تطبيقات في علم الوراثة

شملت تطبيقات علم الوراثة والتقانة الحيوية مجالات أساسية مختلفة في حياة الإنسان، كاستخدام الهندسة الوراثية في الأبحاث الخاصة في علاج الأمراض الوراثية، واستخدام الكائنات الحية الدقيقة لتصنيع الأدوية، وأيضاً تطوير الإنتاج الحيواني والنباتي والزراعي وتحسينه.

فما المقصود بالهندسة الوراثية؟ وما أهم التطبيقات المستخدمة ومحاذير استخدامها؟ هذه الأسئلة وغيرها سأتمكن من الإجابة عليها، بعد دراسة هذا الفصل، وسأكون قادراً على:

1. التعرف إلى مفهوم الهندسة الوراثية.
2. تعداد بعض تقنيات الهندسة الوراثية.
3. تصنيف تطبيقات الهندسة الوراثية.
4. تذكّر الضوابط الأخلاقية الواجب مراعاتها عند استخدام تطبيقات الهندسة الوراثية في المجالات المختلفة.

هنالك العديد من التطبيقات المستخدمة لوصف الهندسة الوراثية كالتعديل الوراثي، DNA معاد التركيب (Recombinant DNA Technology)، واستنساخ الجينات (الاستنساخ الجزيئي). وتبرز أهمية هذه التقانات في نقل الجينات لإنتاج كائنات محسنة أو جديدة ذات أهمية طبية أو اقتصادية. فقد تمكن العلماء من الحصول على سلالات بكتيرية تعمل على إنتاج مواد لها تأثير طبي كهرمون الأنسولين ومحاصيل زراعية تقاوم ملوحة التربة والآفات الزراعية.

لقد تطور علم الهندسة الوراثية بسرعة فائقة، وأصبح يستخدم في الكثير من المجالات، بما في ذلك الطب العدلي (Forensic Medicine)، حيث يتم الكشف عن مرتكبي الجرائم. بالإضافة إلى تحديد الأبوة، والتشخيص الطبي، والعديد من التطبيقات في الصناعة. تستخدم الهندسة الوراثية كثيراً من الوسائل والأدوات، ومن أهمها:

1. أنزيمات القطع (Restriction Enzymes): لقد تم استخلاص المئات من أنزيمات قطع DNA المختلفة من البكتيريا، وسمي كل منها نسبة إلى البكتيريا التي تم استخلاصه منها، فمثلا أنزيم EcoR1 مستخلص من بكتيريا E. coli. وهي عبارة عن أنزيمات متخصصة في قطع DNA عن طريق التعرف على تتابع معين من النيوكليوتيدات لتقوم بالقطع في هذا التتابع او بالقرب منه. فمثلا أنزيم القطع EcoR1 يتعرف على التتابع GAATTC في DNA ومن ثم يقوم بقطع سلسلتي DNA بين نيوكليوتيدات A وG مكوناً نهايات لزجة. كما يوضح الشكل (1). هذه النهايات اللزجة يتم لصقها مع قطعة من مصادر أخرى قُطعت بنفس الأنزيم.

2. أنزيم اللصق (DNA Ligase): يستخدم لربط نهايات DNA التي تم قطعها من قبل أنزيم القطع.
3. النواقل (Vectors): مثل البلازميدات والفيروسات التي تستخدم لنقل DNA الذي تم قطعه من الجينوم وتكثيره في الخلية المستقبلة (خلايا بكتيرية، نباتية، حيوانية) لإنتاج المواد المطلوبة.

تعد البلازميدات من أكثر أنواع النواقل شيوعا في الهندسة الوراثية؛ وذلك لحجمها المناسب، وتنوعها، وسهولة الحصول عليها والتعامل معها، وتضاعفها المستقل عن الكروموسوم البكتيري بالإضافة لاحتوائها على مواقع مختلفة لأنزيمات القطع. ولكن اختيار الناقل يعتمد بالدرجه الأولى على طبيعة وحجم قطع DNA المراد نقلها.

أدرس الشكل (2) الذي يبين مراحل إنتاج مواد ذات أهمية طبية باستخدام تقانة DNA معاد التركيب ثم أجيب عن الأسئلة:

1. كيف أفسر اختيار البلازميد لحمل هذا الجين؟
2. أتتبع الخطوات الرئيسة لإنتاج هرمون الأنسولين.
3. أستنتج تعريف تقانة DNA معاد التركيب.

أول بروتين تم إنتاجه بتقنية DNA معاد التركيب هو هرمون الأنسولين، وتم اعتماده وطرحه للاستخدام في العام 1982، حيث كان مرضى السكري من النوع الأول (Type 1 Diabetes) يحصلون على هذا الهرمون من الأبقار والخنازير وبكميات محدودة وبتكلفة عالية.

كما تم إنتاج هرمون النمو (Growth Hormone) لعلاج الأطفال المصابين بقصر القامة الناجم عن خلل في الغدة النخامية، بالإضافة إلى إنتاج عوامل التخثر (Clotting Factors) اللازمة لعلاج مرضى نزف الدم الوراثي.

ويُستخدم لهذه الطريقة جهاز يحتوي على طبقة من جل مسامي من مادة الأغاروز (Agarose) (مادة كربوهيدراتية تستخرج من الأعشاب البحرية) حيث يتم توصيل الجهاز بمصدر للطاقة الكهربائية كما هو مبين في الشكل (3).

تتحرك (تهاجر) قطع DNA السالبة الشحنة (بسبب مجموعة الفوسفات) باتجاه القطب الموجب بتأثير المجال الكهربائي، وكلما كانت قطعة DNA أصغر حجماً كلما كانت أسرع في الحركة باتجاه القطب الموجب للجهاز، وبعد انفصال القطع يتم استخدام صبغة بروميد الإيثيديوم (Ethidium Bromide) التي ترتبط مع قطع DNA، وتتألق عند تعرضها لطاقة الأشعة فوق البنفسجية لنتمكن من مشاهدة قطع DNA مفصولة كما في شكل (4).

1. يتم في الوقت الحاضر الاستفادة من البصمة الوراثية في عمليات البحث الجنائي، وذلك بمقارنة مادة DNA المأخوذة من موقع الجريمة مع DNA الخاص بالمشتبه بهم لتحديد هوية الجاني،
2. كما أن هذه العملية مهمة أيضاً في إثبات الأبوة أو نفيها،
3. كما تستخدم في تحديد هوية ضحايا الكوارث كالحرائق وحوادث الطيران والحروب وغيرها.
4. و يمكن الحصول على العينات من خلايا الدم البيضاء، والحيوانات المنوية، واللعاب، والشعر، والجلد، وبقايا الجثث.

للهندسة الوراثية تطبيقات في مختلف المجالات كالطب والبحوث والصناعة والزراعة، ويمكن استخدامها على مجموعة واسعة من النباتات والحيوانات والكائنات الحية الدقيقة. ومن هذه التطبيقات ما يأتي:

علاج مرض انتفاخ الرئة الوراثي (Genetic Emphysema) الناتج عن نقص بروتين ألفا-1-أنتيتربسين (Alpha-1-antitrypsin) من خلال إنتاج أغنام معدلة وراثياً قادرة على إنتاج حليب يحوي هذا الأنزيم.

كما قام العلماء بتطوير نباتات أرز معدلة وراثياً لتعطي حبوب أرز ذهبية اللون، تحتوي على صبغة بيتا كاروتين، الذي تحتاجه أجسامنا لإنتاج فيتامين A، واستخدم هذا الأرز على نطاق واسع للوقاية من حالات العشى الليلي التي تصيب الأطفال في الدول التي يعتمد غذاؤها بصورة رئيسية على الأرز. أنظر الشكل (6).

في المستقبل، قد تسمح هذه التقانة للأطباء علاج الأمراض الوراثية عن طريق إدخال جين فعال في خلايا المريض ويكون قادراً على تشفير البروتين أو الأنزيم المفقود كبديل من استخدام الأدوية أو الجراحة، أنظر الشكل (7).

قضية للبحث: أبحث عن إمكانية الكشف عن بعض الأمراض الوراثية أثناء الحمل؟

تمكن العلماء باستخدام العلاج الجيني من علاج الطفرة التي تؤدي إلى نقص أنزيم أدينوسين دي-أمينيز (Adenosine Deaminase (ADA)) المهم في تفاعلات الهدم الخاصة بالقواعد النيتروجينية من نوع بيورين. نقص هذا الأنزيم يؤدي إلى تراكم البيورينات في الجسم، ويشكل أحد مسببات مرض نقص المناعة المشترك الشديد (سكيد (SCID) (Severe Combined Immunodeficiency)) الذي يتميز بضعف الاستجابات المناعية، والالتهابات المتكررة، كما أن نقص هذا الأنزيم يسبب اختلالاً في عمل الكبد والجهاز العصبي.

1. إنتاج نباتات معدلة وراثياً تمتاز بقدرتها على مقاومة الآفات الزراعية، حيث تم عزل جين من بكتيريا Bacillus thuringiensis ينتج سماً قاتلاً، ويتم إدخال هذا الجين إلى نباتات مثل الذرة وفول الصويا، فتصبح مقاومة للآفات الحشرية،
2. وبعض النباتات تتحمل ملوحة التربة لاحتوائها على بروتين خاص بنقل أيونات الصوديوم ($Na^+$) من السيتوبلازم إلى داخل الفجوات الخلوية دون أن يلحق الضرر بنمو النبات، ومن الأمثلة على نباتات معدلة وراثيا لمقاومة الملوحة؛ القمح والأرز والبندورة.
3. كما تم إنتاج نباتات تتحمل الجفاف والصقيع،
4. وبالنسبة للحيوانات تم الحصول على حيوانات معدلة وراثيا كالأغنام والأبقار لإنتاج كميات وافرة من الحليب أو اللحوم، بالإضافة إلى إنتاج حيوانات لديها القدرة على مقاومة مسببات الأمراض.

قام العلماء باستخدام تقنيات الهندسة الوراثية بإنتاج سلالات بكتيريا تعمل على تحليل بقع النفط المتسربة من ناقلات النفط العملاقة، حيث تقوم بالتغذي على هذه البقع، وبالتالي تعمل على مكافحة التلوث.

انتشرت زراعة المحاصيل المعدلة وراثيا حول العالم، وتمتاز هذه المحاصيل بإنتاجيتها العالية، وبالتالي توفرها في الأسواق بأسعار مناسبة، كما أن النباتات المعدلة وراثياً تقاوم الآفات الحشرية وتقلل إمكانية استخدام المبيدات الحشرية. لكن من جهة أخرى هناك قلق من أن تقضي النباتات المعدلة وراثيا المقاومة للآفات الحشرية على الحشرات النافعة بالإضافة لتلك الضارة.

السؤال الأول: أضع دائرة حول رمز الإجابة الصحيحة فيما يأتي:

1. أي العبارات الآتية لا تنطبق على تعريف البلازميد؟

• أ. يحمل جينات إضافية
• ب. يوجد في الخلايا الحيوانية
• جـ. يوجد في الخلايا البكتيرية
• د. DNA حلقي

2. ماذا يسمى الكائن الذي يتم إدخال جين غريب إلى الجينوم الخاص به؟

• أ. معدل وراثياً
• ب. مستنسخاً
• جـ. ناقلاً
• د. طافراً

3. لأي الأغراض يتم إنتاج الأرز المعدل وراثياً؟

• أ. مقاومة الآفات
• ب. علاج نقص فيتامين A
• جـ. إنتاج هرمون الأنسولين
• د. علاج مرض سكيد

4. أي الأدوات الآتية تستخدم في تقانة DNA معاد التركيب؟

• أ. أنزيمات القطع
• ب. أنزيم اللصق
• جـ. النواقل
• د. جميع ما ذُكر صحيح

5. أي الطرق الآتية تستخدم لفصل قطع DNA بهدف دراستها؟

• أ. العلاج الجيني
• ب. أنزيم اللصق
• جـ. الهجرة الكهربائية
• د. جهاز الطرد المركزي

السؤال الثاني: أعرّف كلاً مما يأتي:

أنزيمات القطع، الكائنات المعدلة وراثياً، الهجرة الكهربائية، بصمة DNA

السؤال الثالث: أعلل كلاً مما يأتي:

1. تتحرك قطع DNA باتجاه القطب الموجب أثناء الهجرة الكهربائية.
2. تعتبر أنزيمات القطع من أهم أدوات إنتاج DNA معدل وراثياً.
3. البلازميدات واحدة من أهم أدوات الهندسة الوراثية.

1. أي الغاميتات الآتية متوقع أن يعطيها الفرد ذو الطراز الجيني TtRRGgaa؟

• أ. TtGg
• ب. TRga
• ج. tRaa
• د. Trga

2. طفل فصيلة دمه O لا يمكن أن يكون ابناً لرجل فصيلة دمه؟

• أ. AB
• ب. A
• ج. B
• د. O

3. في خريطة الجينات الآتية، ما نسبة ارتباط الجينين f و h ؟

• أ. 90%
• ب. 80%
• ج. 20%
• د. 10%

4. عند تزاوج ذكر ذبابة فاكهة مع أنثى كلاهما رمادي اللون طبيعي الأجنحة غير متماثلي الجينات TtGg، وعلى فرض عدم حدوث عملية عبور، ما نسبة أفراد الجيل الأول؟

• أ. 9:3:3:1
• ب. 3:1
• ج. 83%:17%
• د. 40%:60%

5. أي من الطرز الجينية التالية يعطي التأثير نفسه للطراز الجيني للون الجلد aaBbCc ؟

• أ. aabbCc
• ب. aaBBCc
• ج. AAbbcc
• د. AAbbCC

6. على أي متلازمة يدل الطراز الكروموسومي XXY؟

• أ. داون
• ب. تيرنر
• ج. إدواردز
• د. كلينفلتر

7. إلى ماذا تشير النسبة 1:2:1 في النسل الناتج ؟

• أ. الجينات القاتلة
• ب. السيادة التامة
• ج. السيادة غير التامة
• د. ارتباط الجينات

8. مم تنتج حالة التعدد الكروموسومي الرباعية (4n)؟

• أ. عدم انقسام سيتوبلازم الزايغوت إلى خليتين في الطور النهائي للانقسام المنصف.
• ب. عدم انقسام الزايغوت إلى خليتين في الطور النهائي للانقسام المتساوي.
• ج. عدم انفصال جميع الكروموسومات أثناء الانقسام المنصف.
• د. عدم انفصال جميع الكروموسومات أثناء الانقسام المتساوي.

السؤال الثاني: كيف يتكون غاميت يحوي نسختين من الكروموسوم نفسه، وغاميت آخر لا يحوي أي نسخة من هذا الكروموسوم؟

السؤال الثالث: لدينا النسب الوراثية الآتية:

• أ. 3:1
• ب. 9:3:3:1
• ج. 1:1
• د. 1:1:1:1
• ه. 1:3:1:3

أنسب كلاً من التزاوجات الآتية إلى النسبة الوراثية التي تمثلها:

• أ. TtYy × TtYy
• ب. Tt × tt
• ج. Tt × Tt
• د. TtYy × ttyy

السؤال الرابع: في نبات البازيلاء، يرمز للجين المسؤول عن الساق الطويلة (T) وللقصيرة (t)، والجين المسؤول عن لون الأزهار الأرجوانية (P) والبيضاء (p)، والجين المسؤول عن البذور الملساء (R) والمجعدة (r). أجري تلقيح بين نباتين أحدهما طويل أبيض أملس مع آخر طويل أرجواني مجعد، فكان النسل الناتج كما يأتي:

• 303 طويل أرجواني أملس - 299 طويل أبيض أملس
• 101 قصير أرجواني أملس - 102 قصير أبيض أملس

أكتب الطرز الجينية لكل من الآباء والأبناء والغاميتات.

السؤال الخامس: على فرض أن جينات لون البذرة وشكلها تقع على كروموسوم واحد. تم تلقيح نباتين نقيي السلالة، أحدهما ينتج بذرة خضراء مجعدة (rryy) والآخر ينتج بذرة صفراء مستديرة (RRYY). وعند إجراء التلقيح التجريبي لأفراد الجيل الأول F1، كانت النتائج كما يأتي:

• خضراء، مجعدة 645 - خضراء، مستديرة 36 - صفراء، مجعدة 29 - صفراء، مستديرة 659
• أفسر هذه النتائج على أسس وراثية.

السؤال السادس: وجد في الثعالب أن اجتماع الأليلين (DD) يكون قاتلاً، والتركيب الوراثي (Dd) يعطي لون الفراء البلاتيني، و (dd) يعطي لون الفراء الفضي، ما الطرز الشكلية الناتجة من إجراء تزاوج بين ثعلبين كلاهما بلاتيني اللون؟ أفسر النتائج.

السؤال السابع: أصمم مخططاً لانقسام خلية تناسلية ذكرية حدث فيها عدم انفصال لزوج الكروموسومات الجنسية (XY)، مبينا حالات الإخصاب المختلفة مع بويضة طبيعية (X).

السؤال الثامن: أي الرجلين هو الأب البيولوجي للطفل في الشكل الآتي:

السؤال التاسع: إذا علمت أن جين اللون البني (B) و جين اللون الأبيض (R)، وأن صفة لون الريش في الطيور مرتبطة بالجنس. حدث تزاوج بين طائر ذكر بني الريش وأنثى بيضاء الريش، وكانت الأفراد الناتجة تحمل الصفات والأعداد الآتية: (4) إناث بنية الريش، (4) ذكور كريمية الريش، أكتب الطرز الجينية لكل من الأبوين والأفراد الناتجة.

السؤال العاشر: أجري تزاوج بين ذبابة فاكهة رمادية اللون وطبيعية الأجنحة غير متماثلة الجينات، مع ذكر أسود اللون وضامر الجناح فظهر أفراد الجيل الأول بالنسب الآتية 1 سائد : 1 متنحي. أفسر على أسس وراثية، أستخدم الرموز الآتية: (B) لجين اللون الرمادي و (b) لجين اللون الأسود، (G) لجين الأجنحة الطبيعية و (g) للأجنحة الضامرة.

السؤال الحادي عشر: أصمم خريطة مفاهيمية لأنواع الاختلالات الوراثية.

السؤال الثاني عشر: أشرح آلية إنتاج هرمون النمو البشري باستخدام تقانة DNA معاد التركيب.

السؤال الثالث عشر: في الدجاج صفة الريش المخطط سائدة على الريش غير المخطط، وهذه الصفة مرتبطة بالجنس. حصل تزاوج بين ذكر ريشه مخطط وأنثى غير مخططة الريش فكانت الأفراد الناتجة كما يلي:

• أ. نصف الذكور مخطط الريش، والنصف الآخر غير مخطط الريش.
• ب. نصف الإناث مخططة الريش، والنصف الآخر غير مخططة.

أكتب الطرز الجينية والشكلية للآباء وأفراد الجيل الأول، مستخدماً الرمز (B) لجين الريش المخطط و(b) لغير المخطط.

السؤال الرابع عشر: صفة الأصابع القصيرة في الإنسان سائدة على صفة الأصابع الطويلة. تزوج رجل أصابعه قصيرة أحد والديه ذو أصابع طويلة من امرأة أصابعها طويلة. أكتب الطرز الجينية والشكلية للآباء والأبناء، وما احتمال إنجاب أطفال بأصابع قصيرة.

السؤال الخامس عشر: رجل سليم من مرض عمى الألوان وسليم من مرض نزف الدم الوراثي تزوج فتاة سليمة من كلا المرضين، أنجبا طفلين ذكرين، الأول سليم من عمى الألوان ومصاب بنزف الدم الوراثي، والثاني مصاب بعمى الألوان وسليم من مرض نزف الدم الوراثي، على فرض عدم حدوث عبور. باستخدام رموز الجينات المناسبة، أجيب عن الأسئلة الآتية:

1. أكتب الطرز الجينية والغاميتات للرجل وزوجته.
2. ما الطرز الجينية والشكلية للآباء والأبناء؟
3. ما نوع الوراثة؟

السؤال السادس عشر: حصل تزاوج بين ذكر طائر أسود الريش قصير الأرجل مع أنثى بيضاء الريش قصيرة الأرجل، فكان أفراد النسل الناتج كما يأتي:

(15) أنثى سوداء الريش (15) ذكر رمادي الريش (20) ذكور وإناث قصيرة الأرجل (10) ذكور وإناث طويلة الأرجل

1. أكتب الطرز الجينية والشكلية للآباء والنسل الناتج.
2. أذكر نوع الوراثة لكل من الصفتين.

السؤال السابع عشر: أدرس الخريطة الجينية المرفقة، ثم أجيب عن الأسئلة الآتية:

1. ما المسافة بين جين E وجين F ؟
2. أحسب نسبة الارتباط بين الجينات الآتية:

• أ. F و D
• ب. F و E.

3. أحدد على الرسم موقع الجين Z والذي يبعد 4 سنتيمورغان عن D ونسبة ارتباطه مع الجين 88%.