تطبيقات في علم الوراثة

الهندسة الوراثية: ماذا نستطيع أن نفعل بالجينات؟

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.

الهندسة الوراثية: تغيير جينوم الكائن مباشرة

• تطبيقات تصفها: التعديل الوراثي، و ⁦DNA⁩ معاد التركيب ⁦(Recombinant DNA Technology)⁩، واستنساخ الجينات (الاستنساخ الجزيئي).
• أهميتها: نقل الجينات لإنتاج كائنات محسنة أو جديدة ذات أهمية طبية أو اقتصادية.
• أمثلة: سلالات بكتيرية تنتج هرمون الأنسولين، ومحاصيل زراعية تقاوم ملوحة التربة والآفات الزراعية.

أدوات الهندسة الوراثية: مقص ولاصق وناقل

• تطور علم الهندسة الوراثية بسرعة، ويُستخدم في الطب العدلي ⁦(Forensic Medicine)⁩ للكشف عن مرتكبي الجرائم، وفي تحديد الأبوة والتشخيص الطبي والصناعة.

• أنزيمات القطع ⁦(Restriction Enzymes)⁩: استُخلصت المئات منها من البكتيريا، وسُمي كل منها نسبة إلى البكتيريا التي استُخلص منها.
• مثلا أنزيم EcoR1 مستخلص من بكتيريا E. coli.
• هي أنزيمات متخصصة في قطع ⁦DNA⁩ بالتعرف على تتابع معين من النيوكليوتيدات، والقطع في هذا التتابع أو بالقرب منه.
• مثال: أنزيم القطع EcoR1 يتعرف على التتابع ⁦GAATTC⁩ في ⁦DNA⁩، ويقطع سلسلتي ⁦DNA⁩ بين نيوكليوتيدات ⁦A⁩ و⁦G⁩ مكوناً نهايات لزجة.
• النهايات اللزجة يتم لصقها مع قطعة من مصادر أخرى قُطعت بنفس الأنزيم.

• أنزيم اللصق ⁦(DNA Ligase)⁩: يُستخدم لربط نهايات ⁦DNA⁩ التي تم قطعها من قبل أنزيم القطع.
• النواقل ⁦(Vectors)⁩: مثل البلازميدات والفيروسات، تنقل ⁦DNA⁩ الذي تم قطعه من الجينوم وتكثّره في الخلية المستقبلة (خلايا بكتيرية، نباتية، حيوانية) لإنتاج المواد المطلوبة.

• البلازميدات أكثر أنواع النواقل شيوعا؛ لحجمها المناسب، وتنوعها، وسهولة الحصول عليها والتعامل معها.
• تتضاعف مستقلة عن الكروموسوم البكتيري، وتحتوي على مواقع مختلفة لأنزيمات القطع.
• اختيار الناقل يعتمد بالدرجة الأولى على طبيعة وحجم قطع ⁦DNA⁩ المراد نقلها.

لماذا يتم قطع سلسلتي ⁦DNA⁩ وليس سلسلة واحدة من قبل أنزيمات القطع؟

من جين بشري إلى أنسولين في بكتيريا

• الشكل (2) يبين مراحل إنتاج مواد ذات أهمية طبية باستخدام تقانة ⁦DNA⁩ معاد التركيب.

كيف أفسر اختيار البلازميد لحمل هذا الجين؟

أتتبع الخطوات الرئيسة لإنتاج هرمون الأنسولين.

أستنتج تعريف تقانة ⁦DNA⁩ معاد التركيب.

أول بروتين بهذه التقنية: الأنسولين

• الأنسولين أول بروتين أُنتج بتقنية ⁦DNA⁩ معاد التركيب، واعتُمد وطُرح للاستخدام في العام 1982.
• كان مرضى السكري من النوع الأول ⁦(Type 1 Diabetes)⁩ يحصلون عليه من الأبقار والخنازير بكميات محدودة وبتكلفة عالية.
• هرمون النمو ⁦(Growth Hormone)⁩: لعلاج الأطفال المصابين بقصر القامة الناجم عن خلل في الغدة النخامية.
• عوامل التخثر ⁦(Clotting Factors)⁩: لعلاج مرضى نزف الدم الوراثي.

الهجرة الكهربائية: ترتيب القطع بحسب الحجم

• يحتوي الجهاز على طبقة من جل مسامي من مادة الأغاروز (⁦Agarose) (⁩مادة كربوهيدراتية تستخرج من الأعشاب البحرية)، ويُوصل بمصدر للطاقة الكهربائية.

• قطع ⁦DNA⁩ سالبة الشحنة (بسبب مجموعة الفوسفات) تتحرك باتجاه القطب الموجب بتأثير المجال الكهربائي.
• كلما كانت قطعة ⁦DNA⁩ أصغر حجماً كانت أسرع في الحركة باتجاه القطب الموجب.
• بعد انفصال القطع تُستخدم صبغة بروميد الإيثيديوم ⁦(Ethidium Bromide)⁩ التي ترتبط مع قطع ⁦DNA⁩ وتتألق عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية، فنشاهد القطع مفصولة.

البصمة الوراثية: توقيع خاص بكل شخص

• يحتوي الجينوم البشري على تتابع من نيوكليوتيدات مميزة للفرد الواحد، وتختلف من شخص لآخر، مثل تتابع الأنماط القصيرة ⁦(Short Tandem Repeats (STRs))⁩.
• مثال: تتابع ⁦ACAT⁩ يتكرر في جينوم شخص ما 30 مرة في موقع معين، وقد يتكرر في شخص آخر 18 مرة في نفس الموقع.

• البحث الجنائي: مقارنة ⁦DNA⁩ المأخوذ من موقع الجريمة مع ⁦DNA⁩ المشتبه بهم لتحديد هوية الجاني.
• إثبات الأبوة أو نفيها، وتحديد هوية ضحايا الكوارث كالحرائق وحوادث الطيران والحروب.
• العينات: خلايا الدم البيضاء، والحيوانات المنوية، واللعاب، والشعر، والجلد، وبقايا الجثث.

تم جمع عينات دم كدلائل من مسرح جريمة ما، مستعينا بالشكل (5)، أحدد أي المشتبه بهم هو الجاني؟ أفسر إجابتي.

الطب: أغنام وأرز ذهبي وعلاج بالجينات

• للهندسة الوراثية تطبيقات في الطب والبحوث والصناعة والزراعة، ويمكن استخدامها على النباتات والحيوانات والكائنات الحية الدقيقة.

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

• مرض انتفاخ الرئة الوراثي ⁦(Genetic Emphysema)⁩: ناتج عن نقص بروتين ألفا-1-أنتيتربسين ⁦(Alpha-1-antitrypsin)⁩.
• يُعالج بإنتاج أغنام معدلة وراثياً قادرة على إنتاج حليب يحوي هذا الأنزيم.
• الأرز الذهبي: نباتات أرز معدلة وراثياً تعطي حبوباً ذهبية اللون تحتوي على صبغة بيتا كاروتين، الذي تحتاجه أجسامنا لإنتاج فيتامين ⁦A⁩.
• استُخدم على نطاق واسع للوقاية من العشى الليلي عند الأطفال في الدول التي يعتمد غذاؤها بصورة رئيسية على الأرز.

العلاج الجيني: جين فعال بدل الدواء

• قد تسمح هذه التقانة للأطباء في المستقبل بعلاج الأمراض الوراثية بإدخال جين فعال في خلايا المريض قادر على تشفير البروتين أو الأنزيم المفقود، بدل الأدوية أو الجراحة.

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

الزراعة والحيوان: مقاومة الآفات والملوحة

• مقاومة الآفات: عُزل جين من بكتيريا Bacillus thuringiensis ينتج سماً قاتلاً، وأُدخل إلى نباتات مثل الذرة وفول الصويا فأصبحت مقاومة للآفات الحشرية.
• تحمل الملوحة: بعض النباتات تحتوي على بروتين خاص بنقل أيونات الصوديوم ($Na^+$) من السيتوبلازم إلى داخل الفجوات الخلوية دون ضرر لنموها.
• مثال نباتات معدلة وراثيا لمقاومة الملوحة: القمح والأرز والبندورة.
• تم إنتاج نباتات تتحمل الجفاف والصقيع.
• الحيوانات: أغنام وأبقار معدلة وراثيا لإنتاج كميات وافرة من الحليب أو اللحوم، وحيوانات تقاوم مسببات الأمراض.

البيئة: بكتيريا تأكل بقع النفط

• أنتج العلماء سلالات بكتيريا تحلل بقع النفط المتسربة من ناقلات النفط العملاقة، فتتغذى على هذه البقع وتعمل على مكافحة التلوث.

الضوابط والأخلاقيات: فوائد المحاصيل وقلق منها

• الفوائد: المحاصيل المعدلة وراثيا تمتاز بإنتاجيتها العالية، وبالتالي توفرها في الأسواق بأسعار مناسبة.
• النباتات المعدلة وراثياً تقاوم الآفات الحشرية وتقلل إمكانية استخدام المبيدات الحشرية.
• القلق: أن تقضي النباتات المقاومة للآفات الحشرية على الحشرات النافعة بالإضافة إلى الضارة.

أوضح حق المستهلك بوجود عبارة ⁦(Genetically Modified Organism (GMO))⁩ على المنتجات المعدلة وراثياً.

أسئلة الفصل: أختبر نفسي

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

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

لأي الأغراض يتم إنتاج الأرز المعدل وراثياً؟

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

أي الأدوات الآتية تستخدم في تقانة ⁦DNA⁩ معاد التركيب؟

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

أي الطرق الآتية تستخدم لفصل قطع ⁦DNA⁩ بهدف دراستها؟

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

أعرّف كلاً مما يأتي: أنزيمات القطع، الكائنات المعدلة وراثياً، الهجرة الكهربائية، بصمة ⁦DNA⁩

أعلل: تتحرك قطع ⁦DNA⁩ باتجاه القطب الموجب أثناء الهجرة الكهربائية.

أعلل: تعتبر أنزيمات القطع من أهم أدوات إنتاج ⁦DNA⁩ معدل وراثياً.

أعلل: البلازميدات واحدة من أهم أدوات الهندسة الوراثية.

أسئلة الوحدة: تدريب على الوراثة كلها

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

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

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

• أ. AB
• ب. A
• ج. B
• د. O

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

• أ. 90%
• ب. 80%
• ج. 20%
• د. 10%

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. 60%:40%

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

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

على أي متلازمة يدل الطراز الكروموسومي ⁦XXY⁩؟

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

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

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

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: أكتب الطرز الجينية والغاميتات للرجل وزوجته. ما الطرز الجينية والشكلية للآباء والأبناء؟ 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 أكتب الطرز الجينية والشكلية للآباء والنسل الناتج. أذكر نوع الوراثة لكل من الصفتين.

السؤال السابع عشر: أدرس الخريطة الجينية المرفقة، ثم أجيب عن الأسئلة الآتية: ما المسافة بين جين ⁦E⁩ وجين ⁦F⁩ ؟ أحسب نسبة الارتباط بين الجينات الآتية:

• أ. ⁦F⁩ و ⁦D⁩
• ب. ⁦F⁩ و ⁦E⁩. أحدد على الرسم موقع الجين ⁦Z⁩ والذي يبعد 4 سنتيمورغان عن ⁦D⁩ ونسبة ارتباطه مع الجين ⁦E 88%⁩.

السؤال الثامن عشر: الذكور المصابون بالأمراض الوراثية المرتبطة بالجنس والقاتلة، يتم التعبير عن هذه الصفة في الذكور قبل بلوغ سن النضوج الجنسي. ما مصدر هذه الجينات القاتلة؟ وكيف يتم توارثها؟

السؤال التاسع عشر: تم علاج طفل يعاني من مرض سكيد بحقنه بخلايا جذعية معدلة وراثياً، حيث يظهر المخطط المجاور عدد خلايا الدم البيضاء النشطة في دم الطفل خلال عام بعد العلاج مع العلم بأن عدد خلايا الدم البيضاء في دم الأطفال الطبيعيين يتراوح بين 5000 - 8000 خلية/ملم3 من الدم. هل نجح علاج الطفل؟ أفسر الإجابة.

السؤال العشرون: ولدت حنان بستة أصابع على كل قدم، تسمى هذه الحالة تعدد الأصابع ⁦(Polydactyly)⁩ وهي تورث بصورة سائدة، وكان اثنين من أخوة حنان الخمسة لديهم ستة أصابع ولدى والدتها أيضاً ستة أصابع، أما والدها فيمتلك العدد الطبيعي من الأصابع. فسر على أسس وراثية مستخدماً الرموز ⁦D⁩ و ⁦d⁩.