العناصر الجينية المتنقلة

العناصر الوراثية المتنقلة ( MGEs )، والتي تُسمى أحيانًا بالعناصر الوراثية الأنانية ، ^{[ 1 ]} هي نوع من المادة الوراثية التي يمكنها الانتقال داخل الجينوم، أو الانتقال من نوع أو وحدة نسخ إلى أخرى. توجد العناصر الوراثية المتنقلة في جميع الكائنات الحية. يُعتقد أن حوالي 50% من جينوم الإنسان عبارة عن عناصر وراثية متنقلة. ^{[ 2 ]} تلعب العناصر الوراثية المتنقلة دورًا مميزًا في التطور. يمكن أن تحدث أحداث تضاعف الجينات أيضًا من خلال آلية العناصر الوراثية المتنقلة. كما يمكن أن تُسبب هذه العناصر طفرات في مناطق ترميز البروتين، مما يُغير وظائف البروتين. يمكن لهذه الآليات أيضًا إعادة ترتيب الجينات في جينوم العائل، مما يُولد تنوعًا. يمكن لهذه الآليات زيادة اللياقة من خلال اكتساب وظائف جديدة أو إضافية. من الأمثلة على العناصر الوراثية المتنقلة في السياق التطوري، أن عوامل الضراوة وجينات مقاومة المضادات الحيوية الخاصة بها يمكن نقلها لمشاركة الشفرة الوراثية مع البكتيريا المجاورة. مع ذلك، يمكن للعناصر الوراثية المتنقلة أيضًا أن تُقلل من اللياقة عن طريق إدخال أليلات أو طفرات مُسببة للأمراض. ^{[ 3 ]} تُسمى مجموعة العناصر الجينية المتحركة في الكائن الحي بالموبيلوم ، وهي تتكون من عدد كبير ^من البلازميدات والترانسبوزونات والفيروسات . [ ^{4 ]}

• البلازميدات : هي جزيئات دائرية من الحمض النووي خارج الكروموسومات ، تتضاعف وتنتقل بشكل مستقل عن الحمض النووي الكروموسومي. توجد هذه الجزيئات في بدائيات النوى ( البكتيريا والعتائق) وأحيانًا في حقيقيات النوى مثل الخميرة . تُحدد كفاءة البلازميد من خلال قدرته على الحركة. العامل الأول هو قدرة البلازميد على تضاعف الحمض النووي، أما العامل الثاني فهو قدرته على الانتقال الأفقي. تنقل البلازميدات، خلال دورتها، الجينات من كائن حي إلى آخر عبر عملية تُسمى الاقتران . تحتوي البلازميدات عادةً على مجموعة من جينات الحركة الضرورية للاقتران. تستخدم بعض البلازميدات آلية تكوين أزواج التزاوج المرتبطة بالغشاء (MPF). يُعتبر البلازميد الذي يحتوي على جينات MPF الخاصة به ذاتي الانتقال أو مقترنًا. ^{[ 5 ]} يمكن تقسيم البلازميدات إلى فئتين: قابلة للحركة وغير قابلة للحركة. البلازميدات التي تستخدم عناصر وراثية أخرى (MFPs) في الخلية تُعتبر قابلة للحركة. تُسمى البلازميدات غير القابلة للنقل، والتي تنتشر عن طريق النقل الجيني أو التحول، بالبلازميدات غير القابلة للنقل. ^{[ 5 ]} غالبًا ما تستطيع البلازميدات حقن جينات تجعل البكتيريا مقاومة للمضادات الحيوية . ^{[ 6 ] [ 5 ]}

• نواقل الاستنساخ : هي أنواع من البلازميدات الهجينة التي تحتوي على عاثيات بكتيرية ، وتُستخدم لنقل وتضاعف الحمض النووي. يمكن إدخال أجزاء من الحمض النووي باستخدام تقنيات الحمض النووي المؤتلف . يجب أن يكون الناقل الفعال قادرًا على التضاعف مع أجزاء الحمض النووي التي يحملها. يمكن أن تحتوي هذه النواقل على الجينات المرغوبة لإدخالها في جينوم الكائن الحي. ومن أمثلتها الكوزميدات والفاجيميدات . ^{[ 7 ]}

• العناصر المتحركة : هي تسلسلات من الحمض النووي (DNA) قادرة على الانتقال والتكاثر في أجزاء مختلفة من جينوم الخلية . تُعرف أيضاً باسم "الجينات القافزة"، ويمكن نقلها أفقياً بين الكائنات الحية التي تعيش في تكافل . توجد العناصر المتحركة في جميع الكائنات الحية وفي الفيروسات العملاقة . ^{[ 8 ]}

• عناصر النقل الجيني (الترانسبوزونات) : هي عناصر تنتقل مباشرةً من موقع إلى آخر في الجينوم باستخدام إنزيم الترانسبوزاز لقطع الحمض النووي ولصقه في موقع آخر . ^{[ 9 ]} تُقطع هذه العناصر الوراثية في أربعة مواقع أحادية السلسلة في الحمض النووي بواسطة إنزيم الترانسبوزاز. ولتحقيق أقصى قدر من الاستقرار للترانسبوزون الوسيط، يحدث قطع أحادي السلسلة في الحمض النووي المستهدف. في الوقت نفسه، تُربط السلسلة المانحة بالسلسلة المستهدفة بعد القطع، تاركةً نتوءًا أحادي السلسلة على طرفي التسلسل المستهدف. تحتوي هذه المواقع عادةً على نتوء يتراوح طوله بين 5 و9 أزواج قاعدية، مما يُتيح تكوين نهاية متماسكة. ^{[ 10 ]} بعد ذلك، يُثبّت إنزيم الترانسبوزاز التسلسل في شكل متقاطع ويربط السلسلة المانحة بالسلسلة المستهدفة. يُعرف التركيب المُشكّل من ازدواج الحمض النووي وإنزيم الترانسبوزاز في عناصر النقل الجيني التضاعفية باسم "الوسيط شابيرو". ^{[ 11 ]} يُترك امتداد من 5 إلى 9 أزواج قاعدية على جانبي التسلسل المستهدف، مما يسمح له بالالتحام به في أي اتجاه. ويُمكن لتسلسل هذه الامتدادات تحديد اتجاه الالتحام. ^{[ 10 ]} قبل حدوث إعادة التركيب الموضعي، يجب ملء نهايات الأوليغونوكليوتيدات. ويؤدي ربط هذه النهايات إلى تكوين شوكة تضاعف عند كل طرف من العنصر القابل للنقل. ويتسبب إزاحة الشريط المفرد في تخليق أجزاء طويلة أحادية الشريط مجاورة للطرف 5' من مجموعة الهيدروكسيل 3' غير المربوطة. ولذلك، يتم تسلسل الشريط المقابل بشكل غير متصل مع اقتراب شوكتي التضاعف من مركز العنصر القابل للنقل. وينتج عن ذلك جزيئان مزدوجان مُعاد تركيبهما يحتويان على العنصر القابل للنقل شبه المحفوظ، محاطًا بالامتداد السابق من 5 إلى 9 أزواج قاعدية. ويحدث إعادة تركيب متبادل موضعي بين العنصرين القابلين للنقل، بتسهيل من البروتينات. يتداخل هذا التضاعف المتبادل زمنيًا ويحدث بين أجزاء متضاعفة من عنصر التضاعف قبل اكتمال التضاعف. ^{[ 10 ]} ونتيجة لذلك، يحتوي الجزيء المستهدف على العنصر المُدخل محاطًا بتسلسلات من 5 إلى 9 أزواج قاعدية. يؤدي انتقال هذه العناصر إلى مضاعفة عنصر الانتقال، تاركًا عنصر انتقال في موقعه الأصلي وعنصرًا متحركًا جديدًا في موقع التضاعف المتبادل. وبذلك، يزداد إجمالي عدد الأزواج القاعدية في جينومات الكائنات الحية. وتزداد حالات الانتقال بمرور الوقت ومع تقدم الكائنات الحية في العمر.

• العناصر المتنقلة الرجعية : هي عناصر متنقلة تنتقل داخل الجينوم، حيث تُنسخ إلى الحمض النووي الريبوزي (RNA) ثم إلى الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) بواسطة إنزيم النسخ العكسي . كما تُظهر العديد من العناصر المتنقلة الرجعية خاصية النقل التضاعفي . وتوجد هذه العناصر حصريًا في حقيقيات النوى . ^{[ 12 ]} تتكون العناصر المتنقلة الرجعية من نوعين رئيسيين: العناصر المتنقلة ذات التكرارات الطرفية الطويلة (LTRs) والعناصر المتنقلة غير ذات التكرارات الطرفية الطويلة (Non-LTRs). ويمكن تصنيف العناصر المتنقلة غير ذات التكرارات الطرفية الطويلة إلى عناصر نووية متناثرة طويلة (LINEs) وعناصر نووية متناثرة قصيرة (SINEs). ^{[ 13 ]} تُنظم هذه العناصر المتنقلة الرجعية بواسطة عائلة من الحمض النووي الريبوزي غير المشفر القصير تُسمى الحمض النووي الريبوزي المتفاعل مع بروتين PIWI (piRNAs). ^{[ 14 ]} يُعد piRNA فئة مكتشفة حديثًا من الحمض النووي الريبوزي غير المشفر، ويتراوح طوله بين 24 و32 نيوكليوتيدًا تقريبًا. في البداية، وُصفت جزيئات piRNA بأنها جزيئات siRNA مرتبطة بالتكرارات (rasiRNAs) نظرًا لأصلها من العناصر المتكررة، مثل التسلسلات القابلة للنقل في الجينوم. إلا أنه تبيّن لاحقًا أنها تعمل عبر بروتين PIWI. وبالإضافة إلى دورها في كبح عمل العناصر القابلة للنقل الجينومية، فقد أُبلغ مؤخرًا عن أدوار متنوعة لجزيئات piRNA، مثل تنظيم منطقة 3' غير المترجمة (3' UTR) للجينات المشفرة للبروتينات عبر التداخل الرناوي (RNAi)، والتوارث اللاجيني عبر الأجيال لنقل ذاكرة نشاط العناصر القابلة للنقل في الماضي، والتثبيط اللاجيني المُستحث بالرنا. ^{[ 14 ]}
• الإنتغرونات : هي عبارة عن كاسيتات جينية تحمل عادةً جينات مقاومة المضادات الحيوية إلى البلازميدات البكتيرية والترانسبوزونات. ^{[ 15 ]}
• الإنترونات : الإنترونات من المجموعتين الأولى والثانية هي تسلسلات نيوكليوتيدية ذات نشاط تحفيزي، وهي جزء من نسخ الجينوم المضيف، وتعمل كريبوزيمات قادرة على غزو الجينات التي تشفر الحمض النووي الريبوزي الناقل ( tRNA) والحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA ) والبروتينات . وهي موجودة في جميع الكائنات الحية الخلوية والفيروسات . ^{[ 16 ]}
• الإنترونات: هي تسلسلات شبيهة بالترانسبوزونات، قادرة على الانتقال داخل الجينوم تاركةً إنترونات جديدة في مواقعها الأصلية. وقد أشير إليها كآلية محتملة لاكتساب الإنترونات في تطور حقيقيات النوى، حيث توجد في 5% على الأقل من جميع الأنواع، وخاصة في الكائنات المائية، ربما نتيجةً لانتقال الجينات الأفقي الذي يحدث بوتيرة أعلى في هذه الحيوانات. ^{[ 17 ] [ 18 ]} وقد وُصفت لأول مرة عام 2009 في الطحالب الخضراء وحيدة الخلية ميكروموناس . ^{[ 19 ]}
• العوامل الفيروسية : هي في الغالب عوامل معدية غير خلوية تتكاثر داخل الخلايا المضيفة. خلال دورة العدوى، يمكنها نقل الجينات من مضيف إلى آخر، أو من كائن حي إلى آخر في حال إصابة أكثر من نوعين مختلفين. تقليديًا، تُعتبر هذه العوامل كيانات منفصلة، ​​لكن العديد من الباحثين الذين يدرسون خصائصها وتطورها يشيرون إليها كعناصر وراثية متنقلة. يستند هذا إلى حقيقة أن العوامل الفيروسية عبارة عن جسيمات أو جزيئات بسيطة تتكاثر وتنتقل بين مضيفين مختلفين، مثل العناصر الوراثية المتنقلة غير الفيروسية الأخرى. وفقًا لهذا الرأي، لا ينبغي اعتبار الفيروسات والعوامل الفيروسية الأخرى كائنات حية ، بل من الأنسب تصنيفها كعناصر وراثية متنقلة. ترتبط العوامل الفيروسية تطوريًا بعناصر وراثية متنقلة متنوعة. ^{[ 20 ]} يُعتقد أن هذه العوامل الفيروسية نشأت من بلازميدات مُفرزة أو مُقذفة من كائنات حية أخرى. كما تُقدم العناصر المتحركة (الترانسبوزونات) نظرة ثاقبة حول كيفية نشأة هذه العناصر. تُعرف هذه النظرية باسم فرضية التشرد التي اقترحتها باربرا مكلينتوك في عام 1950. ^{[ 21 ] [ 1 ] [ 22 ] [ 4 ] [ 23 ]}
  • الفيروسات : هي عوامل فيروسية تتكون من جزيء من المادة الوراثية (DNA أو RNA) ولها القدرة على تكوين جسيمات معقدة تُسمى الفيروسات الكاملة، مما يُمكّنها من الانتقال بسهولة بين عوائلها. توجد الفيروسات في جميع الكائنات الحية. تُصنّع الجسيمات الفيروسية بواسطة آلية التكاثر في العائل للانتقال الأفقي. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 24 ]}
  • الأحماض النووية الساتلية : هي جزيئات من الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) أو الحمض النووي الريبوزي (RNA)، تُغلّف كجزيئات دخيلة داخل جسيمات فيروسات مساعدة معينة، وتعتمد هذه الفيروسات على هذه الجزيئات للتكاثر. على الرغم من أنها تُعتبر أحيانًا عناصر وراثية للفيروسات المساعدة، إلا أنها لا توجد دائمًا داخل هذه الفيروسات. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 25 ]}
  • الفيروسات العارية : هي عوامل فيروسية تتكون من جزيئات صغيرة دائرية من الحمض النووي الريبي (RNA) تصيب النباتات وتتكاثر فيها . لا تحتوي هذه العناصر الوراثية المتنقلة على غلاف بروتيني واقٍ. وتوجد هذه العناصر الوراثية المتنقلة تحديدًا في كاسيات البذور . ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 26 ]}
  • العناصر الفيروسية الداخلية : هي أحماض نووية فيروسية تندمج في جينوم الخلية. يمكنها الانتقال والتكاثر عدة مرات داخل الخلية المضيفة دون التسبب في مرض أو طفرة. تُعتبر أشكالاً مستقلة من العناصر المتحركة. ومن أمثلتها الفيروسات الأولية والفيروسات القهقرية الداخلية . ^{[ 27 ]}

تُعدّ أنظمة CRISPR-Cas في البكتيريا والعتائق أنظمة مناعية تكيفية للحماية من العواقب الوخيمة للعناصر الجينية المتحركة. وباستخدام التحليل الجينومي المقارن والتحليل التطوري، وجد الباحثون أن متغيرات CRISPR-Cas مرتبطة بأنواع محددة من العناصر الجينية المتحركة، مثل العناصر القابلة للنقل. وفي العناصر القابلة للنقل المرتبطة بـ CRISPR ، يتحكم نظام CRISPR-Cas في العناصر القابلة للنقل لضمان تكاثرها. ^{[ 28 ]}

تُعدّ العناصر الجينية المتحركة، كالبلازميدات، التي تنتقل أفقيًا، مفيدةً للكائن الحي عمومًا. وتُعتبر قدرة نقل البلازميدات (مشاركتها) مهمةً من منظور تطوري. وقد وجد تازيمان وبونهوفر أن تثبيت (استقبال) البلازميدات المنقولة في كائن حي جديد لا يقل أهميةً عن قدرة نقلها. ^{[ 29 ]} تتمتع البلازميدات النادرة والنادرة والقابلة للنقل باحتمالية تثبيت أعلى، بينما تتمتع العناصر الجينية الضارة القابلة للنقل باحتمالية تثبيت أقل لأنها قاتلة للكائنات المضيفة.

يُعدّ أحد أنواع العناصر الجينية المتحركة، وتحديداً العناصر الاقترانية التكاملية (ICEs)، أساسياً في النقل الأفقي للجينات، حيث يُشكّل جينومات بدائيات النوى، مما يُتيح اكتساب سمات تكيفية جديدة بسرعة. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

كمثالٍ نموذجيٍّ على عناصر التكامل الجيني (ICEs)، يُعدّ عنصر التكامل الجيني Bs1 معروفًا جيدًا بدوره في استجابة SOS الشاملة لتلف الحمض النووي في بكتيريا Bacillus subtilis ^{[ 32 ]} ، وكذلك ارتباطه المحتمل بمقاومة الإشعاع والجفاف في جراثيم Bacillus pumilus SAFR-032 ^{[ 33 ]} ، المعزولة من مرافق غرف التنظيف في المركبات الفضائية. ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]}

يُعدّ انتقال العناصر القابلة للانتقال عمليةً مُطفرة. ولذلك، طوّرت الكائنات الحية آلياتٍ لكبح هذه العمليات، ويؤدي فشل كبحها إلى الإصابة بالسرطان في الخلايا الجسدية. وقد وجد سيكو وزملاؤه أن نسخ العناصر القابلة للانتقال العكسي يكون ضئيلاً في الفئران خلال المراحل العمرية المبكرة، ولكنه يزداد مع التقدم في العمر. ^{[ 37 ]} ويقلّ مستوى التعبير هذا، المرتبط بالعمر، للعناصر القابلة للانتقال عند اتباع نظام غذائي منخفض السعرات الحرارية. غالبًا ما ينتج عن تضاعف هذه العناصر إضافة تسلسلات متكررة إلى الجينوم. هذه التسلسلات غالبًا ما تكون غير مُشفّرة، ولكنها قد تتداخل مع التسلسلات المُشفّرة للحمض النووي. وعلى الرغم من كونها مُطفرة بطبيعتها، فإن العناصر القابلة للانتقال تُزيد من حجم جينوم الكائن الحي الذي تنتقل إليه. ينبغي إجراء المزيد من الأبحاث حول كيفية استخدام هذه العناصر كأداة تكيف سريعة من قِبل الكائنات الحية لتوليد التنوع. العديد من عناصر الانتقال تكون كامنة أو تتطلب تنشيطًا. تجدر الإشارة أيضًا إلى أن القيم الحالية للتسلسلات المُشفّرة للحمض النووي ستكون أعلى إذا اعتُبرت عناصر الانتقال التي تُشفّر آليات انتقالها الخاصة تسلسلات مُشفّرة.

وتشمل بعض الأمثلة الأخرى التي تم بحثها مافريكس ، ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]} وسفن الفضاء ^{[ 41 ] [ 40 ]} وغزاة الفضاء (أو سبينز) ^{[ 42 ] [ 43 ]}

يمكن أن تؤدي العناصر الجينية المتنقلة إلى تغيير أنماط النسخ، مما ينتج عنه في كثير من الأحيان اضطرابات وراثية مثل اضطرابات المناعة، وسرطان الثدي، والتصلب المتعدد، والتصلب الجانبي الضموري. وفي البشر، قد يؤدي الإجهاد إلى تنشيط تفاعلي للعناصر الجينية المتنقلة مثل الفيروسات القهقرية الداخلية ، وقد رُبط هذا التنشيط بالتنكس العصبي . ^{[ 44 ]}

يمكن الإشارة إلى مجموع جميع العناصر الجينية المتحركة في الجينوم باسم " الموبيلوم" .

حصلت باربرا مكلينتوك على جائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء لعام 1983 "لاكتشافها العناصر الجينية المتحركة" ( العناصر القابلة للنقل ). ^{[ 45 ]}

تلعب العناصر الجينية المتنقلة دورًا حاسمًا في انتشار عوامل الضراوة، مثل السموم الخارجية والإنزيمات الخارجية ، بين البكتيريا. وقد تم اقتراح استراتيجيات لمكافحة بعض أنواع العدوى البكتيرية من خلال استهداف عوامل الضراوة المحددة هذه والعناصر الجينية المتنقلة. ^{[ 46 ]}

• قاعدة بيانات ACLAME (تصنيف العناصر الجينية المتنقلة)
• ولادة جين جديد
• إعادة ترتيب الإكسونات
• اندماج الجينات
• تضاعف الجينات
• نقل الجينات الأفقي
• عوامل الضراوة
• العناصر القابلة للنقل ذات التكرار المعكوس المصغر (MITEs)
• سفينة الفضاء

• ميلر دبليو جيه، كابي بي، محرران. (2004). العناصر الوراثية المتنقلة: البروتوكولات والتطبيقات الجينومية . دار هومانا للنشر. ISBN 978-1-58829-007-6.
• شابيرو، جيه إيه ، محرر. (1983). العناصر الوراثية المتنقلة . دار النشر الأكاديمية. رقم ISBN 978-0-12-638680-6.