أهمية دراسات الوراثة الخلوية فى تصنيف الأسماك

أهمية دراسات الوراثة الخلوية فى تصنيف الأسماك

The importance of cytogenetic studies in the classification of fish

د/ إبراهيم حسن إبراهيم

الخلية The Cell

الخلية هي وحدة بناء وتركيب الكائنات الحية. وتتشكل الخلية الحية من البروتوبلازم وهو عبارة عن جزئين غير متشابهين هما: السيتوبلازم – Cytoplasm والنواة – Nucleus، ويحاط كلا منهما بغشاء رقيق. وقد تحتوى النواة على نوية أو أكثر والتى لها علاقة بتخليق بعض أنواع الـ RNA.

كما أن الإنقسام الميتوزي (أو غير المباشر) – Mitotic Division or Mitosis (Indirect Division) هو الذي يعمل علي تكوين خلايا جسم الكائن الحي وتضاعف خلاياه، بينما الإنقسام الميوزي أو الإختزالي – Meiotic Division or Meiosis (Reduction Division) يعمل علي تكوين الخلايا التناسلية أو الجاميتات – Gametes.

فى الأسماك نجد أن كلا من خلايا الدم الحمراء والبيضاء تحتوى على نواه مستديمة فى كل مراحل نمو الخلية ومراحل العمر المختلفة لذا يطلق عليها "الخلايا النووية" nucleated cells بعكس أغلب الثدييات حيث تتلاشى أنوية خلايا الدم الحمراء بعد ثلاثة أشهر من الولادة لتستطيع حمل أكبر كمية من الأكسجين الازم للعمليات الحيوية للكائن الحى. وتحتوى كل خلية على مجموعة الكروموسومات التى تحمل الصفات الوراثية للكائن الحى وتميزة.

الكروموسومات Chromosomes

الكروموسوماتChromosomes أجسام عصوية أو خيطية الشكل قابلة للصبغ (ملونة) يمكن رؤيتها بسهولة بالمجهر الضوئي خاصة خلال الدور الاستوائي Metaphase stage من الانقسام الخلوي Cell division.

إن كلمة كروموسوم Chromosome مشتقة من كلمة يونانية تعني الجسم الملون أو القابل للاصطباغ وتسمى في كثير من الكتب بالصبغيات. ويسمى الكروموسوم خلال المرحلة البينية أو التحضيرية للخلية Interphase stage بالكروماتين Chromatin وتقوم الكروموسومات بتخزين ونقل المعلومات الوراثية من الآباء إلى الأبناء وهو مايعرف بالتوارث Inheritance.

إن جميع أفراد النوع الواحد في الغالب تملك نفس العدد الكروموسومي ففي الإنسان 46 كروموسوم، والأرنب 44 كروموسوم، والفأر 40 كروموسوم، والكلب 78 كروموسوم، والقط 38 كروموسوم، وأسماك البلطى النيلى والأوريا 44 كروموسوم....الخ. وقد يوجد هناك شذوذ في العدد الطبيعي للكروموسومات لأسباب مختلفة ولكن هذا لايغير القاعدة, كما قد نجد في حالات نادرة تطابق في عدد الكروموسومات لأكثر من نوع ولكن لايزال هناك تباين بين أحجام وأشكال تلك الكرموسومات. معظم كروموسومات الخلية يطلق عليها كورموسومات جسدية ( ذاتية)Somatic Chromosomes (Autochromosomes) وهي في الغالب كثيرة ومتماثلة لكنه يوجد كروموسوم واحد أو كروموسومين هما كروموسومي الجنس Sex Chromosomes وتعرف بالكروموسومات المتغايرة أو المتباينة Heterochromosomes في الشكل والوظيفة, هذه الكروموسومات الجنسية مسؤولة عن تحديد الجنس لأنها تحمل الجينات المحددة للجنس.

الخلايا الجسدية Somatic cells في الغالب تحتوي على مجموعتين كروموسوميتين ويطلق على هذه المجموعتين اسم العدد المزدوج Diploid number (2N). أما الأمشاج Gametes ففي الغالب تحتوي على مجموعة كروموسومية واحدة وهذه المجموعة تعرف بالعدد المفرد Haploid number (1N).

الجدير بالذكر أن هناك مجموعات كروموسومية ثلاثية Triploid (3N) ورباعيةTetraploid (4N) ...الخ. وتوجد مثل هذه المجموعات في بعض أنواع السحالي والبرمائيات والنباتات وفي حال المجموعات الكروموسومية الفردية لا تنتقل الكروموسومات بشكل سليم من جيل لآخر كما لا يمكن إكمال التزاوج بشكل سليم بسبب وجود العدد الفردي مما يؤدي إلى عدم إنتاج جاميطات متوازنة وراثياً، ولهذا فمثل هذه الحالة نجدها في الكائنات التي لا تعتمد على التكاثر الجنسي فقط لتكاثرها. ويطلق على مضاعفات المجموعة الكروموسومية التعدد المجموعي Polyploidy (XN). أما إذا حدث تغير في عدد كروموسومات المجموعة الكرومووسومية بالزيادة أو النقصان لكن هذا التغير لا يشمل كامل المجموعة ولكن البعض منها، مثل تلك الحالة تعرف بالمجموعة الكروموسومية المختلة العدد Aneuploid مثل نقص كروموسوم - أحادي الكروموسوم- Monosomy (2n-1) أو زيادة كروموسوم – ثلاثي الكروموسوم - Trisomy (2n+1) أو نقص زوج كروموسومي Nulisomy (2n-2) أو زيادة زوج كروموسومي – رباعي الكروموسوم – Tetrasomy ..الخ.

أن حجم وشكل وعدد الكروموسومات يختلف ضمن الأنواع المختلفة لكنه ثابت ضمن أفراد النوع الواحدة. كما أن طول الكروموسومات متفاوت فيما بينها كثيراً وقد دلت الدراسات أن طولها يتراوح بين 1 -30 ميكرومتر، وقد يصل إلى حوالي 2 ملمتر كما في كروموسومات الغدد اللعابيةSalivary glands للحشرات ثنائية الأجنحة Dipetra . وقد تكون كل كروموسومات النوع الواحد متشابه من حيث الحجم وهذا ما يعرف بالطبيعة أو الطراز الكروموسومي المتجانس Symmetrical Karyotype ، لكن الغالب ان الكروموسومات في الفرد الواحد تكون متباينة في الحجم وهذا ما يعرف بالطبيعة أو الطراز الكروموسومي الغير متجانس Asymmetrical karyotype . ويطلق على كروموسومات الخلية المرتبة بطريقة قياسية طبقاً لأحجامها بطبعة النواة Karyotype. كما يمكن أن تطبق معايير أخرى عند الضرورة مثل النسبة الذراعية أو المعدل السنتروميري أو التخصرات الثانوية أو التشريط الكروموسومي.

<!--تركيب الكروموسوم: Chromosome structure

يبدو كروموسوم الدرور الاستوائيMetaphase chromosome تحت المجهر الضوئي مكون من تحت وحدتينTwo subunits أو كروماتيدين Two chromatids. يوجد للكروموسوم منطقة متخصرة Constricted Region تعرف بمنطقة التخصر الأولى Primary Constriction أو السنترومير Centromere وهو عبارة عن تتابعات عالية التكرار من الحمض النووى DNA في الكروموسوم مسئولة عن الانعزال الدقيق للكروموسومات المتضاعفة إلى الخلايا البنوية أثناء الانقسام النووي. والسنترومير صفة أساسية للكروموسومات ويكون ثابتاً ومميزا للكروموسوم الواحد، لكنه قد يختلف ويتباين في الكروموسومات المختلفة.

يمكن تصنيف الكروموسومات حسب طبيعة موقع السنترومير إلى أربعة أنماط هي:

<!--كروموسومات وسطية السنترومير Metacentric chromosomes

<!--كروموسومات تحت وسطية السنترومير Submetacentric chromosomes

<!--كروموسومات قمية السنترومير Acrocentric chromosomes

<!--كروموسومات نهائية السنترومير Telocentric chromosomes

تعرف النسبة بين طول ذارع الكروموسوم الطويل (q) إلي طول الذراع القصير ((p باسم النسبة الذراعية Arm ratio لهذا نجد أن الكروموسوم قمي السنترومير يملك نسبة ذراعية عالية بينما الكروموسوم متوسط السنترومير Metacentric chromosome يملك نسبة ذراعية منخفضة وتحسب النسبة الذراعية للكروموسوم بالمعادلة التالية:

النسبة الذراعية = طول الذراع الطويل (q) / طول الذراع القصير (p)

لهذا تعتبر النسبة الذراعية للكروموسومات مهمة جداً أثناء عملية التفريق بين الكروموسومات وبالذات إذا كانت متساوية في أطوالها. كما يعتبر المعدل السنتروميري Centromeric index (CI) أيضا عامل مهم في التفريق بين الكروموسومات ويقاس بالمعادلة التالية:

المعدل السنتروميري (CI) = طول الذراع القصير (p)/ الطول الكلي للكروموسوم

) p+q) × 100.

يتميز الكروموسوم إلى عدة مناطق كما يلي:-

<!-- المنطقة المنظمة للنوية Nucleolus organizer region (NOR)

عبارة عن تخصر ثانوي خاص يوجد في كروموسومات معينة بالقرب من نهاية الكروموسوم ويحتوي على الجينات الخاصة بتكوين الـRNA الريبوسومي rRNA ويستحث هذا الموقع تكوين النوية. هذه التخصرات تكون ثابتة الموقع على كروموسومات محددة.

<!-- التوابع Satellite

تراكيب كروية أو مستطيلة الشكل قد تتصل بالنهاية الطرفية لكروموسومات معينة تستخدم كدلالة للتعرف على مثل هذه الكروموسومات.

<!--التلوميرات Telomeres

التلوميرات أو النهايات الطرفية للكرموسومات عبارة عن تتابعات من الـ DNA شديد الالتفاف غير نشطة وراثياً ذات أهمية كبيرة في منع نهايات الكروموسومات من الالتصاق مع بعضها البعض، كما تمنع الإنزيمات المحللة للـ DNA من تكسير نهايات الكروموسومات بالإضافة لتسهيل تضاعف نهايات الكروموسومات دون فقدها، وعلى هذا فإن تآكل التيلومير يدل على التقدم فى شيخوخة الخلية وما يصحبه من ضرر بالغ.

<!--الكروماتين الكروموسومي Chromosomal chromatin

تتكون مادة الكروموسوم في الأساس من كروماتين والذي يوجد على نوعين رئيسين هما:-

<!--كروماتين حقيقي Euchromatin

يمتاز الكروماتين الحقيقي بأنه منتشر وغير ملتف يتضاعف في بداية مرحلة S-phase وهو كروماتين نشط وراثياً (تضاعف، نسخ، ترجمة) .

<!--كروماتين متباين Heterochromatin

هذا النوع شديد الحلزنة أو التكثف وغير نشط وراثياً يتضاعف في نهاية مرحلة S-phase.

يمكن التعرف على كروموسومات الفرد وأجزائها المختلفة وتمييزها من خلال عدة تقنيات منها القديم مثل صبغ الكروموسومات بصبغات خاصة فيما يعرف بتقنيات التشريط (التحزيم) المختلفة حيث تتميز الكروموسومات المصبوغة بنمط تشريطي معين عبارة عن مزيج من الشرائط اللامعة Bright bands والشرائط الداكنة Dim bands ، ويكمن التعرف على أي تشريط أو قطعة من الكروموسوم باستخدام ما يلي:

<!--رقم الكروموسوم من خلال ترتيب وترقيم الكروموسومات في طبعة النواة Karyotype.

<!--رقم الذراع الطويل ((q أو القصير(p).

<!--رقم المنطقة وهي أي قطعة كروموسومية تقع بين معلمين متجاورين. والمعلم عبارة عن المميزات التركيبية أو المورفولوجية الواضحة والتي تستخدم للتعرف على الكرموسوم.

<!--رقم التشريط وهو جزء من الكروموسوم يمكن تمييزه عن القطع المجاورة من خلال ظهوره بشكل أكثر أو أقل اصطباغاً.

ويتم ترقيم المناطق والشرائط بداية بالسنترومير إلى الخارج على طول كل ذراع. فمثلاً يكتب التشريط الثالث من المنطقة الثانية في الذراع الطويل للكروموسوم السادس كالتالي: 6q23 حيث (6: رقم الكروموسوم – q: رمز الذراع الطويل - 2: رقم المنطقة - 3: رقم التشريط).

<!--المرحلة البينية ودورة الخلية:

Interphase and the cell cycle

Karyotype or Chromosome

Fingerprint

تتعاقب معظم الخلايا فترات الانقسام واللاإنقسام على التوالي. وكان يعتقد أن المرحلة البينية هي فترة راحة للخلية أو فترة نمو لاعلاقة لها بالانقسام الخلوي, ولكن أثبت الدراسات عكس ذلك فهذه المرحلة مهمة في كونها مرحلة تحضيرية وضرورية للانقسام الغير مباشر ويتم خلالها مضاعفة المادة الوراثية الدنا أو قد تكون هذه الماة الوراثية عبارة عن الرنا RNA في بعض الأشكال البسيطة جدا من الكائنات مثل بعض أنواع الفيروسات.

يمكن تعريف دورة الخلية بأنها سلسلة الأحداث التي تمر بها الخلية من بداية انقسام إلى بداية الانقسام التالي. وتتباين فترة الأحداث التي تمر بها الخلية تبايناً كبيراً تبعاً لنوع الخلية والكائن والظروف المحيطة بها وفترة التكوين أو النمو.

يمكن تقسيم دورة الخلية إلى أربع فترات مختلفة هي:

1- فترة النمو الأولى Growth gap 1 (G1):

يتم في هذه الفترة تحديد قرار مضاعفة المادة الوراثية من عدمه بناء على عدة عوامل كحالة الخلية وسلامة الدنا من الأضرار وبلوغ الحجم المناسب للدخول في الانقسام التالي. كما يتم في هذه المرحلة تصنيع ما تحتاجه الخلية من مكونات كالعوامل والإنزيمات اللازمة لتضاعف الدنا وما يرتبط به. وتعتبر هذه الفترة بمثابة مرحلة نمو خلوي Cellular growth.

2- فترة تضاعف الحمض النووى: DNA synthesis

هي فترة أخرى من فترات الدور البيني يتم فيها تضاعف المادة الوراثية (الكروموسومات). تعتبر عملية تكاثر أو تضاعف الحمض النووى DNA replication (duplication) من أهم الأحداث الحيوية التي تتم في الخلايا الانقسامية على الإطلاق وتحديداً أثناء فترة محددة من الدور البيني Interphase تعرف بفترة التضاعف أو البناءDNA synthesis., ولاشك أن هذه العملية تهدف إلى حصول الخلايا المنقسمة على نصيبها الكامل من المادة الوراثية بعد كل مرحلة انقسامية دون أن تتلاشى هذه المادة الوراثية بتكرار الانقسامات الخلوية.

3- فترة النمو الثانية: Growth gap 2 (G2)

تعرف بفترة مابعد التكاثر أو فترة النمو الثانية ويرمز لها بـ G2 حيث أن الدنا قد تضاعف. يتم في هذه الفترة تحضير الخلية للدخول في عملية الانقسام كالتفاف وتحلزن الدنا بشكل متدرج وظهور بداية تغلظ الكروموسومات وتصنيع العوامل السيتوبلازمية اللازمة للانقسام. وهذا بالطبع سوف يسهل من عملية العزل أثناء الانقسام الخلوي.

4- فترة الانقسام: Mitotic period

تبدأ هذه الفترة بالدور التمهيدي Prophase وينتهي بالانقسام السيتوبلازمي Sytokinesis ويتم خلال ذلك انعزال الكروموسومات إلى الخلايا البنوية. وهي فترة قصيرة تمثل حوالي (5-10٪) من دورة الخلية وسوف نفصل في أحداث هذه المرحلة في الصفحات التالية.

إذن فالمرحلة البينية تشمل المراحل الثلاث الأولى من دورة الخلية ((G1 – S – G2.

الانقسام الخلوي Cell division :

هناك عمليتان رئيسيتان لانتقال المادة الوراثية في الكائنات الحية الراقية (حقيقية النواة) هما: الانقسام الغير مباشر (الميتوزي) Mitosis والانقسام الاختزالي أو المنصف (الميوزي) Meiosis.

ومع تشابه العمليتين في عدة نواحي إلا أن النتائج مختلفة تماماً. وسوف نتناول كل منهما على حدة.

<!--الانقسام غير المباشر (الميتوزي) Mitosis Division:

يحدث هذا النوع من الانقسام في الخلايا الجسمية (الجسدية) Somatic cells ويؤدي إلى تكوين خليتين من كل خلية منقسمة تحتوي كل منها على نفس عدد كروموسومات الكامل أو المضاعف Diploid number للخلية المنقسمة (2n). يهدف هذا الانقسام إلى النمو وتعويض الأنسجة التالفة, كما أنه وسيلة التكاثر في الكائنات البسيطة كالأوليات والطحالب وغيرها.

يتميز الانقسام الميتوزي إلى أربع مراحل هي:

المرحلة التمهيدية Prophase:

تتميز الخلايا التي تدخل هذه المرحلة بمجموعة من المميزات منها أن الكروماتين (شكل المادة الوراثية خلال المرحلة البينية) يبدأ في الطي والتكثف على هيئة خيوط طويلة ورفيعة حتى تظهر بعد ذلك تراكيب خيطية واضحة هي الكروموسومات الملتفة على بعضها والتي تزداد مع الوقت غلظة وسماكة. يبدو عند نهاية هذه المرحلة أن الكروموسوم مكوناً من كروماتيدتين Tow Chromatids مرتبطة مع بعضها عن طريق السنترومير. يقل حجم النوية تمهيداً لاختفائها. يبدأ غشاء النواة بالتحلل حتى يتلاشى كلياً وبهذا تنطلق محتويات النواة في السيتوبلازم. يبتعد زوجي السنتريولات عن بعضها البعض تدريجياً حتى تستقر عند أحد قطبي الخلية بينما تنمو خيوط المغزل من الأُنيبيبات الدقيقة السيتوبلازمية تحت تنظيم السنتريولات.

المرحلة الاستوائية Metaphase:

تصل الكروموسومات في هذه المرحلة أقصى درجات التحلزن والسُمك والقصر ولذا يفضل العلماء دراستها في هذه المرحلة لانها أكثر وضوح وتميز. ومن أهم مميزات الخلايا التي تمر في هذه المرحلة هو تحرك الكروموسومات وانتظامها في وسط الخلية على هيئة أزواج بشكل طولي وعمودي على استواء الخلية تحت تأثير خيوط المغزل التي ترتبط ببروتين قرصي الشكل يسمى الكينيتوكور Kinetochore في منطقة السنترومير الذي يرتبط بكروماتيدي الكروموسوم من جهة وخيوط المغزل من جهة أخرى.

المرحلة الانفصالية Anaphase:

مميزات هذه المرحلة تتمثل في تحرك الكروموسومات باتجاه المغزل على هيئة مجموعتين نتيجة تنافر الكروماتيدات من جهة وتقلص خيوط المغزل من جهة أخرى مما يؤدي إلى التكسر المتزامن للسنتروميرات الأخوية وانفصال الكروماتيدات التي تسمى حينئذ الكروموسومات البنوية Daughter chromosome. تنتهي هذه المرحلة بوصول مجموعتي الكروموسومات البنوية إلى أقطاب الخلية.

المرحلة النهائية:Telophase

توجد مجموعتان من الكروموسومات في أقطاب الخلية ويبدأ ظهور غشاء النواة مرة أخرى بشكل متقطع حتى يكتمل. يبدأ اختفاء الكروموسومات حيث تظهر عندئذ على هيئة خيطية رفيعة تلتف على بعضها البعض بعكس ما حدث في المرحلة التمهيدية حتى تصبح الكروموسومات على هيئة كروماتين منتشر في السيتوبلازم. ظهور النوية في مرحلة متأخرة واختفاء خيوط المغزل. يتم بناء الغشاء أو الجدار بين النواتين لفصل محتويات الخلية الأم, ففي الخلايا الحيوانية يبدأ ظهور تخصر في الغشاء السيتوبلازمي مع انقسام السيتوبلازم Cytokinesis إلى حجمين متساويين يستمر تقدم التخصر أو الاختناق في غشاء الخلية حتى يحاط كل جزء بالغشاء كلياً لتتكون خليتين جديدتين تحتوي كل منهما على نواة. كما تزودان الخليتان الجديدتان بالعضيات السيتوبلازمية, إما بمضاعفة نفسها أو نشوئها من تراكيب غشائية موجودة أو تصنع من جديد. وهكذا تدخل كل خلية جديدة في المرحلة G2 من دورة الخلية وفيها يتكون كل كروموسوم من كروماتيد واحد.

<!--الانقسام الاختزالي Meiosis Division:

يعتبر الانقسام الاختزالي (الميوزي) - الانقسام المنصف – ضرورياً للكائنات التي تتكاثر جنسياً يحصل الانقسام الاختزالي في الخلايا الجنسية (التناسلية) Germ cells ويؤدي إلى تكوين أربعة أمشاج (جاميطات) كل منها يحتوي على نصف العدد الأصلي (1n) Haploid number من الكروموسومات, أي نسخة واحدة من الكروموسومات. يتم اختزال أعداد الكروموسومات إلى النصف من خلال انقسامين متواليين للنواة وتضاعف كروموسومي واحد يتخللها انقسام مفرد للكروموسوم وبذلك تتكون أربعة خلايا كل منها به نصف العدد الأصلي من الكروموسومات. وعل سبيل المثال فإن عدد الكروموسومات في الخلية الجسمية للإنسان 46 كروموسوم, أما عددها في الحيوان المنوي أو البويضة فهو 23 كروموسوم، وفى أسماك البلطى فإن عدد الكروموسومات في الخلية الجسمية 44 كروموسوم أما عددها في الحيوان المنوي أو البيضة فهو 22 كروموسوم وهكذا.

من الجدير بالذكر أن الخلايا الأربع الناتجة عن الانقسام الاختزالي تتحور في ذكور الفقاريات إلى حيوانات منوية, أما في الإناث فإن واحدة من الخلايا الأربع الناتجة تكون أكبر حجماً لتصبح بويضة, أما الثلاث الباقية فهي تكون صغيرة الجحم ويطلق عليها اسم الأجسام القطبية Polar bodies وليس لها دور في عملية الإخصاب وتكوين الجنين, بل تتحلل فيما بعد.

إن الانقسام الاختزالي يضمن تحقيق التنوع الوراثي بطرق متعددة منها ما يحدث في المرحلة التمهيدية من الانقسام الاختزالي الأول حيث تتبادل الكروموسومات المتشابهة أجزاء منها من خلال عملية العبور Crossing over, وكذلك التوزيع العشوائي للكروموسومات المتشابهة في المرحلة الاستوائية.

<!--مقارنة بين الانقسامين الغير مباشر ( الميتوزي) والاختزالي (الميوزي)

الانقسام الغير مباشر (الميتوزي)	الانقسام الاختزالي (الميوزي)
يحدث في الخلايا الجسدية	يحدث في الخلايا الجنسية (المناسل)
يهدف إلى النمو وتعويض الأنسجة التالفة	يهدف إلى إنتاج الأمشاج (الجاميتات)
يتم على 4 مراحل	يتم على 8 مراحل
ينتج عنه خليتين	ينتج عنه أربع خلايا
الخلايا الناتجة تحتوي 2n	الخلايا الناتجة تحتوي 1n
لا تتم فيه عملية عبور وراثى	تتم فيه عملية عبور وراثى بين الكروماتيدات غير الشقيقة
الخلايا الناتجة تدخل في انقسامات أخرى	الخلايا الناتجة تدخل في انقسامات أخرى