تفتت الحمض النووي

تفتت الحمض النووي هو انفصال أو تكسر خيوط الحمض النووي إلى أجزاء. يمكن أن يحدث ذلك عمدًا من قبل العاملين في المختبر أو من قبل الخلايا، أو قد يحدث تلقائيًا. تفتت الحمض النووي التلقائي أو العرضي هو تفتت يتراكم تدريجيًا في الخلية. ويمكن قياسه، على سبيل المثال، باستخدام اختبار المذنب أو اختبار TUNEL .

وحدة القياس الرئيسية هي مؤشر تفتت الحمض النووي (DFI). ^{[ 1 ]} يؤدي مؤشر تفتت الحمض النووي بنسبة 20% أو أكثر إلى انخفاض ملحوظ في معدلات نجاح عملية الحقن المجهري للبويضة (ICSI). ^{[ 1 ]}

تم توثيق تفتت الحمض النووي لأول مرة من قبل ويليامسون عام 1970 عندما لاحظ وجود شظايا قليلة الوحدات منفصلة تحدث أثناء موت الخلايا في مزارع خلايا الكبد الأولية لحديثي الولادة. ووصف الحمض النووي السيتوبلازمي المعزول من خلايا كبد الفئران بعد الزراعة بأنه يتميز بشظايا حمض نووي ذات وزن جزيئي يتكون من مضاعفات 135 كيلو دالتون . وتتفق هذه النتيجة مع فرضية أن هذه الشظايا من الحمض النووي هي ناتج تحلل محدد للحمض النووي النووي. ^{[ 2 ]}

غالباً ما يكون تفتيت الحمض النووي ضرورياً قبل بناء المكتبة أو استنساخ تسلسلات الحمض النووي. وقد استُخدمت طرق متنوعة تتضمن التكسير الميكانيكي للحمض النووي، حيث يقوم العاملون في المختبر بتفتيته. وتشمل هذه الطرق المعالجة بالموجات فوق الصوتية، والقص بالإبرة، والترذيذ، والقص باستخدام جهاز القص النقطي، والتمرير عبر خلية ضغط. ^{[ 3 ]}

• التقطيع الإنزيمي هو عملية تكسير مقصودة لسلاسل الحمض النووي في المختبر. وهو معالجة تعتمد على الإنزيمات تُستخدم في التقنية الحيوية لتقطيع الحمض النووي إلى سلاسل أصغر لدراسة اختلافات طول القطع بين الأفراد أو لاستنساخ الجينات. ^{[ 4 ]} تعمل هذه الطريقة على تجزئة الحمض النووي إما عن طريق القطع المتزامن لكلا السلسلتين، أو عن طريق إحداث شقوق في كل سلسلة من سلاسل الحمض النووي المزدوج لإنتاج فواصل في الحمض النووي المزدوج. ^{[ 5 ]}
• القص الصوتي لانتقال موجات الطاقة الصوتية عالية التردد الموجهة إلى مكتبة الحمض النووي. يكون المحول على شكل وعاء بحيث تتقارب الموجات عند الهدف المراد دراسته. ^{[ 5 ]}
• تُجبر عملية التذرية الحمض النووي على المرور عبر ثقب صغير في وحدة التذرية ، مما يؤدي إلى تكوين رذاذ دقيق يتم جمعه. ويتحدد حجم الشظايا بضغط الغاز المستخدم لدفع الحمض النووي عبر وحدة التذرية، وسرعة مرور محلول الحمض النووي عبر الثقب، ولزوجة المحلول، ودرجة الحرارة. ^{[ 5 ] [ 6 ]}
• تُعرّض عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية ، وهي نوع من القص الهيدروديناميكي، الحمض النووي للتجويف الصوتي والقص الهيدروديناميكي من خلال تعريضه لفترات قصيرة من الموجات فوق الصوتية، مما ينتج عنه عادةً شظايا بطول 700 زوج قاعدي. ولتفتيت الحمض النووي، تُستخدم الموجات فوق الصوتية عادةً على شكل دورات متقطعة باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار. ^{[ 7 ]}
• يستخدم القصّ النقطي، وهو نوع من القصّ الهيدروديناميكي، مضخة حقن لتوليد قوى قصّ هيدروديناميكية عن طريق دفع مكتبة الحمض النووي عبر انقباض مفاجئ صغير. تقع حوالي 90% من أطوال القطع ضمن نطاق ضعفين. ^{[ 5 ]}
• تُحدث عملية القص بالإبرة قوى قصّية عن طريق تمرير مكتبات الحمض النووي عبر إبرة دقيقة. ^{[ 5 ]} يمر الحمض النووي عبر الإبرة الدقيقة عدة مرات لتمزيقه إلى قطع صغيرة.
• تُمرر خلايا الضغط الفرنسية الحمض النووي عبر صمام ضيق تحت ضغط عالٍ لتوليد قوى قص عالية. ^{[ 5 ]} وباستخدام مكبس فرنسي، يمكن التحكم بدقة في قوة القص عن طريق ضبط ضغط المكبس. يوفر المكبس تمريرة واحدة عبر نقطة أقصى قوة قص، مما يحد من تلف البنى البيولوجية الحساسة نتيجة القص المتكرر، كما يحدث في طرق التفتيت الأخرى.
• في عملية التجزئة بوساطة الترانسبيوزومات (التقطيع)، تُحضّر الترانسبيوزومات باستخدام الحمض النووي الذي يُقطع لاحقًا بحيث ينتج عن عمليات النقل الحمض النووي المجزأ مع محولات (بدلاً من الإدخال). يجب أن يكون التركيز النسبي للترانسبيوزومات والحمض النووي مناسبًا.

يُعدّ تفتت الحمض النووي أثناء موت الخلايا المبرمج ( الاستماتة ) عملية تفتت طبيعية تحدث في الخلايا . ويُعتبر تفتت الحمض النووي سمة بيوكيميائية مميزة للاستماتة . في الخلايا المحتضرة، يُقطع الحمض النووي بواسطة إنزيم نوكلياز داخلي يُفتت الكروماتين إلى وحدات نيوكليوزومية، وهي عبارة عن مضاعفات لجزيئات قليلة النوكليوتيدات يبلغ طولها حوالي 180 زوجًا قاعديًا ، وتظهر على شكل سلم الحمض النووي عند فصلها على هلام الأغاروز. ^{[ 8 ]} الإنزيم المسؤول عن تفتت الحمض النووي أثناء الاستماتة هو ديوكسي ريبونوكلياز المنشط بالكاسبيز . عادةً ما يُثبط هذا الإنزيم بواسطة بروتين آخر يُسمى مثبط ديوكسي ريبونوكلياز المنشط بالكاسبيز (ICAD) . أثناء الاستماتة، يقوم الكاسبيز 3، وهو الكاسبيز المؤثر في الاستماتة، بقطع ICAD، مما يؤدي إلى تنشيط CAD. ^{[ 9 ]}

يقوم إنزيم CAD بقطع الحمض النووي عند مواقع الربط بين النيوكليوسومات، وهي تراكيب بروتينية تقع في الكروماتين على مسافات تقارب 180 زوجًا قاعديًا. ويعود ذلك إلى أن الحمض النووي يكون عادةً ملتفًا بإحكام حول الهستونات، وهي البروتينات الأساسية للنيوكليوسومات. وتُعد مواقع الربط هذه الأجزاء الوحيدة من شريط الحمض النووي المكشوفة، وبالتالي التي يمكن لإنزيم CAD الوصول إليها.

غالباً ما يعاني الرجال المصابون باضطرابات في حركة الحيوانات المنوية من مستويات عالية من تفتت الحمض النووي للحيوانات المنوية. ^{[ 10 ]} يمكن لدرجة تفتت الحمض النووي في الحيوانات المنوية أن تتنبأ بنتائج التلقيح الصناعي ^{[ 11 ]} (IVF) وتوسيع نطاقه بالحقن المجهري للبويضة ^{[ 1 ]} (ICSI). يُعد كل من اختبار تشتت كروماتين الحيوانات المنوية (SCD) واختبار TUNEL فعالين في الكشف عن تلف الحمض النووي للحيوانات المنوية. ^{[ 12 ] [ 13 ]} باستخدام المجهر الضوئي ، يبدو أن اختبار SCD أكثر حساسية من اختبار TUNEL. ^{[ 13 ]}

يلعب تفتت الحمض النووي دورًا مهمًا في الطب الشرعي، وخاصة في مجال تحليل الحمض النووي .

• تعدد أطوال قطع الحمض النووي المقيدة (RFLP) هو أسلوب لتحليل الأطوال المتغيرة لقطع الحمض النووي الناتجة عن هضم عينة من الحمض النووي باستخدام إنزيم تقييد . يقوم إنزيم التقييد بقطع الحمض النووي عند نمط تسلسل محدد يُعرف بموقع التعرف على إنزيم التقييد. يؤدي وجود أو غياب مواقع التعرف هذه في عينة الحمض النووي إلى توليد أطوال متفاوتة لقطع الحمض النووي، والتي تُفصل باستخدام الرحلان الكهربائي الهلامي . ثم تُهجن هذه القطع مع مجسات الحمض النووي التي ترتبط بتسلسل الحمض النووي المكمل في العينة. ^{[ 14 ]}
• في تحليل تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)، تُنتَج ملايين النسخ المتطابقة من الحمض النووي (DNA) من عينة بيولوجية. يُستخدم هذا التفاعل لتضخيم منطقة محددة من شريط الحمض النووي (الهدف). تُضخّم معظم طرق PCR عادةً أجزاءً من الحمض النووي يتراوح طولها بين 0.1 و10 كيلو قاعدة (kb)، مع أن بعض التقنيات تسمح بتضخيم أجزاء يصل حجمها إلى 40 كيلو قاعدة. ^{[ 14 ]} كما يستخدم PCR الحرارة لفصل شرائط الحمض النووي.
• يمكن عزل الحمض النووي المجزأ أثناء موت الخلايا المبرمج، والذي يتراوح حجمه من 1 إلى 20 نيوكليوسوم، بشكل انتقائي من الخلايا المثبتة في الإيثانول المثبت المزيل للطبيعة ^{[ 15 ].}