الاستنساخ والهندسة الوراثية

الخلية الحية : الخلية هي أصغر وحدة حية معروفة، وعادة ما تكون هذه الوحدات الصغيرة مكونة لأجسام الأحياء متعددة الخلايا مثل الإنسان والحيوان والنبات. وتنقسم خلايا الكائنات الحية من حيث التركيب الداخلي إلى قسمين هي خلايا متميزة النواة ( شكل-1) وخلايا غير متميزة النواة (شكل-2). يشمل القسم الأول خلايا بعض الأحياء وحيدة الخلية مثل فطر الخميرة وكل الأحياء متعددة الخلايا مثل الإنسان والنبات؛ أما القسم الثاني فيشمل البكتيريا بأنواعها. والجدول(1) يبين أهم الفروق بين الخلايا متميزة النواة والخلايا غير متميزة النواة.

خلية غير متميزة النواة (شكل رقم- 2)

Prokaryote

خلية متميزة النواة (شكل رقم -2 ) Eukaryotes جدول (1) الفروق الرئيسية بين الخلايا متميز النواة والخلايا غير متميزة النواة الخلايا متميزة النواة (Eukaryote) الخلايا غير متميزة النواة (Prokaryote) لها نواة بداخلها المادة الوراثية أو الجينوم (DNA) (Genome) ليست لها نواة أي أن المادة الوراثية(DNA)أوالجينوم(Genome) تسبح داخل الخلية حجم الخلية من 10- 100 ميكرون حجم الخلية من 1- 10 ميكرون السيتوبلازم متميز( أي أنه يحتوي على جسيمات محاطة بأغشية). السيتوبلازم غير متميز الجنيوم معقد التركيب الجنيوم بسيط التركيب في الخلايا متميزة النواة(Eukaryote) ، كل الخلية تحتوي على نواة (Nucleus) وهي تمثل مخ الخلية وبداخل النواة توجد الصبغات أو الكروموسومات. (Chromosomes)(شكل – 3) كذلك تحتوي هذه الخلايا على جسيمات تسبح داخل السيتوبلازم مثل الميتوكوندريا لإنتاج الطاقة أي أنها هي مولدات الطاقة في الخلية، والريبوسومات التي تصنع البروتينات وأجسام جولجي حيث يتم تعديل تركيب بعض الجزئيات والمساعدة على افرازها من الخلايا، الليسوزومات التي تقوم بهضم الفضلات داخل الخلية، والسيتوسكيليتون أو هيكل الخلية وهي بروتينات ليفية دقيقة تعطي للخلية شكلها. والذي يهمنا دراسته في هذا المقام هو المادة الوراثية في الخلية والتقنيات المعتمدة عليها. تظهر الصبغيات أو الكرموسومات تحت المجهرالالكتروني على هيئة حرف اكس ما عدا كروموسوم الذكورة الذي يظهر على شكل حرف واى والخلايا الحية تنقسم من حيث عدد نسخ الكروموسومات الموجودة في نواتها إلى قسمين، خلايا تحتوي على نسختين من كل كروموسوم، نسخة من الأب ونسخة من الأم وتسمى هذه الخلايا وهي الخلايا الجسمية مثل خلايا الدم والجلد والعظام... الخ وخلايا تحتوي على نسخة واحدة من كل كروموسوم وتسمى وهي خلايا التكاثر ( البييضات والحيوانات المنوية). ويختلف عدد الكروموسومات في الخلية الحية باختلاف الكائن الحي، فمثلاً كل خلية من خلايا جسم الإنسان تحتوي على 23 زوج من الكروموسمات نصفها من الأب والنصف الاخر من الأم وخلايا الفأر تحتوي على 21 زوج من الكروموسومات، بينما خلايا فطر الخميرة تحتوي على 16 زوج من الكروموسومات في خلاياها، وذبابة الفاكهة تحتوي على 6 أزواج فقط. ومجموع الكروموسومات في الخلية الحية يسمي جنيوم الخلية. إن جنيوم خلية الإنسان يتكون من (23) من الكرموسومات وجنيوم فطر الخميرة يتكون من (16) زوج من الكروموسومات ... الخ. كل خلية من خلايا الجسم الواحد تحتوي على نسخ متطابقة من الكروموسومات أي أن كل خلية تحتوي على نسخة طبق الأصل من النسخ الموجودة في الخلايا الأخرى أو نسخة طبق الأصل من الجنيوم الموجود في الخلايا الأخرى في نفس الجسم. شكل (4): خلية ثلاثية الأبعاد كل كروموسوم يتكون من سلسلتين متقابلتين من الحامض النووي الريبوزي ناقص الأوكسجين وهذه السلسلتين الطويلتين تكونان ما يعرف بالحلزون المزدوجوهذه السلاسل تتكون من وحدات صغيرة تسمى نيوكليتيدات . والنيوكليتيدات تتكون من سكر وفوسفات وقاعدة نيتروجينية. وهناك أربع أنواع من القواعد النيتروجينية التي تدخل في تركيب يرمز لها بالرموز ( A, T, G, C)، ويصل عدد هذه النيوكليتيدات في الجينوم الإنساني إلى (3,000,000,000) أي حوالي ثلاثة مليار نيوكليتيدة مرتبة في تسلسل معين .في الحلزون المزدوج Aتقابل T دائماً وG تقابلC دئماً ( شكل – 3) و (شكل – 5 ) و (شكل – 6 ) و (شكل – 7). شكل (5) يوضح كيفية ارتباط القواعد النيتروجينية في خيط الـ DNA

شكل (6) يوضح تركيب الـ DNA شكل(6) يوضح شكل خيط الـ DNA طريقة الإخصاب الطبيعية: تبدأ الحياة في الكائنات الراقية بتلقيح البييضة بواسطة الخلايا المذكرة أو الحيوانات المنوية لإنتاج اللاقحة التي تحتوي على (23) صبغي أو كروموسوم من الأب ومثلها من الأم أي أن اللاقحة تحتوي على (46) كروموسوم ثم تبدأ اللاقحة بالانقسام إلى خليتين ثم إلى أربع ثم إلى ثمان حتى تتكون ما يسمى بالبلاستوسيست وبعد ذلك تبدأ مرحلة التخليق أوتخصص الخلايا فمثلاً بعض الخلايا تصبح متخصصة في نقل الأوكسجين وثاني أكسيد الكربون وهذه الخلايا تعرف بكرات الدم الحمراء وبعض الخلايا تبطن الأوعية الدموية وبعض الخلايا تكوّن العظام وبعضها تستعمل للإحساس كالخلايا العصبية وتستمر عملية الإنقسام حتى يتكون الجنين الكامل بخلاياه المتخصصة المختلفة. ويكون هذا الجنين حاملاً لصفات وراثية من الأب والأم؛ أي أنه مزيج من الصفات الوراثية للأب والأم. وتكون كل خلية من خلايا جسمه حاملة لنفس النسخ من الكروموسمات الموجودة في اللاقحة .

شكل (7) يوضح الطريقة الطبيعية للإخصاب

تخصص الخلايا أو التخليق (Differentiation) :

ما هي الخلية المخلقة ( cell Differentiated)؟

عملية تخصص الخلايا تسمي التخليق الخلوي. تتكون أجسام الأحياء متعددة الخلايا كالإنسان والغنم والبقر من ملايين الخلايا. ومع أن كل الخلايا في حيوان معين تكونت من خلية غير متخصصة (اللاقحة) وتحمل نفس الشفرة الوراثية (الجينوم)، برغم ذلك فإن الخلايا المختلفة لها أشكال مختلفة وتقوم بوظائف مختلفة لأن هذه الخلايا أصبحت متخصصة لأداء وظائف مختلفة في الجسم.

فمثلاً خلايا الدم الحمراء التي وظيفتها نقل الأوكسجين وثاني أكسيد الكربون تختلف عن الخلايا العصبية. وذلك لأن الخلايا المختلفة صممت لتؤدي وظائف مختلفة. ولا يبقى في الجسم سوى أعداد قليلة جداً من الخلايا الغير متخصصة وتسمى هذه الخلايا بالخلايا المولدة

ولكن ما الذي يجعل الخلايا مختلفة؟

لكي تصبح خلايا الجسم متخصصة، عليها ان تنتج جينات تسمى بجينات التخصص أي أن الخلايا المختلفة في الجسم الواحد تنتج جينات مختلفة وبكميات مختلفة.

والجينات هي قطع من الحامض النووي ناقص الأوكسجين ) أو الـ منتشرة بشكل متفرق على طول الصبغيات أو الكروموسومات ( شكل – 3) و (شكل – 6) الموجودة داخل نواة الخلية ويصل عدد الجينات في الخلية الواحدة إلى الآلاف فمثلاً يقدر عدد الجينات الموجودة في خلايا الإنسان بـ (33,000) جين وهذا العدد يعكس الكثير من الصفات الوراثية التي يكتسبها الإنسان من والديه مثل لون الجلد ولون العيون

والطول والشكل وغيرها، وكيميائياً فإن كل جين يعتبر شفرة لتصنيع بروتين معين يشارك في إعطاء تلك الصفة. والبروتينات مهمة جداً للقيام بوظائف مختلفة كالإنزيمات والهرمونات وعوامل النمو ... الخ. وتتركب البروتينات من سلاسل طويلة من الأحماض الأمينية وهناك (20) حامض أميني معروف تنتظم في سلاسل بترتيبات وأطوال مختلفة لتعطي بروتينات مختلفة وهذه البروتينات بوظائف مختلفة. إذن في الأحوال العادية، يتكون الجنين كنتيجة لإندماج الخلية الجنسية الذكرية التي تسمى الحيوان المنوي مع الخلية الجنسية الأنثوية التي تسمى البويضة ( شكل – 7) في الرحم. وبإتحاد هاتين الخليتين تتكون الخلية الملقحة أو اللاقحة وبعد التقليح تبدأ الخلية في الإنقسام ... الخ.

تلقيح البييضة بواسطة حيوان منوي ينتج اللاقحة، تبدأ اللاقحة في الانقسام حتى تصل مرحلة تسمى البلاستوسيست حيث تبدأ فيها الخلايا بالتخصص وينتج عن ذلك المخلوق الكامل. بالإضافة إلى خلايا الجسم المتخصصة هناك خلايا غير متخصصة هي أمهات الخلايا أو الخلايا المولدة ووظيفتها هي تعويض الجسم بخلايا جديدة10¹¹ × 4 خلايا دم تموت يومياً داخل الجسم ويتم تعويضها. أي أن جسم الكائن الحي يحتوي على خلايا مخلقة وأخرى غير مخلقة. قال تعالى {ثمً مِنْ مُضغَةٍ مُخَلقةٍ وغَيْرِ مُخلقةٍ لنُبَيًنَ لكُم} { الحج : الآية 5}.

الإسـتنـسـاخ Cloning

ماهو الإستنساخ (Cloning)؟

كلمة نسخة هي مجموعة من الخلايا أو المخلوقات الحية المتطابقة جنياً (أي أن مادتها الوراثية متطابقة) نتجت من خلية واحدة أو مخلوق واحد عن طريق التكاثر اللاجنسي. ومن هذا يمكن تعريف الإستنساخ بأنه عملية إنتاج نسخ مطابقة وراثياً للخلية أو المخلوق الأصلي. وفي مجال لتقنية البيولوجية يستعمل هذا المصطلح ليدل على عدة عمليات يقوم بها البيولوجيون في المعمل منها إستنساخ الجنيات وهنا يتم جين معين في صورة نقية وبكميات كبيرة، وإستنساخ الخلايا وهنا يتم إنتاج خلايا كثيرة مطابقة للخلية الأصلية، وأخيراً إستنساخ المخلوق الكامل، وفي هذه الحالة يتم إنتاج نسخ مطابقة للمخلوق الأصلي. والخلاصة هي أن الإستنساخ هو مضاعفة عدد الجنيات أو الخلايا أو المخلوقات الحية من كينونة أصلية واحدة.

في مجال التقنية البيولوجيةيتم منذ حوالي أكثر من عشرين سنة إستخدام تقنية إستنساخ الجينات والخلايا. هذه التقنيات استخدمت لإنتاج الأدوية واللقاحات لعلاج الأمراض مثل أمراض القلب والكلية وأمراض السكري والسرطانات المختلفة والتهاب الكبد المعدية وغيرها. كذلك هناك أبحاث جارية لإستنساخ أعضاء الجسم الإنساني وأنسجته .

هنا سنتعرض بالتفصيل لإستنساخ الجين وإستنساخ الخلايا و أخيراً إستنساخ الكائن الحي.

أولا : إستنساخ الجين Gene Cloning : كما ذكرنا سابقاً، فإن الخلية تحتوي على الآلاف من الجينات المختلفة ممثلة بأعداد مختلفة في خليط معقد. فمثلاً بعض الجينات ممثلة بعدد قليل من النسخ وبعضها بعشرات النسخ وبعضها ربما يصل إلى آلاف النسخ. وللحصول على جين معين بصورة نقية وبأعداد كبير من النسخ، نقوم بإستنساخ ذلك الجين. ويتم إستنساخ الجين وذلك لعدة أغراض، منها تركيب الجين أي تسلسل النيوكليتيدات في ذلك الجين، ودراسة وظيفته وربما استعمال الجين لإنتاج بروتينات لإستعمالها كأدوية مثل الإنسولين وعامل التختر الدموي(8) ... إلخ. وهذه التقنية تعتبر اليوم من التقنيات السهلة والكثير من المعامل في جميع أنحاء العالم تستعملها في بحوثها. ماهي الخطوات الأساسية في تقنية إستنساخ الجينات ؟ 1) يتم إدخال قطعة الـ المحتوية على الجين المراد إستنساخه في قطعة دائرة كبيرة تسمى الناقلة أو الحاملةوهذه الناقلة تساعد علىإدخال الجين داخل خلية بكتيرية. 2) داخل الخلية البكتيرية، تبدأ الناقلة في التضاعف، منتجة أعداد كبيرة من النسخ المطابقة لها ومتضمنة قطعة الـ المحتوية على الجين الذي نقلته. 3) عندما تنقسم الخلية البكتيرية، تنتقل نسخ من الناقل المحتوي على الجين إلى الخلايا البكتيرية الجديدة ويتضاعف الجين من جديد. 4) بعد أن تتكاثر البكتيرية عدة مرات، يتم إختيار المستعمرة المحتوية على الجين المطلوب بواسطةعملية الغربلةوبهذا نكون قد حصلنا على نسخة نقية من الجين المطلوب(شكل-8) شكل رقم (8) إستنساخ الجينات ثانيا: إستنساخ الخلايا: ماذا يقصد بإستنساخ الخلايا: )يقصد بإستنساخ الخلايا، إنتاج عدد كبير من الخلايا من خلية واحدة.) فأحياناً يحتاج العلماء دراسة نوع معين من الخلايا أو تأثير بعض الجينات في خلايا معينة. ولإنجاز هذا الهدف يتم عزل الخلية المراد دراستها واستنباتها في المعمل لتنقسم وتعطي عدد كبير من الخلايا المطابقة لها وراثياً، أي أنها تحمل نفس الصفات الوراثية. وفي بعض الأحيان يراد دراسة تأثير جين معين على وظائف نوع من الخلايا، فيتم إدخال نسخة من ذلك الجين ( جين غريب) في خلية وإكثارها ومقارنتها بخلايا لا تحتوي على ذلك الجين ( شكل – 9). بالإضافة لما سبق، فإن هذا النوع من الإستنساخ يستعمل في إنتاج الأجسام المضادة لإستخدامها كعلاج وكمواد تشخيصية. وتقنية الإستنساخ الجنيني يقوم بها الأطباء خصوصاً البيطريين منهم في مجال الإنتاج الحيواني. وهي مستخدمة منذ عدة سنوات. وفي ما يلي صورة توضيحية : شكل (9) : يوضح إستنساخ الخلايا الإستنساخ بواسطة تقنية النقل Nuclear Transfer Technology: أول من نجح في إستخدام هذه التقنية هو الدكتور إيان ويلموت وفريقه البحثي بالتعاون مع شركة في سكوتلندا، حيث أنه في شهر فبراير من عام (1997) أعلن فريق وليموت عن ولادة دوللي وهي نعجة لها نفس التركيب الجيني الذي تحمله أمها. وكما هو معلوم فإنه لو تم إنتاج دوللي طبيعياً أي من أب وأم لكان نصف مادتها الجينية من الأب والنصف الآخر من الأم. وهذا هو السبب في عدم التشابه المطلق بين الآباء والأبناء، لأن الأبناء يحملون خليط من صفات الأب والأم. ولكن في حالة دوللي فالأمر يختلف، حيث أن مادتها الجينية جاءت من الأم فقط وليس لها أي مادة جينية من طرف آخر ولهذا السبب تعتبر دوللي نسخة مطابقة لأمها ومثل هذا التشابه لا يرى طبيعياً إلا في حالات التوائم المتطابقة أي التي نتجت من تلقيح بييضة واحدة. وبهذا تعتبر دوللي بدون شك أشهر نعجة في التاريخ، صورها احتلت أغلفة أشهر المجلات العلمية مثل التايم والنيوزويك وكانت موضوع لا يحصى من المقالات والتقارير في المجلات العلمية والغير علمية على حد سواء. والذي يميز دوللي أنها كانت أول مخلوق حي يستنسخ من خلية متخصصة ( في حالة دوللي الخلية أخذت من ضرع نعجة أي أنها خلية ثديية متخصصة). قبل دوللي كان هناك عدد قليل جداً من العلماء يعتقد بأن عملية التخليق هي عملية عكسية. أي أن الخلية المتخصصة يمكن أن تصبح خلية مولدة من جديد وتنتج خلايا متخصصة جديدة. ولكن عندما تم الإعلان عن دوللي أصبحت هذه الفكرة حقيقة علمية. تاريخياً، في السبعينات من القرن الماضي حاول بعض العلماء في جامعة كامبردج من عزل نواة من خلية متخصصة من ضفدع ووضعها داخل بييضة منزوعة النواة ولكن النتيجة كانت إنقسام البييضة عدةإنقسامات ولكنها لم تنمو إلى مرحلة حيوان كامل. إذن كيف استطاع الدكتور ويلموت وفريقه من إعادة برمجة خلية مخلقة من ضرع النعجة ( خلية ثديية) وجعلها تنقسم إلى حيوان كامل (دوللي)؟ الإجابة هي أنهم استفادوا من فهمهم لعملية تسمى دورة الخلية ( Cell cycle) وطبقوا ذلك الفهم لإعادة برمجة الخلية المتخصصة. ⇨ شكل (10) طريقة الإستنساخ بتقنية النقل شكل (11): رسم آخر يوضح الإستنساخ بتقنية النقل شكل(12) رسم توضيحي يبين بالأسهم عملية استنساخ النعجة البريطانية دوللي من ثلاث نعجات إناث ليس بينهم ذكر

شكل (13) : النعجة المستنسخه دوللي (بيضاء الجسد والرأس) والشاة الحاضنة لها (سوداء الرأس والقرون) واختلاف صفات المظهر العام (للوليد) عن الأم بالرحم إضافة للإستنساخ اللاجنسي دون أب أو نطفة في الثدييات ومخالفة للفطرة مرتين.

والفطرة تنسب للخالق (الله جل شأنه) : (( وَلـَمْ يَكُن لَهُ كُفُواً أَحَـدٌ))

شكل(14) : الإبرة (الميكروسكوبية) التي تم بها شفط نواة بويضة المبيض