طفرة في الخلايا الجرثومية

غالباً ما تنشأ الطفرات في الخلايا الجنسية نتيجة عوامل داخلية ، مثل أخطاء في تضاعف الخلايا والتلف التأكسدي. ^{[ 5 ]} نادراً ما يتم إصلاح هذا التلف بشكل غير كامل، ولكن نظراً لارتفاع معدل انقسام الخلايا الجنسية، فقد يحدث بشكل متكرر. ^{[ 5 ]}

تكون الطفرات الداخلية أكثر شيوعًا في الحيوانات المنوية منها في البويضات. ^{[ 6 ]} ويعود ذلك إلى أن الخلايا المنوية الأولية تمر بعدد أكبر من الانقسامات الخلوية طوال حياة الذكر، مما ينتج عنه دورات تضاعف أكثر قد تؤدي إلى طفرة في الحمض النووي. ^{[ 5 ]} كما تحدث أخطاء في بويضات الأم، ولكن بمعدل أقل من الحيوانات المنوية للأب. ^{[ 5 ]} وتميل أنواع الطفرات التي تحدث أيضًا إلى الاختلاف بين الجنسين. ^{[ 7 ]} فبعد إنتاج بويضات الأم، تبقى في حالة سكون حتى يتم استخدامها في الإباضة. وقد ثبت أن فترة السكون الطويلة هذه تؤدي إلى عدد أكبر من عمليات الحذف والتضاعف والإدخال والتحولات الكروموسومية والتسلسلية الكبيرة. ^{[ 7 ]} أما الحيوانات المنوية للأب، من ناحية أخرى، فتخضع لتضاعف مستمر طوال حياته، مما ينتج عنه العديد من الطفرات النقطية الصغيرة الناتجة عن أخطاء في التضاعف. وتشمل هذه الطفرات عادةً استبدال زوج واحد من القواعد، والحذف، والإدخال. ^{[ 6 ]}

يُعدّ التلف التأكسدي عاملًا داخليًا آخر يُمكن أن يُسبب طفرات في الخلايا الجنسية. وينتج هذا النوع من التلف عن أنواع الأكسجين التفاعلية التي تتراكم في الخلية كناتج ثانوي للتنفس الخلوي . ^{[ 8 ]} تفتقر هذه الأنواع التفاعلية من الأكسجين إلى إلكترون، ولأنها ذات كهرسلبية عالية (تتمتع بجاذبية إلكترونية قوية)، فإنها تنتزع إلكترونًا من جزيء آخر. ^{[ 8 ]} يُمكن أن يُؤدي هذا إلى بدء تلف الحمض النووي لأنه يُسبب تحول الجوانين في الحمض النووي إلى 8-أوكسوجوانين (8-oxoG). ثم يخطئ إنزيم بوليميراز الحمض النووي في اعتبار جزيء 8-oxoG ثايمين أثناء التضاعف، مما يُسبب تحولًا من G إلى T على أحد خيوط الحمض النووي، وتحولًا من C إلى A على الخيط الآخر. ^{[ 9 ]}

في الفئران والبشر، يكون معدل الطفرات التلقائية في الخلايا الجرثومية الذكرية أقل بكثير منه في الخلايا الجسدية . ^{[ 10 ]} علاوة على ذلك، على الرغم من أن معدل الطفرات التلقائية في الخلايا الجرثومية الذكرية يزداد مع التقدم في العمر، إلا أن معدل الزيادة أقل منه في الأنسجة الجسدية. ضمن مجموعة الخلايا الجذعية المنوية في الخصية، يبدو أن سلامة الحمض النووي (DNA) تُحافظ عليها من خلال مراقبة فعالة للغاية لتلف الحمض النووي وعمليات إصلاح الحمض النووي الوقائية . ^{[ 10 ]} قد تكون الزيادة التدريجية في معدل الطفرات مع التقدم في العمر في الخلايا الجرثومية الذكرية ناتجة عن انخفاض في دقة إصلاح تلف الحمض النووي، أو عن زيادة في أخطاء تضاعف الحمض النووي . بمجرد اكتمال تكوين الحيوانات المنوية ، تفقد الحيوانات المنوية المتمايزة المتكونة القدرة على إصلاح الحمض النووي، وبالتالي تصبح عرضة لهجوم الجذور الحرة المؤكسدة السائدة التي تسبب تلف الحمض النووي التأكسدي. قد تخضع هذه الحيوانات المنوية التالفة للموت الخلوي المبرمج ( الاستماتة ). ^{[ 10 ]}

يمكن أن تحدث الطفرات الجرثومية أيضًا نتيجة عوامل خارجية . وكما هو الحال مع الطفرات الجسدية، يمكن أن تنجم الطفرات الجرثومية عن التعرض لمواد ضارة تُلحق الضرر بالحمض النووي للخلايا الجرثومية. وقد يُصلح هذا الضرر تمامًا، فلا تظهر أي طفرات، أو قد يُصلح جزئيًا، مما يؤدي إلى ظهور أنواع مختلفة من الطفرات. ^{[ 11 ]} تشمل المواد المسببة للطفرات الخارجية المواد الكيميائية الضارة والإشعاع المؤين ؛ ويكمن الفرق الرئيسي بين الطفرات الجرثومية والطفرات الجسدية في أن الخلايا الجرثومية لا تتعرض للأشعة فوق البنفسجية ، وبالتالي لا تتعرض للطفرات المباشرة بهذه الطريقة في أغلب الأحيان. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

قد تُهيئ الطفرات في جينات كابتة الأورام أو الجينات الأولية المسرطنة الفرد للإصابة بالأورام. ^{[ 15 ]} ويُقدّر أن الطفرات الجينية الموروثة تُسهم في 5-10% من حالات السرطان. ^{[ 16 ]} تجعل هذه الطفرات الشخص عرضةً للإصابة بالأورام إذا ما طرأت طفرة عشوائية على النسخة الأخرى من الجين المسرطن . يمكن أن تحدث هذه الطفرات في الخلايا الجرثومية، مما يجعلها قابلة للتوريث . ^{[ 15 ]} الأفراد الذين يرثون طفرات في الخلايا الجرثومية في جين TP53 يكونون أكثر عرضةً للإصابة بأنواع معينة من السرطان لأن البروتين الذي يُنتجه هذا الجين يكبح الأورام. كما أن المرضى الذين يحملون هذه الطفرة مُعرّضون لخطر الإصابة بمتلازمة لي-فراوميني . ^{[ 16 ]} ومن الأمثلة الأخرى الطفرات في جيني BRCA1 و BRCA2 التي تُهيئ للإصابة بسرطان الثدي والمبيض، أو الطفرات في جين MLH1 التي تُهيئ للإصابة بسرطان القولون والمستقيم الوراثي غير السلائلي .

مرض هنتنغتون هو طفرة وراثية سائدة في جين HTT. يُسبب هذا الاضطراب تدهورًا في الدماغ، مما يؤدي إلى حركات وسلوكيات لا إرادية. ^{[ 17 ]} تتضمن الطفرة تكرارًا متزايدًا في بروتين هنتنغتون، مما يؤدي إلى زيادة حجمه. المرضى الذين لديهم أكثر من 40 تكرارًا هم الأكثر عرضة للإصابة. يتحدد ظهور المرض بعدد التكرارات الموجودة في الطفرة؛ فكلما زاد عدد التكرارات، ظهرت أعراض المرض مبكرًا. ^{[ 17 ] [ 18 ]} نظرًا لطبيعة الطفرة السائدة، يكفي وجود أليل واحد مُطفر لظهور المرض. هذا يعني أنه إذا كان أحد الوالدين مصابًا، فإن الطفل لديه فرصة 50% لوراثة المرض. ^{[ 19 ]} لا يوجد حاملون لهذا المرض، لأنه إذا كان لدى المريض طفرة واحدة، فمن المرجح أن يُصاب به. عادةً ما يبدأ المرض في وقت متأخر، لذلك ينجب العديد من الآباء أطفالًا قبل أن يعلموا أنهم يحملون الطفرة. يمكن الكشف عن طفرة HTT من خلال فحص الجينوم .

متلازمة داون (تثلث الصبغي 21 ) تنتج عن وجود ثلاث نسخ من الكروموسوم 21 لدى الطفل. ^{[ 20 ]} يحدث هذا التضاعف الكروموسومي أثناء تكوين الخلايا الجنسية، حيث تتواجد نسختا الكروموسوم 21 في نفس الخلية البنت ، سواءً لدى الأم أو الأب، وتشارك هذه الخلية الجنسية المتحولة في إخصاب الزيجوت. ^{[ 20 ]} هناك طريقة أخرى أكثر شيوعًا لحدوث ذلك، وهي أثناء أول انقسام خلوي بعد تكوين الزيجوت. ^{[ 20 ]} يزداد خطر الإصابة بمتلازمة داون مع تقدم عمر الأم، حيث يبلغ الخطر 1/2000 (0.05%) عند عمر 20 عامًا، ويرتفع إلى 1/100 (1%) عند عمر 40 عامًا. ^{[ 21 ]} يمكن الكشف عن هذا المرض قبل الولادة من خلال إجراءات غير جراحية وجراحية. تشمل الإجراءات غير الجراحية فحص الحمض النووي للجنين في بلازما الأم عن طريق عينة دم. ^{[ 22 ]}

التليف الكيسي هو اضطراب وراثي متنحي يسبب أعراضًا ومضاعفات متنوعة، أكثرها شيوعًا هو تراكم طبقة مخاطية سميكة في النسيج الظهاري للرئة نتيجة خلل في تبادل الأملاح، ولكنه قد يؤثر أيضًا على البنكرياس والأمعاء والكبد والكليتين . [ ^{23 ] [ 24 ] تتأثر} العديد من وظائف الجسم بسبب الطبيعة الوراثية لهذا المرض؛ فإذا كان المرض موجودًا في الحمض النووي لكل من الحيوانات المنوية والبويضة ، فسيكون موجودًا في كل خلية وعضو تقريبًا في الجسم؛ ويمكن أن تحدث هذه الطفرات مبدئيًا في الخلايا الجنسية، أو تكون موجودة في جميع خلايا الأبوين. ^{[ 23 ]} الطفرة الأكثر شيوعًا في هذا المرض هي ΔF508، والتي تعني حذف الحمض الأميني في الموضع 508. ^{[ ٢٥ ]} إذا كان كلا الوالدين يحملان طفرة في بروتين CFTR (منظم التوصيل عبر الغشاء في التليف الكيسي)، فإن أطفالهم معرضون بنسبة ٢٥٪ لوراثة المرض. ^{[ ٢٣ ]} أما إذا كان لدى الطفل نسخة واحدة متحولة من CFTR، فلن يُصاب بالمرض، ولكنه سيصبح حاملاً له. ^{[ ٢٣ ]} يمكن الكشف عن الطفرة قبل الولادة عن طريق بزل السائل الأمنيوسي، أو بعد الولادة عن طريق الفحص الجيني قبل الولادة. ^{[ ٢٦ ]}

يُحدث نظام التحرير هذا قطعًا مزدوجًا في الحمض النووي، باستخدام الحمض النووي الريبوزي الدليلي وبروتين Cas9 الفعال لكسر هيكل الحمض النووي عند تسلسلات مستهدفة محددة. ^{[ 27 ]} وقد أظهر هذا النظام دقة أعلى من أنظمة TALENs أو ZFNs نظرًا لاحتواء بروتين Cas9 على تسلسلات متماثلة (مكملة) لأجزاء الحمض النووي المحيطة بموقع القطع. ^{[ 27 ]}  يمكن إصلاح هذا الشريط المكسور بطريقتين رئيسيتين: الإصلاح الموجه المتماثل (HDR) إذا كان هناك شريط حمض نووي موجود يُستخدم كقالب (سواء كان متماثلًا أو مانحًا)، وإذا لم يكن هناك شريط، فسيخضع التسلسل لعملية ربط النهايات غير المتماثلة (NHEJ). ^{[ 27 ]} غالبًا ما ينتج عن NHEJ إدخالات أو حذف داخل الجين المستهدف، نظرًا لمعالجة نهايات الشريط غير المتماثلة، وهي طريقة لدراسة تعطيل الجينات في المختبر. ^{[ 29 ]} يمكن استخدام هذه الطريقة لإصلاح طفرة نقطية باستخدام الكروموسوم الشقيق كقالب، أو بتوفير قالب DNA مزدوج السلاسل مع آلية CRISPR /Cas9 لاستخدامه كقالب إصلاح. ^{[ 27 ]}

وقد استُخدمت هذه الطريقة في كل من النماذج البشرية والحيوانية ( ذبابة الفاكهة ، والفأر المنزلي ، ونبات الرشاد )، ويركز البحث الحالي على جعل هذا النظام أكثر تحديدًا لتقليل مواقع الانقسام غير المستهدفة. ^{[ 30 ]}

يُستخدم نظام تحرير الجينوم TALEN (النوكليازات المؤثرة الشبيهة بمنشطات النسخ) لإحداث قطع في الحمض النووي المزدوج في موقع محدد في الجينوم، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك لتعديل أو إصلاح تسلسل الحمض النووي. ^{[ 31 ]} يعمل هذا النظام باستخدام تسلسل متكرر محدد من الأحماض الأمينية، يتراوح طوله بين 33 و34 حمضًا أمينيًا. ^{[ 31 ]} تُحدد خصوصية موقع ارتباط الحمض النووي بواسطة الأحماض الأمينية المحددة في الموضعين 12 و13 (المعروفة أيضًا باسم ثنائي البقايا المتغير المتكرر (RVD)) لهذا التكرار المتتالي، حيث تُظهر بعض ثنائيات البقايا المتغيرة المتكررة خصوصية أعلى لأحماض أمينية معينة مقارنةً بغيرها. ^{[ 32 ]} بمجرد بدء قطع الحمض النووي، يمكن ربط الأطراف إما عن طريق NHEJ الذي يُحدث طفرات، أو عن طريق HDR الذي يُصلح الطفرات. ^{[ 27 ]}

على غرار تقنية TALENs، تُستخدم نوكليازات أصابع الزنك (ZFNs) لإحداث قطع مزدوج في الحمض النووي عند موضع محدد في الجينوم. ^{[ 31 ]} يتكون مُركب تحرير ZFN من بروتين أصابع الزنك (ZFP) ونطاق قطع إنزيم التقييد. ^{[ 33 ]} يمكن تعديل نطاق ZFP لتغيير تسلسل الحمض النووي الذي يقطعه إنزيم التقييد ، ويحفز هذا القطع عمليات إصلاح خلوية، على غرار تحرير الحمض النووي بتقنية CRISPR/Cas9. ^{[ 33 ]}

بالمقارنة مع تقنية CRISPR/Cas9، فإن التطبيقات العلاجية لهذه التقنية محدودة، وذلك بسبب الهندسة المكثفة المطلوبة لجعل كل ZFN متخصصًا في التسلسل المطلوب. ^{[ 33 ]}