ورقة بحثية عن علم الوراثة البشرية (10031 كلمة)

هنا ورقة البحث الخاصة بك على الوراثيات البشرية ، الكروموسومات والجينات!

نحن نرث بعض الشخصيات المادية والكيميائية الحيوية من آبائنا وأجدادنا. يُعرف نقل الحروف أو السمات الموروثة عبر الأجيال بالوراثة. علم الوراثة هو فرع العلوم الحيوية الذي يتعامل مع دراسة المبادئ الأساسية للوراثة.

Image Courtesy: mdsalaries.com/wp-content/uploads/2011/11/shutterstock_61775431.jpg

وقد ثبت أن الشخصيات الوراثية أو الصفات تنتقل عن طريق جينات الكروموسومات. ومع ذلك ، فإن تعبير الحروف الموروثة يتم تعديله من خلال البيئات التي ينمو فيها الفرد وينمو.

ومن ثم ، فإن المعرفة الأساسية بالكروموسومات البشرية والجينات أمر أساسي لفهم مبادئ علم الوراثة.

الكروموسومات:

فالكروموسومات هي هياكل شبيهة بخيوط ملطخة بعمق داخل نواة كل خلية حيوانية. وتتحمل الجينات الكروموسومات في سلسلة خطية كأجزاء من جزيء DNA محدد. الكروموسومات الفردية مرئية تحت المجهر فقط أثناء انقسام الخلية.

خلال المرحلة البينية من الخلية ، تحتوي النواة على شبكة من خيوط الكروماتين أو الحبيبات ولكنها لا تحتوي على كروموسوم فردي ، وذلك لأن كل كروموسوم يصبح غير مكتمل في خيط رفيع طويل يتجاوز دقة المجهر الضوئي. ولكن تبقى بعض الصبغيات ملفوفة في أماكن والتي تم تحديدها على أنها حبيبات الكروماتين في الطور البيني (الشكل 11-1).

يعرف الجزء غير المكوّن من الكروموسوم بـ euchromatin النشط وراثيًا. الجزء المكوّن يسمى heterochromatin وهو خامل وراثيا. خلال عملية الانقسام الخلوي ، يتم لصق كل كروموسوم بإحكام على طول طوله ويصبح أقصر وأسمك. في النهاية ، تكون الكروموسومات الفردية مرئية بسهولة تحت المجهر (الشكل 11-2).

لذلك ، فإن الكروموسومات غير نشطة جينيا أثناء الانقسام الخلوي. جميع الأنشطة البيوكيميائية للكروموسومات في شكل تكرار الحمض النووي وتكوين الحمض النووي الريبوزي وتخليق البروتين يحدث أثناء المرحلة البينية التي تتكون من ثلاث مراحل من دورة الخلية - مراحل G ₁ (الفجوة 1) ، S (التوليف) ، G ₂ (Gap 2) . يحدث تكرار الحمض النووي في المرحلة S ويغطي فترة حوالي 7 ساعات.

يقدم كل كروموسوم تضيقًا رئيسيًا يعرف باسم centromere أو kinetocore وهو مرتبط بالمغزل اللوني أثناء انقسام الخلية وينظم تكوين الانبوب الدقيق للكروموسومات (الشكل 11- 3 أ).

في طور الانقسام الخلوي ، ينقسم كل صبغي إلى بعض طوليا إلى صبغيين ما عدا في المركز (الشكل 1 ل -3 ب). تعرف النهايات الحرة للكروماتيدات باسم التيلوميرات ، والتي عندما لا تكون سليمة ، لا تسمح بالانصهار مع الكروميدات في الكروموسومات المجاورة. تمثل الكروماتيدات لبعض الكروموسومات تقادمًا ثانويًا بالقرب من أحد الأطراف ، ويشكل الجزء من الكروماتيدات البعيدة للضيقات أجسامًا ساتلية (الشكل 11- 3 ج ، د). يعتقد أن القيود الثانوية لتنظيم تشكيل نواة.

أنواع الكروموسومات (الشكل 11-4):

تحتل الكواكب الوسطى مواقع متغيرة فيما يتعلق بزوجها من الكروماتيدات. تبعاً لذلك ، يمكن أن يطلق على الكروموسومات اسم metacentric عندما يكون centromere في الوسط ، دون metermric عندما يتم تحريك centromere قليلاً من الوسط ، أو Acrocentric عندما يقع بالقرب من النهاية ، و telocentric إذا احتل centromere نهاية الكروموسوم. لا توجد كروموسومات عبر مركزية في الكائن البشري ، ما لم تكن مرضية. تعرض معظم الكروموزومات التي تظهر في الأفق أجسامًا ساتلية على أذرعها الأقصر مفصولة عن القيود الثانوية. ترمز الأذرع القصيرة للكروماتيدات بالأذرع p و الأطول بواسطة q.

عدد الكروموسومات:

عدد الكروموسومات ثابت في النوع. في الإنسان ، العدد هو 46 (ثنائي الصبغة) في كل الخلايا الجسدية والخلايا الجرثومية غير الناضجة ، ولكن 23 (أحادي العدد) في العدد في الخلايا الجرثومية الناضجة أو الأمشاج. تم اكتشاف العدد الدقيق للكروموسومات 46 في كل خلية جسدية للإنسان العادي من قبل Tjio و Levan (1956) مع ظهور زراعة الأنسجة.

ترتبط بعض الاضطرابات الوراثية بتغيير عدد الكروموسومات. عندما يزداد العدد عن طريق مضاعفات الكروموسومات الصبغية (23) (بخلاف العدد ثنائي الصبغيات) ، تُعرف الحالة باسم الصبغية المتعددة. إذا كان تعدد الصبغيات ، على سبيل المثال القولونية الثلاثية أو رباعي الصبغية ، يؤثر على كل الخلايا الجسدية ، فإن معدل البقاء على قيد الحياة يكون ضعيفًا. قد يكون تعدد الصبغيات في مرحلة الزيجوت بسبب إخصاب بويضة بواسطة أكثر من حيوان منوي.

في ظل الظروف العادية ، يمكن العثور على تعدد الكروموسومات في بعض خلايا الكبد وفي الغشاء المخاطي للمثانة البولية. قد يحدث هذا في الطور التليفي من الانقسام الفتيلي ، عندما يحدث بعد تشكيل غشاءين نوويين يغلفان عدد مضاعف من الكروموسومات ، يفشل السيتوبلازم في الانقسام ويدمج الأغصان النوويان عددًا مزدوجًا من الكروموسومات الثنائية الصبغيات.

حالة عدم توازن الصبغيات هي حالة يتم فيها تغيير عدد الكروموسومات بواحد أو أكثر ، ولكن ليس بمضاعفات العدد أحادي العدد. معظم الأخطار من عدد الكروموسومات تحدث في طور الأنتظار. بعد تقسيم الكواكب ، فإن كروموسوم واحد أو أكثر يفشل في الهجرة بشكل صحيح بسبب وظيفة غير طبيعية للمغزل اللوني. وتعرف هذه الظاهرة باسم عدم الانقسام.

ونتيجة لذلك ، ينتقل كل من أعضاء زوج معين إلى خلية ابنة واحدة تتلقى كروموسومًا إضافيًا (التثلث الصبغي) ، وتكون الخلية البنت الأخرى ناقصة في ذلك الكروموسوم (أحادي الصبغي). في بعض الأحيان بعد تقسيم السنتروم ، ينفصل أحد أعضاء الكروموسوم الذي تم تكوينه حديثًا عن تكوين مكمل طبيعي للكروموسوم في خلية ابنة واحدة ، في حين يفشل العضو الآخر في الوصول إلى القطب المقابل للمغزل مما يؤدي إلى نقص في الكروموسوم (monosomy) في الآخر خلية ابنة. هذا هو المعروف باسم تأخير anaphase.

قد يحدث عدم الانفصال عند الانقسام الفتيلي أو الانقسام الاختزالي وقد ينطوي على صبغيات جنسية بالإضافة إلى جسيمات صليبية. غير autosomal non-disjunction هو أقل قابلية للتطبيق ، خاصة عندما يؤثر على كروموسومات كبيرة. جسمنا أكثر تحملا للخلايا الثلاثية من تلك الجزيئية الأحادية. الخلايا أحادية الذرية تتدهور في وقت مبكر. متلازمة تيرنر للإناث مع 45 ، XO الكروموسومات هو ربما المثال الوحيد للفرد أحادي الصوديوم قابلة للحياة. إذا لم يحدث الانفصال في تقسيم الانقسام الأول للميجوت ، فإن كل الخلايا هي اختلال في الصيغة الصبغية ويظهر الفرد الفسيفساء مع نصف الخلايا الكلية التي تكون ثلاثية الأطراف ونصف الآخر أحادي.

عندما يحدث عدم الانفصال في الانقسام الاختزالي الأول ، فإن جميع الأمشاج الأربعة تكون غير طبيعية (اثنان مع 24 كروموسوم ، واثنان مع 22 كروموسوم). إذا كان يحدث في الانقسام الاختزالي الثاني ، فإن الأمشاج هما طبيعيان واثنان غير طبيعيين. عندما يحدث الإخصاب بين الأمشاج الطبيعية والشاذة ، فإن جميع خلايا الكائن الحي المشتقة من ذلك البيضة الملقحة هي اختلال في الصيغة الصبغية. تلاحظ أحيانا عدم الانتظام في تزاوج الأمشاج في الإناث المسنات (35 سنة فما فوق). من المحتمل أن تكون البويضة الأولية التي تبدأ التقسيم الانتصافي الأول في حياة ما قبل الولادة ، تكمل العملية قبل الإباضة مباشرة بعد فترة طويلة من 40 سنة. قد يؤخر الانتهاء من الانقسام الاختزالي الأول للبويضات عدم الاختلال.

ترتيبات الكروموسومات:

يتم ترتيب الكروموسومات فورتيكس في كل خلية جسدية للإنسان العادي في 23 زوجا. يُعرف اثنان وعشرون زوجًا باسم "autosomes" (autosomes) ، وهي الجينات التي تُنظِّم شخصيات الجسم. ويعرف الزوج المتبقي باسم الكروموسومات الجنسية التي تنظم في المقام الأول الشخصيات الجنسية. عضو واحد من كل زوج هو الأب ، والجزء الآخر من الأمهات في الأصل.

يحدث الاقتران بين كروموسومات متطابقة متماثلة في الطول ، وموضع السنترومير ، ونمط النطاقات ، وتوزيع الجينات. تُعرف الكروموزومات المزدوجة بالكروموسومات المتجانسة (الشكل 11-5).

في الإناث ، تكون الكروموسومات الجنسية متطابقة في الطول وترمز إلى XX. في الذكور ، تكون كروموسومات الجنس المزدوجة غير متساوية الطول ويرمز لها بـ XY. يتم تمثيل أطول من قبل X ، وأقصر من Y. خلال الاقتران للكروموسومات الجنسية الذكرية ، كلاهما لهما أجزاء متجانسة وغير مخروطية (الشكل 11-6).

وترد الجينات أو الأختام ، التي هي أجزاء من جزيء DNA معين ، داخل الكروموسومات في سلسلة خطية. هم يشكلون الوحدات الوظيفية للشخصيات الوراثية. ويطلق على موضع الجين في الكروموسوم موضعه المذكور مع الإشارة إلى السنترومير.

لا تغير الجينات الموقع ، إلا في تناوب مورفولوجيا الكروموسومات أو في إعادة التركيب بسبب الانقلاب في الانقسام الاختزالي. تعرف الجينات التي تشغل الموقع نفسه في زوج من الكروموسومات المتجانسة باسم أليلومورفس أو الأليلات (انظر الشكل 11-5). تنظم الجينات الأليلية شخصيات فيزيائية وبيوكيميائية محددة مختلفة ، من خلال تكوين الحمض النووي الريبي والبايوسيدسيس للبروتينات.

في إعداد الكروموسومات من زراعة الخلايا الانقسامية (بعد القبض على انقسام الخلية في الطورية) ، لا يتم تصوير أزواج الكروموسومات المتجانسة. تتم مطابقة فقط أزواج homologous أثناء karyotyping من photomicrographs الموسع. في مرحلة الزيجوتينية من الطور الأول للانقسام الانتصافي ، يتم العثور على الكروموسومات المتجانسة في أزواج تؤسس لعلاقة نقطة إلى نقطة ؛ وتعرف هذه الظاهرة باسم synapsis.

الهيئات الجنسية للكروماتين أو البر:

خلال المرحلة البينية ، تقدم الخلية الجسدية للأنثى العادية جسمًا مغايرًا مغلفًا تحت الغشاء النووي. هذا هو المعروف باسم الكروماتين الجنسي أو الجسم بار. تم اكتشافه لأول مرة من قبل بار و Bertram في عام 1949 في نوى الخلايا العصبية الحجابي من القط الإناث. من أصل اثنين من الكروموسومات X في الأنثى الطبيعية ، واحد منهم ملفوف للغاية والعضو الآخر uncoiled للغاية. يشكل كروموسوم X غير نشط وراثيًا للغاية جسم البر ، الذي يتم لصقه تحت الغشاء النووي (الشكل 11-7).

هذه الهيئات تساعد في التزاوج النووي للأنسجة. يتم العثور على جثث البر بسهولة في تلك الخلايا ، التي تمتلك نواة ذات وجه مفتوح. عادة يتم دراسة أجسام بار من خلايا الشدق الشدقي ، أو من خلال مراقبة أجسام "عصا الطبل" المرتبطة بنواة الكريات البيضاء متعددة الأشكال.

عدد أجسام Barr في الخلية يساوي العدد الإجمالي للكروموسومات X ناقص واحد. في الأنثى العادية مع اثنين من الكروموسومات X عدد من الجسم واحد. في ثلاثي X sydrome (XXX) يتم زيادة العدد إلى اثنين؛ في الإناث مع متلازمة تيرنر وجود كروموسوم X واحد فقط (XO) ، جسد بار غائب. في الذكور مع متلازمة كلاينفيلتر وجود الكروموسومات XXY (تريسومي) ، جسد بار موجود.

تم الكشف عن وجود كروموسوم Y في الذكور على هيئة جسم شديد الفلورسنت (F- الجسم) داخل النواة ، عندما تكون لطخة الشدق ملطخة بصبغة flurochrome وفحص تحت المجهر مضان. بما أن هذه التقنية مكلفة وسرعان ما تتدهور الشريحة ، فعادة ما لا يتم استخدامها لدراسة حالة لونين الجنس.

التركيب الكيميائي للكروموسومات:

في التحليل الكيميائي وجد أن كل كروموسوم يحتوي على دنا ، وكمية صغيرة من بروتينات الحمض النووي الريبي ، والهيستون والبروتينات غير الستيرون ، وأيونات معدنية. الحمض النووي هو المكون الجزيئي الأساسي والثابت للكروموسومات.

وقد كشفت الدراسات الحديثة أن كل كروموسوم eukaryote يحتوي على جزيء DNA مزدوج متقطع مزدوج. يوجد معظم جزيء الحمض النووي في الكروموسوم كهيكل مرن أو مطوي بدرجة عالية. يتم توسيع الحمض النووي في حالة نشطة من النسخ ويصبح أكثر eucromatic. تبقى منطقة الحمض النووي غير نشط ملفوفة بدرجة كبيرة وتصبح متغايرة الألوان. درجة تصفية الحمض النووي تختلف مع معدل تخليق البروتين في المرحلة المختلفة من دورة الخلية.

يتم ملاحظة نوعين من المناطق غير المتجانسة-اللونية الدائمة في الكروموسومات البشرية.

(أ) يؤثر الهتروكروماتين الاختياري على كروموسوم X غير نشط من الأنثى العادية. في مرحلة التطور الجنيني المبكر للإناث ، كلا الكروموسومات X تشارك بنشاط في تطوير المبايض. بعد ذلك يصبح أحد الكروموسومات X غير نشط بشكل دائم ويكوّن جسم بار.

(ب) لوحظ الهيتوكروماتين التأسيسية في التضيقات الأولية والثانوية للكروموسومات. ويقال إن متكررة تسلسل قواعد الحمض النووي ، غنية في الجوانين والسيتوزين ، موجودة في heterochromatin التأسيسية وفي الهيئات الساتلية. قد يُعد الدنا المتكرر في بعض أجزاء الصبغيات رموزًا للجزيئات الذاتية في صورة رنا ريبوسوم ريباسي ، وينقل الحمض النووي الريبي (RNAs) والبروتينات التنظيمية.

هيستونيس هي بروتينات أساسية غنية بالأرجينين والليسين. يتم تجميع هذه البروتينات على شكل جسيمات كروية على طول شريط الحمض النووي الذي يدور حول كل جسيم ويشكل جسمًا معقدًا يعرف باسم nucleosome أو v-body (الشكل 11-8). يتكون كل نيوكليوسوم من أربعة أزواج من الهستونات مرتبة في مجموعتين متماثلتين. تشير الأدلة التجريبية إلى أن رابطة الحمض النووي مع هيستون يقمع نشاط الجينات.

بروتينات غير هيستونية حمضية وتشكل العديد من الإنزيمات ، مثل بوليميراز الدنا وبوليميراز الحمض النووي الريبي. بعض بروتينات غير هيستون تفصل الهستونات عن النشاط الجيني للنيوكليوسوم و derepress.

إجراءات تحليل الكروموسومات:

بالنسبة للدراسة الخلوية الخلوية للكروموسومات ، يتم اختيار الخلايا التي تنمو وتنقسم بسرعة في الثقافة. الأنسجة الأكثر شيوعا هي الجلد ونخاع العظام والدم المحيطي.

مبادئ تحضير الكروموسوم من الدم المحيطي هي كما يلي:

(أ) حوالي 1-2 مل. يتم سحب الدم من الوريد ، والهيبارينين ومعالجتها مع phyto- hemagglutinin ، المستخرج من حبة الكلى الحمراء.

يحفز فيتوفاجلوتينين (PHA) الخلايا الليمفاوية (وخاصة الخلايا التائية) لتتكاثر عن طريق الانقسام الفتيلي ويسمح بشكل انتقائي بتراكم وتراكم كرات الدم الحمراء الناضجة.

(ب) يتم نقل قسامة البلازما مع الخلايا الليمفاوية العالقة الآن إلى قوارير الثقافة تحت حالة عقيمة تحتوي على TC199 (Difco) كوسيط للثقافة. يستمر الحضانة في زجاجة الثقافة لمدة 3 أيام عند 37 درجة مئوية مع إضافة الستربتوميسين والبنسلين كمواد حافظة.

(ج) يضاف الكولشيسين الآن إلى الثقافة ويظل لمدة ساعتين. الكولشيسين يسيطر على انقسام الخلايا في الطورية ، عن طريق منع تشكيل microtubules من المغزل achromatic. في الطورية ، يتم التعاقد بالكروميدات الموحد من قبل centromeres كحد أقصى.

(د) يتم جمع الخلايا عن طريق الطرد المركزي لمحتويات زجاجة الثقافة. يضاف محلول هيموتونيك من سيترات الصوديوم إلى الخلايا ويحضن لمدة 20 دقيقة. يسمح الحل المنخفض التوتر للخلايا بالانتشار ولتفريق الكروموسومات.

(هـ) يتم التخلص من وسط التخثر عن طريق الطرد المركزي. الآن يتم إضافة مثبتات من خليط من الإيثانول وحامض الخليك إلى بيليه الخلايا ، ويتم اهتزازها بلطف لتشكيل تعليق خلية.

(و) توضع قطرات صغيرة من التعليق الخلوي عبر أحد طرفي الشرائح المنظفة كيميائياً. يسمح للشرائح أن تجف في درجة حرارة الغرفة.

(ز) تلطيخ - للدراسة التقليدية للنمط الكروموسومي ، يستخدم على نطاق واسع صبغة Giemsa مع نتائج جيدة (الشكل 11-9).

أصبح التحديد الدقيق للكروموسومات الفردية ممكناً الآن من خلال ملاحظة نمط العصابات على الكروموزومات بعد تطبيق أي من تقنيات التلوين الأربعة المختلفة:

(ط) Q-banding:

عندما يتم صبغ الكروموسومات الطورية الثابتة باستخدام هيدروكلوريد الكيناكرين أو خردل الكيناكرين ، تظهر بعض نطاقات الكروموسوم كمناطق فلورية تحت المجهر الفلوري. هذه الأنماط Q-banding (الفلورسنت) فريدة لكل كروموسوم. من المفترض أن تكون مناطق Q-bands أكثر ثراءً في الأدينين (A) وقواعد الثايمين (T) للحمض النووي (DNA) أكثر من مناطق interband. يتضح وجود نطاق Q كبير بشكل خاص في الجزء البعيد من الذراع الطويلة للكروموسوم Y ، حتى أثناء الطور البيني.

(2) G-banding:

تخضع الصبغيات الثابتة لعلاج خفيف مع أنزيمات بروتينية (التربسين) قبل التلوين. الأنزيمات قادرة على تغيير البروتين في الكروموسومات. عندما تكون ملطخة بـ Giemsa بعد مثل هذا العلاج ، يمكن رؤية نمط من التكتلات الداكنة G-bands على الكروموسومات تحت مجهر خفيف.

تتطابق أقاليم G-banding و Q-banding للكروموسومات بشكل وثيق. وقد أوحت المجيء (1974) أن البروتينات المتبقية بعد تمسخها قد تحول دون وصول المادة المتلونة إلى مناطق معينة من الدنا. من الممكن أن يرتبط بروتين أقل بالـ DNA الغنية ؛ هذا يفسر التوافق بين G و Q-bands.

تُعد نطاقات G ومناطق Q-band أزواجًا أساسية لـ AT ؛ فهي تتوافق مع مناطق الكروماتين المتغايرة heterochromatin حيث يحدث تكرار الحمض النووي (DNA) بشكل طفيف في وقت لاحق. مناطق interband غنية في أزواج GC.

(3) R-binding:

هذا هو عكس G- ملزم ، حيث يتم إظهار المناطق بين النطاق بواسطة صبغة Giemsa بعد التسخين إلى 87 درجة مئوية. يكون R-binding مكملاً لـ G-binding.

(4) النطاقات C:

بعد المعالجة القاسية للكروموسومات الثابتة مع القلويات أو الأحماض أو الملح ، تكشف بقعة Giemsa عن المنطقة الملطخة ، وهي С-band ، بالقرب من centromere. ومع ذلك ، لا يظهر النطاقات C في كروموسوم Y.

يساعد ربط الصبغي على تحديد بعض التشوهات في بنية الكروموسوم ، مثل الحذف ونقل مناطق معينة من الكروموزومات.

النمط النووي:

إنها عملية ترتيب الكروموسومات بالترتيب. يتم أخذ صورة مجهرية موسعة من "انتشار" الكروموسوم من الشريحة الملطخة. يتم قطع الكروموسومات الفردية من الصورة ، تتطابق مع أزواج متماثلة ، ويتم ترتيبها في تسلسل ، أطول الكروموسومات التي توضع في البداية والأقصر في النهاية.

يتم تحديد الكروموسومات الفردية وفقا لطولها ، ومكان centromere ، ونسبة الطول بين أسلحتهم ووجود الأجسام الساتلية على أسلحتهم. (الشكل 11-10) يضيف نمط النطاقات مزيدًا من تعريف الكروموسومات الفردية. (الشكل 11-11).

تصنيف الكروموسومات البشرية:

وفقًا لـ "نظام دنفر" للتصنيف (1960) ، يتم ترتيب الكروموسومات البشرية بما في ذلك الكروموسومات الجنسية في سبع مجموعات من A إلى G ، وذلك لتقليل الطول.

(1) المجموعة الأولى:

ويشمل أزواج من 1 ، 2 ، 3 صبغيات. كل واحد منهم طويل ومتبادل. ومع ذلك ، فإن الكروموسوم 2 الموجود في المجموعة (أ) هو أطول كروموسوم تحت سطح الأرض.

(2) مجموعة В:

وتتكون من أزواج من 4 و 5 كروموزومات ، وهي طويلة إلى حد ما مع الكادميومات شبه المتروببية.

(3) المجموعة С:

وهي مجموعة كبيرة وتشمل أزواج من 6 إلى 12 كروموزوم ؛ تنتمي الكروموسومات X أيضًا إلى هذه المجموعة. معظمهم من متوسطة الحجم و sub-metacentric. تساعد أنماط التطويق على تحديد الكروموسومات الفردية.

(4) المجموعة د:

13 إلى 15 من أزواج الكروموسوم تنتمي إلى هذه المجموعة. كل منهم متوسطة الحجم و acrocentric. يتم توصيل جسم القمر الصناعي بالطرف الحر للذراع القصير لكل كروموسوم.

(5) المجموعة هـ:

وهي تتضمن أرقام الكروموسوم من 16 إلى 18. وهي عبارة عن كروموسومات شبه مجزأة إلى حد ما.

(6) المجموعة السادسة:

تنتمي 19 و 20 صبغياً في أزواج إلى هذه المجموعة. كل واحد منهم قصير ومقره.

(7) المجموعة ز:

ويشمل 21 و 22 زوجا من الكروموسومات. ينتمي Y كروموسوم إلى هذه المجموعة. كل واحد منهم هو قصير جدا ووسط الشمس ، 21 و 22 صبغيات تقدم الأجسام الساتلية على أذرعهم القصيرة. أما النهايات البعيدة للأذرع الطويلة للكروموسوم Y فتظهر الأجسام الفلورية بعد صبغها بصبغة مبتورة.

نقاط المراقبة:

(أ) 1 إلى 3 كروموزومات من المجموعة A ، و 19 ، 20 صبغية من المجموعة F هي metacentric.

(ب) 13 إلى 15 كروموزوم من المجموعة D ، و 21 و 22 و Y كروموزومات من المجموعة G ذات قيمة مركزية. خمسة أزواج كروموسوم تضم 13 و 14 و 15 و 21 و 22 تمتلك أجسامًا ساتلية ؛ وبالتالي دعا sat- ch.ro- mosomes. تهتم الكروموسومات السامة بتركيب النواة.

(ج) تكون بقية الكروموسومات شبه مترددة.

توطين الجينات على الكروموسومات:

يمكن تقييم التوطين الجيني على كروموسومات بشرية معينة ، على الرغم من صعوبة تحديده ، من خلال تحليل النسب ، من خلال دراسة المرضى الذين يعانون من حذف الكروموسومات ودراسة فصل جينات "الواسمات" في العائلات التي تعاني من اضطراب وراثي معين. جينات ماركر متكررة في عموم السكان. وتشمل سمات علامة جسمية جسمية مجموعات الدم وبعض بروتينات المصل.

وتشمل صفات الواسم المرتبط بـ X على العمى اللوني ، ومجموعة دم Xg وفي بعض الحالات عوز هيدروجين الجلوكوز 6-فوسفات. وقد أظهرت الدراسات النسبية ارتباطًا وثيقًا بين الموقع الجيني لمجموعة دم ABO ومتلازمة الظفر الرضفي ، وبين مجموعة دافي الدموية وشكل واحد من الساد المميت.

يتم تحسين رسم خريطة الجينات على الكروموسومات الفردية باستخدام إنزيمات تقييد (endonuclease) التي يتم توليفها من قبل العديد من البكتيريا. تقسم إنزيمات التقييد الحمض النووي إلى أجزاء متغيرة الطول بالقطع بين التسلسل المحدد للقواعد ، التي تختلف مواقعها باختلاف الإنزيمات. يعمل مثل هذا الشكل من تعدد الأشكال (RFLP) كطبقة بصمة الحمض النووي ، ويتم اكتشافه من خلال اعتماد تقنية الحمض النووي المؤتلف (Recombinant DNA Technology).

تحليل بنية الحمض النووي عن طريق RFLP ، يجعل من الممكن تحديد أي من الوالدين هو مصدر كروموسوم معيب. هذا يساعد في الاستشارات الوراثية ، في التحقيق في الجرائم وتحديد الأبوة. يقدر عدد الجينات بحوالي 50000 إلى 100000 في مجموع الجينوم البشري بـ 3 بليون زوج قاعدي. اعتبارا من أوائل عام 1993 ، تم تعيين أكثر من 2500 موقع لمواقع محددة على الخريطة الجينية البشرية.

وقد ارتبطت شذوذات من حوالي 450 من هذه الجينات بأمراض بشرية. يتم وضع بعض التوطين الجيني المهم على autosomes طيه.

كروموسوم:

1 - مجموعة دم دوفي ، عامل ري ، بروتين هيستون ، ولادة اصطناعية ، التهاب الشبكية الصباغي.

2 - فوسفاتيز حمض الخلية الحمراء. سلسلة ضوء كابا من الجلوبيولين المناعي.

5 - Hexosaminidase-B

6 - مجمع التوافق النسيجي الكبير (HLA) ، ترنح الشلل الدماغي ، متلازمة الأدرينوجين.

7 - الجين الهيكلي الكولاجين.

9 - مجموعة الدم ABO ، متلازمة الأظافر الظفرية.

14- سلسلة ثقيلة من الغلوبولين المناعي

15 - Hexosaminidase-A 17- Thymidine Kinase

19- حساسية شلل الأطفال وصدى الصدى

20 - أدينوزين ديمينيز

21 - جين متلازمة داون. جين لمرض الزهايمر.

22 - جينات لسلسلة لامبدا الخفيفة من الغلوبولين المناعي

يبدو أن الكروموسوم X يحتوي على الموقع الخاص بنزع الهيدروجين الجلوكوز 6 الفوسفات ، الناعور A ، رؤية اللون وضمور بيكر العضلي على الذراع الطويلة ، ومجموعة دم Xg ، السماك الشائع ، المهق البصري والتأخر العقلي المرتبط بـ X على ذراع قصيرة.

يحتوي الكروموسوم Y على ذكر جينات "SRY" ، وهو أحد مكونات TDF (عامل تحديد الخصية). وجود كروموسوم Y واحد يحث على تطوير الخصيتين. تحرر الخصيتان الجنين التستوستيرون وعامل الانحدار مولر ، الذي يسمح من خلال العمل المحلي بتمايز النبيبات والقنوات ذات الميزونفريك ليتطور إلى نظام قنوات الخصية ويساعد في الوقت نفسه على الانحدار في قنوات paramesonephric (نظام مولر). وهكذا فإن الكروموسوم Y من خلال تدريب الأحداث يحث على تطوير الغدد التناسلية الذكرية والقنوات الجنسية والأعضاء التناسلية الخارجية التي تعبر عن النمط الظاهري الذكوري.

ولكن في متلازمة "تأنيث الخصية" مع الكروموسومات XY ، يبدو أن الفرد أنثى مثالية مع الثدي والأعضاء التناسلية الخارجية للأنثى ، ولكن مع الخصيتين داخل البطن. بسبب الخلل الوراثي للكروموسوم Y ، يصبح نظام مولر لا يستجيب لآثار الهرمونات الذكرية التي تحررها الخصيتان الجنينان.

يقدم الذكر العادي دستور الكروموسومات XY. ولكن عندما يمتلك الفرد أكثر من كروموسوم X واحد مع كروموسوم Y واحد (47 ، XXY ، 48 XXXY) ، فإن هذا الموضوع هو ذهنياً ظاهري مع خلل في النبيبات المنوية (متلازمة كلاينفلتر). لذلك ، فإن الكروموسوم Y يقدم جينات قوية لتحديد الذكور ، بغض النظر عن عدد الكروموسومات X. لكن وجود كروموسومات X إضافية في متلازمة كلاينفيلتر يضفي خصوبة أقل ويجعل الفرد متخلفًا عقليًا إلى حد ما.

بالإضافة إلى الجينات التي تحدد الذكورة ، يحتوي الكروموسوم Y على جينات لمستضد الصيوان HY (التوافق النسيجي). يختلف طول الكروموسوم Y من شخص لآخر ويتبع مبدأ Mendelism. بسبب وجود مستضد HY ، يتم رفض الطعوم الذكور في بعض الأحيان من قبل الإناث من نفس السلالة.

تمتلك أنثى عادية دستور الكروموسوم XX. في مرحلة التطور الجنيني المبكر ، كلا الكروموسومات X نشطة جينيًا وتحرض على نمو المبيضين. بعد ذلك ، يصبح كروموسوم X واحد غير متجانس و خامل وراثيا ، ويستمر ككروماتين للجنين أو جسم بار (هيتروكروماتين التراكمي). المبيضات الجنينية لا تفرز أي هرمون. لذلك في غياب الخصى (مع أو بدون المبايض) يتراجع نظام Wolffian (mesonephric) ونظام Mullerian (paramesonephric) إلى الأعضاء التناسلية الأنثوية والأعضاء التناسلية الخارجية للأنثى.

في حالات نادرة يظهر الشخص المصاب بداء الكروموسوم XX ذكر في النمط الظاهري. هذا يشير إلى وجود جينات لتحديد الخصية في واحد من اثنين من الكروموسومات X التي من أصل Y. هذا الإرث النادر ممكن في الفرد بسبب التقاطع في تكوين الأمشاج على الجانب الأبوي. من الملاحظ بفضول أن الأشخاص الذين لديهم 45 كروموسوم XO قد يظلوا على قيد الحياة ، لكن مجموعة 45 ، YO غير قابلة للتطبيق.

التعديل الهيكلي للكروموسومات (الشكل 11-12):

حذف:

يعني فقدان جزء من الكروموسوم ، والذي قد يكون طرفيا أو خلالي. ويتبع الحذف بين المجموعات النجمية الناتج عن فاصلتين اتحاد من الأطراف المكسورة. في متلازمة 'cri du chat' ، يتم حذف الجزء الطرفي من الذراع القصير للكروموسوم 5.

النقل:

يُعرف تبادل الأجزاء بين الكروموسومات غير المتجانسة باسم النقل. تتطلب عملية الانتقال قطعًا لكل من الكروموسومات غير المتماثلة ، يتبعها إصلاح يؤدي إلى ترتيب غير طبيعي. قد لا ينتج الترحيل دائمًا نمطًا ظاهريًا غير طبيعي ، لكنه قد يؤدي إلى تكوين أمشاج غير متوازنة ويحمل مخاطر عالية من ذرية غير طبيعية.

قد يكون التبادل المتبادل بين زوجين من الكروموسومات غير المتجانسة متغاير الزيجوت عندما يكون واحد فقط من الكروموسومات في زوج متورط ، أو متماثلة اللواقح عندما يتبادل أعضاء زوج الكروموسوم أجزاء مع بعضها البعض. في بعض الأحيان ينطوي النقل على ثلاث فترات استراحة ، ويتم إدخال جزء مكسور من الكروموسوم في كروموسوم غير متشابه ، في حين يقدم كروموسوم غير متشابه آخر الحذف الخلالي.

الإرتباط الروبتوسوني أو الانصهار المتمركز هو نوع خاص من الإزاحة حيث تحدث الفواصل عند الكواكب الوسطى للكروموسومين ويتم تبادل أذرع الكروموسومات الكاملة. في الرجل ، عادة ما ينطوي على اثنين من الكروموسومات acrocentric ، على سبيل المثال ، بين المجموعتين D و G ، 21/22 أو 21/21. في الذراع D / G يندمج ذراع طويل من الكروموسوم G مع ذراع طويلة من D كروموسوم ، ويتم فقدان الجزء الذي يتكون من اندماج الأذرع القصيرة للكروموسومين.

والدة متلازمة داون المترجمة هي عادة حاملة لنقل D / G مع 45 كروموسوم فقط. وتنتج أربعة أنواع من الأمشاج ، أحدها مع كروموسوم D العادي ، أحدها به كروموسوم G العادي ، أحدهما مع كروموسوم D / G المحول مثل الأم الناقل ، والآخر مع كروموسوم D / G وكروموسوم G طبيعي.

سيكون للنسل المستمد من آخر مجموعة من الأمشاجيات 46 صبغيًا ، ولكنه سيكون تريزوميًا للكروموسوم 21 مع ظهور متلازمة داون. ولذلك ، فإن الأم الحامل مع D / G نقل سيكون لها خطر الحصول على الطفل مع متلازمة داون. عندما تحمل الأم إزدرائية تحتوي على كل من الكروموسومات 21 ، فإن جميع أطفالها يعانون من متلازمة داون.

عكس:

يتم فصل جزء من الكروموسوم ويتحد فيما بعد مع نفس الكروموسوم في الموضع المعكوس. لا تضيع الجينات ولكن توضع في أماكن متغيرة.

ايزو كروموسوم:

وسط السن من الكروموسوم ، بسبب طور طور غير طبيعي (الانقسام أو الانقسام الاختزالي) ، ينقسم بشكل عكسي بدلاً من الانقسام الطولي. ويتوج هذا في تكوين اثنين من الكروموسومات غير متساوية الطول ، كل تقديم الكروموسومات metacentric مع ازدواجية الجينات. تُعرف الكروموسومات الناتجة الناتجة عن الانقسام العرضي للمركز المركزي باسم الكروموسومات.

الازدواجية:

إنها عملية إضافة جزء من كروموسوم من كروموسوم آخر متماثل مع ازدواجية الجينات. أحيانا تلاحظ تأثيرات ازدواجية للجينات بسبب إيزوسبليتينج من كروموسومات X واحدة في متلازمة تيرنر.

الكروموسوم الدائري:

لوحظ وجود كروموسوم دائري عند حذف الكروموسوم في كلا الطرفين ، ثم يتم الالتزام بالنهايات "اللزجة" المحذوفة لبعضها البعض في شكل حلقة. إن مظهر كروموسوم الحلقة يعتمد على حذف جينات معينة.

الرموز المستخدمة في علم الوراثة الخلوية:

p - ذراع قصير من الكروموسوم

q - الذراع الطويلة للكروموسوم

تي إزفاء. الجرد، عكس

ط-ايزو كروموسوم.

ص الكروموسوم الدائري

+ or -Sign: عند وضعه قبل الرمز المناسب ، فهذا يعني إضافة أو اختفاء الكروموسوم بأكمله. على سبيل المثال ، قد يتم تمثيل متلازمة تثلث الصبغي 21 داون كـ 47 ، XY + 21.

عندما يتم وضع + أو - تغنيات بعد رمز ، هذه تشير إلى زيادة أو نقصان في طول الصبغي. على سبيل المثال ، متلازمة cri du chat التي تؤثر على الطفل الذكر مع حذف ذراع قصير من الكروموسوم 5 ممثلة في 46 ، XY ، 5p-

في الفيليودوس أو Ph كروموسوم ، يحدث التبادل المتبادل بين الذراع الطويلة للكروموسوم 9 والفرقة 34 والذروة الطويلة للكروموسوم 22 باند 11. لذلك ، النمط النووي لهذا المرض ليس ر (9 ؛ 22) (q34 ؛ ql 1).

تم تنقيح الترميز أكثر لتوجيه نطاقات معينة على أي كروموسوم محدد.

يشير الخط القطري عبر الكروموسومات أو عددهم إلى الفسيفساء ، على سبيل المثال. XY / XX. XO / XX. XY / XXX. 45/46/47.

الجينات:

الجينات هي وحدات الوراثة وتتكون من جزء من جزيئات محددة من الحمض النووي. كما ذكرنا من قبل ، يتم ترتيب الجينات في سلسلة خطية داخل الكروموسومات مع تسلسل دقيق وعدد من قواعد الحمض النووي ، مختلفة للجينات المختلفة ، ولها بداية محددة وانهاء محدد. وبما أن الكروموسومات الواحدة تحتوي على حلزون مزدوج لجزيء الحمض النووي في شكل ملفوف بإحكام ، فإن جينات واحدة أو جزيئات صغيرة يتحملها جزيء DNA واحد.

ويطلق على موضع الجين في الكروموسوم الموضع ، والذي يقاس بالإشارة إلى السنترومير. عادة لا تغير الجينات الموقع ، إلا في إعادة التركيب خلال عبور أو في تغيير مورفولوجيا الكروموسومات.

وتسمى الجينات التي تشغل مواضع متماثلة في زوج من الكروموسومات المتجانسة الألائل أو الأليلات. بشكل عام ، الجينات الألييلية تنظم شخصيات فيزيائية وبيوكيميائية مختلفة للفرد. يُنظر إلى زوج واحد من الجينات الألييلية من المستوى الجزيئي وينظم توليف سلسلة ببتيد واحدة.

عندما تكون الجينات الألييلية التي تنظم شخصية معينة أو سمة معينة ، تقول الارتفاع ، تعمل في نفس الاتجاه (طويل القامة أو كلاهما قصيراً) ، فإنها تسمى متماثلة اللواقح. عندما تعمل في الاتجاه المعاكس (واحد قصير والآخر قصير) ، الأليلات متغايرة الزيجوت. معظم الصفات الوراثية متعددة الجينات وينتجها التفاعل المعقد للعديد من الجينات وتتأثر بالبيئة. في بعض الأحيان ، قد يؤثر زوج من الجينات الأليلية على أكثر من شخصية واحدة. هذا هو المعروف باسم عديد المظاهر.

التركيب الكيميائي للحمض النووي (الشكل 11-13):

وقد تم تأسيسها في عام 1953 بواسطة Wilkins ، Watson ، و Crick في حيود أشعة إكس ، حيث يتكون جزيء الحمض النووي من فرقتين من polynucleotides مرتدين في حلزون مزدوج. تتكون كل خيوط من العمود الفقري لسلالة البنتوز السائلة (D-2-deoxyribose) وجزيء الفوسفات ، ويتم تثبيت الخيوط معاً بواسطة روابط هيدروجينية بين القواعد النيتروجينية ، والتي ترتبط بالسكريات كمجموعة جانبية وتوجه نحو المركز من الحلزون.

القواعد هي من نوعين ، البيورين و بيريميدين. البيورين في جديلة واحدة دائما أزواج مع البيريميدين في الخيط الآخر. تتضمن قواعد Purine الأدينين (A) و Guanine (G)؛ قواعد البيريميدين تشمل الثايمين (T) والسيتوزين (C). يكون الاقتران الأساسي محددًا تحت الحالة الطبيعية (عندما يكون في شكل كيتو) - أزواج الأدينين مع الثايمين لها روابط هيدروجينية وتمثلها A = T؛ أزواج الجوانين مع السيتوزين بواسطة ثلاثة روابط هيدروجينية وتمثلها G = C.

وهذا يدل على أن فصل السلكين في مستوى A = T خلال عملية إزالة الحمض النووي يكون أسرع من مستوى G = C. ومع ذلك ، عندما تكون القواعد في شكل إنول ، قد يتزاوج الأدينين مع السيتوزين والجوانين مع الثايمين. هذا هو أساس طفرة الجينات.

إن جزيئين من جزيء الحمض النووي مكملان لبعضهما البعض. إذا كان التسلسل الأساسي لفرع واحد معروفًا ، فيمكن تكوين التركيبة الأساسية للخيط الآخر. تسلسل القواعد وعدد من النيوكليوتيدات من الحمض النووي محددة ، ومختلفة في جينات مختلفة. وهكذا توجد أشكال لا حصر لها من الحمض النووي في الجينات وتخزن معلومات وراثية متنوعة.

وظائف جزيء DNA:

تمتلك جزيئات الدنا الإمكانات التالية:

(1) النسخ الذاتي

(2) Biosynthesis من الحمض النووي الريبي والبروتينات

(3) إعادة التركيب.

(4) طفرة.

التضاعف الذاتي (الشكل 11-14):

خلال التقسيم النووي ، يتم فصل جزيئتي الحمض النووي ، وكل حارة تعمل كقالب وتنظم تكوين خيط متمم جديد من مجموعة من النيوكليوتيدات نتيجة لقاعدة محددة. بهذه الطريقة عندما تنقسم الخلايا ، تنتقل المعلومات الوراثية دون تغيير إلى كل خلية ابنة. يشارك كلا الجدلين في عملية تكرار الحمض النووي ، والذي يأخذ أماكن في S- مرحلة (توليف) من دورة الخلية. يتضمن التكرار عدة إنزيمات ، مثل بوليميراز الدنا ، ligase DNA و endonuclease محددة.

التخليق الحيوي للـ RNA والبروتينات:

يعمل جزيء الحمض النووي أيضًا كقالب لتخليق الحمض النووي الريبي ، وينقل الأخير الرسالة الوراثية ويفك تخليق سلسلة محددة من بروتين ببتيد من البروتينات عن طريق الربط الخطي للأحماض الأمينية. لذلك ، فإن العقيدة المركزية للوراثة الجزيئية تشمل DNA → RNA بواسطة عملية النسخ ، و RNA → البروتينات بالترجمة.

يختلف الحمض النووي الريبي (RNA) (Ribose nucleic acid) عن الحمض النووي (DNA) بشكل أساسي من خلال ثلاث طرق: فهو يمتلك عادة سلسلة واحدة من بولينيوكليوتيد تقطعت بهم السبل. سكر البنتوز هو D-ribose. من ثلاث قواعد عضوية ثلاثة تشبه الحمض النووي (الأدينين ، الغوانين ، السيتوزين) ، والرابع هو اليوراسيل بدلا من الثيامين. لذلك ، أثناء النسخ من الحمض النووي إلى أزواج الأدينين RNA مع اليوريسيل (أ = U). يوجد الحمض النووي الريبي في ثلاثة أشكال: الحمض النووي الريبي المرسال (RNA) ، والرنا الريبوزي ribosomal (rRNA) ، ونقل الحمض النووي الريبي (RNA). جزيء الحمض النووي متعدد الجينات يعمل كقالب لجميع الأنواع الثلاثة من الحمض النووي الريبي. على عكس تكرار الحمض النووي ، يعمل واحد فقط من خيوط جزيء الدنا كقالب للحمض النووي الريبي.

تتكون سلسلة البولينيوكليوتيدات من mRNA داخل النواة من جانب أي جانب واحد من جزيء DNA بمساعدة RNA polymerase. أثناء تخليق الحمض النووي الريبي (RNA) ، يتم فصل سلالتي الحمض النووي (الشكل 11-15). اختيار حبلا من الحمض النووي ، لتخليق الحمض النووي الريبي ، ويحدث مع مساعدة من الحمض النووي الريبي بوليميريز I ل RRNA ، والبوليميراز الثاني ل mRNA والبوليميراز الثالث للحمض النووي الريبي. وهكذا فإن الرنا المرسال (RNA) يقوم بتكوين رسالة وراثية بتسلسل أساسي تكميلي ، وينتقل إلى السيتوبلازم من خلال المسام النووية.

يتم إرفاق عدد من الريبوسومات السيتوبلازمية (التي تحتوي على الحمض النووي الريبي الريباسي والبروتينات) على سلسلة polynucleotide من الحمض الريبي النووي النقال. الريبوسومات هي المواقع التي تتشكل فيها سلاسل البروتين الببتيدية من خلال الارتباط الخطي للأحماض الأمينية المختلفة.

تسلسل الأحماض الأمينية وعددها محددان للبروتينات المختلفة ؛ يتم تحديد هذه من خلال القراءة الدقيقة للتسلسل الأساسي من mRNA في نهاية 5 to باتجاه 3 ′ end. وتشارك عشرون (20) من الأحماض الأمينية في التخليق الحيوي للبروتينات. قبل تكوين الربط الببتيد ، يتم تنشيط الأحماض الأمينية وتعلق على طرف واحد من جزيء الحمض النووي الريبي نقل محددة (الحمض النووي الريبي). يحدد التسلسل الأساسي لـ tRNA الحامل للأحماض الأمينية المنشطة التسلسل القاعدي التكميلي للحمض النووي الريبوزي mRNA ويرتبط بالأخير بواسطة روابط هيدروجينية حتى تتشكل سلسلة من البروتين الببتيد.

لذلك نشارك بنشاط مرنا ، rRNA ، الحمض الريبي النووي النقال وعدد من الانزيمات في خطوات مختلفة من الحيوي من البروتين. The complicated process of biosynthesis from the polynucleotide chain of mRNA to the polypeptide chain of protein is known as translation (Fig. 11-16). The polynucleotide chain of mRNA may be monocistronic or polycistronic.

Genetic Codes:

Since bases of DNA or RNA and amino acids of proteins are arranged in linear sequence, there must be some co-relation between nitrogenous bases and amino acids. DNA or RNA presents four (4) bases, and primary structure of proteins is composed of twenty (20) amino acids. After laborious experiments Nirenberg and Matthaei in 1961 established that a sequence of three (3) bases of mRNA (and therefore of complementary DNA) codes for one amino acid.

Since three consecutive bases are specific for one amino acid, the possible number of combinations of four bases taken three at a time would be 4 ³ or 64. Such triplet of nucleotide based is called a codon. Finally, all 64 codons are discovered specifying different amino acid. However, three codons such as UAG, UGA, and UAA do not code for any amino acid; hence these three are called nonsense or terminal codons and signal the termination of polypeptide chain.

Three unpaired bases attached to one loop of tRNA are known
as anti-codons which fit with the complementary codons of mRNA. Whereas codons are read from 5′ end to 3' end direction, anticodons are read from 3' to 5′ direction; as stated earlier, tRNA carries activated amino acid at one end of the chain.

The Genetic Code on mRNA, and the amino acids for which they code.

Codon obey some principles:

(a) Codons are non-overlapping and follow a strict sequence along the polynucleotide strand of mRNA.

(b) They are universal and applicable to all organisms.

(c) Degenerative codons — When two or more codons stand for the same amino acid, they are said to be in degenerative form. GUU, GUC, GUA, GUG code for Valine; UUU, UUC code for phenyl alanine; UUA and UUG stand for leucine. In most cases, the first two bases remain unaffected and alteration of third base produces degeneration.

(d) Ambiguous or mis-sence codon specify different amino acids. Under normal condition UUU stands for phenyl alanine, but in presence of streptomycin it may code for leucine or isoleucine.

(e) Initiation or starting codon—AUG codes for methionine and acts as a start signal in the synthesis of polypeptide chain. The sequence of amino acids in the polypeptide chain is known as the primary structure of protein.

The free amino group at one end of the chain is known as the N-terminal end, and the free carboxyl group at the other end of the chain is called the С terminal end. Each amino acid in the chain is called a residue. The N terminal residue is considered as the first number, and the C- terminal residue as the last number of the amino acid sequence.

Methionine in the initiation complex is formylated by specific enzymes so that the peptide bond does not take place at the N-terminal end. Two codons, AUG and UGG stand only for a single amino acid; AUG for methionine and UGG for tryptophan.

(f) Terminal or non-sence codon. Three codons such as UAG, UGA and UAA do not code for any amino acids. The terminal codons signify the termination of polypeptide chain.

Current concept of gene organization:

1. As mentioned earlier, a gene is a part of specific DNA molecule which regulates the synthesis of one polypeptide chain. A typical gene is composed of a strand of DNA that includes a transcription unit and a promoter region.

The transcription unit consists of several segments of exons that dictate the formation of proteins, separated by segments of introns that are not translated into proteins. A pre- mRNA is formed from the DNA, and then the introns are eliminated in the nucleus by a process of post-transcriptional splicing, so that the final mRNA which enters the cytoplasm is made up of exons only.

The promoter region lies on the 5′ end side of the transcription unit of the gene. It contains various DNA segments which precede the transcription unit from 3′ end to 5′ end side in the form of Specifier, Quantifier and Regulator segments. The base sequence of specified segment includes TATA (popularly called TATA Box), which ensures that the transcription starts a proper point. Z-DNA is a segment of promoter region, that may determine tissue-specific expression.

2. Post-translational modification. After polypeptide chain is translated through mRNA, rRNA and tRNA, the final protein product is modified by a combination of reactions that include hydroxylation, carboxylation, glycosylation or phosphorylation of amino acid residues. A larger polypeptide is converted to a smaller form by cleavage of peptide bonds; thereafter the protein is folded into its complex configuration.

A typical eukaryotic cell synthesizes about 10, 000 different proteins during its life time. Proteins synthesized by the genes may be one of three types—enzymes, structural proteins and regulatory proteins.

3. The cytogenetic analyses in hydatidiform mole, a tumour or trophoblastic, suggest that the abnormal ovum loses its own nucleus and is fertilised by two sperms. Thus the zygote contains two male pronuclei, possessing between them at least one X chromosome, In complete molar pregnancy trophoblastic membranes develop, but embryos do not appear, Genomic imprinting suggests that the maternal chromosomes regulate embryoblast development, and the paternal chromosomes regulate trophoblastic development.

Recombination:

During crossing over in meiosis, there is exchange of genetic material between homologous chromosomes. This leads to recombination or shuffling of genes. One of the two events might be observed in crossing over. The two different genes that were originally located on the same chromosome of a particular chromosome pair, might be separated from each other and thereafter are distributed to both homolgous chromosomes; or one of the two genes originally located in each homologous chromosome might be brought together on the same chromosome.

When two different genes are located on the same chromosome pair, they are said to be linked. Crossing over is more likely to occur between the genes on a particular chromosome which are far apart than the genes which are close together. One can assess the relatives distances between genes on any chromosome by determining the frequency with which crossing over takes place between these genes. Genetic distance between two loci on a particular chromosome is expressed in centimorgan (cM). Two loci are 1cM apart, if there is a 1% probability of cross over between them in meiosis. On an average 30 to 35 cross over per cell are estimated to occur during meiosis in males, and perhaps twice as many during meiosis in females.

By determining the frequency of recombination due to cross-over among the progeny, it is possible to frame a linkage map in human with the grouping of genes on particular chromosomes. (Vide supra, in gene localisation on chromosomes)

Recombination of DNA fragments can be studied experimentally by allowing fusion of cells from two different species and then placing in culture. The fused cell-hybrids contain chromosomal constitution from both species and exchange segments of DNA as they regenerate and divide. All these regeneration processes involve random exchange of DNA sequences, and eventually protein synthesis is significantly changed from the pre-fused ancestor cells.

In 1972, Jackson et al. described the biochemical methods for cutting DNA molecules from two different organisms, using restriction enzymes, and recombining the fragments to produce biologically functional hybrid DNA molecules.

Subsequently, scientists successfully inserted the genes for both chains of insulin into some strain of Escherichia Coli, and after isolation and purification, the A and В chains were joined by disulphide bonds to produce human insulin. With the discovery of 'Recombinant DNA' technology, a number of essential substances such as, human insulin, interferon, human growth hormone, calcitonin and many others are produced commercially.

Mutation:

A change of a base pair of the DNA molecule is known as the gene mutation (point mutation). Since genes are responsible for the synthesis of protein through transcription from DNA to RNA and translation from RNA to protein, the mutation may have the following diverse effects on the corresponding protein:

(a) The changed triplet codon may code for the same amino acid without any alteration of the resulting protein. About 20 to 25% of all possible single base changes belong to this type.

(b) In about 70 to 75% cases a single base mutation may code for a different amino acid and result in the synthesis of an altered protein which produces reduced or complete loss of biological activity.

(c) In about 2 to 4% cases of single base mutation, the triplet may signal the termination of a peptide chain which is unable to retain normal biological activity.

(d) On rare occasions, more than a single base in the DNA sequence may be involved in a gene mutation. As a result the level of a particular enzyme may be reduced because it is not synthesized or synthesized with reduced activity. Sometimes, a gene mutation may lead to increased synthesis of enzymes with increased activity.

(e) In some cases of genetic disorders a specific protein may be synthesized, but the protein remains functionally inactive. This happens in most cases of haemophillia.

Normally base pairing in replication or transcription takes place in keto form, where the combinations are A=T (in DNA), A=U (in RNA), G=C. But in a gene mutation base pairing occurs in enolfrom, in which combinations are A=C, G=T (in DNA), G=U (in RNA). Such unusual bair pairing is known as tautomerisation.

Mutation may be spontaneous or induced by various chemical or physical agents, eg mustard gas, radiation from X-rays, gamma rays from radium and other radio-active atoms. Mutant genes may be inherited or appear at random. One of the typical examples of a gene mutation is observed in sickle-cell anaemia, where the beta chain of adult haemoglobin containing 146 amino acids possesses Valine, instead of glutamic acid, in the 6th position.

RNA directed DNA synthesis:

It has been suggested by Temin in 1972, from the study of RNA viruses that the flow of genetic information occasionally occurs in reverse direction from RNA to DNA with the help of reverse transcriptase. Such viruses are known as retroviruses, which when introduced into the host animal cell incorporate with the specific region of strand of nuclear DNA by a process of recombination.

This forms the basis of the study of oncogenes. Certain regions of DNA in normal cells serve as templates for the synthesis of RNA and the latter in turn acts as template for the synthesis of DNA, which is subsequently incorporated with the nuclear DNA. The resultant amplification of certain regions of DNA helps in embryonic differentiation and possibly in the pathogenesis of cancer.

Types of Genes:

1. Dominant gene expresses its physical or biochemical trait, when the allelic genes are either homozygous or heterozygous for the trait. This follows Men- delian patterns of inheritance and can be observed from the pedigree record of the family. Tallness is caused by dominant gene. The genetic constitution of a tall individual may be T:T or T:t (T for tallness, t for shortness). Most of the dominant traits are expressed in heterozygote state (Fig. 11-17).

Genetic disorders caused by mutation of autosomal dominant genes possess the following characteristics:

(a) The trait is passed on from one generation to another. It has a vertical transmission. Each affected person usually has an affected parent. Sometimes the disorder may appear suddenly in one generation. This may result from a fresh mutation; or if the parent with abnormal gene died in early life before the disease could manifest, the history of parent's affection may be lacking. This is so in Huntington's chorea, where the disease is expressed in mid-adult life.

(b) When one of the parents is affected, the risk of having an affected child is 50%.

(c) Since the trait is autosomal, both sexes may be equally affected. Some autosomal genes are expressed preferentially in one sex. These are called sex- limited genes. Gout and pre-senile baldness predominantly affect the males.

(d) If the affected individual marries a normal person, half of their children will be affected.

(e) The degree of expression of abnormal trait may vary in different members of the same family. For example, in poly- dactyly some member shows a small wart-like appendage on the side of the hand, whereas other member exhibits a complete extra-finger. Sometimes a gene, when non-penetrant, may not express it at all. If a child and a grandparent have the same disease and the middle generation does not show any manifestation, the condition is said to have skipped a generation.

(f) The unaffected mambers of a family do not transmit the trait further.

2. Co-dominant genes:

When both the allelic genes are dominant but of two different types, both traits may have concurrent expression. In ABO blood groups, A gene and В gene are both dominant; when they occupy identical loci in homologus chromosomes, AB blood group is expressed (Fig. 11-18).

3. Recessive genes:

Expresses the trait only in homozygote state that means when both alleles are recessive for that trait (Fig. 11- 19). Therefore following the Mendelian principles the genetic constitution of a short individual is t:t (t for shortness).

Diseases caused by mutation of autosomal recessive genes present the following characteristics:

(a) The disease is transmitted by a couple both of whom are carriers of one abnormal gene, but are themselves healthy because the other allele is normal.

(b) The pattern of transmission appears horizontal in pedigree analysis because often siblings are affected, whereas the parents are normal.

(c) The risk of having an affected child (with the double dose of the abnormal gene) to a carrier couple is 25%. Therefore, most carrier couples, if advised properly, would not take the risk of having another affected baby unless prenatal diagnostic facilities are available for the trait.

(d) Most of the metabolic abnormalities are inherited as autosomal recessive traits. The heterozygote status of a carrier couple (having one affected child) may be detected biochemically in several inborn errors of metabolism. The enzyme levels in the heterozygotes are about 50% less than the control.

(e) Since the condition is autosomal, both sexes are likely to be affected equally.

(f) The parents of individuals affected with autosomal recessive traits are often related, since the marriages between close blood relatives (cousin marriages) are more likely to carry the same genes from a common ancestor. The rarer a recessive disease, greater is the frequency of consanguinity among the parents of affected individuals.

(g) If two persons homozygous for a recessive condition were to marry and have children, all their children would be affected. But this is not so in every case. In one family both parents were albinos (recessive disorder), but their children were normal; careful examination of the father revealed that he had a different type of albinism from his wife.

4. Carrier Gene:

Heterozygous recessive gene acts as a carrier which may be expressed in subsequent generations. When both parents are heterozygous tall (T:t), the possibilities of the height of the offspring may be such that out of four children three are tall and one short, in the proportion of 3:1. One tall child is homozygous, and the other two are heterozygous.

5. Sex-linked Genes:

The genes located on the X chromosome or Y chromosome are known as the sex- linked genes. Mutation of X-linked genes is more common, and is mostly expressed as recessive traits.

Х-linked recessive traits (Fig. 11-20):

Haemophilia, partial colour blindness, glucose- 6-phosphate dehydrogenase deficiency, Duchenne's muscular dystrophy are examples of X-linked mutant recessive genes. These traits exhibit the following characteristics:

(a) The female (XX) becomes carrier of the disease when one X chromosome contains an abnormal gene, whereas the allelic gene of other X chromosome is normal. So the females do not express the disease in heterozygous state. On the other hand, when the abnormal gene involves the non-homologous part of single X chromosome of a male (XY), the disease is expressed in that individual because the defective gene has no corresponding allele in Y chromosome to counter-act. Hence, the affected male is called hemizygous. Broadly speaking, in X linked recessive traits the females are the carriers and the males are the victims of the disease.

(b) When mother is a carrier and father is healthy, 50% of the sons are affected by the disease and the remaining 50% are normal; 50% of the daughters are carrier of the disease and the rest are free. Therefore, when a boy is haemophilic, his mother should be a carrier and 50% of his sisters are carriers of the disease. However, the healthy brother or carrier-free sister of a haemophilic individual does not transmit the disease to the next generation.

(c) When mother is a carrier and father is haemophilic, half of the sons are affected and half are healthy; half of the daughters are affected and half are carriers. This shows that females may be affected in such parental combination, but the possibility is remote because the haemophilic male usually dies early before attaining parenthood. The above combination further shows that there is no male to male transmission.

(d) If the affected males do not reproduce, the pedigree pattern of an X-linked recessive trait tends to be oblique because the trait is transmitted to the sons of carrier sisters of affected males.

(e) On rare occasions, a female may exhibit X-linked recessive trait. This can be explained as follows:

(i) She might be a Turner female (XO);

(ii) Physically female appearance is due to testicular feminisation with XY chromosomes;

(iii) Affected female may have carrier mother and affected father; or a carrier mother and a normal father with fresh mutation affecting X chromosome.

X-linked Dominant Traits:

These are observed in Vitamin D resistant rickets and Xg blood group. The characteristics of dominant traits are as follows:-

(a) An affected male transmits the disease to all his daughters, but to none of his sons.

(b) Both males and females are affected, but the disease is less severe in females.

Y-Iinked Inheritance:

This is also known as the holandric inheritance, where only males are affected. The affected male transmits the trait to all his sons, and to none of his daughters. Male to male transmission is suggestive of Y-linked inheritance.

Hairy pinna and HY histocompatibility antigen manifest holandric inheritance.

Symbols used in Pedigree Chart (Fig. 11-21):

Autosomal Dominant Inheritance (Fig. 11- 22)

Some examples of autosomal dominant traits—

أنا. Achondroplasia;

ثانيا. Osteogenesis imperfecta;

ثالثا. Brachydactyly, polydactyly, syndactyly;

د. True pophyria with port-wine urine due to porphyrins;

v. Sex limited, gout and baldness affecting predominantly pre-senile males;

السادس. Huntington's chorea, appearing at about 50 years or after;

السابع. Angioneurotic oedema;

الثامن. Familial hypercholesterolaemia;

التاسع. Diabetes insipidus;

س. Marfan's syndrome, manifested by elongated extremities, dislocation of lens of eyes and cardio-vascular abnormalities;

الحادي عشر. Nail patella syndrome, manifested by dystrophy of nails, absence of patella and nephropathy;

الثاني عشر. Multiple neurofibromatosis;

الثالث عشر. Polyposis coil.

Some examples of X-linked recessive traits-

أنا. Haemophilita-This is due to functionally defective antihaemophilic globulin.

ثانيا. Partial colour blindness-It is expressed as inability to distinguish between red and green.

ثالثا. Duchenne's muscular dystrophy.

د. Glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency-It is manifested by haemo- lytic anaemia when treated with primaquin, phenacetin, nitrofurantoin, some sulphonamides and acetyl salicylic acid.

v. Testicular feminisation.

السادس. Hunter's syndrome-It is due to deficient enzyme induronosulphate sulphatase, and is manifested by feature of Hurler's syndrome except corneal clouding.

Autosomal Recessive Inheritance (Fig. 11- 22) 23):

Some Examples of autosomal recessive traits—

(1) Inborn errors of metabolism;

أنا. Acatalasia, due to deficient enzyme catalase; it leads to oral sepsis;

ثانيا. Albinism, a complete depigmentation of ' skin due to deficiency of tyrosinase;

ثالثا. Alkaptonuria, in which affected persons excrete dark coloured urine due to the presence of homogentisic acid. It is caused by the lack of enzyme homogentisic acid oxidase;

د. Galactosaemia, due to deficiency of Galactose-I-phosphate uridyl transferase, and is manifested by vomiting and diarrhoea as a result of intolerance to galactose; this is followed by mental retardation, cataracts and cirrhosis of liver;

v. Hurler's syndrome, caused by deficient enzyme iduronidase, and manifested by mental retardation, skeletal abnormalities, hepatosplenomegaly and corneal clouding.

السادس. Phenylketonuria, due to lack of phenylalanine hydroxylase and manifested by mental retardation, fairy skin and epilepsy;

السابع. Tay-sachs disease, due to lack of hexosaminidase, and manifested by mental retardation, blindness and neurological abnormalities.

(2) Haemoglobinopathies:

أنا. In sickle-cell anemia, beta chain contains valine in the 6th position, instead of glutamic acid. Heterozygous sickle cell-traits are more resistant to the attacks of malaria.

ثانيا. Thalassemia major is expressed in homozygotes, and thalassemia minor in heterozygotes.

(3) Immunoglobinopathies:

أنا. Some of the immunological disorders may be due to autosomal recessive traits.

X-linked Recessive Inheritance (Fig. 11-24):

Genetic Factors in Some Common Diseases:

السكرى:

Early onset diabetes (juvenile-IDDM) is more genetically predisposed than late onset diabetes. Some investigators suggest that is possesses autosomal recessive inheritance, while others believe that is has multifactorial inheritance. In genetically predisposed individuals, prediabetics are recognised by raised serum level of islet-cell antibodies.

ارتفاع ضغط الدم الأساسي:

There are two schools on the modes of inheritance; one school suggests that it possesses multifactorial inheritance, whereas other school believes that it is due to mutation of single dominant gene.

Ischaemic heart diseases:

Early onset ischaemic heart disease is due to familial hyper- cholesterolaemia which is inherited as an autosomal dominant trait. In the majority of the affected individuals the condition is multifactorial with a heritability of about 65%.

Peptic ulcer:

Duodenal ulcer is more frequent in individuals with О group of blood and in non-secretors of ABO substance. Forty per cent of the peptic ulcers possesses hereditary predisposition.

Schizophrenia:

It is inherited on a multifatorial basis with a heritability of about 85%. Some believes that it is inherited as autosomal dominant traits.

Some Terminology used in Genetics

(1) Genome:

The genome indicates the full set of genes, haploid in the gametes and diploid in the somatic cells of an individual.

(2) Genotype:

It means the genetic constitution of an individual which is fixed at the time of fertilization. The genotype of a tall individual may be T:T (homozygous) or T:t (heterozygous) which may be assessed by pedigree analysis.

(3) Phenotype:

It means physical or biochemical expression of the genotype. Phenotype is potentially variable and is the result of interaction between the genotype and the environment in which the individual develops and grows. It may so happen that an individual with T:T genotype is short in height. This is presumably due to some endocrinal or nutritional disorders which suppress the action of genotype.

(4) Phenocopy:

Sometimes a change in the environment produces a new phenotype, which closely resembles the appearance causes by a specific genotype. Such form of phenotype is known as phenocopy.

Jumping Genes or Transposons:

These are groups of genetic elements that really can move from place to place and by doing so modify or suppress the function of target genetic region. The jumping genes include pseudogenes, the retroviruses and oncogenes, and possess DNA sequences that jump. Each jumping gene has a short, similar, terminal repeat of bases at either end.

Each has the property of recognition of a specific sequence on the target DNA and generates a direct repeat of the same. Coming to the target sequence, the movable genes produce asymmetrical breaks on the opposite strands of the DNA duplex and then are integrated in the target site.

The transposons control mutation and recombination, and may be responsible for amplification of genes. The functional status of the jumping genes is still inconclusive.

Genetic Counselling:

Whenever an individual or a couple with genetic disorder seeks advice, the genetic counsellor is confronted with three problems;

(a) To establish the precise diagnosis (genetical or environmental) by clinical examination and laboratory investigations;

(b) To discuss the prognosis and value of any possible treatments;

Chromosomal studies and karyotypes are indicated in the following conditions;

(i) In infants with congenital anomalies involving more than one system;

(ii) In abnormal sexual development;

(iii) Infertility, recurrent abortions etc.

When chromosomal defects (numerical or structural) are detected with abnormal phenotypes, treatment, if any, is symtomatic and not curative.

Discussion about the Risk of Recurrence in a Family:

(1) If both parents have normal chromosomes, although the child is affected by chromosomal abnormality (say, Trisomy 21-Mongol), the parents may be assured that the chances of recurrence of the same condition affecting future children are less, because the cause of this abnormality is non-disjunction in gametogenesis particularly involving elderly mother, and the phenomenon is mostly accidental.

If, however, the karyotype of Mongol baby shows translocation between G and D chromosomes (46) and the karyotype of the healthy mother shows balanced translocated chromosomes, the parents should be informed that similar Mongol baby might develop more frequently in subsequent pregnancies.

(2) In affected person with heterozygous autosomal dominant gene (say, Achondroplasia), the risk of recurrence among the offspring is 1 in 2 (50%), provided the dominant gene is fully penetrant.

(3) In autosomal recessive disorders, when both parents are healthy with heterozygous recessive gene for the same trait, chance of recurrence (say, phenylketonuria) among the offspring is 1 to 4. All of us are carrying about 3 to 8 detrimental recessive genes, but chance of expression of autosomal recessive disorder is rare, except in consanguinous marriages. When a phenylketonuric father gets married to his first cousin, the chance of the affected child is about 1 in 12, whereas in marriage with unrelated person the chance is about 1 in 10, 000.

(4) In sex-linked recessive disorder (say, haemophilia) when a boy is affected, his healthy mother should be a carrier and 50% of his sister are carrier of the disease. The carrier detection is a important task of the genetic counsellor. When an X-linked affected male (say, partial colour blindness) begets children, all daughters are carriers and all sons are normal.

(5) Sometimes individual seeks advice whether he will be affected by diabetes mellitus, since both of his parents are suffering from diabetes (autosomal recessive disorder.)

In such event, apart from blood glucose analysis of the individual, the anti-islet cells antibody titre of his serum will provide information whether he is pre-diabetic. He is then advised to follow dietary restriction.