جهش نقطه ای
جهش نقطه ای نوعی جهش ژنتیکی است که در آن یکی از جفت های باز در توالی DNA با درج یا حذف تغییر می کند.
تعریف
- جهش نقطه ای، همانطور که از نام آن مشخص است، در نقطه خاصی از توالی DNA در نتیجه تغییرات در یک جفت باز خاص رخ می دهد.
- معمولاً جهش‌های نقطه‌ای در نتیجه اشتباهات در حین همانندسازی DNA ایجاد می‌شوند. با این حال، در برخی موارد، اصلاح DNA می تواند توسط اشعه ایکس یا اشعه ماوراء بنفش ایجاد شود.
- اثرات جهش‌های نقطه‌ای اغلب بر اساس ویژگی‌های جهش است، زیرا این جهش‌ها می‌توانند از بی‌اثری تا اثرات مضری که بر تولید، ترکیب و عملکرد پروتئین تأثیر می‌گذارند، متغیر باشند.
- جهش نقطه‌ای نوعی جهش است که بر ساختار کروموزوم تأثیر می‌گذارد که در اثر تغییر در توالی‌های نوکلئوتیدی ایجاد می‌شود.
- جهش‌های نقطه‌ای می‌توانند اثرات مهمی بر تولید پروتئین‌ها داشته باشند، زیرا نوکلئوتیدها به صورت سه‌قلو خوانده می‌شوند و تغییرات در توالی‌ها ممکن است باعث تغییر در توالی اسیدهای آمینه در پروتئین شود.
- علاوه بر این، تغییرات در توالی ها در ابتدا یا انتهای توالی نیز می تواند منجر به خاتمه یا شروع زودرس شود. بنابراین، شدت جهش به موقعیت جهش بستگی دارد.
علل جهش نقطه ای
- اکثر جهش‌های نقطه‌ای در طول همانندسازی DNA اتفاق می‌افتند، جایی که یک جهش نقطه‌ای در توالی می‌تواند کل توالی DNA را تغییر دهد.
- تغییر در پورین یا پیریمیدین می تواند توالی اسید آمینه ای را که نوکلئوتید برای آن رمزگذاری می کند تغییر دهد.
- این تغییرات می تواند نتیجه جهش خود به خودی باشد که در طول همانندسازی DNA رخ می دهد. با این حال، میزان این جهش‌ها با قرار گرفتن در معرض جهش‌زاها افزایش می‌یابد.
- جهش زاها می توانند فیزیکی باشند، مانند اشعه ایکس و اشعه ماوراء بنفش یا مولکول های شیمیایی که جفت بازها را تغییر می دهند و ساختار DNA را تغییر می دهند.
- در مورد تشعشع، نور می‌تواند باعث یونیزه شدن مولکول‌های موجود در DNA شود که باعث ایجاد تغییراتی در ترکیب توالی می‌شود.
- علاوه بر این، محصول جانبی متابولیسم سلولی مانند گونه‌های فعال اکسیژن، ممکن است جفت‌های باز خاصی را در ساختار تخریب کند.
- این نوع تغییرات می تواند روی DNA تک رشته ای جدا شده یا دو رشته مارپیچی تأثیر بگذارد.
- برخی از این تغییرات ممکن است بعداً در طی پردازش DNA ایجاد شوند، جایی که جفت‌های باز توسط نوکلئازها هضم می‌شوند.
- سایر اشکال جهش مانند حذف، جایگزینی، درج و غیره نیز می توانند علت جهش نقطه ای در مراحل مختلف تشکیل، همانندسازی و پردازش DNA باشند.
مکانیسم جهش نقطه ای
مکانیسم های مختلفی برای جهش نقطه ای بسته به علت جهش وجود دارد. از آنجایی که در بیشتر موارد، جهش نقطه ای به طور خود به خود در طول همانندسازی DNA ایجاد می شود، مکانیسم جایگزینی یک نوکلئوتید رایج تر است.
جایگزینی
جایگزینی یک جفت باز به جای دیگری در طول همانندسازی DNA رایج ترین مکانیسم جهش است.
- این معمولاً در نتیجه یک جابجایی تومتری رخ می دهد که در آن اتم های هیدروژن یک جفت باز نوکلئوتیدی به گونه ای دور می شوند که خواص پیوند را تغییر می دهد.
- تمام بازهای درگیر در همانندسازی DNA به اشکال مختلف وجود دارند که توتومر نامیده می شوند. این اشکال در حالت تعادل وجود دارند، جایی که فرم کتو معمولاً در DNA یافت می شود و اشکال انول معمولاً نادر هستند.
- تغییر در ساختار بین فرم کتو و انول می تواند جفت باز مکمل نوکلئوتیدها را تغییر دهد که می تواند منجر به جهش نقطه ای شود.
- نمونه ای از این را می توان در گوانین مشاهده کرد، جایی که شکل انول آن به جای سیتوزین به تیمین ورودی متصل می شود و در نتیجه یک جهش نقطه ای ایجاد می شود.
یونیزاسیون
یونیزاسیون مکانیسم رایج بعدی جهش است که در نتیجه گونه های شیمیایی یا تشعشعات رخ می دهد.
- بازها می توانند به طور خود به خود به اشکال مختلف یونیزه شوند که دیگر نمی توانند با جفت باز مکمل پیوند هیدروژنی تشکیل دهند.
- در نتیجه، جفت باز می تواند به یک مولکول یا جفت باز متفاوت متصل شود و در نتیجه توالی ها تغییر کند.
انواع جهش‌های نقطه ای (بر اساس جایگزینی جفت‌های پایه)
جهش های نقطه ای را می توان بسته به ماهیت جایگزینی جفت بازها به دو نوع تقسیم کرد.
جهش های انتقالی ( Transition mutations )
جهش‌های انتقالی جهش‌هایی هستند که به دلیل جایگزینی یک باز پیریمیدینی به جای باز پیریمیدینی دیگر یا جایگزینی یک باز پورینی به جای دیگری رخ می‌دهند.
از آنجایی که جفت‌های باز در یک DNA دو رشته‌ای به شرکای خاصی در رشته‌های مربوطه متصل می‌شوند، جایگزینی یک باز نیتروژن به جای دیگری منجر به مجموعه‌ای متفاوت از جفت‌های باز می‌شود.
جهش‌های انتقالی در اثر دآمیناسیون اکسیداتیو و توتومریزاسیون جفت‌های باز ایجاد می‌شوند.
اینها به دلیل مکانیسم مولکولی درگیر در تولید آنها در ژنوم ها رایج تر هستند، حتی اگر تنها یک انتقال ممکن وجود داشته باشد.
با این حال، جهش‌های انتقالی کمتر به جایگزینی اسیدهای آمینه منجر می‌شوند و بنابراین به‌عنوان جانشینی‌های خاموش در جمعیت‌های ژنومی مانند پلی‌مورفیسم‌های تک نوکلئوتیدی وجود دارند.
نمونه ای از جهش انتقالی
نمونه ای از جهش انتقالی را می توان با جایگزینی آدنین با گوانین یا با جایگزینی سیتوزین با تیمین و بالعکس مشاهده کرد.
در این موارد، نوکلئوتیدهای پورین بین خود و نوکلئوتیدهای پیریمیدین بین خود مبادله می شوند.
جهش های جایگزینی متقاطع ( Transversion mutations )
جهش های جایگزینی متقاطع جهش هایی هستند که در آن باز پورین جایگزین باز پیریمیدین می شود و بالعکس.
جهش‌های انتقالی معمولاً خود به خود هستند، اما می‌توانند توسط تشعشع یا عوامل آلکیله‌کننده ایجاد شوند. در صورت جهش خودبخودی امکان انتقال برگشت پذیر وجود دارد.
دو جایگزینی متقاطع احتمالی وجود دارد، اما احتمال وقوع این موارد کمتر است زیرا جایگزینی ساختار دو حلقه ای برای ساختار تک حلقه ای دشوار است.
یک جایگزینی متقاطع به ندرت منجر به کدون هایی می شود که اسیدهای آمینه را رمزگذاری می کنند، که باعث ایجاد تغییراتی در پروتئین می شود.
نمونه ای از جایگزینی متقاطع
نمونه ای از جهش عرضی را می توان با جایگزینی آدنین یا نوکلئوتید گوانین با تیمین یا سیتوزین مشاهده کرد.
هشت تغییر احتمالی وجود دارد که می تواند بین دو پورین و دو پیریمیدین رخ دهد.
انواع جهش نقطه ای (بر اساس اثرات ایجاد شده توسط تغییرات)
جهش‌های نقطه‌ای را می‌توان بسته به تأثیرات ناشی از تغییرات به انواع مختلفی تقسیم کرد.
1. جهش های بی معنی (nonsense mutation)
جهش مزخرف یا جهش نقطه-بی معنی نوعی جهش نقطه ای است که در آن جایگزینی یک جفت باز منجر به ایجاد کدون توقف زودرس می شود.
- در نتیجه جهش نقطه ای، بخشی از DNA که قبلا حاوی کدونی بود که اسید آمینه را مشخص می کرد، با یک کدون توقف جایگزین می شود.
- تأثیر روی جهش مزخرف به موقعیت کدون توقف با یک قطعه معین بستگی دارد. اگر جهش نزدیک به کدون توقف اصلی باشد، اثر عملکردی ممکن است شدیدتر از زمانی باشد که جهش از کدون توقف دور باشد.
- جهش اغلب منجر به تولید واحدهای پروتئین کوتاه شده و غیرعملکردی می شود.
- جهش بی معنی یکی از انواع شدید جهش نقطه ای است زیرا می تواند منجر به از دست دادن کامل عملکرد محصول نهایی شود.
نمونه ای از جهش بی معنی
تالاسمی های بتا گروهی از اختلالات خونی هستند که در نتیجه جهش بی معنی نقطه ای در ژن کد کننده زنجیره های بتا هموگلوبین رخ می دهد.
نتیجه جهش بسته به موقعیت جهش می تواند از کم خونی شدید تا موارد بالینی بدون علامت باشد.
جهش نقطه ای، در این مورد، می تواند با جایگزینی یک باز یا با حذف یک نوکلئوتید رخ دهد.
جایگزینی در نزدیکی نواحی پروموتر قبل از ژن های بتاگلوبین رخ می دهد. در صورت حذف، نوکلئوتیدهای خاصی از ناحیه نزدیک به بالادست ژن بتا گلوبین حذف می شوند.
تغییر ژن باعث تشکیل کدون توقف زودرس می شود که از تشکیل پروتئین گلوبین جلوگیری می کند.
2. جهش های اشتباه ( missense mutation )
جهش نادرست نوعی جهش نقطه ای است که در آن جایگزینی یک جفت باز منجر به یک اسید آمینه متفاوت در پروتئین حاصل می شود.
- جهش Missense یا می تواند تأثیری نداشته باشد یا بسته به جانشینی و موقعیت، منجر به پروتئین غیرعملکردی شود.
- یک جهش نادرست معمولاً با بیماری هایی مانند اپیدرمولیز بولوزا، بیماری سلول داسی شکل و ALS مرتبط است.
- با این حال، همه جهش های نادرست مانند برخی موارد مضر نیستند. یک اسید آمینه با یک اسید آمینه دیگر با خواص مشابه جایگزین می شود که منجر به یک پروتئین عملکردی می شود. به این جهش جهش خاموش نیز می گویند.
- علاوه بر این، جایگزینی همچنین می تواند در موقعیتی رخ دهد که به طور قابل توجهی بر ساختار و عملکرد پروتئین تأثیر نمی گذارد.
نمونه ای از جهش Missense
کم خونی داسی شکل یک نمونه کلاسیک از جهش نقطه ای اشتباه است که در آن جهش منجر به تولید اسیدهای آمینه مختلف می شود که بر ساختار کلی پروتئین تأثیر می گذارد.
این امر باعث تغییر در ساختار گلبول های قرمز خون می شود و در عین حال توانایی سلول ها برای به دست آوردن اکسیژن و لخته شدن خون را تغییر می دهد.
جهش نقطه ای، در این مورد، در بالادست ژن کد کننده آمینو اسیدهای دخیل در تولید پروتئین های تشکیل دهنده دیواره سلول خونی رخ می دهد.
تفاوت در نوکلئوتیدها منجر به تولید یک اسید آمینه متفاوت می شود که باعث ایجاد تفاوت در ساختار سلول های خونی می شود.
3. جهش های خاموش ( Silent mutation )
جهش خاموش نوعی جهش است که در آن هیچ اثر قابل مشاهده ای بر روی فنوتیپ ارگانیسم در نتیجه جهش مشاهده نمی شود.
- جهش خاموش می تواند از طریق روش های مختلف رخ دهد، اما توالی اسید آمینه ای که پس از تغییر شکل می گیرد، بیشتر شبیه توالی اسید آمینه اصلی است.
- جهش نقطه خاموش ممکن است در نتیجه تشکیل کدون های خاصی باشد که همان اسید آمینه را کد می کنند، که منجر به تغییری در توالی اسیدهای آمینه نمی شود.
- در برخی موارد، کدون ممکن است برای اسید آمینه متفاوتی کد کند که دارای خواص شیمیایی مشابه اسید آمینه اصلی است. این همچنین باعث ایجاد هیچ تغییری در ساختار و عملکرد پروتئین های تشکیل شده نمی شود.
مثالی از جهش خاموش
نمونه ای از جهش خاموش در موردی مشاهده می شود که نوکلئوتید تیمین با سیتوزین در کدون TTC جایگزین می شود و در نتیجه کدون TTT تشکیل می شود.
mRNA کدون ها به ترتیب AAG و AAA هستند. با این حال، هر دوی این mRNA ها برای همان اسید آمینه، لیزین، کد می کنند.
بنابراین، جهش نقطه ای در یک توالی می تواند کدون را تغییر دهد، اما اسید آمینه حاصل یکسان باقی می ماند. در این مورد، جهش خاموش است زیرا هیچ تاثیری بر محصول نهایی ندارد.
این امر به دلیل این واقعیت امکان پذیر است که کدون های متعدد می توانند اسیدهای آمینه یکسانی را کد کنند.
4. جهش Frameshift
جهش نقطه ای Frameshift نوعی جهش نقطه ای است که در آن نوکلئوتیدهای یک توالی DNA به گونه ای تغییر می کنند که یک یا چند کدون را تغییر می دهد.
- تأثیر جهش تغییر فریم به موقعیت جهش بستگی دارد، جایی که اگر جهش زودتر در توالی اتفاق بیفتد، تأثیر برجسته‌تر است.
- در جهش تغییر قاب، خواندن کدون پس از نقطه جهش منجر به آمینو اسیدهای متفاوتی از اصلی می شود.
- جهش تغییر چارچوب یکی از انواع شدید جهش نقطه ای است زیرا جهش بر روی توالی اسیدهای آمینه و به نوبه خود بر پروتئین تشکیل شده تأثیر می گذارد.
- توالی پلی پپتیدی حاصل پس از جهش تغییر چارچوب یا به طور غیر طبیعی طولانی یا کوتاه است اما به احتمال زیاد غیرعملکردی است.
نمونه ای از جهش Frameshift
نمونه ای از جهش تغییر چارچوب را می توان در مورد بیماری کرون مشاهده کرد. این بیماری با ژن NOD2 مرتبط است.
یک جهش به دلیل قرار دادن نوکلئوتید سیتوزین در موقعیت 3020 روی ژن رخ می دهد.
این کدون را به کدون توقف تبدیل می کند که سپس منجر به تشکیل پروتئین کوتاه شده می شود.
سپس تغییر در ساختار پروتئین بر عملکرد آن تأثیر می گذارد، یعنی پاسخ به لیپوساکاریدهای باکتریایی.
کاربردها
جهش نقطه ای کاربردهای متعددی دارد که دارای مزایای صنعتی و همچنین پزشکی است. برخی از کاربردهای رایج عبارتند از:
- یک جهش نقطه ای می تواند برای تغییر ژن هایی که در شرایط پاتولوژیک نقش دارند به عنوان بخشی از درمان مولکولی استفاده شود.
- جهش زاهای مختلف را می توان برای هدف قرار دادن سلول های سرطانی مختلف به منظور القای جهش نقطه ای و حذف یک نوکلئوتید خاص استفاده کرد.
- استفاده از جهش زاها برای القای جهش مطلوب در گونه های مختلف گیاهی برای بهبود محصول با فرآیندی به نام اصلاح جهشی مورد استفاده قرار گرفته است.
- در مورد جهش‌های ارثی، می‌توان از جهش نقطه‌ای برای معرفی ویژگی‌های مفید در موجودات مختلف استفاده کرد که سپس می‌توان از آن برای کاربردهای مختلف استفاده کرد.
“کیمیا زیست گستر نوین” در راستای ارتقاء تولیدات و سطح علمی کشور مبادرت به واردات و توزیع مواد شیمیایی و مصرفی آزمایشگاهی کرده است. هدف مجموعه ما تأمين مواد و تجهيزات مورد نياز در بخش هاى مختلف آزمايشگاهى، تحقيقاتى، بيمارستانى، صنعتى و … مي باشد.
