هل يمكن للطبيعة أن تطور طفرات جينية سيئة عند كائنات معينة؟

  في البداية، ولنفهم تسلسل الفكرة، دعني أصطحبك في رحلةٍ اصطلاحية نحو مفهوم الطفرة.. ما هي الطفرة؟

الطفرات هي تغييرات في التسلسل الجيني، وهي سبب رئيسي للتنوع بين الكائنات الحية. تحدث هذه التغييرات على عدة مستويات مختلفة، ويمكن أن يكون لها عواقب مختلفة على نطاق واسع. في الأنظمة البيولوجية القادرة على التكاثر، يجب أن نركز أولاً على ما إذا كانت قابلة للتوريث. على وجه التحديد، تؤثر بعض الطفرات فقط على الفرد الذي يحملها، بينما تؤثر الطفرات الأخرى على جميع نسل الكائن الحي الناقل، والأحفاد الأخرى.

ولكيّ تؤثر الطفرات على نسل الكائن الحي، يجب أن:

1) تحدث في الخلايا التي تنتج الجيل التالي، و 2) تؤثر على المادة الوراثية.

في النهاية يولد التفاعل بين الطفرات الموروثة والضغوط البيئية التنوع بين الأنواع.

وعلى الرغم من وجود أنواع مختلفة من التغيرات الجزيئية، فإن كلمة "طفرة" تشير عادةً إلى تغيير يؤثر على الأحماض النووية. في الكائنات الخلوية، هذه الأحماض النووية هي اللبنات الأساسية للحمض النووي، وفي الفيروسات هي اللبنات الأساسية للحمض النووي أو الحمض النووي الريبي. تتمثل إحدى طرق التفكير في الحمض النووي والحمض النووي الريبي في أنها مواد تحمل الذاكرة طويلة المدى للمعلومات المطلوبة لتكاثر الكائن الحي. سنركز هنا على الطفرات في الحمض النووي، على الرغم من أننا يجب أن نضع في اعتبارنا أن الحمض النووي الريبي يخضع بشكل أساسي لقوى الطفرات نفسها.


هل الطفرات عشوائية؟ كيف يتم تطويرها بالأصل؟ وما هي احتمالية تطوير طفرة جيدة أو طفرة سيئة؟

إن العبارة القائلة بأن الطفرات عشوائية صحيحة تمامًا وغير صحيحة تمامًا في نفس الوقت. ينبع الجانب الحقيقي من هذا البيان من حقيقة أنه، على حد علمنا، - سيئة كانت أم جيدة- فإن عواقب الطفرة ليس لها أي تأثير على الإطلاق على احتمال حدوث هذه الطفرة أو عدم حدوثها. بعبارة أخرى، تحدث الطفرات بشكل عشوائي فيما يتعلق بما إذا كانت آثارها مفيدة.

وبالتالي، لا تحدث تغييرات الحمض النووي المفيدة في كثير من الأحيان لمجرد أن الكائن الحي يمكن أن يستفيد منها. علاوة على ذلك، حتى لو اكتسب الكائن الحي طفرة مفيدة خلال حياته، فلن تتدفق المعلومات المقابلة مرة أخرى إلى الحمض النووي في السلالة الجرثومية للكائن الحي. هذه رؤية أساسية أن جان بابتيست لامارك أخطأ فيها وتشارلز داروين على صواب.

ومع ذلك، يمكن اعتبار فكرة أن الطفرات عشوائية غير صحيحة إذا أخذنا في الاعتبار حقيقة أنه لا تحدث جميع أنواع الطفرات باحتمالية متساوية. بدلا من ذلك، يحدث بعضها بشكل متكرر أكثر من البعض الآخر لأنها تفضلها التفاعلات الكيميائية الحيوية منخفضة المستوى. هذه التفاعلات هي أيضًا السبب الرئيسي الذي يجعل الطفرات خاصية لا مفر منها لأي نظام قادر على التكاثر في العالم الحقيقي. عادةً ما تكون معدلات الطفرات منخفضة جدًا، وتذهب الأنظمة البيولوجية إلى أطوال غير عادية لإبقائها منخفضة قدر الإمكان، ويرجع ذلك في الغالب إلى العديد من التأثيرات الطفرية الضارة. ومع ذلك، فإن معدلات الطفرات لا تصل أبدًا إلى الصفر، على الرغم من آليات الحماية منخفضة المستوى، مثل إصلاح الحمض النووي أو تصحيح التجارب المطبعية أثناء تكرار الحمض النووي، والآليات عالية المستوى، مثل ترسب الميلانين في خلايا الجلد لتقليل الضرر الإشعاعي. بعد نقطة معينة، يصبح تجنب الطفرات أمرًا مكلفًا للغاية بالنسبة للخلايا. وبالتالي، فإن الطفرة ستكون موجودة دائمًا كقوة جبارة في التطور.

أنواع الطفرات:

إذن، كيف تحدث الطفرات؟ ترتبط الإجابة على هذا السؤال ارتباطًا وثيقًا بالتفاصيل الجزيئية لكيفية تنظيم كل من الحمض النووي والجينوم بأكمله. أصغر الطفرات هي الطفرات النقطية، حيث يتم تغيير زوج أساسي واحد فقط إلى زوج أساسي آخر. نوع آخر من الطفرات هو الطفرة غير المرادفة، والتي يتم فيها تغيير تسلسل الأحماض الأمينية. تؤدي هذه الطفرات إما إلى إنتاج بروتين مختلف أو الإنهاء المبكر للبروتين.

على عكس الطفرات غير المترادفة، فإن الطفرات المترادفة لا تغير تسلسل الأحماض الأمينية، على الرغم من أنها تحدث، بحكم التعريف، فقط في التسلسلات التي ترمز للأحماض الأمينية. توجد طفرات مترادفة لأن العديد من الأحماض الأمينية يتم ترميزها بواسطة أكواد متعددة.

 يمكن أن يكون للأزواج القاعدية أيضًا خصائص تنظيم متنوعة إذا كانت موجودة في الإنترونات، أو المناطق بين الجينات، أو حتى داخل تسلسل ترميز الجينات. لبعض الأسباب التاريخية، غالبًا ما يتم تصنيف كل هذه المجموعات مع طفرات مترادفة تحت تسمية الطفرات "الصامتة". اعتمادًا على وظيفتها، يمكن أن تكون مثل هذه الطفرات الصامتة أي شيء من الصامت حقًا إلى الأهمية غير العادية، وهذا الأخير يعني أن تسلسلات العمل تظل ثابتة من خلال تنقية الانتقاء. هذا هو التفسير الأكثر ترجيحًا لوجود العناصر غير المشفرة المحفوظة للغاية والتي نجت لأكثر من 100 مليون سنة دون تغيير جوهري، كما وجد من خلال مقارنة جينومات العديد من الفقاريات.

قد تأخذ الطفرات أيضًا شكل عمليات الإدراج أو الحذف، والتي تُعرف معًا باسم indels. يمكن أن تحتوي Indels على مجموعة متنوعة من الأطوال. في النهاية القصيرة من الطيف، يكون للاندلز لواحد أو اثنين من أزواج القواعد داخل تسلسل التشفير التأثير الأكبر، لأنها ستؤدي حتماً إلى تغيير الإطارات (فقط إضافة واحد أو أكثر من كودونات الأزواج الثلاثة الأساسية ستحافظ على البروتين سليمًا تقريبًا). في المستوى المتوسط، يمكن أن تؤثر indels على أجزاء من الجين أو مجموعات كاملة من الجينات.


تأثير الطفرات:

يمكن أن يكون لطفرة واحدة تأثير كبير، ولكن في كثير من الحالات، يعتمد التغيير التطوري على تراكم العديد من الطفرات ذات التأثيرات الصغيرة. يمكن أن تكون التأثيرات الطفرية مفيدة أو ضارة أو محايدة، اعتمادًا على سياقها أو موقعها. معظم الطفرات غير المحايدة ضارة. بشكل عام، كلما زاد عدد الأزواج الأساسية التي تتأثر بالطفرة، زاد تأثير الطفرة، وزاد احتمال أن تكون الطفرة ضارة.

لفهم تأثير الطفرات بشكل أفضل، بدأ الباحثون في تقدير توزيعات التأثيرات الطفرية (DMEs) التي تحدد عدد الطفرات التي تحدث مع التأثير على خاصية معينة للنظام البيولوجي. في الدراسات التطورية، فإن خاصية الاهتمام هي اللياقة، ولكن في بيولوجيا الأنظمة الجزيئية، قد تكون الخصائص الناشئة الأخرى ذات أهمية أيضًا.

ولزيادة الأمر تعقيداً، تتفاعل العديد من الطفرات أيضًا مع بعضها البعض لتغيير آثارها؛ يشار إلى هذه الظاهرة باسم epistasis. ومع ذلك، على الرغم من كل هذه الشكوك، فقد أشار العمل الأخير مرارًا وتكرارًا إلى أن الغالبية العظمى من الطفرات لها تأثيرات صغيرة جدًا.