الدنا (DNA)

الدنا، أو الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين، هو المادة الوراثية عند الإنسان وسائر الكائنات الحية تقريباً ¹. وتتطابق مادة الدنا في كل خلية من خلايا جسم الشخص تقريباً ¹. وفي الورقة التي أعلنت اللولب المزدوج عام 1953 وُصفت المادة بأنها ملح الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين، ويُشار إليه بالاختصار «د.ن.أ» ².

تُخزَّن المعلومات في الدنا بوصفها شيفرة مكوّنة من أربع قواعد كيميائية: الأدينين (A) والغوانين (G) والسايتوسين (C) والثايمين (T) ¹. ويحدد ترتيب القواعد، أو تسلسلها، المعلومات المتاحة لبناء الكائن الحي وصيانته، على نحو يشبه الطريقة التي تترتب بها حروف الأبجدية لتكوين الكلمات والجمل ¹. ويتألف دنا الإنسان من نحو ثلاثة مليارات قاعدة، وأكثر من 99 بالمئة من هذه القواعد متطابقة لدى جميع البشر ¹.

يقع معظم الدنا في نواة الخلية، حيث يُسمى الدنا النووي، لكن مقداراً ضئيلاً منه يوجد في المتقدرات، حيث يُسمى الدنا المتقدري أو mtDNA ¹. ومن خصائص الدنا المهمة قدرته على التضاعف أو صنع نسخ من نفسه: إذ يمكن لكل سلسلة في اللولب المزدوج أن تكون نموذجاً لتكرار تسلسل القواعد ¹. وهذا أمر حاسم عند انقسام الخلايا، لأن كل خلية جديدة تحتاج نسخة مطابقة من دنا الخلية القديمة ¹.

ترتبط كل قاعدة بجزيء سكر وجزيء فوسفات، ويُطلق على القاعدة والسكر والفوسفات مجتمعة اسم النيوكليوتيد ¹. وكان عالم الكيمياء الحيوية الروسي فويبوس ليفين أول من اكتشف ترتيب المكونات الثلاثة الرئيسية للنيوكليوتيد الواحد (فوسفات–سكر–قاعدة) ³. وثمة فئتان أساسيتان من القواعد النيتروجينية: البيورينات (الأدينين والغوانين) ولكل منهما حلقتان مندمجتان، والبيريميدينات (السايتوسين والثايمين واليوراسيل) ولكل منها حلقة واحدة ³. ويحتوي الرنا على A وG وC وU فقط (من دون T)، بينما يحتوي الدنا على A وG وC وT فقط (من دون U) ³.

في نموذج واتسون وكريك، الدنا لولب مزدوج السلسلة تربط السلسلتين روابط هيدروجينية، وتقترن A دائماً بـ T وC دائماً بـ G، بما يتسق مع قاعدة تشارغاف ويفسرها ³. وتربط رابطتان هيدروجينيتان T بـ A، بينما تربط ثلاث روابط هيدروجينية G بـ C ³. ولولب الدنا المزدوج متعاكس الاتجاه: أي أن النهاية 5′ من إحدى السلسلتين تقابل النهاية 3′ من السلسلة المكملة لها، والعكس صحيح ³.

تُظهر البنية سلسلتين طويلتين من الدنا تسيران في اتجاهين متعاكسين وتلتفان إحداهما حول الأخرى على شكل لولب مزدوج ⁴. وتشبه بنية اللولب المزدوج سلّماً، تمثل أزواج القواعد فيه درجاته بينما يشكّل جزيئا السكر والفوسفات قائمتيه الرأسيتين ¹. وتتزاوج أربع قواعد عضوية — الأدينين والثايمين والسايتوسين والغوانين — بطريقة محددة بين اللولبين، بما يوفر سقالة طبيعية للسلسلتين ⁴.

الهيئة الأكثر شيوعاً للولب المزدوج في معظم الخلايا الحية — وهي التي اقترحها واتسون وكريك — تعرف بالنمط B ³. والنمط A هيئة أقصر وأعرض توجد في عينات الدنا المجففة ³. ومعظم لوالب الدنا المزدوجة يمينية الاتجاه، والنوع الوحيد الأيسر الاتجاه هو الدنا من النمط Z ³. واكتُشف النمط Z أول مرة عام 1979 ³.

باستخدام قصاصات من الورق المقوى تمثل المكونات الكيميائية الفردية للقواعد الأربع ووحدات نيوكليوتيدية أخرى، كان واتسون وكريك يحرّكان الجزيئات على مكتبيهما كما لو كانا يحلان لغزاً ³. والنموذج الذي ركّباه عام 1953 ما يزال محفوظاً حتى اليوم، معروضاً في متحف العلوم الوطني بلندن . ومن أجزائه المتبقية قالب من الألمنيوم يمثل قاعدة الثايمين (T) .

ييسّر التزاوج النوعي بين القواعد آلية نسخ مثالية للوراثة ⁴. ويمكن لجزيئات الدنا أن «تنفصل» إلى سلسلتين منفصلتين، وعندما تصنع آلية الخلية سلاسل مطابقة يضمن التزاوج النوعي بين القواعد الحصول على نسختين أمينتين حيث كانت هناك نسخة واحدة ⁴. وكل سلسلة في اللولب المزدوج يمكن أن تكون نموذجاً لتكرار تسلسل القواعد ¹.

وفق نموذج التضاعف شبه المحافظ، تنفصل سلسلتا الدنا الأصليتان أثناء التضاعف وتعمل كل سلسلة بعد ذلك قالباً لسلسلة دنا جديدة، بحيث يكون كل لولب مزدوج حديث التكوين مزيجاً من سلسلة قديمة وأخرى جديدة ⁵. وفي تجربتهما لعام 1958، نمّى ميزلسون وستال بكتيريا الإشريكية القولونية في وسط يحوي النظير 15N ثم نقلا الخلايا إلى وسط يحوي 14N، واستخدما الطرد المركزي بتدرج كثافة كلوريد السيزيوم: فبعد جولة تضاعف واحدة ظهر الدنا شريطاً واحداً بكثافة متوسطة بين دنا 15N ودنا 14N، وبعد جولة ثانية ظهر شريطان — أحدهما هجين والآخر يحوي 14N فقط ⁵. وكان توزيع الدنا الأصلي والدنا الجديد بعد كل جولة تضاعف متسقاً مع نموذج التضاعف شبه المحافظ ⁵. وعند الإنسان، يجب على كل خلية أمّ نسخ كامل ستة مليارات زوج قاعدي من الدنا قبل خوض الانقسام المتساوي ⁵.

تستخدم شيفرة كل جين القواعد النيوكليوتيدية الأربع للدنا: الأدينين (A) والسايتوسين (C) والغوانين (G) والثايمين (T) — بطرق مختلفة لتهجئة «كودونات» من ثلاثة أحرف تحدد الحمض الأميني المطلوب في كل موضع داخل البروتين ⁶. ويشكّل ترتيب القواعد المحدد المخطط لتسلسل الأحماض الأمينية في البروتين ⁴. وأعلن مارشال نيرنبرغ نتائجه الأولى في فك الشيفرة الوراثية في أغسطس 1961 ⁷.

صنّع نيرنبرغ حمضاً نووياً بسيطاً جداً مؤلفاً من سلسلة حرف واحد متكرر فقط، وباستخدامه أنتج النظام بروتيناً يحوي بدوره حرفاً واحداً ⁷. وبعد أقل من خمس سنوات استُكملت كل تفاصيل الشيفرة الوراثية، بفضل أعمال نيرنبرغ وخورانا أساساً ⁷. وأدت تحقيقات نيرنبرغ مع هـ. ماتاي إلى إثبات أن الرنا الرسول ضروري لاصطناع البروتين، وأنه يمكن استخدام مستحضرات الرنا الرسول الاصطناعية لفك جوانب مختلفة من الشيفرة الوراثية ⁸. ومُنحت جائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء لعام 1968 مناصفةً إلى روبرت هولي وغوبيند خورانا ومارشال نيرنبرغ «لتفسيرهم الشيفرة الوراثية ووظيفتها في اصطناع البروتين» ⁹.

حدّد الدنا أول مرة في أواخر ستينيات القرن التاسع عشر على يد الكيميائي السويسري فريدريش ميشر؛ ففي عام 1869 حدّد ميشر لأول مرة ما أسماه «النوكلين» داخل أنوية كريات الدم البيضاء البشرية ³. ورتّب ميشر مع عيادة جراحية محلية لإرسال ضمادات مستعملة ملوثة بالقيح، ثم غسلها ورشّح كريات الدم البيضاء واستخرج البروتينات المختلفة داخلها وحددها ³. وكان للمادة التي عثر عليها في أنوية الخلايا خصائص كيميائية لا تشبه أي بروتين، من بينها محتوى فوسفوري أعلى بكثير ومقاومة للتحلل البروتيني ³. وتحوّل مصطلح «النوكلين» لاحقاً إلى «الحمض النووي»، ثم في النهاية إلى «الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين» أو «الدنا» ³. ومرّ أكثر من خمسين عاماً قبل أن تلقى أهمية اكتشاف ميشر للأحماض النووية تقديراً واسعاً في الأوساط العلمية ³.

في عام 1919 اقترح ليفين أن الأحماض النووية مؤلفة من سلسلة نيوكليوتيدات، يتكون كل منها من قاعدة من أربع قواعد نيتروجينية وجزيء سكر ومجموعة فوسفات ³. وتبيّن لاحقاً أن بنية «الرباعي نيوكليوتيد» التي اقترحها ليفين — وترتبط فيها النيوكليوتيدات بالترتيب نفسه دائماً — مفرطة في التبسيط، وأن ترتيب النيوكليوتيدات على امتداد الدنا متغير بدرجة كبيرة في الواقع ³. وأثبت باحثون في معهد روكفلر للأبحاث الطبية عام 1944 أن الدنا — لا البروتينات ولا الحمض النووي الريبوزي (الرنا) — هو ما يجعل البكتيريا تتحول ¹⁰. واستخدم أفيري وزميلاه كولين ماكليود وماكلين ماكارتي أسلوب الاستبعاد لتحديد «المبدأ المحوِّل»: إذ ظهرت الخلايا المحفظة من السلالة S في كل المزارع ما عدا تلك التي عولج فيها مستخلص السلالة S بإنزيم الدناز الذي يدمر الدنا ¹¹. وعام 1952 استخدم ألفريد هيرشي ومارثا تشيس النظائر المشعة — 35S لوسم بروتين العاثية و32P لوسم دنا العاثية — ووجدا أن كل الكبريت المشع تقريباً بقي مع «أشباح» العاثيات، بينما دخل نحو ثلث الفوسفات المشع الخلايا البكتيرية ويمكن استرداده لاحقاً في الجيل التالي من العاثيات ¹¹.

خلص تشارغاف (1950) إلى أن التركيب النيوكليوتيدي للدنا يختلف بين الأنواع ³. وبدأ موريس ويلكنز وتلميذه ريموند غوسلينغ دراسة الدنا ببلورة حيود الأشعة السينية في كلية الملك بلندن حوالي عام 1950 ¹⁰. وحصلا على عينة دنا فائقة النقاء من الكيميائي رودولف زينغر عام 1950، حُضّرت من غدة زعترية لعجل ويمكن شدّها إلى عينات رقيقة جداً أعطت أنماط حيود أشعة سينية فائقة الوضوح ¹⁰. وعرض جون راندال عام 1951 منصباً على روزاليند فرانكلين، الكيميائية الفيزيائية الخبيرة في تحليل الفحم بالأشعة السينية ¹⁰. وأطلع ويلكنز واتسون على صورة حيود واضحة على نحو استثنائي التُقطت لجزيء دنا مرطّب بالكامل — وهي الصورة المعروفة باسم «الصورة 51» التي أظهرت بوضوح لولبين وسمحت بتحليلات رياضية دقيقة جداً لشدة الحيود ¹⁰.

خشي واتسون وكريك أن «يسبقهما» لينوس بولينغ، الذي اقترح نموذجاً مختلفاً للبنية ثلاثية الأبعاد للدنا قبل أشهر قليلة منهما، لكن تبيّن في النهاية أن توقع بولينغ كان خاطئاً ³. وبناءً على اقتراح العالم الأمريكي جيري دونوهيو وحده صنع واتسون قصاصات جديدة للثايمين والغوانين، وعندها تطابقت القواعد المتكاملة تماماً (A مع T وC مع G) وارتبط كل زوج بروابط هيدروجينية ³. ولاحظ واتسون وكريك أن بولينغ وكوري سبقا إلى اقتراح بنية ثلاثية السلاسل يكون فيها الفوسفات قرب محور الليف والقواعد في الخارج، واعتبراها غير مُرضية ². ونُشرت ورقة واتسون وكريك «البنية الجزيئية للأحماض النووية: بنية للحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين» في مجلة نيتشر بتاريخ 25 أبريل 1953، في المجلد 171، الصفحات 737–738 ².

بعد تسع سنوات من ورقة اللولب المزدوج، نال واتسون وكريك وويلكنز جائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء مناصفةً عن عملهم في آليات الوراثة ¹⁰. ومُنحت جائزة عام 1962 «لاكتشافاتهم المتعلقة بالبنية الجزيئية للأحماض النووية وأهميتها لنقل المعلومات في المادة الحية» ¹³. وجرت العادة حينها ألا تُمنح جوائز نوبل بعد الوفاة؛ وفرانكلين التي توفيت بسرطان المبيض عام 1958 لم يُشر إليها في الجائزة ¹⁰.

حدد كريك عملية أصبحت تُعرف باسم «العقيدة المركزية» للبيولوجيا الجزيئية، وهي فكرة أن المعلومات الوراثية تتدفق في اتجاه واحد لا رجعة فيه من الدنا إلى الرنا إلى البروتينات ¹⁰. وترأس واتسون المركز الوطني لأبحاث الجينوم البشري في المعاهد الوطنية الأمريكية للصحة من 1988 إلى 1992، وأصبح المدير المؤسس لمشروع الجينوم البشري عام 1990 ¹⁰. ودفعت تصريحات واتسون العنصرية عن ذكاء المنحدرين من أصل أفريقي عام 2007 مختبر كولد سبرينغ هاربر إلى سحب رئاسته الفخرية، وعندما أعاد تأكيد آرائه العنصرية في فيلم وثائقي عام 2019 سُحبت أيضاً ألقابه الفخرية ¹⁰.

كان مشروع الجينوم البشري جهداً دولياً ضخماً ومنظماً وتعاونياً بدرجة عالية أنتج التسلسل الأول للجينوم البشري وتسلسلات عدة كائنات أخرى مدروسة جيداً، ونُفّذ بين عامي 1990 و2003 وكان من أطموح المساعي العلمية وأهمها في تاريخ البشرية ¹⁴. وأُطلق في أكتوبر 1990 واكتمل في أبريل 2003، وكان إنجازه الأبرز — توليد التسلسل الأول للجينوم البشري — قد قدم معلومات أساسية عن المخطط البشري عجّلت منذ ذلك الحين دراسة البيولوجيا البشرية وحسّنت ممارسة الطب ¹⁵. واستخدم المشروع في النهاية طريقة واحدة لتسلسل الدنا تسمى تسلسل سانغر، بعد أن طوّر هذه الطريقة الأساسية تطويراً كبيراً عبر سلسلة من الابتكارات التقنية الكبرى ¹⁴. وبلغت التكلفة المتوقعة مبدئياً ثلاثة مليارات دولار، بناءً على مدته المتصورة البالغة 15 عاماً ¹⁴. وشارك في التسلسل باحثون من 20 جامعة ومركز أبحاث في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة وفرنسا وألمانيا واليابان والصين، وأصبحت المجموعات في هذه الدول تعرف باسم الاتحاد الدولي لتسلسل الجينوم البشري ¹⁴.

في يونيو 2000 أعلن الاتحاد الدولي لتسلسل الجينوم البشري إنتاج مسودة لتسلسل الجينوم البشري غطت 90% منه وتضمنت أكثر من 150,000 منطقة مجهولة التسلسل ¹⁴. وفي أبريل 2003 أعلن توليد تسلسل شبه كامل يغطي 92% من الجينوم بأقل من 400 فجوة ¹⁴. وجاء 70 بالمئة من التسلسل المرجعي الأصلي من دنا شخص واحد مختلط الأصل، بينما جاءت نسبة الـ30 بالمئة المتبقية من 19 فرداً آخرين معظمهم من أصل أوروبي ¹⁴. وحددت لجنة خاصة تابعة للأكاديمية الوطنية الأمريكية للعلوم الأهداف الأصلية للمشروع عام 1988، وشملت قائمة الكائنات في النهاية بكتيريا الإشريكية القولونية وخميرة الخباز وذبابة الفاكهة والديدان الخيطية والفأر ¹⁴.

في 31 مارس 2022 أعلن اتحاد «التيلومير إلى التيلومير» (T2T) أنه سدّ الفجوات المتبقية وأنتج أول تسلسل كامل حقاً للجينوم البشري ¹⁴. ونشر العلماء أول تسلسل كامل بلا فجوات للجينوم البشري، بعد عقدين من إنتاج مشروع الجينوم البشري أول مسودة لتسلسل الجينوم البشري ¹⁶. وتشمل نسبة الـ8% الأخيرة من الجينوم — التي ظلت غير مخططة بعد مشروع الجينوم البشري — جينات عديدة ودنا متكرراً، ويُقارب حجمُها كروموسوماً كاملاً ¹⁶. وتستطيع طريقة أكسفورد نانوبور لتسلسل الدنا قراءة ما يصل إلى مليون حرف من حروف الدنا في قراءة واحدة بدقة متواضعة، بينما تستطيع طريقة باكبيو هاي-فاي قراءة نحو 20,000 حرف بدقة شبه كاملة ¹⁶. واستخدم اتحاد T2T تسلسل الجينوم الكامل الآن مرجعاً لاكتشاف أكثر من مليوني متغير إضافي في الجينوم البشري، ما يوفر معلومات أدق عن المتغيرات الجينومية داخل 622 جيناً مهماً طبياً ¹⁶.

جعل علماء مشروع الجينوم البشري كل جزء من مسودة تسلسل الجينوم متاحاً للجمهور بعد إنتاجه بقليل، التزاماً بـ«مبادئ برمودا» المتفق عليها في اجتماعين عُقدا في برمودا عام 1996 وحددا قواعد الإفراج السريع عن بيانات التسلسل ¹⁴. وأنشأ المعهد الوطني لأبحاث الجينوم البشري برنامج أبحاث الآثار الأخلاقية والقانونية والاجتماعية (ELSI) عام 1990، وقاد التقدير المبكر لقيمة هذا البرنامج الكونغرسَ الأمريكي لاحقاً إلى إلزام المعهد بتخصيص 5% على الأقل من ميزانيته البحثية لدراسة الآثار الأخلاقية والقانونية والاجتماعية للتقدم الجينومي ¹⁴. وبحسب الباحثين، يُعد امتلاك تسلسل كامل بلا فجوات لنحو 3 مليارات قاعدة (أو «حرف») في دنانا أمراً حاسماً لفهم الطيف الكامل للتنوع الجينومي البشري وفهم الإسهامات الجينية في أمراض معينة ¹⁶.