تعدد الصيغ الصبغية القديمة

التضاعف الصبغي القديم هو نتيجة لتضاعف الجينوم الذي حدث قبل ملايين السنين على الأقل. يمكن أن يؤدي هذا الحدث إما إلى مضاعفة جينوم نوع واحد ( التضاعف الصبغي الذاتي ) أو دمج جينومات نوعين ( التضاعف الصبغي الخلطي ). ^{[ 1 ]} ونظرًا لوجود فائض وظيفي ، تُكبت الجينات أو تُفقد بسرعة من الجينومات المتضاعفة. فقدت معظم الكائنات متعددة الصبغيات القديمة، عبر الزمن التطوري، وضعها متعدد الصبغيات من خلال عملية تسمى التضاعف الصبغي ، وتُعتبر حاليًا ثنائية الصبغيات ، مثل خميرة الخباز ، ^{[ 2 ]} ونبات الرشاد (Arabidopsis thaliana) ، ^{[ 3 ]} وربما البشر . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

تُدرس ظاهرة تعدد الصيغ الصبغية القديمة على نطاق واسع في السلالات النباتية. وقد وُجد أن جميع النباتات المزهرة تقريبًا قد خضعت لجولة واحدة على الأقل من تضاعف الجينوم في مرحلة ما من تاريخها التطوري. ^{[ 8 ]} كما وُجدت حالات تضاعف جينومي قديمة في السلف المبكر للفقاريات (بما في ذلك السلالة البشرية) بالقرب من أصل الأسماك العظمية ، وحالة أخرى في السلالة الجذعية للأسماك العظمية . ^{[ 9 ]} وتشير الأدلة إلى أن خميرة الخباز ( Saccharomyces cerevisiae )، التي تتميز بجينوم مضغوط، قد شهدت تعدد الصيغ الصبغية خلال تاريخها التطوري. ^{[ 10 ]}

يُستخدم مصطلح "التعدد الصبغي المتوسط" لوصف الأنواع التي شهدت أحداث تضاعف كامل للجينوم (تضاعف الجينوم الكامل، أو تضاعفه ثلاث مرات، وما إلى ذلك) في تاريخها الحديث، مثل آخر 17 مليون سنة. ^{[ 11 ]} ويُفرَّق بين التعدد الصبغي المتوسط ​​والتعدد الصبغي القديم بسهولة الكشف عن التعدد الصبغي المتوسط ​​باستخدام علم الوراثة المقارن السطحي و/أو طرق علم الوراثة الخلوية، مثل تلوين الكروموسومات المقارن . ويُعدّ التمييز بين التعدد الصبغي المتوسط ​​والتعدد الصبغي القديم حديثًا نسبيًا، ولا يزال هذا المصطلح غير معروف لدى جميع الباحثين. ^{[ 12 ]}

تنتشر عمليات تضاعف الجينوم القديمة على نطاق واسع في جميع سلالات حقيقيات النوى ، وخاصة في النباتات. ^{[ 8 ]} تشير الدراسات إلى أن السلف المشترك لعائلة النجيليات (Poaceae) ، التي تضم محاصيل زراعية مهمة مثل الذرة والأرز والقمح وقصب السكر، قد شهد تضاعفًا كاملًا للجينوم (WGD) قبل حوالي 70  مليون سنة . ^{[ 13 ]} وفي سلالات أحاديات الفلقة الأقدم، حدثت جولة واحدة أو على الأرجح جولات متعددة من عمليات تضاعف الجينوم الكاملة الإضافية، والتي لم تكن مشتركة مع ثنائيات الفلقة الأصلية . ^{[ 14 ]} كما حدثت عمليات تضاعف جينوم كاملة مستقلة أخرى أحدث عهدًا في السلالات المؤدية إلى الذرة، ^{[ 15 ]} وقصب السكر ^{، [ 16 ]} والقمح، ^{[ 17 ]} ولكن ليس في أكثر أنواع الأرز شيوعًا، ^{[ 18 ]} أو الذرة الرفيعة ^{، [ 15 ]} أو الدخن الإيطالي. ^{[ 19 ]}

يُعتقد أن حدث تضاعف الصبغيات الذي وقع قبل 160  مليون سنة قد أدى إلى نشأة السلالة الأصلية التي أدت إلى ظهور جميع النباتات المزهرة الحديثة. ^{[ 20 ]} وقد دُرِس هذا الحدث من خلال تسلسل جينوم نبات مزهر قديم، وهو نبات أمبوريلا تريكوبودا . ^{[ 21 ]}

تشترك ثنائيات الفلقة الأساسية أيضًا في تضاعف ثلاثي كامل للجينوم (التضاعف السداسي القديم)، والذي يُقدّر أنه حدث بعد تباعد أحاديات الفلقة وثنائيات الفلقة، ولكن قبل تباعد الورديات والنجميات . ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} وقد شهدت العديد من أنواع ثنائيات الفلقة تضاعفات أو تضاعفات ثلاثية إضافية للجينوم الكامل. على سبيل المثال، نبات الأرابيدوبسيس ثاليانا ، وهو أول نبات تم تسلسل جينومه بالكامل، شهد جولتين إضافيتين على الأقل من تضاعف الجينوم الكامل منذ التضاعف المشترك بين ثنائيات الفلقة الأساسية. ^{[ 3 ]} وقد وقع الحدث الأخير قبل تباعد سلالتي الأرابيدوبسيس والكرنب ، منذ حوالي 20 إلى 45 مليون سنة . ومن الأمثلة الأخرى جينومات ثنائيات الفلقة التي تم تسلسلها ، مثل التفاح وفول الصويا والطماطم والقطن، وغيرها.  

بالمقارنة مع النباتات، يُعدّ التضاعف الصبغي القديم أقل شيوعًا في المملكة الحيوانية. ^{[ 8 ]} وقد تمّ رصده بشكل رئيسي في البرمائيات والأسماك العظمية. على الرغم من أن بعض الدراسات أشارت إلى وجود تضاعف جيني واحد أو أكثر مشترك بين جميع الفقاريات (بما في ذلك البشر)، إلا أن الأدلة ليست قوية كما في الحالات الأخرى، لأن هذه التضاعفات، إن وُجدت، حدثت منذ زمن بعيد (حوالي 400-500 مليون سنة مقارنة بأقل من 200 مليون سنة في النباتات)، ولا تزال المسألة محل نقاش. تُعرف فكرة اشتراك الفقاريات في تضاعف جيني كامل مشترك باسم فرضية 2R . يهتم العديد من الباحثين بمعرفة سبب قلة عدد التضاعفات الجينية الكاملة في السلالات الحيوانية، وخاصة الثدييات، مقارنةً بالسلالات النباتية.

تم اكتشاف تعدد الصيغ الصبغية القديم المدعوم جيدًا في خميرة الخباز ( Saccharomyces cerevisiae )، على الرغم من صغر حجم جينومها المضغوط (حوالي 13 مليون زوج قاعدي)، وذلك بعد انفصالها عن Kluyveromyces lactis و K. marxianus . ومن خلال تبسيط الجينوم، فقدت الخميرة 90% من الجينوم المضاعف على مر الزمن التطوري، وهي تُعرف الآن بأنها كائن ثنائي الصيغة الصبغية. ^{[ 25 ]}

يمكن تحديد الجينات المكررة (الجينات المتماثلة) من خلال تشابه التسلسل على مستوى الحمض النووي أو البروتين. ويمكن تحديد تعدد الصيغ الصبغية القديمة على أنه تكرار جيني هائل في وقت واحد باستخدام الساعة الجزيئية . وللتمييز بين تكرار الجينوم الكامل ومجموعة من أحداث تكرار الجينات المفردة (الأكثر شيوعًا) ، تُطبق القواعد التالية غالبًا:

• تتواجد الجينات المكررة في كتل مكررة كبيرة، يمكن تمييزها من خلال الترتيب الجيني المتماثل . يُعد تكرار الجين الواحد عملية عشوائية، ويميل إلى جعل الجينات المكررة متناثرة في جميع أنحاء الجينوم. تُعد الترتيبات الجينية المتماثلة، المحفوظة عبر العديد من الأنواع المختلفة والأجزاء المكررة المقترحة، دليلاً قوياً على تماثلها. ^{[ 25 ]}
• لا تتداخل الكتل المكررة لأنها أُنشئت في وقت واحد. يمكن أن يحقق التكرار القطاعي داخل الجينوم القاعدة الأولى؛ ولكن يمكن أن تتداخل عمليات التكرار القطاعية المستقلة المتعددة مع بعضها البعض. ^{[ 26 ]}

قد يصعب رصد أحداث التضاعف التي وقعت منذ زمن بعيد في تاريخ السلالات التطورية المختلفة، وذلك بسبب عملية التضاعف اللاحقة (حيث يبدأ الكائن متعدد الصيغ الصبغية بالتصرف ككائن ثنائي الصيغة الصبغية مع مرور الوقت)، إذ تؤدي الطفرات وترجمة الجينات تدريجيًا إلى اختلاف نسخة واحدة من كل كروموسوم عن نظيرتها. وينتج عن ذلك عادةً انخفاض في دقة تحديد التضاعف الصبغي القديم. ^{[ 27 ]}

تؤدي أحداث التضاعف الصبغي القديم إلى تغييرات خلوية هائلة، تشمل مضاعفة المادة الوراثية، وتغيرات في التعبير الجيني، وزيادة حجم الخلية. لا يُعد فقدان الجينات أثناء التضاعف الصبغي عشوائيًا تمامًا، بل يخضع لانتقاء مكثف. تتضاعف الجينات من عائلات جينية كبيرة، بينما لا تتضاعف الجينات الفردية. عمومًا ، يمكن أن يكون للتضاعف الصبغي القديم آثار تطورية قصيرة وطويلة الأمد على لياقة الكائن الحي في بيئته الطبيعية.

يوجد قسمان رئيسيان لتعدد الصيغ الصبغية : التعدد الصبغي الخلطي والتعدد الصبغي الذاتي. ينشأ التعدد الصبغي الخلطي نتيجة تهجين نوعين مرتبطين، بينما ينشأ التعدد الصبغي الذاتي من تضاعف جينوم النوع نتيجة تهجين أبوين من نفس النوع، ^{[ 36 ]} أو تضاعف الخلايا الجسدية في الأنسجة التناسلية لأحد الأبوين. يُعتقد أن الأنواع متعددة الصيغ الصبغية الخلطية أكثر انتشارًا في الطبيعة، ^{[ 36 ]} ربما لأنها ترث جينومات مختلفة، مما يؤدي إلى زيادة التغاير الوراثي ، وبالتالي لياقة أعلى. ينتج عن هذه الجينومات المختلفة زيادة احتمالية حدوث عمليات إعادة تنظيم جينومية واسعة النطاق، ^{[ 36 ] [ 37 ]} والتي قد تكون ضارة أو مفيدة. مع ذلك، يُعتبر التضاعف الذاتي للصبغيات عمومًا عملية محايدة، ^{[ 37 ]} على الرغم من وجود فرضية مفادها أن التضاعف الذاتي للصبغيات قد يكون آلية مفيدة لتحفيز التنوع البيولوجي، وبالتالي مساعدة الكائن الحي على الاستيطان السريع في بيئات جديدة دون المرور بفترة إعادة التنظيم الجيني المكلفة والمستهلكة للوقت التي تمر بها الأنواع متعددة الصبغيات الخلطية. أحد المصادر الشائعة للتضاعف الذاتي للصبغيات في النباتات هو " الأزهار الكاملة "، القادرة على التلقيح الذاتي . هذا، إلى جانب أخطاء الانقسام الاختزالي التي تؤدي إلى اختلال الصيغة الصبغية ، يمكن أن يخلق بيئة يكون فيها التضاعف الذاتي للصبغيات محتملًا جدًا. يمكن استغلال هذه الحقيقة في المختبر باستخدام الكولشيسين لتثبيط انفصال الكروموسومات أثناء الانقسام الاختزالي، مما ينتج عنه نباتات اصطناعية متعددة الصبغيات ذاتيًا. ^{[ 38 ]}

بعد أحداث تعدد الصيغ الصبغية، توجد عدة مصائر محتملة للجينات المكررة ؛ فقد تُحتفظ بالنسختين كجينات وظيفية، أو قد يحدث تغيير في وظيفة الجين في إحدى النسختين أو كلتيهما، أو قد يُخفي إسكات الجين إحدى النسختين أو كلتيهما، أو قد يحدث فقدان كامل للجين. ^{[ 36 ] [ 39 ]} تؤدي أحداث تعدد الصيغ الصبغية إلى مستويات أعلى من التغاير الزيجوتي، ومع مرور الوقت، يمكن أن تؤدي إلى زيادة في العدد الإجمالي للجينات الوظيفية في الجينوم. مع مرور الوقت بعد حدث تكرار الجينوم، ستتغير وظيفة العديد من الجينات نتيجة لتغير وظيفة الجين المكرر في كل من الأنواع متعددة الصيغ الصبغية الخلطية والذاتية، أو نتيجة لتغيرات في التعبير الجيني ناجمة عن إعادة ترتيب الجينوم بفعل تكرار الجينوم في الأنواع متعددة الصيغ الصبغية الخلطية. عندما تُحتفظ بنسختي الجين، وبالتالي يتضاعف عدد النسخ، فهناك احتمال لحدوث زيادة متناسبة في التعبير عن ذلك الجين، مما يؤدي إلى إنتاج ضعف كمية نسخ mRNA . هناك أيضًا احتمال أن ينخفض ​​معدل نسخ الجين المكرر، مما يؤدي إلى زيادة أقل من الضعف في نسخ ذلك الجين، أو أن يؤدي حدث التكرار إلى زيادة في النسخ بأكثر من الضعف. ^{[ 40 ]} في أحد الأنواع، وهو فول الصويا (Glycine dolichocarpa ) (وهو قريب من فول الصويا ، Glycine max )، لوحظ أنه بعد تكرار الجينوم منذ حوالي 500,000 عام، حدثت زيادة في النسخ بمقدار 1.4 ضعف، مما يشير إلى وجود انخفاض نسبي في النسخ مقارنةً بعدد نسخ الجين بعد حدث التكرار. ^{[ 40 ]}

يمكن التمييز بين التضاعف الذاتي والتضاعف الخلطي باستخدام شجرة الجينات. وهناك طريقة أخرى للتمييز بينهما، وهي من خلال المستويات المختلفة بشكل ملحوظ لفقدان الجينات (التجزئة) التي تظهر عادةً في التضاعف الخلطي (بين الجينومات الفرعية المختلفة) ولكنها لا تظهر في التضاعف الذاتي (بين النسخ المتطابقة). ^{[ 28 ]}

ظهرت فرضية التضاعف الصبغي القديم في الفقاريات في سبعينيات القرن العشرين، على يد عالم الأحياء سوسومو أونو . وقد استند في ذلك إلى أن جينوم الفقاريات لا يمكن أن يصل إلى هذا التعقيد دون حدوث تضاعفات واسعة النطاق للجينوم بأكمله. ثم ظهرت فرضية "دورتين من تضاعف الجينوم" ( فرضية 2R )، واكتسبت شعبية واسعة، لا سيما بين علماء الأحياء التطورية. ^{[ 41 ]}

شكك بعض الباحثين في فرضية التضاعف الجيني المزدوج (2R) لأنها تفترض أن نسبة الجينات في جينومات الفقاريات يجب أن تكون 4:1 مقارنةً بجينومات اللافقاريات، وهو ما لا تدعمه نتائج مشاريع جينومات الفقاريات الـ 48 المتاحة في منتصف عام 2011. فعلى سبيل المثال، يتكون الجينوم البشري من حوالي 20,500 جين مُشفِّر للبروتين وفقًا لإحصاءات متصفح جينوم Ensembl ^{[ 42 ]،} بينما يبلغ متوسط ​​حجم جينوم اللافقاريات حوالي 15,000 جين. واستندت حجج أخرى ضد فرضية التضاعف الجيني المزدوج إلى غياب بنية الشجرة (AB)(CD) بين أربعة أعضاء من عائلة جينية واحدة في الفقاريات. مع ذلك، إذا حدث تضاعف الجينوم مرتين متقاربتين، فلن نتوقع وجود هذه البنية ^{[ 43 ] .}

قدّم تسلسل جينوم الرميح دعماً لفرضية حدوث دورتين من تضاعف الجينوم الكامل، تلتها فقدان النسخ المكررة لمعظم الجينات. ^{[ 44 ]} كما عززت جينومات إضافية للرميح هذه الفرضية، حيث أظهرت العديد من القطع الكروموسومية بنية الشجرة المتوقعة (AB)(CD). ^{[ 45 ]}

أنتجت دراسة أجريت عام 2015 الخريطة الجينية لسمك الجريث البحري ، والتي قدمت دعماً قوياً لفرضية حدوث تضاعف كامل للجينوم في سلالة الفقاريات القاعدية، سبقته وتلته عدة تضاعفات قطاعية مستقلة تطورياً حدثت خلال تطور الحبليات. ^{[ 46 ]}

أجرت دراسة عام 2021 تسلسلًا جينيًا لسمك الجريث الياباني ، مما قلب نتائج دراسة عام 2015 رأسًا على عقب، ودعمت وجود تضاعف جيني عالمي (1R) قبل انفصال مجموعتي الأسماك عديمة الفك ( Cyclostomata ) (التي تضم أسماك الهاجفيش والجريث ) والفقاريات الفكية ( Gnathostomata) (التي تضم رباعيات الأطراف، مثل الإنسان). بعد ذلك، خضعت كلتا المجموعتين لتضاعف جيني (2R): تضاعف/رباعي الصبغيات في أسماك الهاجفيش، وتضاعف ثلاثي/سداسي الصبغيات في أسماك Cyclostomata. ^{[ 47 ]} وفي دراسة أخرى أجريت عام 2024، تم تسلسل جينوم سمك الهاجفيش البني ومقارنته بجينومات فقاريات أخرى، سواءً كانت فكية أو عديمة الفك. وقد حظي إطار عمل "التضاعف الجيني المشترك (1R)، ثم التضاعف الجيني المنفصل (2R)" الذي طرحته دراسة عام 2021 بدعم قوي من شجرة الجينات والتوافق الجيني. كما تبين أنه على الرغم من أن حدث التضاعف الأول (1R) قد خضع لإعادة التضاعف (أي توقف الكروموسومات المتماثلة عن إعادة التركيب، مما جعل الجينوم يعمل مرة أخرى كجينوم ثنائي الصبغيات) عند انقسام Cyclostomata-Gnathostomata، فإن حدث التضاعف الثاني (2R) في Cyclostomata لم يخضع لإعادة تضاعف كاملة عند انقسام سمكة الهاجفيش وسمكة الجلكي. وهذا يساعد في إعادة صياغة الصورة المعقدة التي توصلت إليها دراسة عام 2015. ^{[ 48 ]}

• تضاعف الجينات
• علم الجينوم
• النمط النووي
• الصبغيات
• تعدد الصيغ الصبغية
• التطور النوعي