الصلبان الجينية

التهجين الجيني هو التزاوج الهادف لشخصين مما يؤدي إلى مزيج من المادة الوراثية في النسل. يمكن إجراء التهجين في العديد من الأنظمة النموذجية - بما في ذلك النباتات والخميرة والذباب والفئران - ويمكن استخدامها لتشريح العمليات الجينية أو إنشاء كائنات ذات سمات جديدة.

سيغطي هذا الفيديو بعض مبادئ التهجين الجيني ، ويفحص طريقة واحدة لإجراء التهجين المعروفة باسم تحليل رباعي الصلبان ، ويناقش العديد من تطبيقات هذه التقنية.

أولا ، دعنا نقدم المبادئ الأساسية للوراثة التي تجعل التهجين الجيني ممكنا.

يتأثر النمط الظاهري للكائن الحي ، أو تكوين السمات ، بتركيبته الجينية أو النمط الجيني. في معظم الكائنات الحية التي تتكاثر جنسيا ، ينتج الجيل الأبوي خلايا أمشاج أحادية الصيغة الصبغية ، والتي تحتوي على نسخة واحدة من كل كروموسوم مميز. ثم تندمج هذه أثناء التزاوج لإنتاج ذرية ثنائية الصبغيات مع نسختين متماثلتين من كل كروموسوم. إذا كان كلا الكروموسومين يحتويان على نفس الأليل ، أو الشكل المتغير للجين ، فإن الكائن الحي يكون "متماثل اللواقح" في هذا الموضع الجيني. خلاف ذلك ، فهو "متغاير الزيجوت."

لبدء الدورة من جديد ، يولد الكائن ثنائي الصبغيات مرة أخرى الأمشاج أحادية الصيغة الصبغية عن طريق الانقسام الاختزالي. خلال هذه العملية ، يخضع الكروموسومان المتماثلان ل "إعادة التركيب" ، حيث يتم تبادل بتات من التسلسلات المتكافئة بين الزوج. تعمل هذه العملية على خلط الأليلات الأبوية الموروثة لكل نسل ، وبالتالي زيادة تنوعها الجيني.

كان "أبو علم الوراثة" ، جريجور مندل ، من أوائل الأشخاص الذين قاموا بالتقاطعات الجينية المنهجية. باستخدام نبات البازلاء الذي يمكن التلاعب به بسهولة ، وفحص سلسلة من السمات ذات أنماط الوراثة المتسقة ، تمكن مندل من اشتقاق ثلاثة قوانين أساسية للوراثة من شأنها أن تشكل أساس علم الوراثة.

قانون مندل الأول هو قانون التوحيد ، الذي ينص على أن نسل الزيجوت المتغاير للجيل الأول ، أو F1 ، من شخصين متماثلين اللواقح سيكون له النمط الظاهري لوالد واحد فقط. يطلق على الأليل الذي يؤسس هذا النمط الظاهري اسم "المهيمن" ، في حين أن الأليل "المخفي" "متنحي". نحن نعلم الآن أن علاقات الهيمنة غالبا ما تكون أقل وضوحا ، مع حالات مثل الهيمنة غير المكتملة ، حيث تعبر الزيجوت المتغايرة عن نمط ظاهري مختلط. والهيمنة المشتركة ، حيث يتم عرض كلا النمطين الظاهريين.

ينص قانون الفصل على أنه يتم تعيين أليل واحد بشكل عشوائي لكل مشيج. من خلال ملاحظة أن F2 نسل من الإخصاب الذاتي لأفراد F1 المتغاير الزيجوت أظهر نسبة نمطية 3: 1 ، ولكن اثنين من الأفراد المهيمنين ظاهريا هما في الواقع متغاير الزيجوت ، استنتج مندل أن الأليلين الأبويين يجب أن يكوثا بشكل منفصل. اليوم ، نعلم أن الفصل يحدث أثناء الانقسام الاختزالي ، عندما يتم تقسيم الكروموسومين المتجانسين للوالد ثنائي الصبغيات بشكل عشوائي إلى خلايا ابنة أحادية الصيغة الصبغية ، يرث كل منهما أحد الأليلين.

قانون مندل الثالث هو قانون التشكيلة المستقلة ، الذي ينص على أن السمات الفردية موروثة بشكل مستقل. نحن نعلم الآن أن الاستقلال المطلق موجود فقط للسمات التي تتحكم فيها الجينات على كروموسومات منفصلة في المجموعة أحادية الصيغة الصبغية ، والتي يتم توزيعها بشكل مستقل على الخلايا الوليدة أثناء الانقسام الاختزالي. بالنسبة لجينين على نفس الكروموسوم ، فإن المسافة بينهما تتناسب عكسيا مع احتمالية إعادة تجميعهما في كروموسومات متجانسة مختلفة ، وبالتالي ، مدى احتمالية توريثهما معا في نفس النسل. لذلك ، فإن تحليل المنتجات الانتصافية الأربعة للكائن ثنائي الصبغيات يوفر طريقة للعلماء لرسم خريطة لموقع الجينات.

بعد مراجعة المبادئ الكامنة وراء التهجينات الجينية ، دعنا نلقي نظرة على بروتوكول التحليل الرباعي.

يتم تطبيق هذه التقنية عادة على بعض الطحالب أو الفطريات أحادية الخلية ، مثل الخميرة ، لتشريح المنتجات الانتصافية أحادية الصيغة الصبغية الأربعة ، أو الجراثيم ، والتي تظل في هذه الأنواع معا ك "رباعي" داخل جسم خلية واحدة.

لإجراء تحليل رباعي في الخميرة ، تزرع السلالات المرغوبة أولا على الوسائط المناسبة. يسمح لخلايا الخميرة من المستعمرات الفردية بالتزاوج ، على سبيل المثال عن طريق خطوط كل سلالة في نمط متقاطع على لوحة جديدة. ثم يتم طلاء هذه اللوحة بالنسخ المتماثلة على وسائط انتقائية لعزل المنتج ثنائي الصبغيات للصليب فقط.

تزرع الخلايا ثنائية الصبغيات المختارة على وسائط فقيرة بالمغذيات للحث على التبوغ وتكوين رباعي. يتم هضم الأسكي، وهي الهياكل التي تحمل رباعي الجراثيم، في محاليل تحتوي على إنزيم زيمولياز. بعد الهضم ، يتم التلاعب ب asci الفردي باستخدام مجهر تشريح رباعي. يتم ترتيبها في مواقع محددة على صفيحة النمو ، ويتم تعطيلها لتحرير الجراثيم الفردية. يمكن وضعها في نمط يشبه الشبكة ، حيث تولد كل بوغ مستعمرة فردية يمكن تحليلها بشكل أكبر.

الآن بعد أن عرفت كيفية إجراء تحليل رباعي ، دعنا نفحص بعض التطبيقات أو التعديلات العديدة لهذه التقنية.

يستغرق التشريح اليدوي للرباعيات وقتا طويلا ، وقد ابتكر الباحثون بدائل عالية الإنتاجية ، مثل تسلسل الباركود الممكن. في هذه الطريقة ، تم تحويل ذرية ثنائي الصبغيات لصليب الخميرة بمكتبة من البلازميدات ، يحتوي كل منها على تسلسل قصير وفريد يعرف باسم "الباركود" الذي يعمل كمعرف لكل ذرية. تعبر البلازميدات أيضا عن GFP ، مما يسمح باختيار أسي الخميرة عن طريق قياس التدفق الخلوي وفرزها على ألواح أجار. تم تحلل الأسكي بشكل جماعي على الصفائح ، وسمح للجراثيم بالنمو لتصبح مستعمرات صغيرة. ثم تم توزيع المستعمرات بشكل عشوائي على 96 لوحة بئر للتنميط الجيني. يسمح الرمز الشريطي للتسلسل الفريد للباحثين بتجميع المستعمرات الأربع التي نشأت من الجراثيم من كل رباعي.

يمكن أيضا استخدام التهجين الجيني لتوليد خلايا الخميرة بأعداد كبيرة من عمليات حذف الجينات. في عملية الوحش الأخضر ، تتزاوج الخميرة الطافرة أحادية الصيغة الصبغية التي تحمل عمليات حذف جينية مختلفة تتميز ب GFP وتتجمع. يتم فرز هذه النسل أحادي الصيغة الصبغية ، التي يحمل بعضها عمليات حذف موروثة من كلا الوالدين ، عن طريق قياس التدفق الخلوي المنشط بالفلورة ، حيث تبين أن شدة GFP مرتبطة بعدد عمليات الحذف الموجودة في سلالة خميرة معينة. ثم تم استزراع هذه الخلايا المختارة وإعادة عبورها. أدى تكرار هذه الدورة إلى توليد سلالات الخميرة التي تحتوي على العديد من عمليات الحذف.

أخيرا ، تم تكييف التهجين الجيني للاستخدام في العديد من الأنظمة النموذجية ، مثل الطفيلي داخل الخلايا المسبب للملاريا المتصورة . نظرا لأن الطفيلي لا يمكن أن يتكاثر إلا داخل الخلايا الأخرى ، يجب تنفيذ جميع خطوات العبور في الفئران أو البعوض ، المضيف الطبيعي للطفيلي والناقل ، على التوالي. هنا ، أصيبت الفئران بسلالتين فريدتين المتصورة في مرحلة طفيليات الدم. ثم تم نقل الطفيليات إلى البعوض عن طريق التغذية بالدم ، وبمجرد دخولها تنضج إلى الأمشاج التي من شأنها أن تخصب لتشكيل البيضة الملقحة ثنائية الصبغيات. ثم تم حصاد البوغات الناضجة من البعوض واستخدامها لإصابة الفئران الساذجة ، حيث تم نشر الطفيليات لعزل النسل المتقاطع.

لقد شاهدت للتو فيديو JoVE حول الصلبان الجينية. في هذا الفيديو، قدمنا مبادئ الوراثة، وكيف يمكن تحليل التهجين الجيني في بعض الكائنات الحية باستخدام التشريح الرباعي، وبعض التطبيقات الحالية. كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة!