قواعد تشارجاف

تنص قواعد تشارغاف (التي وضعها إروين تشارغاف ) على أنه في الحمض النووي لأي نوع من الكائنات الحية، يجب أن تتساوى كمية الجوانين مع كمية السيتوزين ، وأن تتساوى كمية الأدينين مع كمية الثايمين . علاوة على ذلك، يجب أن تكون النسبة القياسية بين قواعد البيورين والبيريميدين 1:1 . يوجد هذا النمط في كلا شريطي الحمض النووي. وقد اكتشفها الكيميائي النمساوي إروين تشارغاف ^{[ 1 ] [ 2 ]} في أواخر أربعينيات القرن العشرين.A+G=T+C

تم اكتشاف قاعدة التكافؤ الثانية في عام 1968. ^{[ 3 ]} تنص على أنه في الحمض النووي أحادي السلسلة، يكون عدد وحدات الأدينين مساويًا تقريبًا لعدد وحدات الثايمين (A% ≈ T%)، ويكون عدد وحدات السيتوزين مساويًا تقريبًا لعدد وحدات الجوانين (C% ≈ G%).

في عام 2006، تبيّن أن هذه القاعدة تنطبق على أربعة ^{[ 2 ]} من أصل خمسة أنواع من الجينومات ثنائية السلسلة؛ وتحديدًا، تنطبق على كروموسومات حقيقيات النوى ، وكروموسومات البكتيريا ، وجينومات الفيروسات ذات الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين ثنائي السلسلة، وكروموسومات العتائق . ^{[ 5 ]} ولا تنطبق على جينومات العضيات ( الميتوكوندريا والبلاستيدات ) التي يقل حجمها عن 20-30 كيلو قاعدة ، كما لا تنطبق على جينومات الفيروسات ذات الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين أحادي السلسلة أو أي نوع من جينومات الحمض النووي الريبوزي . ولا يزال أساس هذه القاعدة قيد البحث، مع احتمال أن يلعب حجم الجينوم دورًا في ذلك.

لهذه القاعدة تبعات. ففي معظم الجينومات البكتيرية (التي تتكون عمومًا من 80-90% من التسلسل المشفر )، تُرتّب الجينات بحيث يقع ما يقارب 50% من التسلسل المشفر على أحد الشريطين. وقد أظهر واكلاف شيبالسكي ، في ستينيات القرن الماضي، أن البيورينات (A وG) تفوق البيريميدينات (C وT) في التسلسلات المشفرة للعاثيات . ^{[ 6 ]} وقد تأكدت هذه القاعدة لاحقًا في كائنات حية أخرى، ويُرجّح أن تُسمى الآن " قاعدة شيبالسكي ". ورغم أن قاعدة شيبالسكي صحيحة عمومًا، إلا أن هناك استثناءات معروفة. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} ولا يزال الأساس البيولوجي لقاعدة شيبالسكي غير معروف.

يمكن ملاحظة التأثير المشترك لقاعدة تشارجاف الثانية وقاعدة شيبالسكي في الجينومات البكتيرية حيث لا تتوزع التسلسلات المشفرة بالتساوي. تحتوي الشفرة الوراثية على 64 كودونًا، منها 3 كودونات إنهاء: يوجد 20 حمضًا أمينيًا فقط في البروتينات عادةً. (يوجد حمضان أمينيان غير شائعين - السيلينوسيستين والبيروليسين - في عدد محدود من البروتينات ويتم ترميزهما بواسطة كودونات التوقف - TGA وTAG على التوالي). يسمح عدم التوافق بين عدد الكودونات والأحماض الأمينية لعدة كودونات بترميز حمض أميني واحد - تختلف هذه الكودونات عادةً فقط في موضع القاعدة الثالثة للكودون.

أظهر التحليل الإحصائي متعدد المتغيرات لاستخدام الكودونات في الجينومات ذات الكميات غير المتساوية من التسلسلات المشفرة على الشريطين أن استخدام الكودون في الموضع الثالث يعتمد على الشريط الذي يقع عليه الجين. ويبدو أن هذا ناتج عن قاعدتي شيبالسكي وتشارجاف. نظرًا لعدم التماثل في استخدام البيريميدين والبيورين في التسلسلات المشفرة، فإن الشريط ذو المحتوى المشفر الأكبر يميل إلى احتواء عدد أكبر من قواعد البيورين (قاعدة شيبالسكي). ولأن عدد قواعد البيورين يساوي، تقريبًا، عدد البيريميدينات المكملة لها ضمن الشريط نفسه، ولأن التسلسلات المشفرة تشغل 80-90% من الشريط، يبدو أن هناك (1) ضغطًا انتقائيًا على القاعدة الثالثة لتقليل عدد قواعد البيورين في الشريط ذي المحتوى المشفر الأكبر؛ و(2) أن هذا الضغط يتناسب مع عدم التطابق في طول تسلسلات الترميز بين السلسلتين.

يُعتقد أن أصل الانحراف عن قاعدة تشارجاف في العضيات ناتج عن آلية التضاعف. ^{[ 10 ]} أثناء التضاعف، تنفصل خيوط الحمض النووي. في الحمض النووي أحادي السلسلة، يتحول السيتوزين تلقائيًا وببطء إلى أدينوزين ( تحول C إلى A ). كلما طالت فترة انفصال الخيوط، زادت كمية نزع الأمين. ولأسباب غير واضحة حتى الآن، تميل الخيوط إلى البقاء لفترة أطول في شكلها الأحادي في الميتوكوندريا مقارنةً بالحمض النووي الصبغي. تميل هذه العملية إلى إنتاج خيط واحد غني بالجوانين (G) والثايمين (T) مع خيط مكمل غني بالسيتوزين (C) والأدينوزين (A)، وقد تكون هذه العملية هي سبب الانحرافات الموجودة في الميتوكوندريا.

يبدو أن قاعدة تشارجاف الثانية هي نتيجة لقاعدة تكافؤ أكثر تعقيدًا: ضمن سلسلة مفردة من الحمض النووي، يوجد أي أوليغونوكليوتيد ( k-mer أو n-gram ؛ طوله ≤ 10) بأعداد مساوية لنظيره المكمل. نظرًا للمتطلبات الحسابية، لم يتم التحقق من ذلك في جميع الجينومات لجميع الأوليغونوكليوتيدات. تم التحقق منه للأوليغونوكليوتيدات الثلاثية لمجموعة بيانات كبيرة. ^{[ 11 ]} اقترح ألبريشت-بوهلر أن هذه القاعدة هي نتيجة لتطور الجينومات من خلال عملية الانقلاب والانتقال . ^{[ 11 ]} لا يبدو أن هذه العملية قد أثرت على جينومات الميتوكوندريا. يبدو أن قاعدة تشارجاف الثانية للتكافؤ قد امتدت من مستوى النيوكليوتيد إلى مجموعات من ثلاثيات الكودونات، في حالة الحمض النووي لجينوم الإنسان الكامل أحادي السلسلة . ^{[ 12 ]} تم اقتراح نوع من "قاعدة التكافؤ الثانية لشارجاف على مستوى الكودون" على النحو التالي:

العلاقة داخل السلسلة بين نسب مجموعات الكودونات

الكودون الأول	الكودون الثاني	العلاقة المقترحة	تفاصيل
Twx(المركز الأول في القاعدة هو T)	yzA(المركز الثالث هو A)	%Twx${\displaystyle \simeq }$ %yzA	Twxوهي yzAعبارة عن كودونات معكوسة، على سبيل المثال TCGوCGA
Cwx(المركز الأول في القاعدة هو C)	yzG(المركز الثالث في القاعدة هو G)	%Cwx${\displaystyle \simeq }$ %yzG	Cwxوهي yzGعبارة عن كودونات معكوسة، على سبيل المثال CTAوTAG
wTx(المركز الثاني في القاعدة هو T)	yAz(المركز الثاني في القاعدة هو A)	%wTx${\displaystyle \simeq }$ %yAz	wTxوهي yAzعبارة عن كودونات معكوسة، على سبيل المثال CTGوCAG
wCx(المركز الثاني في القاعدة هو C)	yGz(المركز الثاني في القاعدة هو G)	%wCx${\displaystyle \simeq }$ %yGz	wCxوهي yGzعبارة عن كودونات معكوسة، على سبيل المثال TCTوAGA
wxT(المركز الثالث في القاعدة هو T)	Ayz(المركز الأول هو A)	%wxT${\displaystyle \simeq }$ %Ayz	wxTوهي Ayzعبارة عن كودونات معكوسة، على سبيل المثال CTTوAAG
wxC(المركز الثالث في القاعدة هو C)	Gyz(المركز الأول في القاعدة هو G)	%wxC${\displaystyle \simeq }$ %Gyz	wxCوهي Gyzعبارة عن كودونات معكوسة، على سبيل المثال GGCوGCC

أمثلة - يوفر حساب الجينوم البشري الكامل باستخدام إطار قراءة الكودونات الأول ما يلي:

36530115 TTT و36381293 AAA (النسبة المئوية = 1.00409). 2087242 TCG و2085226 CGA (النسبة المئوية = 1.00096)، إلخ...

في عام 2020، طُرحت فرضية مفادها أن الخصائص الفيزيائية للحمض النووي المزدوج (dsDNA) وميل جميع الأنظمة الفيزيائية إلى تحقيق أقصى قدر من الإنتروبيا هما سبب قاعدة التكافؤ الثانية لشارجاف. ^{[ 13 ]} ويمكن أن تنشأ التناظرات والأنماط الموجودة في تسلسلات الحمض النووي المزدوج من الخصائص الفيزيائية المميزة لجزيء الحمض النووي المزدوج ومبدأ أقصى قدر من الإنتروبيا وحده، وليس من ضغط التطور البيولوجي أو البيئي.

الجدول التالي هو عينة تمثيلية من بيانات إروين تشارغاف لعام 1952، يسرد التركيب الأساسي للحمض النووي من كائنات حية مختلفة، ويدعم كلا قاعدتي تشارغاف. ^{[ 14 ]} يشير وجود اختلاف كبير بين نسبة A/T ونسبة G/C، مثل φX174، وهما متساويان، إلى أن الحمض النووي أحادي السلسلة.

• الشفرات الوراثية

• شيبالسكي دبليو، كوبينسكي إتش، شيلدريك بي (1966). "تجمعات البيريميدين على خيوط الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) أثناء عملية النسخ ودورها المحتمل في بدء تخليق الحمض النووي الريبوزي (RNA)". ندوة كولد سبرينغ هاربور حول البيولوجيا الكمية . 31 : 123-127 . doi : 10.1101/SQB.1966.031.01.019 . PMID 4966069 . 
• لوبري جيه آر (1996). "أنماط الاستبدال غير المتماثل في سلسلتي الحمض النووي للبكتيريا" . بيولوجيا الجزيئات والتطور . 13 (5): 660-665 . doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a025626 . PMID 8676740 . 
• لافاي ب، لويد أ ت، ماكلين م ج، ديفاين ك م، شارب ب م، وولف ك هـ (1999). " تركيب البروتينات واستخدام الكودونات في البكتيريا اللولبية: تحيزات طفرية خاصة بالأنواع وخيوط الحمض النووي" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 27 (7): 1642-1649 . doi : 10.1093/nar/27.7.1642 . PMC 148367. PMID 10075995 .  
• ماكلين إم جيه، وولف كيه إتش، ديفاين كيه إم (1998). "انحرافات التركيب القاعدي، واتجاه التضاعف، واتجاه الجينات في 12 جينومًا بدائي النواة". مجلة التطور الجزيئي . 47 (6): 691-696 . Bibcode : 1998JMolE..47..691M . CiteSeerX 10.1.1.28.9035 . doi : 10.1007/PL00006428 . PMID 9847411. S2CID 12917481 .   
• ماكينيرني ، جيه أو (1998). "الانتقاء التضاعفي والنسخي لاستخدام الكودونات في بوريليا بورغدورفيري" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 95 (18): 10698-10703 . رمز Bibcode : 1998PNAS...9510698M . doi : 10.1073/pnas.95.18.10698 . PMC 27958. PMID 9724767 .  

• قاعدة بيانات أطلس جينوم CBS مؤرشفة بتاريخ 16-05-2016 في الأرشيف البرتغالي للويب - تحتوي على مئات الأمثلة على انحرافات القواعد وكانت بها مشاكل. ^{[ 1 ]}
• قاعدة بيانات منحنى Z للجينومات - أداة للتصور والتحليل ثلاثي الأبعاد للجينومات. ^{[ 2 ]}