را DNA خود‌به‌خود تغییر می‌کند؟

شکل ۱. دو پروتون، که به صورت سفید نشان ‌داده شده‌اند، در حال پرش بین نوکلئازها گوانین (چپ) و سیتوزین (راست) هستند، که یک جفت باز را در داخل رشته‌های DNA تشکیل می‌دهند.

منتشر‌شده در livescience به تاریخ ۱۰ مارس ۲۰۲۱
لینک منبع Why does DNA spontaneously mutate? Quantum physics might explain.

مطالعه اخیر نشان می‌دهد که مکانیک کوانتوم، که بر جهان کوچک ذره‌ای حکم می‌راند، ممکن است به توضیح این موضوع کمک کند که چرا جهش‌های ژنتیکی به طور خود به خود در DNA رشد می‌کنند در‌حالی‌که کپی خود را می‌سازد. مکانیک کوانتومی قوانین عجیبی را توصیف می‌کند که اتم‌ها و اجزای زیر‌اتمی آن‌ها را اداره می‌کنند. وقتی قوانین فیزیک کلاسیک، که جهان بزرگ را توصیف می‌کنند، تجزیه می‌شوند، کوانتوم وارد می‌شود تا توضیح دهد. در موردDNA، فیزیک کلاسیک یک توضیح برای اینکه چرا تغییرات می‌توانند به طور ناگهانی در یک پله از نردبان مارپیچی DNA ظاهر شوند ارائه می‌دهد، که منجر به چیزی می‌شود که جهش نقطه‌ای نامیده می‌شود.

در مطالعه‌ای که اخیرا در مجله "فیزیک شیمیایی شیمی فیزیکی" منتشر شده است، محققان توضیح دیگری را بررسی کرده‌اند که نشان می‌دهد یک پدیده کوانتومی به نام تونل‌زنی پروتون می‌تواند با اجازه دادن به پروتون‌های با بار مثبت در DNA برای جهش از مکان به مکان، باعث ایجاد جهش نقطه‌ای شود. این به نوبه خود، می‌تواند پل‌های هیدروژنی که دو طرف مارپیچ دوگانه DNAها را به هم متصل می‌کنند را به طور زیرکانه تغییر دهد، که می‌تواند منجر به بروز خطا در زمانی شود که دی‌ان‌ای زمان کپی کردن خود را دارد.

به طور خاص، این تغییر ظریف می‌تواند به طور بالقوه باعث اثر سو در توالی DNA شود، که در آن «حروف» اشتباه با هم به عنوان رشته جفت می‌شوند، نویسندگان مطالعه اشاره می‌کنند. این حروف، که به عنوان پایه شناخته می‌شوند، معمولا به شیوه‌ای خاص جفت می‌شوند: A تا T و G تا C اما تونل‌زنی پروتون می‌تواند برخی از پایه‌ها را ترکیب و تطبیق دهد.

سام هی، استاد شیمی محاسباتی و نظری در دانشگاه منچستر، که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: «کارهای محاسباتی زیادی در مورد پیوند هیدروژنی [ و ] انتقال پروتون در جفت باز DNA انجام شده ‌است.» او در ایمیلی به علوم زنده گفت: «این مقاله از محاسبات سطح بالا برای بررسی مجدد این پدیده استفاده می‌کند.»

با این حال، با توجه به محاسبات مورد استفاده، نویسندگان تنها می‌توانستند بخش‌های کوچکی از یک رشته DNA را در سطح پایه و جفت باز مدل کنند. هی اشاره کرد: این بدان معنی است که این مدل شامل دو طرف مارپیچ دوگانه DNA، و یا جفت‌های واقع در جای دیگری از رشته نیست. او گفت، این ساختارهای نزدیک ممکن است «اثر قابل‌توجهی» بر چگونگی آشکار شدن تونل‌زنی پروتون داشته باشند، اما برای مدل‌سازی کل رشته DNA به مقدار زیادی توان محاسباتی نیاز است. او گفت: «ما باید منتظر بمانیم تا قدرت محاسباتی یا روش بهتر شود قبل از اینکه بتوان به آن اشاره کرد.»

مطالعه مقاله آیا نیروی جاذبه ریشه در ذرات کوانتومی دارد؟ توصیه می‌شود.

کلاسیک در مقابل کوانتومی

حال، فیزیک کلاسیک توضیح می‌دهد که چرا پروتون‌ها در DNA به این طرف و آن طرف می‌پرند. جفت پایه‌های DNA توسط پیوندهای هیدروژنی در وسط به هم متصل می‌شوند - یک جاذبه نسبتا ضعیف بین اتم‌های هیدروژن و مولکول‌های موجود در بازها. این پیوندها می‌توانند با گرما شکسته شوند چون با افزایش دما، مولکول‌ها به شدت تکان می‌خورند و تکان می‌خورند و باعث می‌شوند که اتم‌های هیدروژن از جای خود بیرون بیایند.

لویی ساج، یکی از نویسندگان این تحقیق، دانشجوی دکترای مرکز آموزش زیست‌شناسی کوانتوم در دانشگاه سورریهولم در انگلستان، گفت: «شما می‌توانید به کل محیط در حال لرزش و تکان خوردن فکر کنید… همه چیز پویا و در حال حرکت است.» او گفت: اتم‌ها در هر دمایی بالاتر از صفر مطلق تکان می‌خورند چون گرما انرژی جنبشی یا حرکت آن‌ها را افزایش می‌دهد.

با توجه به ترمودینامیک کلاسیک، این حرکت گاهی اوقات به اتم‌های هیدروژن اجازه می‌دهد که به موقعیت‌های جدیدی درDNA بپرند و به طور خلاصه پیوندهای جدیدی را ایجاد کنند. اما اتم‌ها خیلی زود به مکان اصلی خود باز می‌گردند؛ به دلیل ساختار مولکولی پایگاه‌های DNA، اتم‌های هیدروژن تمایل دارند که در یک موقعیت «پایدار» بین جفت‌ها ساکن شوند، جایی که بیشتر وقت خود را در آن سپری می‌کنند، و فقط به طور خلاصه به موقعیت‌های غیر‌معمول «ناپایدار» فرار می‌کنند.

اتم‌های هیدروژن فقط شامل یک پروتون، یک الکترون با بار منفی و بدون نوترون هستند؛ در طول تشکیل DNA، این اتم‌ها الکترون خود را به یک باز در جفت وقتی که یک پیوند تشکیل می‌دهند، «از دست می‌دهند». بنابراین در واقع، وقتی اتم‌های هیدروژن از یک طرف رشته DNA به طرف دیگر می‌پرند، به عنوان یک پروتون حرکت می‌کنند، از این رو دانشمندان به این پدیده به عنوان «انتقال پروتون» اشاره می‌کنند.( طبق گزارش سال ۲۰۱۴ در مجله شمارش تحقیقات شیمیایی.)

اما بر اساس مطالعه جدید، انتقال پروتون کلاسیک برای همه مواردی که پروتون‌ها در DNA بازتاب می‌کنند، در نظر گرفته نمی‌شود. « اساسا، چیزی که ما در‌می‌یابیم این است که مقدار این اتفاق فقط از طریق ترمودینامیک کلاسیک بسیار کم است، در مقایسه با زمانی که ما اعداد را برای نرخ‌های کوانتومی اجرا می‌کنیم.» او گفت: به عبارت دیگر، تونل‌زنی پروتون احتمالا باعث پرش پروتون بیشتری نسبت به تنها گرما می‌شود.

شاید مطالعه مقاله دانشمندان ساختار کوانتومی اولیه جهان ما را شبیه‌سازی کردند. برای شما جذاب باشد.

عبور از مانع

تونل‌زنی پروتون متکی بر اصل کوانتومی عدم قطعیت است که در جهان بزرگ‌تر اعمال نمی‌شود. به عنوان مثال، در دنیای چیزهای بزرگ، فرد می‌تواند هم از موقعیت یک قطار و هم از سرعتی که حرکت می‌کند مطمئن باشد، و با استفاده از آن اطلاعات، فرد می‌تواند پیش‌بینی کند که آن قطار چه زمانی باید به ایستگاه بعدی برسد.

با این حال، وقتی نوبت به ذرات زیر‌اتمی می‌رسد، مکان و سرعت دقیق آن‌ها را نمی‌توان همزمان محاسبه کرد؛ دانشمندان تنها می‌توانند یک تصویر مبهم از آنچه که یک ذره با محاسبه احتمال ظاهر شدن آن در یک نقطه خاص، با سرعت خاصی به آن می‌رسد، به دست آورند. در زمینه تونل‌زنی پروتون، دانشمندان می‌توانند احتمال وجود یک پروتون در یک موقعیت یا موقعیت دیگر را محاسبه کنند - و از لحاظ نظری این احتمال وجود دارد که پروتون به معنای واقعی کلمه در هر نقطه از جهان باشد.

این بدان معنی است که ذرات می‌توانند از موانعی عبور کنند که به نظر نمی‌رسد قادر به عبور از آن‌ها باشند و حتی گاهی اوقات به آن‌ها اجازه می‌دهند از میان دیوارها بپرند.

برای پیش‌بینی اینکه انتقال پروتون چه زمانی و در کجا ممکن است در DNA رخ دهد، تیم مقدار انرژی مورد نیاز برای ذرات برای شکستن از موقعیت‌های «پایدار» خود و به موقعیت‌های «ناپایدار» را تعیین کرد. این آستانه به عنوان «مانع انرژی» شناخته می‌شود و انرژی مورد نیاز برای بازگشت به حالت پایدار «مانع معکوس» است.

این تیم دریافت که سد انرژی برای انتقال پروتون کلاسیک، که ناشی از حرارت است، در مقایسه با تونل‌زنی پروتون بسیار بالا است. نرخ پیش‌بینی شده ‌برای تونل‌زنی پروتون تا‌کنون از نرخ انتقال کلاسیک فراتر رفته است که بدون در نظر گرفتن تونل‌زنی، احتمال جهش یک پروتون به پایهDNA مخالف، «بسیار بسیار نزدیک به صفر» خواهد بود.

هی به علوم زنده گفت: «با توجه به محدودیت‌های محاسبات نویسندگان، به نظر می‌رسد که تونل‌زنی نقش نسبتا بزرگی را در طول انتقال پروتون بین پایه‌ها در یک جفت بازی می‌کند.»

این تیم همچنین دریافت که سد معکوس برای تونل‌زنی پروتون بین جفت A-T بسیار کم‌تر از جفت G-C است. این بدان معناست که، در صورتی‌که یک پروتون از سمتA به سمت T یک جفت تونل بزند، برای مثال، «به سرعت به عقب بر‌می‌گردد»؛ مانع معکوس به قدری پایین است که پروتون به راحتی به حالت پایدار خود باز می‌گردد.

اسلوکومب گفت: «در‌حالی‌که برای جی-سی، این مانع معکوس نسبتا بزرگی دارد، که به این معنی است که دولت برای بخش قابل‌توجهی از زمان تا حدودی پایدار است.» بنابراین زمانی که یک پروتون سد انرژی یک جفتG-C را پر کرد، ممکن است برای مدتی در موقعیت ناپایدار خود باقی بماند. اگر این اتفاق درست قبل از شروع تکثیرDNA رخ دهد، پروتون ممکن است در «سمت اشتباه» رشته گیر کند.

به این دلیل که، برای کپی کردن خود، DNA ابتدا زیپ را باز می‌کند، و پیوندهای بین جفت باز را می‌شکند. آنزیمی به نام پلیمراز سپس به سرعت وارد می‌شود و شروع به برازش بازهای جدید در شکاف‌های باز می‌کند، مانند قطعات پازل. مشکل این است که وقتی پلیمراز با یک پروتون در یک موقعیت ناپایدار مواجه می‌شود، می‌تواند به انتخاب قطعه پازل اشتباه برای پایه متصل شده پایان دهد. برای مثال، یک پروتون ممکن است به یکG جهش کند، و وقتی پلیمراز رخ می‌دهد، آنزیم یک T را به جایC به آن متصل می‌کند و متوجه خطا نمی‌شود.

ممکن است به مطالعه مقاله ۵ شغلی که می‌توانند آینده مراقبت‌های بهداشتی و سلامتی باشند. علاقمند باشید.

سوال یک میلیون‌دلاری

این نوع خطا در تکثیر DNA برای اولین بار توسط زیست‌شناس جیمز واتسون و فیزیک‌دان فرانسیس کریک مشاهده شد که برخی از مطالعات اولیه DNA را با توجه به کتاب «مقدمه‌ای بر تجزیه و تحلیل ژنتیکی» انجام دادند (W. اچ فریمن، ۲۰۰۰). مطالعه جدید این مورد را ایجاد می‌کند که تونل‌زنی پروتون - بیشتر از ترمودینامیک - ممکن است مسئول این جهش‌ها باشد.

بنابراین «درست قبل از فرآیند تقسیم، شما یک لحظه آسیب‌پذیری دارید، جایی که این اثر کوانتومی، که معمولا اصلا مهم نیست، اکنون غیر‌بدیهی است.» به گفته محققان، جهش‌های نقطه‌ای که ممکن است از این خطاها ناشی شوند ممکن است بی‌اهمیت باشند، و هیچ تغییری در نحوه عملکرد سلول‌ها یا ساخت پروتئین‌ها ایجاد نکنند؛ اما آن‌ها همچنین می‌توانند مخرب باشند، و به بیماری‌هایی مانند کم‌خونی سلول داسی‌شکل و انواع خاصی از سرطان، مانند سرطان ریه سلول غیر کوچک کمک کنند. در برخی از سناریوها، جهش‌های نقطه‌ای نیز می‌توانند مفید باشند.

هی اشاره کرد، حتی با این وجود، دانشمندان هنوز نمی‌دانند که یک پروتون چقدر باید در موقعیت ناپایدار خود بماند تا چنین جهش نقطه‌ای واقعا رخ دهد. او گفت: و دوباره، مطالعه جدید تنها بخش کوچکی از رشته DNA را مدل‌سازی کرد، و کل سیستم باید مدل‌سازی شود تا درک کند که تونل‌زنی پروتون چقدر اتفاق می‌افتد.

اسلوکامب و همکارانش در حال حاضر در حال کار بر روی مدل کردن محیط بزرگ‌تری هستند که جفت پایه را احاطه کرده است؛ به این ترتیب، آن‌ها می‌توانند کشف کنند که چگونه فیزیک کوانتومی و کلاسیک با دی‌ان‌ای کشتی می‌گیرند و پرش پروتون را از طریق مکانیزم‌های مختلف انجام می‌دهند. این خط تحقیق باید کمک کند تا مشخص شود که چه شرایطی انتقال پروتون را محتمل‌تر می‌کند و این پدیده چگونه باعث ایجاد جهش‌های ژنتیکی مضر می‌شود.

ساج گفت: « این یک سوال یک میلیون‌دلاری است.»

بازسازی دی‌ان‌ای

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

آسیب به دی‌ان‌ای منجر به ایجاد چندین شکستگی در کروموزوم‌ها 8شده‌است.

بازسازی دی‌ان‌ای به مجموعه‌ای از فرایندهای مولکولی گفته می‌شود که در آن یک سلول شناسایی و آسیب وارد شده به دی‌ان‌ای آن اصلاح می‌گردد. به عبارت دیگر، در فرایند بازسازی دی‌ان‌ای، ژنوم سلول مجدداً کدگذاری می‌شود. در سلول‌های انسان، هم فعالیت‌های متابولیکی طبیعی و هم فاکتورهای زیست‌محیطی مانند نور و تشعشع فرابنفش می‌تواند باعث آسیب به دی‌ان‌ای شود. آسیب ژنوم سلول‌های انسان به میزان ۱ میلیون ضایعه مولکولی به ازای هر سلول در هر روز رخ می‌دهد.^[۱] بیشتر این آسیب‌ها مربوط به ساختار مولکول دی‌ان‌ای است و می‌تواند توانایی سلول را برای رونویسی ژن مؤثر در کدگذاری دی‌ان‌ای تحت تأثیر قرار دهد. آسیب‌های دیگر به صورت بالقوه منجر به ایجاد جهش‌های مضر در ژنوم سلولی می‌شوند که بر روی زنده ماندن سلول‌های دختر بعد از رشتمان اثر می‌گذارد. فرایند بازسازی دی‌ان‌ای به صورت دائمی فعال است و به آسیب وارد شده بر ساختار دی‌ان‌ای پاسخ می‌دهد. زمانی که فرایند بازسازی نرمال دچار مشکل شده و خزان یاخته‌ای رخ نمی‌دهد، این امکان وجود دارد که دی‌ان‌ای آسیب دیده و بازسازی ناپذیری ایجاد شود. این وضعیت با شکستگی‌ها در رشته دوگانه و هم بری یا اتصال عرضی دی‌ان‌ای همراه خواهد بود. پیوند اشتراکی بین دو تیمین مجاور نتیجه این جهش است. (اتصال عرضی بین رشته‌ای یا ICL^[۲][۳]

میزان بازسازی دی‌ان‌ای بستگی به فاکتورهای زیادی دارد که شامل نوع، سن و محیط درون سلول می‌باشد. یک سلول ممکن است شامل مقدار زیادی از دی‌ان‌ای های آسیب دیده یا به صورت بازسازی‌های نامؤثری باشد. چنین شرایطی می‌تواند در یکی از سه حالت زیر رخ دهد:

1. حالت برگشت‌ناپذیر خفتگی یا کمون که به صورت فرایند پیری شناخته شده‌است.
2. زیان رساندن سلول به خود (خودکشی سلول) که تحت عنوان خزان یاخته‌ای یا مرگ برنامه‌ریزی شده سلولی شناخته می‌شود.
3. تقسیم سلولی نامنظم که می‌تواند منجر به شکل‌گیری توموری شود که سرطان نام دارد.

توانایی بازسازی دی‌ان‌ای در یک سلول برای یکپارچگی ژنوم و بنابراین برای عملکرد طبیعی ارگانیسم نیز حیاتی است. بیشتر ژن‌ها به صورت ابتدایی مؤثر بر طول عمر نشان داده شده‌است که بر روی بازسازی دی‌ان‌ای آسیب‌دیده و حفاظت از آن تأثیر دارد.^[۴]

پال مودریچ

جایزهٔ نوبل ۲۰۱۵ شیمی به منظور کار بر روی سازوکار مولکولی فرایندهای بازسازی دی‌ان‌ای، به توماس لیندال، پال مودریچ و عزیز سنجر اعطا گردید.^[۵][۶]

آسیب به دی‌ان‌ای[ویرایش]

دی‌ان‌ای آسیب‌دیده ناشی از فاکتورهای زیست‌محیطی و فرایندهای متابولیک طبیعی در درون سلول، به میزان ۱۰۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰۰ آسیب و زخم مولکولی به ازای هر سلول در هر روز اتفاق می‌افتد.^[۱] در حالی که این تنها شامل ۰۰۰۱۶۵/۰ درصد از تقریباً ۶ بیلیون ژنوم بازی (۳ بیلیون جفت باز) است، زخم‌های (آسیب‌های) بازسازی نشده در ژن‌های حیاتی (مانند ژن سرکوبگر غده) می‌توانند مانع توانایی سلول برای اجرای عملکردشان و افزایش ارزیابی احتمال شکل‌گیری تومور و مشارکت در ناهمسانی توموری شود.

اکثر دی‌ان‌ای‌های آسیب دیده بر روی ساختار اولیه هلیکس دوگانه اثر می‌گذارند که در این صورت بازها خودشان از نظر شیمیایی تغییر می‌یابند. این تغییرات می‌تواند در ابتدا منجر به تخریب ساختار مارپیچی منظم مولکولی با معرفی پیوندهای شیمیایی غیر وابسته به مکان خاصی یا ترکیب‌های افزایشی حجیم شود که متناسب با ساختار مارپیچی دوگانه استاندارد نیست. برخلاف پروتئین‌ها و آران‌ای، دی‌ان‌ای معمولاً فاقد ساختار جابه‌جاسازی سه اتم یا بنیان است و بنابراین آسیب یا فروپاشی در این سطح رخ نمی‌دهد. به هر حال دی‌ان‌ای فوق مارپیچ و زخم در اطراف پروتئین‌های بسته‌بندی‌کننده، هیستون نام دارد (در یوکاریوت‌ها) و هر دو ساختار فوق به اثرات مربوط به آسیب دی‌ان‌ای آسیب‌پذیر هستند.

منابع آسیب[ویرایش]

آسیب دی‌ان‌ای می‌تواند به دو نوع اصلی تقسیم گردد:

1. آسیب‌های درون‌زاد مانند حمله گونه‌های دارای اکسیژن فعال‌شده که توسط محصولات جانبی متابولیک نرمال تولید می‌شود (جهش خود به خودی)، به ویژه می‌توان به فرایند ازدست‌دادن آمین‌اکسیداتیو اشاره کرد.
   1. همچنین شامل تکرار خطا نیز می‌شود.
2. آسیب برون زا که توسط عوامل خارجی به وجود می‌آید و عبارتند از:
   1. اشعه ماورا بنفش (UV 200 تا ۴۰۰ نانومتر) خورشید
   2. دیگر فرکانس‌های تشعشعی شامل پرتو ایکس و پرتو گاما
   3. آبکافت یا تخریب حرارتی
   4. زهرابه‌های گیاهی خاص
   5. مواد شیمیایی ساخته دست بشر که جهش‌زا هستند به خصوص ترکیبات آروماتیک که به عنوان عوامل جهش زا دی‌ان‌ای نیز عمل می‌کنند.
   6. ویروس‌ها^[۷].

تکرار دی‌ان‌ای آسیب دیده قبل از تقسیم سلولی می‌تواند منجر به درآمیختن غلط بازهای مخالف که آسیب زا هستند، شود. سلول‌های دختری که از این بازهای غلط به ارث رسیده‌اند جهش‌هایی را انتقال می‌دهند که از توالی اصلی دی‌ان‌ای غیرقابل جبران هستند (به جز در مورد نادری که به عنوان مثل جهش رو به عقب از طریق تبدیل ژن صورت می‌گیرد).

انواع آسیب‌ها[ویرایش]

چندین نوع آسیب به دی‌ان‌ای وجود دارد که ناشی از فرایندهای سلولی داخلی هستند:

1. آلکیل‌دار کردن بازها (برای مثال ۸- اکسو- ۷ و ۸- دی هیدروگانین (8-oxoG)) و وقفه در تولید رشته دی‌ان‌ای از گونه‌های اکسیژن فعال شده
2. متیل‌دار کردن بازها (معمولاً متیلی شدن) مانند شکل‌گیری ۷- متیل گانین، ۱- متیل آدنین، ۶-او-متیل‌گوانین
3. آبکافت بازها مانند از دست دادن گروه آمین، دی‌آمیناسیون و دیپوریاسیون.
4. تشکیل ترکیبات ورینی بزرگ (به عنوان مثال بنزو (آ) پیرین دی ال اپوکسید- dG ورینی، آریستولاکتام I-dA ورینی)
5. جور شدن اشتباه بازها به دلیل خطاها در هم‌تاسازی و همانندسازی دی‌ان‌ای که در این صورت باز اشتباه دی‌ان‌ای در مکان شکل‌گیری رشته جدید دی‌ان‌ای قرار می‌گیرد یا این باز دی‌ان‌ای از مکان مورد نظر خارج می‌شود.
6. آسیب تک ورینی که منجر به ایجاد تغییر در تک بازهای نیتروژنی دی‌ان‌ای می‌شوند.
7. آسیب دی ورینی

آسیب ایجاد شده توسط عوامل خارجی به شکل‌های مختلفی بروز می‌کند. برخی از مثال‌ها در این زمینه عبارتند از:

1. نور UV-B که منجر به شکل‌گیری پیوندهای غلط بین سیتوزین‌های مجاور و بازهای تیامین می‌شود که ایجادکننده دیمرهای پیریمیدین است. این حالت آسیب مستقیم به دی‌ان‌ای نام دارد.
2. نور UV-A به مقدار زیادی رادیکال‌های آزاد تولید می‌کند. آسیب ایجاد شده توسط رادیکال‌های آزاد آسیب غیر مستقیم به دی‌ان‌ای نام دارد.
3. پرتو یونی مانند آنچه توسط تجزیه رادیو اکتیو یا در پرتوهای کیهانی رخ می‌دهد که می‌تواند باعث شکستن رشته‌های دی‌ان‌ای شود. اشعه یونیزاسیون در سطح کم ممکن است ایجادکننده آسیب‌های جبران‌ناپذیری به دی‌ان‌ای باشد (منجر به ایجاد خطاهای همتاسازی و نسخه‌نویسی می‌شود که برای نئوپلازیا مورد نیاز است یا برای تداخلات ویروسی نیاز است) که منجر به پیری قبل از رسیدن به بلوغ یا سرطان می‌شود.^{[۸][۹][۱۰]}
4. اختلال حرارتی در مقادیر بالای دمایی منجر به افزایش دیپیوریاسیون (از دست دادن بازهای پورین از چارچوب اصلی دی‌ان‌ای) و شکستن رشته‌های مجزا و تکی می‌شود. به عنوان مثال هیدرولیز دی پیوریلیشن در باکتری گرمادوست مشاهده شده‌است که در چشمه‌های آب گرم در دمای ۴۰ تا ۸۰ درجه سلسیوس رشد می‌کنند.^[۱۱][۱۲] میزان دی پیوریشن یا تخریب بازهای پورین (۳۰۰ پورین باقی‌مانده به ازای هر ژنوم به ازای هر نسل) در این گونه‌ها بالا است که توسط مکانیسم بازسازی نرمال بازسازی می‌گردد و بنابراین احتمالاً امکان رد کردن رفتار ناسازگارانه وجود ندارد.
5. مواد شیمیایی صنعتی مانند وینیل کلرید و هیدروژن پراکسید و مواد شیمیایی زیست‌محیطی مانند هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای یافت شده در دود و دوده می‌توانند ورین‌های دی‌ان‌ای گوناگون، اتانوبازها، بازهای اکسید شده، فسفوتری استرهای قلیایی شده و دی‌ان‌ای و دی‌ان‌ای کراس لینکینگ را ایجاد نمایند.

آسیب UV، قلیایی شدن، متیلی شدن، آسیب اشعه ایکس و آسیب اکسیدی شدن مثال‌هایی از آسیب‌های ذکر شده هستند. آسیب خود به خودی می‌تواند شامل از دست دادن باز، دامانسیون، شکستن حلقه شکر و تغییر در تاتومریک باشد.^[۱۳]

آسیب هسته‌ای در مقابل آسیب به دی‌ان‌ای میتوکندری[ویرایش]

در سلول‌های انسان، و در سلول‌های یوکاریوتی به صورت کلی، دی‌ان‌ای در دو موقعیت سلولی در درون هسته‌ها و در درون میتوکندری یافت می‌گردد. دی‌ان‌ای هسته یا nدی‌ان‌ای به صورت کروماتین در مراحل غیر همانند چرخه سلولی وجود دارد و به صورت ساختار دانه‌ای متراکم تحت عنوان کروموزوم‌ها در طول تقسیم یاخته متراکم شده‌است. در هر مرحله، دی‌ان‌ای به مقدار زیادی فشرده می‌گردد و در اطراف پروتئین‌های مهره مانند به نام هیستون‌ها چرخش می‌یابد. در هر جایی که سلول نیاز به بیان اطلاعات ژنتیکی کدگذاری شده در nدی‌ان‌ای خودش داشته باشد در این صورت ناحیه کروموزومی مورد نیاز از هم می‌پاشد، ژن‌های واقع بر روی آن بیان می‌گردند و سپس ناحیه به ساختار استراحت خود به حالت متراکم بازمی‌گردد. دی‌ان‌ای میتوکندری یا mtدی‌ان‌ای درون اندامکهای میتوکندری قرار دارد، که از آن چندین کپی وجود دارد و علاوه بر این به مقدار زیادی در ارتباط با تعدادی از شکل‌های پروتئینی پیچیده است که تحت عنوان نوکلوئید شناخته شده‌اند. درون میتوکندری، گونه‌های اکسیژن رآکتیو یا ROS یا رادیکال‌های آزاد محصولات جانبی تولید ثابت آدنوزین تری‌فسفات یا ATP از طریق فسفرگیری اکسایشی هستند که ایجاد محیطی اکسیداتیو می‌کنند که برای آسیب به mtدی‌ان‌ای شناخته شده‌است. آنزیم اصلی برای مقابله با سمیت این گونه‌ها سوپر اکسید دیسموتاز است که هم در میتوکندری و هم در سیتوپلاسم سلول‌های یوکاریوتی وجود دارد.

https://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A8%D8%A7%D8%B2%D8%B3%D8%A7%D8%B2%DB%8C_%D8%AF%DB%8C%E2%80%8C%D8%A7%D9%86%E2%80%8C%D8%A7%DB%8C

مطالعات اخیر نشان می‌دهد که مکانیک کوانتوم، که بر جهان کوچک ذره‌ای حکم می‌راند، ممکن است به توضیح این موضوع کمک کند که چرا جهش‌های ژنتیکی به طور خود به خود در DNA رشد می‌کنند در‌حالی‌که کپی خود را می‌سازد. مکانیک کوانتومی قوانین عجیبی را توصیف می‌کند که اتم‌ها و اجزای زیر‌اتمی آن‌ها را اداره می‌کنند. وقتی قوانین فیزیک کلاسیک، که جهان بزرگ را توصیف می‌کنند، تجزیه می‌شوند، کوانتوم وارد می‌شود تا توضیح دهد. در موردDNA، فیزیک کلاسیک یک توضیح برای اینکه چرا تغییرات می‌توانند به طور ناگهانی در یک پله از نردبان مارپیچی DNA ظاهر شوند ارائه می‌دهد، که منجر به چیزی می‌شود که جهش نقطه‌ای نامیده می‌شود.

در مطالعه‌ای که اخیرا در مجله "فیزیک شیمیایی شیمی فیزیکی" منتشر شده است، محققان توضیح دیگری را بررسی کرده‌اند که نشان می‌دهد یک پدیده کوانتومی به نام تونل‌زنی پروتون می‌تواند با اجازه دادن به پروتون‌های با بار مثبت در DNA برای جهش از مکان به مکان، باعث ایجاد جهش نقطه‌ای شود. این به نوبه خود، می‌تواند پل‌های هیدروژنی که دو طرف مارپیچ دوگانه DNAها را به هم متصل می‌کنند را به طور زیرکانه تغییر دهد، که می‌تواند منجر به بروز خطا در زمانی شود که دی‌ان‌ای زمان کپی کردن خود را دارد.

به طور خاص، این تغییر ظریف می‌تواند به طور بالقوه باعث اثر سو در توالی DNA شود، که در آن «حروف» اشتباه با هم به عنوان رشته جفت می‌شوند، نویسندگان مطالعه اشاره می‌کنند. این حروف، که به عنوان پایه شناخته می‌شوند، معمولا به شیوه‌ای خاص جفت می‌شوند: A تا T و G تا C اما تونل‌زنی پروتون می‌تواند برخی از پایه‌ها را ترکیب و تطبیق دهد.

سام هی، استاد شیمی محاسباتی و نظری در دانشگاه منچستر، که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: «کارهای محاسباتی زیادی در مورد پیوند هیدروژنی [ و ] انتقال پروتون در جفت باز DNA انجام شده ‌است.» او در ایمیلی به علوم زنده گفت: «این مقاله از محاسبات سطح بالا برای بررسی مجدد این پدیده استفاده می‌کند.»

با این حال، با توجه به محاسبات مورد استفاده، نویسندگان تنها می‌توانستند بخش‌های کوچکی از یک رشته DNA را در سطح پایه و جفت باز مدل کنند. هی اشاره کرد: این بدان معنی است که این مدل شامل دو طرف مارپیچ دوگانه DNA، و یا جفت‌های واقع در جای دیگری از رشته نیست. او گفت، این ساختارهای نزدیک ممکن است «اثر قابل‌توجهی» بر چگونگی آشکار شدن تونل‌زنی پروتون داشته باشند، اما برای مدل‌سازی کل رشته DNA به مقدار زیادی توان محاسباتی نیاز است. او گفت: «ما باید منتظر بمانیم تا قدرت محاسباتی یا روش بهتر شود قبل از اینکه بتوان به آن اشاره کرد.»

کلاسیک در مقابل کوانتومی

حال، فیزیک کلاسیک توضیح می‌دهد که چرا پروتون‌ها در DNA به این طرف و آن طرف می‌پرند. جفت پایه‌های DNA توسط پیوندهای هیدروژنی در وسط به هم متصل می‌شوند - یک جاذبه نسبتا ضعیف بین اتم‌های هیدروژن و مولکول‌های موجود در بازها. این پیوندها می‌توانند با گرما شکسته شوند چون با افزایش دما، مولکول‌ها به شدت تکان می‌خورند و تکان می‌خورند و باعث می‌شوند که اتم‌های هیدروژن از جای خود بیرون بیایند.

لویی ساج، یکی از نویسندگان این تحقیق، دانشجوی دکترای مرکز آموزش زیست‌شناسی کوانتوم در دانشگاه سورریهولم در انگلستان، گفت: «شما می‌توانید به کل محیط در حال لرزش و تکان خوردن فکر کنید… همه چیز پویا و در حال حرکت است.» او گفت: اتم‌ها در هر دمایی بالاتر از صفر مطلق تکان می‌خورند چون گرما انرژی جنبشی یا حرکت آن‌ها را افزایش می‌دهد.

با توجه به ترمودینامیک کلاسیک، این حرکت گاهی اوقات به اتم‌های هیدروژن اجازه می‌دهد که به موقعیت‌های جدیدی درDNA بپرند و به طور خلاصه پیوندهای جدیدی را ایجاد کنند. اما اتم‌ها خیلی زود به مکان اصلی خود باز می‌گردند؛ به دلیل ساختار مولکولی پایگاه‌های DNA، اتم‌های هیدروژن تمایل دارند که در یک موقعیت «پایدار» بین جفت‌ها ساکن شوند، جایی که بیشتر وقت خود را در آن سپری می‌کنند، و فقط به طور خلاصه به موقعیت‌های غیر‌معمول «ناپایدار» فرار می‌کنند.

اتم‌های هیدروژن فقط شامل یک پروتون، یک الکترون با بار منفی و بدون نوترون هستند؛ در طول تشکیل DNA، این اتم‌ها الکترون خود را به یک باز در جفت وقتی که یک پیوند تشکیل می‌دهند، «از دست می‌دهند». بنابراین در واقع، وقتی اتم‌های هیدروژن از یک طرف رشته DNA به طرف دیگر می‌پرند، به عنوان یک پروتون حرکت می‌کنند، از این رو دانشمندان به این پدیده به عنوان «انتقال پروتون» اشاره می‌کنند.( طبق گزارش سال ۲۰۱۴ در مجله شمارش تحقیقات شیمیایی.)

اما بر اساس مطالعه جدید، انتقال پروتون کلاسیک برای همه مواردی که پروتون‌ها در DNA بازتاب می‌کنند، در نظر گرفته نمی‌شود. « اساسا، چیزی که ما در‌می‌یابیم این است که مقدار این اتفاق فقط از طریق ترمودینامیک کلاسیک بسیار کم است، در مقایسه با زمانی که ما اعداد را برای نرخ‌های کوانتومی اجرا می‌کنیم.» او گفت: به عبارت دیگر، تونل‌زنی پروتون احتمالا باعث پرش پروتون بیشتری نسبت به تنها گرما می‌شود.

عبور از مانع

تونل‌زنی پروتون متکی بر اصل کوانتومی عدم قطعیت است که در جهان بزرگ‌تر اعمال نمی‌شود. به عنوان مثال، در دنیای چیزهای بزرگ، فرد می‌تواند هم از موقعیت یک قطار و هم از سرعتی که حرکت می‌کند مطمئن باشد، و با استفاده از آن اطلاعات، فرد می‌تواند پیش‌بینی کند که آن قطار چه زمانی باید به ایستگاه بعدی برسد.

با این حال، وقتی نوبت به ذرات زیر‌اتمی می‌رسد، مکان و سرعت دقیق آن‌ها را نمی‌توان همزمان محاسبه کرد؛ دانشمندان تنها می‌توانند یک تصویر مبهم از آنچه که یک ذره با محاسبه احتمال ظاهر شدن آن در یک نقطه خاص، با سرعت خاصی به آن می‌رسد، به دست آورند. در زمینه تونل‌زنی پروتون، دانشمندان می‌توانند احتمال وجود یک پروتون در یک موقعیت یا موقعیت دیگر را محاسبه کنند - و از لحاظ نظری این احتمال وجود دارد که پروتون به معنای واقعی کلمه در هر نقطه از جهان باشد.

این بدان معنی است که ذرات می‌توانند از موانعی عبور کنند که به نظر نمی‌رسد قادر به عبور از آن‌ها باشند و حتی گاهی اوقات به آن‌ها اجازه می‌دهند از میان دیوارها بپرند.

برای پیش‌بینی اینکه انتقال پروتون چه زمانی و در کجا ممکن است در DNA رخ دهد، تیم مقدار انرژی مورد نیاز برای ذرات برای شکستن از موقعیت‌های «پایدار» خود و به موقعیت‌های «ناپایدار» را تعیین کرد. این آستانه به عنوان «مانع انرژی» شناخته می‌شود و انرژی مورد نیاز برای بازگشت به حالت پایدار «مانع معکوس» است.

این تیم دریافت که سد انرژی برای انتقال پروتون کلاسیک، که ناشی از حرارت است، در مقایسه با تونل‌زنی پروتون بسیار بالا است. نرخ پیش‌بینی شده ‌برای تونل‌زنی پروتون تا‌کنون از نرخ انتقال کلاسیک فراتر رفته است که بدون در نظر گرفتن تونل‌زنی، احتمال جهش یک پروتون به پایهDNA مخالف، «بسیار بسیار نزدیک به صفر» خواهد بود.

هی به علوم زنده گفت: «با توجه به محدودیت‌های محاسبات نویسندگان، به نظر می‌رسد که تونل‌زنی نقش نسبتا بزرگی را در طول انتقال پروتون بین پایه‌ها در یک جفت بازی می‌کند.»

این تیم همچنین دریافت که سد معکوس برای تونل‌زنی پروتون بین جفت A-T بسیار کم‌تر از جفت G-C است. این بدان معناست که، در صورتی‌که یک پروتون از سمتA به سمت T یک جفت تونل بزند، برای مثال، «به سرعت به عقب بر‌می‌گردد»؛ مانع معکوس به قدری پایین است که پروتون به راحتی به حالت پایدار خود باز می‌گردد.

اسلوکومب گفت: «در‌حالی‌که برای جی-سی، این مانع معکوس نسبتا بزرگی دارد، که به این معنی است که دولت برای بخش قابل‌توجهی از زمان تا حدودی پایدار است.» بنابراین زمانی که یک پروتون سد انرژی یک جفتG-C را پر کرد، ممکن است برای مدتی در موقعیت ناپایدار خود باقی بماند. اگر این اتفاق درست قبل از شروع تکثیرDNA رخ دهد، پروتون ممکن است در «سمت اشتباه» رشته گیر کند.

به این دلیل که، برای کپی کردن خود، DNA ابتدا زیپ را باز می‌کند، و پیوندهای بین جفت باز را می‌شکند. آنزیمی به نام پلیمراز سپس به سرعت وارد می‌شود و شروع به برازش بازهای جدید در شکاف‌های باز می‌کند، مانند قطعات پازل. مشکل این است که وقتی پلیمراز با یک پروتون در یک موقعیت ناپایدار مواجه می‌شود، می‌تواند به انتخاب قطعه پازل اشتباه برای پایه متصل شده پایان دهد. برای مثال، یک پروتون ممکن است به یکG جهش کند، و وقتی پلیمراز رخ می‌دهد، آنزیم یک T را به جایC به آن متصل می‌کند و متوجه خطا نمی‌شود.

ممکن است به مطالعه مقاله ۵ شغلی که می‌توانند آینده مراقبت‌های بهداشتی و سلامتی باشند. علاقمند باشید.

سوال یک میلیون‌دلاری

این نوع خطا در تکثیر DNA برای اولین بار توسط زیست‌شناس جیمز واتسون و فیزیک‌دان فرانسیس کریک مشاهده شد که برخی از مطالعات اولیه DNA را با توجه به کتاب «مقدمه‌ای بر تجزیه و تحلیل ژنتیکی» انجام دادند (W. اچ فریمن، ۲۰۰۰). مطالعه جدید این مورد را ایجاد می‌کند که تونل‌زنی پروتون - بیشتر از ترمودینامیک - ممکن است مسئول این جهش‌ها باشد.

بنابراین «درست قبل از فرآیند تقسیم، شما یک لحظه آسیب‌پذیری دارید، جایی که این اثر کوانتومی، که معمولا اصلا مهم نیست، اکنون غیر‌بدیهی است.» به گفته محققان، جهش‌های نقطه‌ای که ممکن است از این خطاها ناشی شوند ممکن است بی‌اهمیت باشند، و هیچ تغییری در نحوه عملکرد سلول‌ها یا ساخت پروتئین‌ها ایجاد نکنند؛ اما آن‌ها همچنین می‌توانند مخرب باشند، و به بیماری‌هایی مانند کم‌خونی سلول داسی‌شکل و انواع خاصی از سرطان، مانند سرطان ریه سلول غیر کوچک کمک کنند. در برخی از سناریوها، جهش‌های نقطه‌ای نیز می‌توانند مفید باشند.

هی اشاره کرد، حتی با این وجود، دانشمندان هنوز نمی‌دانند که یک پروتون چقدر باید در موقعیت ناپایدار خود بماند تا چنین جهش نقطه‌ای واقعا رخ دهد. او گفت: و دوباره، مطالعه جدید تنها بخش کوچکی از رشته DNA را مدل‌سازی کرد، و کل سیستم باید مدل‌سازی شود تا درک کند که تونل‌زنی پروتون چقدر اتفاق می‌افتد.

اسلوکامب و همکارانش در حال حاضر در حال کار بر روی مدل کردن محیط بزرگ‌تری هستند که جفت پایه را احاطه کرده است؛ به این ترتیب، آن‌ها می‌توانند کشف کنند که چگونه فیزیک کوانتومی و کلاسیک با دی‌ان‌ای کشتی می‌گیرند و پرش پروتون را از طریق مکانیزم‌های مختلف انجام می‌دهند. این خط تحقیق باید کمک کند تا مشخص شود که چه شرایطی انتقال پروتون را محتمل‌تر می‌کند و این پدیده چگونه باعث ایجاد جهش‌های ژنتیکی مضر می‌شود.

ساج گفت: « این یک سوال یک میلیون‌دلاری است.»

https://blog.tarjomyar.ir/%DA%86%D8%B1%D8%A7-dna-%D8%AE%D9%88%D8%AF-%D8%A8%D9%87-%D8%AE%D9%88%D8%AF-%D8%AA%D8%BA%DB%8C%DB%8C%D8%B1-%D9%85%DB%8C-%DA%A9%D9%86%D8%AF-j1t7w94dssrx