Replication(همانند سازی):
وقتی سلول می خواهد تقسیم شود، پیام هایی در سلول تولید و منتشر می شوند. این پیام ها فاکتور های خاصی هستند که در سطح DNA حرکت میکنند. سکانس های خاصی بنام سکانس های آغاز گر همانند سازی(origin of replication یا OR) بر روی ژنوم وجود دارند که فاکتور های تولید شده جهت همانند سازی به این سکانس ها متصل می شوند. این اتصال باعث شکسته شدن پیوند های هیدروژنی می شوند و یک حباب در ملکول DNA به نام چنگال همانند سازی ایجاد می شود. یکسری از آنزیم ها مثل DNAپلیمراز در محل چنگال همانند سازی مستقر شده و عمل همانند سازی را انجام می دهند. سکانس های آغازگر همانند سازی (or) در حدود هر ۱۵۰kilobases قرار گرفته اند که به طور همزمان در همه این سکانس ها همانند سازی آغاز می شود و از دو طرف پیش می رود تا اکثریت طول DNA همانند سازی شود. اما در یوکاریوت ها مشکلی در همانند سازی انتها های DNA ها وجود دارد. در هر دو انتهای هر DNA ساختاری به نام تلومر وجود دارد. تلومر ها فقط در یوکاریوت ها و DNA های خطی وجود دارند و عبارتند از یک توالی هگزامر تکراری یعنی یک رشته شش نوکلئوتیدی که به مقدار زیادی تکرار شده است. توالی این شش نوکلئوتیدی TTAGGG است. این ساختار شش نوکلئوتیدی در سمت سر ‘۳ هر کدام از single strand های DNA قرار گرفته و به میزان بسیار زیادی هم تکرار شده است. چون در هر یک از دو انتهای DNA تک رشته ای می شود (تلومر ساختار single strand دارد و فقط در انتهای ‘۳ هر رشته DNA وجود دارد) همانند سازی این قسمت نمی تواند مثل همانند سازی قسمت های دیگر DNA اجرا بشود. چون یکی از خصوصیات لازم برای ماشین همانند سازی double strand بودن ملکول است. پس این ماشین همانند سازی بیش از %۹۹ طول هر ملکول DNA را به شکل عادی همانند سازی می کند و وقتی به دو انتها می رسد همانند سازی متوقف می شود. یک درصد باقی مانده را آنزیمی به نام تلومراز همانند سازی می کند.
سلول های بدن انسان دو نوع هستند: ۱-سلول های بنیادی یا stem cell 2-سلول های سوماتیک
سلول های بنیادی ۴ نوع هستند:
۱-totipotent cell(سلول همه توان):
وقتی دو گامت نر و ماده با هم لقاح می کنند، سلول تخم تشکیل می شود که اولین سلول بنیادی است و سلول همه توان نامیده می شود و قویترین نوع سلول بنیادی می باشد. سلول تخم این توان را تا زمان تبدیل شدن به مورولا حفظ می کند یعنی از زمانی که سلول تخم ایجاد می شود و بعد شروع به تقسیم می کند تا قبل از تبدیل شدن به بلاستوسیت و ایجاد inner cell mass همه سلول های این مجموعه تا زمان مورولا، همه توان هستند.
۲-سلول های پر توان(pluripotent cells):
وقتی که مورولا تبدیل به بلاستوسیت شد و inner cell mass ایجاد شد به سلول های این مجموعه سلول های پر توان می گویند. این سلول ها سه لایه سلولی را ایجاد می کنند که از این سه لایه بافت ها و اندام های مختلف تشکیل می شود.
۳-سلول های چند توان(multipotent):
در بافت های مختلف همچنان سلول های بنیادی را تحت عنوان سلول های چند توان داریم. این سلول ها می توانند به چند نوع رده سلولی تقسیم شوند. مثلا سلول های بنیادی مغز استخوان که می توانند به RBC، WBC و پلاکت تبدیل شوند.
۴- سلول های تک توان(unipotent):
سلول های بنیادی بافتی هستند. در تمام ۲۰۰ نوع باف انسان سلول های تک توان وجود دارند. پس ۲۰۰ نوع سلول تک توان هم وجود دارد. مثلا در پوست، کبد، عضله و… نام دیگر این سلول ها سلول بنیادی بالغین(adult stem cell) یا سلول بنیادی بافت(tissue stem cells) می باشد.
تفاوت اصلی از دید سلولی بین هر نوع سلول بنیادی و سلول سوماتیک این است که سلول های بنیادی دو نوع تقسیم انجام می دهند:
۱-تقسیم سیمتریک: تقسیمی که در آن سلول های بنیادی، سلول های مشابه خودشان را تولید می کنند.
۲-تقسیم آسیمتریک: تقسیمی که در آن سلول های بنیادی تمایز می یابند و به سلول های تمایز یافته سوماتیک تبدیل می شوند.
اما سلول سوماتیک فقط تقسیم سیمیتریک انجام می دهد.
تفاوت دیگر سلول های بنیادی و سلول های سوماتیک این است که در سلول های بنیادی آنزیم تلومراز فعال است یعنی هر چقدر همانند سازی انجام می شود، آنزیم تلومراز قسمت تلومر را همانند سازی می کند و در نتیجه طول DNA همیشه ثابت می ماند.
طول تلومر بسیار زیاد است و می تواند حاوی هزاران توالی TTAGGG باشد. این توالی single strand به صورت فنر مانند پیچ می خورد و توالی های TTA در قسمت پایین این فنر قرار می گیرند و قسمت GGG کنار هم قرار می گیرند. گوانین با گوانین های اطرافش اتصالاتی به نام G-quarter(اتصالات چهارگانه گوانین) را برقرار می کند. یعنی یک گوانین با سه تا از گوانین های رشته مجاورش پیوند هیدروژنی برقرار می کند و این اتصالات چهارگانه را ایجاد می کند. این اتصالات جزو محکم ترین اتصالات موجود بین نوکلئوتید ها می باشد. این اتصالات باعث استحکام انتهای کرومزوم ها می شود و در نتیجه دو انتهای کرومزوم با تلومر قفل شده. این استحکام باعث می شود که DNA از تخریب توسط انواع نوکلئاز ها(exonuclease or endonuclease) در امان بماند و کرومزوم سالم بماند.
عمده تقسیم هایی که در بدن اتفاق می افتد تقسیمات حاصل از سلول های سوماتیک است و هرچه سن انسان افزایش می یابد، تعداد این تقسیمات بیشتر می شود. مثلا در قلب، %۹۹ سلول ها سوماتیک هستند و این سلول ها برای حفظ حجم قلب باید تقسیم شوند. پس تقسیم سلول های سوماتیک دائما در حال انجام است. در تقسیم سلول های سوماتیک همانند سازی DNA تا نزدیک تلومر انجام می شود. همچنین قسمتی از تلومر که ممکن است دو رشته ای باشد هم توسط DNA پلیمراز همانند سازی می شود ولی قسمت single strand تلومر همانند سازی نمی شود و همانند سازی در همان قسمت پایان می یابد. این تقسیم اول است.
در تقسیم دوم ماشین همانند سازی تا نزدیک انتهای DNA همانند سازی می کند(ماشین همانند سازی هیچگاه تا انتهای DNA همانند سازی نمی کند) و در آنجا متوقف می شود. این تقسیمات همینطور ادامه می یابند و در طی هر تقسیم طول کرومزوم ها کاهش می یابد. هر چه تعداد تقسیمات بیشتر باشد طول کرومزوم ها بیشتر کاهش می یابد. این حالت را می توان به صورت عینی تجربه کرد. برای این کار می توان از یک نوزاد و یک فرد مسن کاریوتایپ تهیه کرد. در کاریوتایپ نوزاد کرومزوم ها معمولی و تیپیک هستند ولی در فرد مسن بعضی از کرومزوم ها مثل ۲۱ و ۲۲ محو شده اند و باقی کرومزوم ها نیز بشدت تغییر شکل پیدا کرده اند و استحکام و مورفولوژی لازم را ندارند.
پیامد این اتفاق این است که یکی از عوامل انواع بیماری ها در بزرگسالی همین تغییر و تهدید کرومزوم ها در پی تکثیر های سلولی است. چون اکثر بیماری ها همراه با افزایش سن و در سنین بزرگسالی به سراغ انسان می آید. یکی از دلایل این بیماری ها همین موضوع است. سلول ها در سنین بزرگسالی بیشتر تقسیم شده اند پس کروموزوم ها کوچکتر شده است، خیلی از ژن ها آسیب پذیر تر شده اند و همچنین در ژنهایی جهش ایجاد شده و حاصل اتفاقات بیماری هایی است که در بزرگسالی به سراغ انسان می آید.
راه دیگری که برای مشاهده حالات کرومزوم در سلول های بنیادی و سلول های سوماتیک وجود دارد این است که ما می توانیم آنها را در آزمایشگاه کشت دهیم. مثلا می توانیم یک رده از سلول های بنیادی را در محیط کشت، کشت دهیم. سلول های بنیادی بطور پیوسته تکثیر می یابند و هر روز به تعدادشان افزوده می شود. اگر یک سلول بنیادی را از روز اول و یک سلول بنیادی را از روز چهارم (یعنی یک سلول از نسل اول و یک سلول از نسل n ام) خواهیم دید که هر دو سلول مورفولوژِی یکسان و سالمی دارند و اجزای هر دو سلول درست در سر جای خود قرار دارند. نمی توان تشخیص داد که کدام سلول نسل اول و کدام سلول نسل n ام است. این خصوصیات سلول های بنیادی است. ولی اگر مثلا یک سواپ از سلول های بزاقی دهان خود تهیه کنیم، اولا این سلول ها در محیط کشت تقسیم نمی شوند ولی در طولانی مدت تقسیم می شوند. وقتی یک سلول نسل اول و یک سلول نسل n ام را مقایسه می کنیم، به راحتی می توان فهمید که کدام سلول نسل اول و کدام نسل n ام است. وقتی سلول جوان را مورد بررسی قرار می دهیم می بینیم که مورفولوژی آن کامل است، هسته سلول سالم است، اندامک های سلولی وجود دارند و غشائ سلول سالم است. ولی وقتی سلول نسل n ام را مورد بررسی قرار می دهیم می بینیم که هسته سلول بهم خورده و میکرونوکلئوس ها مشاهده می شوند. یعنی هسته سلول تقسیم شده و هسته های مختلف دیده می شوند. بطور کلی مورفولوژی سلول در نسل n ام بهم خورده است. به این پدیده پیری سلول یا aging می گویند. در نتیجه یکی از ارتباطات تلومر در سلول با پیری سلول است. آنزیم تلومراز در سلول های بنیادی فعال است و یک آنزیم مفید برای این نوع سلول هاست. در سلول های سوماتیک این آتنزیم غیر فعال است. اگر سرطان اتفاق بیفتد (یعنی سلول ها توان تقسیم نا محدود پیدا کنند یا به عبارتی پدیده immortalization یا نامیرایی اتفاق بیفتد که در این حالت سلول ها می توانند آپوپتوز را سرکوب کرده و تقسیم شوند) در این صورت در سلول های سوماتیک تلومراز دوباره فعال می شود. سوالی که در اینجا مطرح می شود این است که چه فرقی بین سلول های بنیادی و سلول های سرطانی هست چون در هردو تلومراز فعال است ولی سلول سوماتیک که تلومراز در آن فعال شده آن سلول سرطانی شده؟
در مورد تلومر و تلومراز دو چالش وجود دارد که هنوز برایشان پاسخی پیدا نشده: ۱-پیری که مسئله مهمی است و اگر بتوان راحلی برای جلوگیری آن پیدا کرد کشف مهمی می باشد ۲- سرطان در سلول سوماتیک که سرطانی شده اند تلومراز فعال است و سلول سرطانی است، چرا در سلول های بنیادی که در آنها هم تلومراز فعال است سلول سرطانی نیست؟
در داخل سلول هر ارگانل مکان مخصوصی دارد. اسکلت سلولی که در سرتاسر سلول وجود دارد مشخص می کند که هر ارگانل در چه مکانی قرار بگیرد. در داخل هسته سلول هم دقیقا همینطور است. در آنجا یک مجموعه میکروفیلامنت هایی وجود دارد که مثل داربست سلول عمل می کند و مشخص می کند هر کروموزوم در کدام قسمت هسته قرار بگیرد. این بحث از اهمیت بالایی برخوردار است چون حدود دو متر DNA دور پروتئین هایی پیچ خورده و بصورت ۴۶ قطعه در هسته سلول قرار گرفته اند همچنین مکان هر کدام از کرومزوم ها مشخص و ثابت است. پس مکان هر ژن نیز مشخص و ثابت است. برای پی بردن به اهمیت موضوع مثالی ذکر می شود. پس از صرف یک وعده غذایی باید TF انسولین بیان شود و انسولین ساخته شود سپس این انسولین از طریق خون به سلول هدف مثلا جزایر لانگرهانس برسد و وارد سلول بشود و سپس وارد هسته شود و کرومزوم مورد نظر و ژن مورد نظر را پیدا بکند و روی آن اثر بگذارد تا آن ژن بیان شود. کل این اتفاقات باید بدون هیچ خطایی و بدون جابجا شدن یک نوکلئوتید با نوکلئوتید دیگر انجام بشود. پس نظم عظیمی می طلبد تا این عمل بدون هیچ خطایی اتفاق بیفتد. پس لازم است کمی با ساختار کرومزوم و DNA آشنا شویم. وقتی DNA را از هسته یک سلول سوماتیک جدا می کنیم، در واقع کروماتین را جدا کرده ایم. کروماتین تشکیل شده از %۵۰ DNA و %۵۰ پروتئین در واقع این پروتئین های متصل به DNA کمک می کنند که جایابی هایی که قبلا ذکر شد بصورت صحیح انجام شود. دو دسته پروئین وجود دارد که با DNA ترکیب شده و به DNA ساختار می دهد: ۱- پروتئین های هیستونی ۲- پروتئین های غیر هیستونی.
پروتئین های هیستونی مهمترند و خودشان ۵ نوع هستند که عبارتند از H1،H2A،H2B،H3 و H4 .
بغیر از پروتئین H1، چهار پروتئین دیگر هر کدام بصورت دایمر یک اوکتامر یا هشت جزئی را تشکیل می دهند که نوکلئوزوم دام دارد. رشته DNA به دور نوکلئوزوم ها میپیچد و پیش میرود DNA حدافاصل بین نوکلئوزوم ها که linker نامیده می شود به پروتئین H1 پیچیده می شود و نوکلئوزوم ها به هم پیچ می خورند و ساختار دوم DNA بنام ساختار مارپیچ یا ساختار سلونویید ایجاد می شود. این ساختا، ساختار پایه ی کروماتین است یعنی DNA یی که از سلول استخراج می شود و ۳۰ نانومتر قطر دارد به این شکل می باشد. ساختار دوم که ساختار فعال درون هسته ای می باشد هم می تواند به سمت تراکم بیشتر و هم می تواند به سمت بارز شدن بیشتر حرکت کند. وقتی ساختار می خواهد تکثیر شود به سمت تراکم می رود و وقتی قرار است ژنی بیان شود ساختار باز می شود. اگر قرار باشد تکثیر شود ساختار سلونویید به یک ساختار ۳۰ نانومتری تبدیل می شود و بعد به یک ساختار ۷۰۰ نانومتری و بعد از آن به یک ساختار ۱۴۰۰ نانومتری که همان کرومزوم است تبدیل می شود در داخل هسته سلول تشکیلاتی به نام هستک وجود دارد که دائم ایجاد می شود و سپس از بین می رود و اندامک نیستند. هستک محل قرار گیری ژن های سنتز کننده RNA های غیر کد کننده است یعنی RNA هایی غیر از mRNA(یعنی rRNA و tRNA و…) که عمدتا در هستک ساخته می شوند. ژن های کد کننده tRNA و rRNA در بازوی کوتاه کرومزوم های آکروسنتریک می باشد. بر اساس محل قرار گیری سانترومر ۴ نوع کرومزوم وجود دارد: ۱- metacentric: وقتی سانترومر تقریبا در وسط قرار بگیرد (هیچگاه سانترومر دقیقا در وسط قرار نمی گیرد) در این حالت بازو های P و Q که بازو های کوچک و بزرگ هستند به وجود می آیند. در این حالت بازو ها تقریبا هم اندازه هستند ۲-submetacentric: اگر بازو های Pو Q واقعی باشند یعنی واقعا بازوی کوچک و بزرگ وجود داشته باشد ۳-acrocenteric: اگر بازوی P خیلی کوچک و Q خیلی بزرگ باشد ۴-telocenteric: کرومزوم هایی که فاقد بازوی P می باشند.
در انسان بجز کرومزوم telocenteric بقیه انواع کرومزوم وجود دارد. در انسان ۵ کرومزوم acrocenteric به نام های ۱۳ و ۱۴ و ۱۵ و ۲۱ و ۲۲ وجود دارند. با این شرح ژن های کد کننده rRNA و tRNA روی بازوی کوتاه کرومزوم های acrocenteric می باشند که با هم هستک را می سازند. به این صورت که قسمت سر های کوتاه سمت هم قرار می گیرند و NOR (Nocleouslus Organization Region) یا هستک را تشکیل می دهد در این قسمت tRNA وrRNA سنتز می شوند و بعدا یک پردازش کوچک روی آنها انجام می شود و بعد از آن به سیتوپلاسم می روند و بقیه مراحل پیگیری می شود. پس وقتی تشکیلاتی به نام هستک در هسته وجود دارد نشاد می دهد که کرومزوم ها بر طبق یک نظم و ترتیب خاصی در هسته قرار گرفته اند. که این نظم توسط همان میکروفیلامان ها برقرار می شود. در سیتوژنتیک، بیماری هایی بررسی می شوند که علت ایجاد آنها در ساختار کرومزوم است. مثلا سندروم داون که در آن بیمار ۳ کرومزوم ۲۱ دارد. برای بررسی این نوع بیماری ها باید کاریوتایپ تهیه کرد. اگر بخواهیم کرومزوم را برسی کنیم باید بدانیم که این ساختار فقط در مرحله متافاز تقسیم سلولی وجود دارد.
نویسنده:حامد امید
گروه تالیف و مقاله نویسی وبسایت مدیکالستان
