معدل الطفرة

في علم الوراثة ، يُعرف معدل الطفرة بأنه تواتر حدوث طفرات جديدة في جين واحد ، أو تسلسل نيوكليوتيدي ، أو كائن حي مع مرور الوقت. ^{[ 2 ]} لا تُعدّ معدلات الطفرة ثابتة، ولا تقتصر على نوع واحد منها؛ بل توجد أنواع عديدة ومختلفة. تُحدد معدلات الطفرة لفئات محددة منها. الطفرات النقطية هي فئة من الطفرات التي تُحدث تغييرًا في قاعدة واحدة. وتُصنف الطفرات النقطية إلى ثلاثة أنواع فرعية: الطفرات غير المترادفة ، والطفرات غير المنطقية ، والطفرات المترادفة . ويمكن تقسيم معدل هذه الأنواع من الاستبدالات إلى طيف طفرات، يصف تأثير السياق الجيني على معدل الطفرة. ^{[ 3 ]}

توجد عدة وحدات زمنية طبيعية لكل من هذه المعدلات، حيث تُصنف المعدلات إما كطفرات لكل زوج قاعدي لكل انقسام خلوي ، أو لكل جين لكل جيل، أو لكل جينوم لكل جيل. يُعد معدل الطفرات في الكائن الحي سمة متطورة، ويتأثر بشدة بالتركيب الجيني لكل كائن، بالإضافة إلى تأثير قوي من البيئة. ولا تزال الحدود العليا والدنيا التي يمكن أن تتطور عندها معدلات الطفرات موضوعًا للبحث المستمر. ومع ذلك، فإن معدل الطفرات يختلف عبر الجينوم . ^{[ 4 ]}

عندما يزداد معدل الطفرات لدى البشر، قد تظهر بعض المخاطر الصحية، مثل السرطان والأمراض الوراثية الأخرى. إن معرفة معدلات الطفرات أمر بالغ الأهمية لفهم مستقبل السرطانات والعديد من الأمراض الوراثية. ^{[ 5 ]}

تُعرف المتغيرات الجينية المختلفة داخل النوع الواحد بالأليلات، وبالتالي، يمكن لطفرة جديدة أن تُنشئ أليلاً جديداً. في علم الوراثة السكانية ، يتميز كل أليل بمعامل انتقاء ، يقيس التغير المتوقع في تردد الأليل بمرور الوقت. يمكن أن يكون معامل الانتقاء سالباً، ما يُشير إلى انخفاض متوقع، أو موجباً، ما يُشير إلى زيادة متوقعة، أو صفراً، ما يُشير إلى عدم وجود تغير متوقع. يُعد توزيع تأثيرات اللياقة للطفرات الجديدة معياراً مهماً في علم الوراثة السكانية، وقد خضع لدراسات مستفيضة. ^{[ 6 ]} على الرغم من أن قياسات هذا التوزيع كانت غير متسقة في الماضي، إلا أنه يُعتقد الآن عموماً أن غالبية الطفرات ضارة بشكل طفيف، وأن العديد منها له تأثير ضئيل على لياقة الكائن الحي، وأن القليل منها قد يكون مفيداً.

بسبب الانتخاب الطبيعي ، تُستبعد الطفرات غير المرغوبة عادةً من الجماعة، بينما تُحفظ التغيرات المرغوبة عمومًا للجيل التالي، وتتراكم التغيرات المحايدة بنفس معدل حدوث الطفرات. تحدث هذه العملية عن طريق التكاثر. في جيل معين، يبقى الكائن "الأكثر ملاءمة" على قيد الحياة باحتمالية أكبر، ناقلًا جيناته إلى نسله. تحدد إشارة التغير في هذه الاحتمالية ما إذا كانت الطفرات مفيدة أو محايدة أو ضارة بالكائنات الحية. ^{[ 7 ]}

يمكن قياس معدلات الطفرات لدى الكائن الحي باستخدام عدد من التقنيات.

إحدى طرق قياس معدل الطفرات هي اختبار التذبذب، المعروف أيضاً بتجربة لوريا-ديلبروك . وقد أثبتت هذه التجربة أن الطفرات البكتيرية تحدث في غياب الانتقاء وليس في وجوده. ^{[ 8 ]}

يُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية لمعدلات الطفرات، لأنه يُثبت تجريبياً أن الطفرات يُمكن أن تحدث دون أن يكون الانتقاء عنصراً فيها، بل إن الطفرة والانتقاء قوتان تطوريتان مختلفتان تماماً . قد تمتلك تسلسلات الحمض النووي المختلفة ميولاً مختلفة للطفرات (انظر أدناه)، وقد لا تحدث بشكل عشوائي. ^{[ 9 ]}

تُعدّ الطفرات الاستبدالية أكثر أنواع الطفرات شيوعًا في القياس، نظرًا لسهولة قياسها نسبيًا باستخدام التحليلات القياسية لبيانات تسلسل الحمض النووي. ومع ذلك، فإن معدل حدوث الطفرات الاستبدالية يختلف اختلافًا كبيرًا (من 10⁻⁸ ^إلى 10⁻⁹ ^لكل جيل لمعظم الكائنات الحية الخلوية) عن أنواع الطفرات الأخرى، التي غالبًا ما تكون أعلى بكثير (حوالي 10⁻³ ^لكل جيل لتمدد/انكماش الحمض النووي الساتلي ^{[ 10 ]} ).

تختلف معدلات الطفرات بين الأنواع، بل وحتى بين مناطق مختلفة من جينوم النوع الواحد. وقد تختلف هذه المعدلات أيضًا بين الأنماط الجينية لنفس النوع؛ فعلى سبيل المثال، لوحظ أن البكتيريا تتطور لتصبح شديدة الطفرات مع تكيفها مع ظروف انتقائية جديدة. ^{[ 13 ]} تُقاس هذه المعدلات المختلفة لاستبدال النيوكليوتيدات بعدد الاستبدالات ( الطفرات الثابتة ) لكل زوج قاعدي في كل جيل. فعلى سبيل المثال، تميل الطفرات في الحمض النووي بين الجينات، أو غير المشفر، إلى التراكم بمعدل أسرع من الطفرات في الحمض النووي المستخدم بنشاط في الكائن الحي ( التعبير الجيني ). ولا يُعزى ذلك بالضرورة إلى ارتفاع معدل الطفرات، بل إلى انخفاض مستويات الانتقاء التطهيري . وتُعد المنطقة التي تتحور بمعدل يمكن التنبؤ به مرشحة للاستخدام كساعة جزيئية .

إذا افترضنا أن معدل الطفرات المحايدة في تسلسل ما ثابت (كأنه ساعة جزيئية)، وأن معظم الاختلافات بين الأنواع محايدة وليست تكيفية، فإنه يمكن استخدام عدد الاختلافات بين نوعين مختلفين لتقدير المدة الزمنية التي انقضت منذ تباعد هذين النوعين (انظر الساعة الجزيئية ). قد يتغير معدل الطفرات في الكائن الحي استجابةً للضغوط البيئية. على سبيل المثال، يُلحق ضوء الأشعة فوق البنفسجية الضرر بالحمض النووي، مما قد يؤدي إلى محاولات خاطئة من الخلية لإصلاح الحمض النووي .

معدل الطفرات في الجينوم البشري أعلى في الخلايا الجرثومية الذكرية (الحيوانات المنوية) منه في الخلايا الجرثومية الأنثوية (البويضات)، إلا أن تقديرات هذا المعدل الدقيق تباينت بمقدار عشرة أضعاف أو أكثر. وهذا يعني أن الجينوم البشري يتراكم فيه حوالي 64 طفرة جديدة لكل جيل، لأن كل جيل كامل يتضمن عددًا من انقسامات الخلايا لتكوين الأمشاج. ^{[ 14 ]} وقد قُدِّر معدل طفرات الحمض النووي للميتوكوندريا البشرية بحوالي 3 أضعاف أو 2.7 × ^{10⁻⁵ طفرة} لكل قاعدة لكل جيل مدته 20 عامًا (بحسب طريقة التقدير)؛ ^{[ 15 ]} وتُعتبر هذه المعدلات أعلى بكثير من معدلات الطفرات في الجينوم البشري، والتي تبلغ حوالي 2.5 × 10⁻⁸ ^{طفرة لكل} قاعدة لكل جيل. ^{[ 16 ]} وباستخدام البيانات المتاحة من تسلسل الجينوم الكامل ، يُقدَّر معدل طفرات الجينوم البشري بشكل مماثل بحوالي 1.1 × 10⁻⁸ ^{طفرة لكل} موقع لكل جيل. ^{[ 17 ]}

يختلف معدل الطفرات في الأنواع الأخرى اختلافًا كبيرًا عن الطفرات النقطية . غالبًا ما يكون لموضع الميكروساتلايت الفردي معدل طفرات في حدود 10⁻⁴ ^{، على} الرغم من أن هذا قد يختلف اختلافًا كبيرًا باختلاف الطول. ^{[ 18 ]}

قد تكون بعض تسلسلات الحمض النووي أكثر عرضة للطفرات. على سبيل المثال، تكون أجزاء الحمض النووي في الحيوانات المنوية البشرية التي تفتقر إلى المثيلة أكثر عرضة للطفرات. ^{[ 19 ]}

بشكل عام، يبلغ معدل الطفرات في حقيقيات النوى وحيدة الخلية ( والبكتيريا ) حوالي 0.003 طفرة لكل جينوم لكل جيل خلوي . ^{[ 14 ]} مع ذلك، تتميز بعض الأنواع، وخاصة الهدبيات من جنس البراميسيوم، بمعدل طفرات منخفض بشكل غير معتاد. على سبيل المثال، يبلغ معدل طفرات استبدال القواعد في البراميسيوم رباعي النواة حوالي 2 × ^10⁻¹¹ لكل موقع لكل انقسام خلوي. يُعد هذا أدنى معدل طفرات مُلاحظ في الطبيعة حتى الآن، إذ يقل بنحو 75 مرة عن مثيله في حقيقيات النوى الأخرى ذات حجم الجينوم المماثل، بل ويقل بعشر مرات عن معظم بدائيات النوى. يُعزى انخفاض معدل الطفرات في البراميسيوم إلى نواة خطه الجرثومي الصامتة نسخياً ، وهو ما يتوافق مع فرضية أن دقة التضاعف تكون أعلى عند مستويات التعبير الجيني المنخفضة . ^{[ 20 ]}

تُسجّل أعلى معدلات الطفرات لكل زوج قاعدي لكل جيل في الفيروسات، التي قد تمتلك جينومات من الحمض النووي الريبي (RNA) أو الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA). تتراوح معدلات الطفرات في فيروسات الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين بين ^{10⁻⁶ و10⁻⁸ طفرة} لكل ^{قاعدة لكل جيل} ، بينما تتراوح معدلات الطفرات في فيروسات الحمض النووي الريبي بين 10⁻³ ^و10⁻⁵ طفرة ^لكل قاعدة لكل جيل. ^{[ 14 ]}

طيف الطفرات هو توزيع لمعدلات أو ترددات الطفرات ذات الصلة في سياق معين، انطلاقًا من إدراك أن معدلات حدوثها ليست متساوية. في أي سياق، يعكس طيف الطفرات تفاصيل عملية التطفير، ويتأثر بظروف مثل وجود المطفرات الكيميائية أو الخلفيات الجينية التي تحتوي على أليلات مُطفرة أو أنظمة إصلاح الحمض النووي التالفة. المفهوم الأساسي والأشمل لطيف الطفرات هو توزيع معدلات جميع الطفرات الفردية التي قد تحدث في الجينوم. ^{[ 21 ]} من هذا الطيف الكامل للطفرات الجديدة، على سبيل المثال، يمكن حساب المعدل النسبي للطفرة في المناطق المشفرة مقابل المناطق غير المشفرة . عادةً ما يُبسط مفهوم طيف معدلات الطفرات ليشمل فئات واسعة مثل التحولات والتحولات العكسية (الشكل)، أي أن التحولات الطفرية المختلفة عبر الجينوم تُجمع في فئات، ولكل فئة معدل إجمالي.

في العديد من السياقات، يُعرَّف طيف الطفرات بأنه الترددات المرصودة للطفرات التي تم تحديدها بواسطة معيار اختيار معين، على سبيل المثال، توزيع الطفرات المرتبطة سريريًا بنوع معين من السرطان، ^{[ 22 ]} أو توزيع التغيرات التكيفية في سياق معين مثل مقاومة المضادات الحيوية. ^{[ 23 ]} في حين أن طيف معدلات الطفرات الجديدة يعكس عملية التطفير وحدها، فإن هذا النوع من الطيف قد يعكس أيضًا آثار الانتقاء والتحيزات في التحقق (على سبيل المثال، تم استخدام كلا النوعين من الطيف في ^{[ 24 ]} ).

تُحدد نظرية تطور معدلات الطفرات ثلاثة عوامل رئيسية: توليد طفرات ضارة مع ارتفاع معدل الطفرات، وتوليد طفرات مفيدة مع ارتفاع معدل الطفرات، والتكاليف الأيضية وانخفاض معدلات التضاعف اللازمة لمنع الطفرات. وتختلف الاستنتاجات باختلاف الأهمية النسبية لكل عامل. قد يتحدد معدل الطفرات الأمثل للكائنات الحية من خلال المفاضلة بين تكاليف ارتفاع معدل الطفرات ^{[ 25 ]} ، مثل الطفرات الضارة، والتكاليف الأيضية للحفاظ على الأنظمة التي تُقلل من معدل الطفرات (مثل زيادة التعبير عن إنزيمات إصلاح الحمض النووي ^{[ 26 ]} ، أو كما استعرضه بيرنشتاين وآخرون ^{[ 27 ]} ، زيادة استهلاك الطاقة للإصلاح، وتشفير منتجات جينية إضافية، و/أو إبطاء التضاعف). ثانيًا، يؤدي ارتفاع معدلات الطفرات إلى زيادة معدل الطفرات المفيدة، وقد يمنع التطور انخفاض معدل الطفرات للحفاظ على معدلات التكيف المثلى. ^{[ 28 ] [ 29 ]} وبذلك، تُمكّن الطفرات المفرطة بعض الخلايا من التكيف السريع مع الظروف المتغيرة لتجنب انقراض المجموعة بأكملها. ^{[ 30 ]} وأخيرًا، قد يفشل الانتخاب الطبيعي في تحسين معدل الطفرات نظرًا للفوائد الطفيفة نسبيًا لخفض معدل الطفرات، وبالتالي فإن معدل الطفرات المُلاحظ هو نتاج عمليات محايدة. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

أظهرت الدراسات أن معالجة الفيروسات الحمضية النووية الريبية ، مثل فيروس شلل الأطفال، بالريبافيرين تُنتج نتائج تتوافق مع فكرة أن الفيروسات قد طرأت عليها طفرات متكررة للغاية بحيث لم تتمكن من الحفاظ على سلامة المعلومات في جينوماتها. ^{[ 33 ]} ويُطلق على هذه الظاهرة اسم كارثة الأخطاء .

يؤدي معدل الطفرات العالي المميز لفيروس نقص المناعة البشرية ( HIV ) الذي يبلغ 3 × 10 ⁻⁵ لكل قاعدة وجيل، بالإضافة إلى دورة تكاثره القصيرة، إلى تنوع كبير في المستضدات ، مما يسمح له بالإفلات من الجهاز المناعي . ^{[ 34 ]}

• الطفرة
• معدل الطفرات الحرجة
• معدل الطفرات
• خلل النسل
• تردد الأليل
• معدل التطور
• علم الوراثة
• سرطان

• الوسائط المتعلقة بمعدل الطفرات على ويكيميديا ​​كومنز