ژن چیست و چرا اهمیت دارد؟
نویسنده: بریان وهو
بازبینی‌شده توسط: دکتر سوزان فالک، عضو کالج پزشکان آمریکایی
تمام موجودات زنده دارای ژن هستند. ژن‌ها در سراسر بدن وجود دارند، آنها مجموعه‌ای از دستورالعملها هستند که تعیین می‌کنند موجودات زنده چگونه باشند، چگونه ظاهری داشته باشند، چگونه زنده بمانند و چگونه در محیط خودشان رفتار کنند.
ژن‌ها از ماده‌ای به نام اسید دی اُکسی ریبونوکلئیک، یا DNA ساخته شده‌اند. آنها دستورالعمل‌هایی برای زنده ماندن مولکول‌هایی که پروتئین‌ها نام دارند می‌دهند.
متخصص ژنتیک کسی است که ژن‌ها را و اینکه چگونه می‌توان آنها را هدفی برای بهبود جنبه‌های زندگی قرار داد مطالعه می‌کند. مهندسی ژنتیک می‌تواند مزایای متعددی را برای افراد فراهم کند، برای نمونه، افزایش بهره‌وری از گیاهان خوراکی و جلوگیری از بیماری‌ها در انسان‌ها.
ژن چیست؟
ژن‌ها بخشی از DNA هستند که مسئولیت عملکردهای متفاوتی مثل ساختن پروتئین‌ها را بر عهده دارند. رشته‌های بلند DNA همراه با تعداد زیادی ژن، کروموزوم‌ها را تشیل می‌دهند. مولکول‌های DNA در کروموزوم‌ها یافت می‌شوند و کروموزوم‌ها درون هسته‌های سلول‌ها قرار دارند.
هر کروموزوم یک تک مولکول خطی DNA است. این DNA حاوی اطلاعات ژنتیکی است.
کروموزوم‌ها یک ساختار منحصربه‌فرد دارند که به حفظ اتصال محکم DNA اطراف پروتئین‌هایی که هیستون‌ها نامیده می‌شوند کمک می‌کنند. اگر مولکول‌های DNA به وسیلۀ هیستون‌ها مهار نشوند، ممکن است سازگارشدن آنها در درون سلول بسیار زمان ببرد.
ژن‌ها در پیچیدگی‌های گوناگونی دارند. در انسان، در دامنۀ کمتر از صد باز DNA تا بیشتر از دو میلیون باز متغیر هستند.
موجوادت زندۀ گوناگون در شکل و تعداد کروموزوم‌ها با یکدیگر متفاوت هستند. انسان‌ها ۲۳ جفت کروموزوم دارند که در کل ۴۶ کروموزوم می‌شود. یک الاغ ۳۱ جفت، یک جوجه‌تیغی ۴۴ جفت و یک مگس ۴ جفت کروموزوم دارد.
در واقع، DNA شامل دستورالعمل‌های بیولوژیکی است که هر گونۀ زنده را منحصربه‌فرد می‌سازد.
و همچنین DNA از طریق تولید مثل از ارگانیسم‌های بالغ به زادو ولدهای آنها منتقل می‌شود. بلوک‌های سازه‌های DNA نوکلئوتیدها نامیده می‌شوند. نوکلئوتیدها از سه بخش تشکیل می‌شوند: یک گروه فسفاتی، یک گروه قندی و یکی از انواع چهارگانۀ بازهای نیتروژن.
ژن‌ها از چه چیزی ساخته شده‌اند؟
یک ژن شامل یک ترکیب متوالی از چهار باز نوکلئوتیدی یا مواد شیمیایی گوناگون می‌شود. ترکیب‌های امکان‌پذیر بسیاری وجود دارند.
چهار گونه نوکلئوتیدها عبارتند از:
• A (آدنین)
• C (سیتوزین)
• G (گوانین)
• T (تیمین)
ترکیب‌های گوناگون حروف ACGT در افراد، شخصیت‌های متفاوتی به آنها می‌دهد. برای مثال، یک فرد با ترکیب ATCGTT ممکن است چشم‌های آبی داشته باشد، در صورتی که فرد دیگری به ترکیب ATCGCT ممکن است چشم‌های قهوه‌ای داشته باشد.
مرور جزئیات بیشتر:
ژن‌ها حامل کدهای ACGT هستند. هر فرد هزاران ژن دارد. آنها شبیه یک برنامۀ کامپیوتری هستند و از افراد چیزی می‌سازند که هستند.
یک ژن، یک بخش کوچک از یک مولکول مارپیچ دوگانۀ DNA طویل است که شامل دنبالۀ خطی جفت باز می‌شود. یک ژن، هر بخشی در امتداد DNA، همراه با دستورالعمل‌های رمزگذاری‌شده می‌باشد که به یک سلول اجازه می‌دهد یک محصول خاص را تولید کند – معمولاً یک پروتئین، مثل یک آنزیم – که موجب حرکتی دقیق می‌شود.
در واقع، DNAیک مادۀ شیمیایی است که به شکل رشته‌هایی ظاهر می‌شود. هر سلول در بدن انسان DNA یکسانی دارد، اما هر DNA هر فرد با فرد دیگری متفاوت است. به همین دلیل هر فرد خصوصیات منحصر به خود را دارد.
همچنین، DNA از دو جفت رشتۀ بلند تشکیل شده است که در درون یک مارپیچ دوگانۀ مشخص پیچیده شده‌اند. هر رشته حاوی میلیون‌ها بلوک سازۀ شیمیایی هستند که بازها نامیده می‌شوند.
عملکرد
عمدتاً این ژن‌ها هستند که تمام تصمیمات را دربارۀ زیست موجودات می‌گیرند. یک یا چند ژن می‌تواند بر خصیصۀ انواع موجودات زنده اثر بگذارند. ژن‌ها ممکن است با محیط فرد تعامل برقرار کنند و بدین طریق آنچه توسط ژن ساخته می‌شود تغییر یابد.
ژن‌ها صدها عامل داخلی و خارجی را تحت تأثیر قرار می‌دهند، مثلاً اینکه رنگ چشم‌های یک شخص چه باشد یا احتمال ابتلا به چه نوع بیماری‌هایی داشته باشد.
برخی بیماری‌ها مثل کم خونی داسی شکل و بیماری هانتینگتون موروثی هستند و همچنین تحت تأثیر ژن‌ها هستند.
ژن‌ها از کجا می‌آیند؟
یک ژن یک واحد بنیانی موروثی در یک ارگانیسم زنده است. ژن‌ها از والدین ما به ما منتقل می‌شوند. ممکن است خصیصه‌های فیزیکی‌مان و احتمال ابتلا به بیماری‌های خاص و وضعیت خاصی را از طرف یک والد به ارث ببریم.
ژن‌ها حاوی اطلاعات مورد نیاز برای ساخت و نگهداریِ سلول‌ها و انتقال اطلاعات ژنتیکی به زاد و ولدها می‌باشند.
هر سلول شامل دو مجموعه کروموزوم می‌شود: یک مجموعه از طرف مادر و مجموعۀ دیگر از طرف پدر می‌آید. یک اسپرم مرد و یک تخمک زن هر کدام یک مجموعۀ ۲۳ کروموزومی را در خود دارند و هر کدام از این دو مجموعه شامل ۲۲ کروموزوم غیرجنسی به علاوه یک کروموزوم جنسی X یا Y.
یک زن کروموزوم X را هر کدام از والدین (از پدر یا مادر) به ارث می‌برد و یک مرد یک کروموزوم X از مادر و یک کروموزوم Y از پدر به ارث می‌برد.
طرح ترکیب ژنتیکی (ژنوم) انسانی
طرح ژنوم انسانی (HGP) یک پروژۀ علمی تحقیقاتی عظیم است. این طرح بزرگ‌ترین فعالیت تحقیقاتی است که تا کنون در علم مدرن انجام شده است.
هدف این پروزه تعیین رشتۀ جفت‌های مواد شیمیایی است که DNA انسان را می‌سازند و این کار به منظور مشخص کردن و نقشه‌برداری از تعداد ۲۰۰۰۰ تا ۲۵۰۰۰ یا بیشتر ژن‌هایی است که ژنوم انسانی را می‌سازند.
این پروژه در سال ۱۹۹۰ توسط گروهی از محققان بین‌المللی، مؤسسۀ ملّی بهداشت ایالات متحده (NIH) و همچنین وزارت نیروی ایالات متحده آمریکا آغاز شد.
هدف این بود که سه میلیارد حرف، یا جفتِ بازی در ژنوم انسانی که مجموعۀ کاملی از DNA را در بدن انسان می‌سازد مورد بررسی قرار دهند.
با انجام این کار دانشمندان امیدوار بودند که ابزارهای قدرتمندی در اختیار پژوهشگران قرار بدهند، در واقع نه فقط با فهم عوامل ژنتیکی در بیماری‌های انسانی بلکه با این تحقیقات درهایی به روی راهبردهای جدید در زمینه‌های تشخیص، درمان و پیشگیری گشوده شود.
پروژۀ ژنوم انسانی در سال ۲۰۰۳ تکمیل شد وتمام اطلاعات به‌دست‌آمده از این تحقیقات به شکل آزاد در اینترنت قابل دسترسی است. علاوه بر انسان، پروژۀ ژنوم انسانی موجودات زندۀ دیگری را، از جمله حیوانات، مثل مگس و باکتری ایی کولای نیز بررسی کرد.
بیش از سه میلیارد ترکیبات نوکلئوتیدی، یا ترکیبات ACGT در ژنوم انسانی یافت شده است، یا مجموعه‌ای از ویژگی‌های ژنتیکی وجود دارد که می‌تواند ساختار بدن انسان را تشکیل دهد.
نقشه‌برداری از ژنوم انسانی به دانشمندان کمک کرد تا به سمت کشف درمان‌های مؤثرتری برای صدها بیماری پیش بروند.
پروژۀ ژنوم انسانی منجر به کشف بیش از ۱۸۰۰ نوع ژن بیماری‌زا شده است. این کشف باعث شده است که پژوهشگران بتوانند در عرض چند روز ژنی که مشکوک به علّت بیماری ارثی است را راحت‌تر از قبل شناسایی کنند. پیش از این تحقیق، یافتن ژن بیماری‌زا ممکن بود سال‌ها زمان ببرد.
آزمایش ژنتیک
آزمایش ژنتیک می‌تواند نشان دهد که آیا یک فرد خطر ژنتیکی برای بیماری‌های خاص دارد یا خیر. این نتایج می‌تواند شرایط تشخیص را بهبود بخشد.
انتظار می‌رود که پروژۀ ژنوم انسانی پیشرفت در پزشکی سرعت ببخشد اما هنوز چیزهای بسیاری برای یادگرفتن وجود دارد، به خصوص اینکه چگونه ژن‌ها رفتار می‌کنند و چگونه می‌توانند در درمان مورد استفاده قرار بگیرند. در حال حاضر دست کم ۳۵۰ نوع محصول مبتنی بر بیوتکنولوژی در آزمایشات بالینی در دسترس هستند.
در سال ۲۰۰۵، در پروژۀ بین‌المللی HapMapیک کاتالوگ در مورد تنوع ژنتیکی عمومی یا هاپلوتایپ‌ها (ترکیبی از ژن‌های هم‌ردیف در مکان‌های مختلف) در ژنوم انسانی ساخته شد. این کاتالوگ حاوی اطلاعاتی بود که سرعت جستجوی ژن‌هایی که در معرض یا دچار بیماری‌های متداول انسانی بودند را بالا می‌برد.
اکتشافات اخیر: اپی ژنوم، تعیین ژن و ژن درمانی
در سال‌های اخیر، ژن‌شناسان اطلاعات جدیدی در مورد ژنتیک قابل توارث که در ژنوم قابل انتقال هستند را در اپی ژنوم epigenome که یک گروه از ترکیبات شیمیایی است که می‌تواند بگوید ژنوم چه کار می‌کند، کشف کردند.
در بدن، DNA حامل دستورالعمل‌هایی برای ساخت پروتئین است و این پروتئین‌ها مسئول تعداد عملکردهای درون یک سلول هستند.
اپی ژنوم از ترکیبات شیمیایی و پروتئین‌هایی ساخته شده است که می‌توانند به DNA متصل شوند و عملکردهای مختلفی را انجام دهند. این عملکردها شامل فعال و غیرفعال کردن ژن‌ها می‌شوند. این می‌تواند تولید پروتئین در سلول‌های خاص را کنترل کند.
این ژن‌های کلیدی یا سوئیچ‌ها می‌توانند در زمان‌های متفاوت و در برای مدت‌زمان متفاوت ژن‌ها را فعال و غیرفعال کنند.
اخیراً دانشمندان سوئیچ‌های ژنتیکی کشف کرده‌اند که باعث افزایش طول عمر تقویت سازگاری در کِرم‌ها می‌شوند. دانشمندان معتقدند که این کشف می‌تواند با افزایش طول عمر در پستانداران نیز مرتبط باشد.
این سوئیچ‌های ژنتیکی کشف‌شده توسط دانشمندان شامل آنزیم‌هایی می‌شوند که پس از استرس خفیف در مدت کوتاهی باعث افزایش تعداد آن آنزیم‌ها می‌شوند.
افزایش در شمار آنزیم‌ها تا جایی ادامه دارد که بر عملکرد ژن‌ها در طول حیات حیوان تأثیر می‌گذارد.
این امر می‌تواند منجر به دست‌یابی به هدف توسعۀ داروهایی شود که می‌توانند این سوئیچ‌ها را فعال کنند تا عملکرد متابولیکی بدن انسان بهبود یابد و طول عمر افزایش یابد.
علامت‌گذاری و تعیین ژن
وقتی ترکیب‌های اپی ژنوم در سلول به DNA متصل می‌شوند و عملکرد آن را تعدیل و اصلاح می‌کنند، گفته می‌شود که آنها ژنوم را علامت‌دار کرده‌اند.
ژنوم علامت‌دار نتیجۀ کار DNA را تغییر نمی‌دهد بلکه شیوۀ استفادۀ سلول‌ها از دستوالعمل‌های DNA را تغییر می‌دهد.
ژنوم علامت‌دار می‌تواند از یک سلول به سلول دیگر، در حالی که تقسیم می‌شوند، منتقل شود و حتی آنها می‌توانند از یک نسل به نسل بعد نیز منتقل شوند.
این سلول‌های مخصوص می‌توانند بسیاری از عملکردهای بدن را کنترل کنند. برای نمونه، سلول‌های خاص در گلبول‌های قرمز خون پروتئین‌هایی را می‌سازند که مسئول رساندن اکسیژن از هوا به تمام نقاط بدن هستند. اپی ژنوم بسیاری از این تغییرات را در درون ژنوم کنترل می‌کند.
همانطور که سلول‌های مخصوص و اپی ژنوم طول عمر انسان را تغییر می‌دهند، برچسب‌های شیمیایی روی DNA و هیستون‌ها می‌توانند دوباره منظم بشوند و چیدمان تازه‌ای داشته باشند.
سبک زندگی و عوامل محیطی مثل سیگار کشیدن، رژیم غذایی و بیماری‌های عفونی می‌توانند در اپی ژنوم تغییراتی را به وجود آورند. آنها می‌توانند یک فرد را در معرض فشارهایی قرار دهند که واکنش‌های شیمیایی در او سریعا انجام شود.
این واکنش‌ها می‌تواند منجر به تغییرات مستقیم در اپی ژنوم شود و برخی از این تغییرات می‌تواند آسیب‌زا باشد. برخی از بیماری‌های انسانی به علّت اختلالات و کژکارکردی در پروتئین‌هایی است که مربوط به مهارت‌های خواندن و نوشتن می‌شوند.
برخی از این تغییرات نیز مربوط به ابتلا به بیماری است.
سرطان می‌تواند ناشی از تغییرات در ژنوم یا در اپی‌ژنوم و یا در هر دو باشد. تغییرات در اپی ژنوم می‌تواند ژن‌های دخیل در رشد سلول‌ها و ژن‌های مربوط به واکنش ایمنی را فعال یا غیرفعال کنند. این تغییرات می‌تواند باعث رشد غیرقابل کنترل که یکی از خصوصیت‌های سرطان است بشود و یا منجر به عدم موفقیت سیستم ایمنی بدن در تخریب تومورها شود.
پژوهشگران در شبکۀ اطلس ژنوم سرطان (TCGA) ژنوم‌ها و اپی ژنوم‌های سلول‌های نرمال را با سلول‌های سرطانی مقایسه می‌کنند، و امیدوارند که فهرستی کامل و متداول از تغییرات اپی ژنومی که ممکن است به سرطان منجر شود را گردآوری و تألیف کنند.
پژوهشگران اپی ژنومیک بر روی ترسیم آماری مکان و عملکرد تمام برچسب‌های شیمیایی که نشانگر ژنوم هستند تمرکز دارند. این اطلاعات ممکن است به فهم بهتر بدن انسانی و کسب دانش در راستای شیوه‌های بهبود سلامت انسانی منتهی شود.
ژن درمانی
در ژن درمانی، به منظور درمان بیماری ژن‌ها در درون سلول‌ها و بافت‌های بیمار قرار داده می‌شوند. ژن درمانی برای درمان یا پیشگیری از بیماری از بخش‌های DNA استفاده می‌کند. این علم هنوز در مراحل ابتدایی است اما تاکنون موفقیت‌هایی نیز به دست آورده است.
برای نمونه، در سال ۲۰۱۶، دانشمندان گزارش دادند که با استفاده از ژن درمانی بینایی سه بیمار بزرگسال که مبتلا به کوررنگیِ مادرزادی بودند را بهبود بخشیده‌اند.
در اسل ۲۰۱۷، یک متخصص غدد تناسلی (نوزایشی)، به نام جان ژنگ همراه با گروه تحقیقاتی‌اش در مرکز امید تازه باروری در نیویورک از تکنیکی به نام درمان جایگزین میتوکندری به شیوه‌ای انقلابی استفاده کرد.
آنها تولد یک نوزاد مبتلا به نقص ژنتیکی کُشنده را به مادر اطلاع دادند. این دانشمندان DNA دو زن و یک مرد را برای از بین بردن این نقص ژنتیکی با هم ترکیب کردند.
نتیجه یک نوزاد پسر سالم با سه والد ژنتیکی بود. این نوع پژوهش‌ها هنوز در مراحل ابتدایی هستند و همچنین بسیار ناشناخته هستند، اما نتایج امیدوارکننده‌اند.
دانشمندان در جستجوی راه‌های مختلف درمان سرطان با استفاده از ژن درمانی هستند. ژن درمانی تجربی می‌تواند از سلول‌های خون خود بیمار برای نابود کردن سلول‌های سرطانی استفاده کند. در یک مطالعه، ۸۲ درصد از بیماران در طول درمان دست کم نیمی از سرطان را از بین برده‌اند.
آزمایش ژن برای پیش‌بینی سرطان
یکی دیگر از کاربردهای اطلاعات ژنتیکی، کمک به پیش‌بینی برخی از بیماری‌ها است، مثلاً چه کسی احتمال ابتلا به آلزایمر زودرس یا سرطان پستان دارد. زنان می‌توانند آزمایش بدهند تا مطلع شوند که آیا این ژن را دارند یا خیر.
زنانی که ژن BRCA1 را دارند با احتمال بیشتری به سرطان پستان مبتلا خواهند شد. ژن BRCA1 تا پنجاه درصد شانس انتقال غیرمتعارف به هر یک از فرزندان را دارد.
آزمایش‌های ژنتیکی برای درمان‌های شخصی
دانشمندان می‌گویند روزی ما قادر خواهیم بود یک بیمار را آزمایش کنیم تا بفهمیم، بسته به ترکیب ژنتیکی بیمار، کدام دارو برای او مناسب است. برخی داروها روی برخی از بیماران خوب عمل می‌کند اما روی برخی دیگر خیر. ژن درمانی علمی در حال رشد است، اما در زمان حاضر ممکن است به یک درمان پایدار و مداوم در علم پزشکی تبدیل شود.
منبع: Medical News Today