علم الوراثة الجزيئي

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة

علم الوراثة الجزيئي ( / məˈlɛkjʊlərˌfaɪloʊdʒəˈnɛtɪks , mɒ- , moʊ- / [1] [ 2 ] ) هو أحد فروع علم الوراثة الذي يحلل الاختلافات الجزيئية الوراثية الجينية ، وخاصة في تسلسلات الحمض النووي ، للحصول على معلومات حول العلاقات التطورية للكائن الحي. ومن خلال هذه التحليلات ، من الممكن تحديد العمليات التي تم من خلالها تحقيق التنوع بين الأنواع. ويتم التعبير عن نتيجة التحليل الجزيئي للتطور في شجرة التطور . علم الوراثة الجزيئي هو أحد جوانب علم التصنيف الجزيئي ، وهو مصطلح أوسع يشمل أيضًا استخدام البيانات الجزيئية في التصنيف والجغرافيا الحيوية . [3] [4] [5]

ترتبط علم الوراثة الجزيئي بالتطور الجزيئي . التطور الجزيئي هو عملية التغيرات الانتقائية (الطفرات) على المستوى الجزيئي (الجينات والبروتينات وما إلى ذلك) عبر فروع مختلفة في شجرة الحياة (التطور). يستخلص علم الوراثة الجزيئي العلاقات التطورية التي تنشأ بسبب التطور الجزيئي ويؤدي إلى بناء شجرة تطورية. [6]

تاريخ

وُضعت الأطر النظرية للتصنيف الجزيئي في ستينيات القرن العشرين في أعمال إميل زوكركاندل وإيمانويل مارغولياش ولينوس بولينج ووالتر إم فيتش . [7] وكان تشارلز جي سيبيلي ( الطيور ) وهربرت سي ديساور ( علم الزواحف ) وموريس جودمان ( الرئيسيات ) أول من بدأ في استخدام التصنيف الجزيئي، ثم تلاهم آلان سي ويلسون وروبرت ك. سيلاندر وجون سي. أفيس (الذين درسوا مجموعات مختلفة). بدأ العمل باستخدام التحليل الكهربائي للبروتين حوالي عام 1956. وعلى الرغم من أن النتائج لم تكن كمية ولم تحسن في البداية التصنيف المورفولوجي، إلا أنها قدمت تلميحات مغرية إلى أن المفاهيم القديمة لتصنيفات الطيور ، على سبيل المثال، تحتاج إلى مراجعة كبيرة. وفي الفترة من 1974 إلى 1986، كان تهجين الحمض النووي DNA-DNA هو التقنية السائدة المستخدمة لقياس الاختلاف الجيني. [8]

الخلفية النظرية

كما أُطلق على المحاولات المبكرة في التصنيف الجزيئي أيضًا اسم التصنيف الكيميائي واستخدمت البروتينات والإنزيمات والكربوهيدرات والجزيئات الأخرى التي تم فصلها وتوصيفها باستخدام تقنيات مثل الكروماتوغرافيا . وقد تم استبدال هذه في الآونة الأخيرة إلى حد كبير بتسلسل الحمض النووي ، والذي ينتج التسلسلات الدقيقة للنيوكليوتيدات أو القواعد في أجزاء الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي المستخرجة باستخدام تقنيات مختلفة. بشكل عام، تعتبر هذه التقنيات متفوقة للدراسات التطورية، حيث تنعكس أفعال التطور في النهاية في التسلسلات الجينية. في الوقت الحاضر، لا تزال عملية تسلسل الحمض النووي بالكامل للكائن الحي (جينومه ) عملية طويلة ومكلفة . ومع ذلك، فمن الممكن تمامًا تحديد تسلسل منطقة محددة من كروموسوم معين . تتطلب التحليلات المنهجية الجزيئية النموذجية تسلسل حوالي 1000 زوج قاعدي . في أي مكان داخل مثل هذا التسلسل، قد تختلف القواعد الموجودة في موضع معين بين الكائنات الحية. يشار إلى التسلسل المحدد الموجود في كائن حي معين باسم النمط الوراثي الخاص به . من حيث المبدأ، بما أن هناك أربعة أنواع أساسية، مع 1000 زوج أساسي، فيمكن أن يكون لدينا 4000 نمط وراثي مميز. ومع ذلك، بالنسبة للكائنات الحية ضمن نوع معين أو في مجموعة من الأنواع ذات الصلة، فقد وجد تجريبياً أن أقلية فقط من المواقع تظهر أي اختلاف على الإطلاق، ومعظم الاختلافات التي تم العثور عليها مترابطة، بحيث يكون عدد الأنماط الوراثية المميزة التي تم العثور عليها صغيرًا نسبيًا. [9]

توجد في شجرة النشوء والتطور العديد من التجمعات (الفصائل). ويمكن تعريف الفصيلة بأنها مجموعة من الكائنات الحية التي لها سلف مشترك طوال التطور. يوضح هذا الشكل كيف يمكن التعبير عن فصيلة في شجرة النشوء والتطور.

في التحليل المنهجي الجزيئي، يتم تحديد الأنماط الوراثية لمنطقة محددة من المادة الوراثية ؛ يتم استخدام عينة كبيرة من الأفراد من الأنواع المستهدفة أو الأنواع الأخرى ؛ ومع ذلك، فإن العديد من الدراسات الحالية تعتمد على أفراد منفردين. يتم أيضًا تحديد الأنماط الوراثية للأفراد من الأنواع ذات الصلة الوثيقة، ولكن المختلفة. أخيرًا، يتم تحديد الأنماط الوراثية من عدد أقل من الأفراد من نوع مختلف تمامًا: يشار إلى هذه باسم المجموعة الخارجية . ثم تتم مقارنة التسلسلات الأساسية للأنماط الوراثية. في أبسط الحالات، يتم تقييم الفرق بين نمطين وراثيين من خلال حساب عدد المواقع التي تحتوي على قواعد مختلفة: يشار إلى هذا بعدد الاستبدالات (يمكن أن تحدث أيضًا أنواع أخرى من الاختلافات بين الأنماط الوراثية، على سبيل المثال، إدراج جزء من الحمض النووي في نمط وراثي واحد غير موجود في آخر). عادة ما يتم إعادة التعبير عن الاختلاف بين الكائنات الحية كنسبة مئوية للتباعد ، عن طريق تقسيم عدد الاستبدالات على عدد أزواج القواعد التي تم تحليلها: والأمل هو أن يكون هذا الإجراء مستقلاً عن موقع وطول قسم الحمض النووي الذي تم تسلسله.

كان النهج الأقدم الذي تم تجاوزه هو تحديد الاختلافات بين النمط الجيني للأفراد من خلال تهجين الحمض النووي DNA-DNA . كانت الميزة المزعومة لاستخدام التهجين بدلاً من تسلسل الجينات هي أنه كان يعتمد على النمط الجيني بالكامل، وليس على أقسام معينة من الحمض النووي. تتغلب تقنيات مقارنة التسلسل الحديثة على هذا الاعتراض باستخدام تسلسلات متعددة.

بمجرد تحديد التباعدات بين جميع أزواج العينات، يتم إخضاع المصفوفة المثلثية الناتجة للاختلافات إلى شكل من أشكال التحليل العنقودي الإحصائي، ويتم فحص مخطط الشجرة الناتج لمعرفة ما إذا كانت العينات تتجمع بالطريقة المتوقعة من الأفكار الحالية حول تصنيف المجموعة. يمكن القول إن أي مجموعة من الأنماط الوراثية التي تتشابه جميعها مع بعضها البعض أكثر من أي منها مع أي نمط وراثي آخر تشكل فرعًا ، والذي يمكن تمثيله بصريًا كما يوضح الشكل المعروض على اليمين. تساعد التقنيات الإحصائية مثل إعادة التمهيد والتعديل الطفيف في توفير تقديرات الموثوقية لمواضع الأنماط الوراثية داخل الأشجار التطورية.

التقنيات والتطبيقات

يحتوي كل كائن حي على حمض الديوكسي ريبونوكلييك ( DNA ) وحمض الريبونوكلييك ( RNA ) والبروتينات . بشكل عام، تتمتع الكائنات الحية ذات الصلة الوثيقة بدرجة عالية من التشابه في البنية الجزيئية لهذه المواد، في حين غالبًا ما تظهر جزيئات الكائنات الحية ذات الصلة البعيدة نمطًا من الاختلاف. من المتوقع أن تتراكم الطفرات في التسلسلات المحفوظة، مثل الحمض النووي للميتوكوندريا، بمرور الوقت، وبافتراض معدل ثابت للطفرة، توفر ساعة جزيئية لتأريخ التباعد. يستخدم علم النشوء والتطور الجزيئي مثل هذه البيانات لبناء "شجرة علاقات" تُظهر التطور المحتمل لمختلف الكائنات الحية. مع اختراع تسلسل سانجر في عام 1977، أصبح من الممكن عزل وتحديد هذه الهياكل الجزيئية. [10] [11] يمكن أيضًا استخدام التسلسل عالي الإنتاجية للحصول على النسخ الجيني لكائن حي، مما يسمح باستنتاج العلاقات التطورية باستخدام البيانات النسخية .

النهج الأكثر شيوعًا هو مقارنة التسلسلات المتجانسة للجينات باستخدام تقنيات محاذاة التسلسل لتحديد التشابه. تطبيق آخر للتطور الجزيئي هو في ترميز الحمض النووي ، حيث يتم تحديد نوع الكائن الحي الفردي باستخدام أقسام صغيرة من الحمض النووي للميتوكوندريا أو الحمض النووي للبلاستيدات الخضراء . يمكن رؤية تطبيق آخر للتقنيات التي تجعل هذا ممكنًا في مجال علم الوراثة البشرية المحدود للغاية، مثل الاستخدام المتزايد الشعبية للاختبارات الجينية لتحديد أبوة الطفل ، بالإضافة إلى ظهور فرع جديد من الطب الشرعي الجنائي يركز على الأدلة المعروفة باسم البصمة الوراثية .

التحليل التطوري الجزيئي

تتوفر عدة طرق لإجراء تحليل تطوري جزيئي. إحدى الطرق، بما في ذلك بروتوكول شامل خطوة بخطوة لبناء شجرة تطورية، بما في ذلك تجميع تسلسل متجاور للحمض النووي/الأحماض الأمينية، ومحاذاة تسلسلات متعددة ، واختبار النموذج (اختبار أفضل نماذج الاستبدال المناسبة)، وإعادة بناء شجرة التطور باستخدام أقصى احتمال والاستدلال البايزي، متاحة في Nature Protocol. [12]

وقد وصف بيفسنر تقنية أخرى للتحليل التطوري الجزيئي وسيتم تلخيصها في الجمل التالية (بيفسنر، 2015). يتكون التحليل التطوري عادةً من خمس خطوات رئيسية. تتضمن المرحلة الأولى اكتساب التسلسل. تتكون الخطوة التالية من إجراء محاذاة تسلسل متعددة، وهي الأساس الأساسي لبناء شجرة تطور. تتضمن المرحلة الثالثة نماذج مختلفة لاستبدال الحمض النووي والأحماض الأمينية. توجد عدة نماذج للاستبدال. تتضمن بعض الأمثلة مسافة هامينج ، ونموذج جوكس وكانتور أحادي المعلمة، ونموذج كيمورا ثنائي المعلمة (انظر نماذج تطور الحمض النووي ). تتكون المرحلة الرابعة من طرق مختلفة لبناء الشجرة، بما في ذلك الطرق القائمة على المسافة والقائمة على الشخصية. توفر مسافة هامينج الطبيعية وصيغ تصحيح جوكس كانتور درجة التباعد واحتمالية تغير النوكليوتيد إلى آخر، على التوالي. تتضمن طرق بناء الأشجار الشائعة طريقة المجموعة الزوجية غير المرجحة باستخدام المتوسط ​​الحسابي ( UPGMA ) وربط الجار ، وهي طرق تعتمد على المسافة، والتوفير الأقصى ، وهي طريقة تعتمد على الأحرف، وتقدير الاحتمال الأقصى والاستدلال البايزي ، وهي طرق تعتمد على الأحرف/النموذج. UPGMA هي طريقة بسيطة؛ ومع ذلك، فهي أقل دقة من طريقة ربط الجار. أخيرًا، تتضمن الخطوة الأخيرة تقييم الأشجار. يتألف تقييم الدقة هذا من الاتساق والكفاءة والمتانة. [13]

خمس مراحل للتحليل الجزيئي التطوري

برنامج MEGA (تحليل الوراثيات التطورية الجزيئية) هو برنامج تحليل سهل الاستخدام ومجاني للتنزيل والاستخدام. هذا البرنامج قادر على تحليل كل من منهجيات الشجرة القائمة على المسافة والقائمة على الشخصية. يحتوي برنامج MEGA أيضًا على العديد من الخيارات التي يمكن للمرء اختيار استخدامها، مثل الأساليب الاستدلالية والتمهيد. يعد التمهيد نهجًا يستخدم عادةً لقياس قوة الطوبولوجيا في شجرة النشوء والتطور، والذي يوضح النسبة المئوية التي يتم دعم كل فرع منها بعد العديد من التكرارات. بشكل عام، تعتبر القيمة الأكبر من 70% ذات دلالة إحصائية. يوضح مخطط التدفق المعروض على اليمين بصريًا ترتيب المراحل الخمس لتقنية التحليل النشوئي الجزيئي لبيفسنر التي تم وصفها. [13]

القيود

إن التصنيف الجزيئي هو نهج تصنيفي في الأساس : فهو يفترض أن التصنيف يجب أن يتوافق مع الانحدار التطوري، وأن جميع الأصناف الصالحة يجب أن تكون أحادية النمط . وهذا يشكل قيدًا عند محاولة تحديد الشجرة (الشجرة) المثلى، والتي غالبًا ما تنطوي على تقسيم وإعادة توصيل أجزاء من الشجرة (الشجرة) التطورية.

إن الاكتشاف الأخير لانتقال الجينات الأفقي الواسع النطاق بين الكائنات الحية يوفر تعقيدًا كبيرًا للتصنيف الجزيئي، مما يشير إلى أن الجينات المختلفة داخل نفس الكائن الحي يمكن أن يكون لها سلالات مختلفة. يمكن اكتشاف واستبعاد السلالات الأفقية باستخدام عدد من الطرق التطورية (انظر استنتاج انتقال الجينات الأفقي § الطرق التطورية الصريحة ).

بالإضافة إلى ذلك، فإن النشوء والتطور الجزيئي حساس للافتراضات والنماذج التي تدخل في صنعها. أولاً، يجب محاذاة التسلسلات؛ ثم يجب معالجة قضايا مثل جاذبية الفروع الطويلة والتشبع ومشاكل أخذ العينات التصنيفية . وهذا يعني أنه يمكن الحصول على نتائج مختلفة بشكل لافت للنظر من خلال تطبيق نماذج مختلفة على نفس مجموعة البيانات. [14] [15] تجلب طريقة بناء الشجرة أيضًا افتراضات محددة حول طوبولوجيا الشجرة وسرعات التطور وأخذ العينات. تفترض طريقة UPGMA التبسيطية وجود شجرة متجذرة وساعة جزيئية موحدة، وكلاهما يمكن أن يكون غير صحيح. [13]

انظر أيضا

الملاحظات والمراجع

  1. ^ جونز، دانييل (2003) [1917]، بيتر روتش؛ جيمس هارتمان؛ جين سيتر (المحررون)، قاموس النطق الإنجليزي ، كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج، رقم ISBN 3-12-539683-2
  2. ^ "Phylogenetic". قاموس Merriam-Webster.com . ميريام وبستر.
  3. ^ Felsenstein، J. 2004. استنتاج السلالات . شركة سيناور أسوشيتس إنكوربوريتد. ردمك 0-87893-177-5 . 
  4. ^ Soltis, PS و Soltis, DE وDoyle, JJ (1992) Molecular systematics of plants . Chapman & Hall, New York. ISBN 0-41202-231-1 . 
  5. ^ Soltis, PS, Soltis, DE, and Doyle, JJ (1998) Molecular Systematics of Plants II: DNA Sequencing . Kluwer Academic Publishers Boston, Dordrecht, London. ISBN 0-41211-131-4 . 
  6. ^ Hillis, DM & Moritz, C. 1996. Molecular systematics . الطبعة الثانية. Sinauer Associates Incorporated. ISBN 0-87893-282-8 . 
  7. ^ Suárez-Díaz, Edna & Anaya-Muñoz, Victor H. (2008). "History, subjectivity, and the build of molecular phylogenies". دراسات. تاريخ. فلسفة. أحياء. وعلوم طبية حيوية . 39 (4): 451–468. doi :10.1016/j.shpsc.2008.09.002. PMID  19026976.
  8. ^ Ahlquist, Jon E. (1999). "Charles G. Sibley: A commentary on 30 years of collaboration". The Auk . 116 (3): 856–860. doi :10.2307/4089352. JSTOR  4089352.
  9. ^ Page, Roderic DM; Holmes, Edward C. (1998). Molecular evolution: a phylogenetic approach . Oxford: Blackwell Science . ISBN 9780865428898. OCLC  47011609.
  10. ^ سانجر ف، كولسون أ. ر. (مايو 1975). "طريقة سريعة لتحديد التسلسلات في الحمض النووي عن طريق التخليق الأولي باستخدام بوليميراز الحمض النووي". مجلة البيولوجيا الجزيئية . 94 (3): 441-8. doi :10.1016/0022-2836(75)90213-2. PMID  1100841.
  11. ^ سانجر ف، نيكلين س، كولسون أ. ر. (ديسمبر 1977). "تسلسل الحمض النووي باستخدام مثبطات إنهاء السلسلة". وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم، الولايات المتحدة الأمريكية . 74 (12): 5463-7. رمز Bibcode : 1977PNAS...74.5463S. doi : 10.1073/pnas.74.12.5463 . PMC 431765. PMID  271968 . 
  12. ^ Bast, F. (2013). "البحث عن تشابه التسلسل، ومحاذاة التسلسلات المتعددة، واختيار النموذج، ومصفوفة المسافة وإعادة بناء شجرة التطور". Protoc. Exch . doi : 10.1038/protex.2013.065 .
  13. ^ abc Pevsner, J. (2015). "الفصل 7: علم النشوء والتطور الجزيئي". Bioinformatics and Functional Genomics (الطبعة الثالثة). Wiley-Blackwell. ص 245-295. ISBN 978-1-118-58178-0.
  14. ^ Cabra-García, Jimmy; Hormiga, Gustavo (2020). "استكشاف تأثير علم التشكل ومحاذاة التسلسل المتعدد واختيار معايير الأمثلية في الاستدلال التطوري: دراسة حالة مع جنس العنكبوت المنسوج على شكل كرة Wagneriana (Araneae: Araneidae) في المناطق الاستوائية الجديدة". المجلة الحيوانية لجمعية لينيان . 188 (4): 976-1151. doi :10.1093/zoolinnean/zlz088.
  15. ^ Philippe, H.; Brinkmann, H.; Lavrov, DV; Littlewood, DTJ; Manuel, M.; Wörheide, G.; Baurain, D. (2011). Penny, David (محرر). "حل الأسئلة الشائكة المتعلقة بالتطور: لماذا لا تكفي المزيد من التسلسلات". PLOS Biology . 9 (3): e1000602. doi : 10.1371/journal.pbio.1000602 . PMC 3057953. PMID  21423652 . 

قراءة إضافية

  • سان ماورو، د.؛ أغوريتا، أ. (2010). "النظاميات الجزيئية: توليفة من الأساليب الشائعة وحالة المعرفة". رسائل علم الأحياء الخلوي والجزيئي . 15 (2): 311-341. doi : 10.2478/s11658-010-0010-8 . PMC  6275913. PMID  20213503 .
  • Blaxter, ML (2004). "The promise of a DNA taxonomy". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences . 359 (1444): 669–679. doi :10.1098/rstb.2003.1447. PMC  1693355. PMID  15253352 .
  • NCBI – التصنيف والتطور الجزيئي
  • ميجا للبرمجيات
  • علم الوراثة الجزيئي من موسوعة بريتانيكا .
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=علم_التطور_الجزيئي&oldid=1258478874"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate