9.5 إلى 13.5، عندما يتم إزالة مثيلة معظم الجينات، بشكل تصاعدي في كل من الخلايا الجرثومية الأولية الذكرية والأنثوية. ^{[ 26 ]}

بعد إزالة علامات مثيلة الحمض النووي في الخلايا الجرثومية الأولية للفئران، تخضع الخلايا الجرثومية الذكرية والأنثوية لمثيلة جديدة في أوقات مختلفة خلال تكوين الأمشاج. أثناء خضوعها للتوسع الانقسامي في الغدد التناسلية النامية، تبدأ الخلايا الجرثومية الذكرية عملية إعادة المثيلة بحلول اليوم الجنيني 14.5. ويُحافظ على نمط المثيلة الخاص بالحيوانات المنوية خلال التوسع الانقسامي. تبقى مستويات مثيلة الحمض النووي في البويضات الأولية قبل الولادة منخفضة، وتحدث إعادة المثيلة بعد الولادة في مرحلة نمو البويضة. ^{[ 25 ]}

• علم التخلق
• تطور الخط الجرثومي
• تقنية اختيار الجرثومة
• أوغست فايزمان
• حاجز فايسمان