الأسس الجزئية المستعملة في تصنيف الاحياء المجهرية

أدى اكتشاف الطرق الملائمة لدراسة الجزيئات واستعمالها في نهاية الخمسينات وبداية الستينات الى تطورات كبيرة في مختلف المجالات منها استعمالها في عمليات تصنيف وايجاد العلاقات بين الاحياء ومنها :

1-      استعمال المواد الوراثية : وهي الطرق التي تعتمد الى تحديد توالي النيوكلوتيدات في المواد الوراثية، او تهجين الحوامض النووية. ومن الجزيئات المعتمدة في تحديد التوالي استعمال rRNA الموجـــــــــــــــــــــودة فــــــــــــــــــــي الوحدة الصغيرة مـــــــــــــــــــــــــن الرايبوزوم SSU rRNA) Small subunit rRNA   او 16S rRNA)، وهذه الدراسات أسفرت عن تقسيم الاحياء الى ثلاث مجاميع.

I-       خلايا حقيقية النواة وتضم معظم الاحياء.

II-      البكتريا الحقيقية وتضم البكتريا السالبة والموجبة لصبغ كرام والبكتريا المزرقة.

III-     البكتريا القديمة والتي غالبا ما تعيش في ظروف متطرفة مثل الاحياء المولدة للمثيان Methanogenes والاحياء المحبة لحرارة متطفرة Extreme thermophiles والاحياء المحبة للملوحة المتطرفة Extreme halophiles.

وعليه فان هذه الدراسات اسفرت عن الاحياء بدائية النواة تضم مجموعتين هي البكتريا الحقيقية والبكتريا القديمة ولا تتقاطع مع الاحياء حقيقية النواة، وقد اقترح اسم الاركيا Archaea للإشارة الى انه ليست لها علاقة بالأحياء بدائية النواة من البكتريا والبكتريا الحقيقية.

وادخل مفهوم النسبة المولية GC في جينوم الخلايا ليكون احد المؤشرات المستعملة في التصنيف على الاقل للتصنيف الثانوي مثل تقسيم البكتريا الموجبة لصبغة كرام الى مجموعتين احدهما عالية المحتوى واخرى واطئة المحتوى.

2-      تحديد الحوامض الامينية في البروتينات : وهي طريقة مكملة لما ذكر اعلاه، ولذلك يمكن اعتماد توالي القواعد النتروجينية وتوالي الحوامض الامينية في البروتينات لتحليل العلاقة التطورية، اما بالنسبة للتواليات التي لا تشفر للبروتينات مثل الجينات المختلفة للـ rRNA  و tRNA والانترونات فيمكن اعتماد تواليات القواعد النتروجينية فقط.

وقد اعتمد على البروتينات في تحديد العلاقة او التصنيف وذلك لان وجود مناطق مقحمة ثابتة Insertion ومناطق حذف (Indels) Deletion (مناطق الاقحام – الحذف) في تسلسل البروتينات، كما يعد توالي التوقيع او الطمغة Signature sequence من العوامل المساعدة في دراسة العلاقات التطورية بين الاحياء.

ومما يعزز استعمال Indels هو توزيعها المنتظم في افراد النوع الواحد وهذا يشير الى انها دخلت الى الاجداد وانتقلت الى الاحفاد ولذا يعتقد البعض انها واسمة مهمة للتمييز بين المجاميع الرئيسة للأحياء، ولكن مرة اخرى فان استعمالها قد لا يكون نهاية المطاف نظراً لوجود الانتقال الافقي للمواد الوراثية او انها اقحمت في مناطق متعددة من الجينوم ويمكن ان تكون قد تضاعفت.

وتسلسل الطمغة في البروتينات يعرف على أنه مناطق اصطفاف يمكن ان توضح اي تغيير في التركيب الاولي للبروتين في كل الانواع التابعة لوحدة تصنيفية وليس الانواع التابعة لوحدات تصنيفية مختلفة. والتغيرات الموجودة في تواليات الطمغة توضح وجود حامض اميني بديل او حصول عمليات حذف واضافة Indels. وفي جميع الأحوال فان الطمغة عند اعتمادها يجب ان تكون من النوع المحاط بتوالي ثابت. ولذلك فالتواليات Indels ذات الطول المحدود والتسلسل المحدد المحاطة على الجانبين بمناطق ثابتة يشير الى ان التغييرات الحاصلة هي حقيقية وليس خاطئة في عملية الصف او تديد التوالي.

وقد وجد ان استعمالها يؤدي الى نتائج جيدة في أنواع مختلفة وتفسير ذلك ان هذه Indels قد أقحمت مرة واحدة اثناء عملية التضاعف ثم انتقلت عموديا الى الاحفاء.

وقد اقترح استعمال الحوامض الامينية في البروتينات على انه الافضل وان كانت بعض الاقتراحات تجد ما يفندها ومنها :

1-ان توالي الحوامض الامينية يعد صورة مطابقة لتوالي القواعد النتروجينية ولكن هذا لا يكون سليما حتى بالنسبة للحامض الأميني الواحد، اذ يوجد اختلاف في الشفرات الوراثية Degeneracy codons وأغلب الحوامض الامينية يشفر لها بأكثر من شفرة ما عدا الميثاونين والتربتوفان، اضافة الى ان عمل الشفرة الوراثية الواحدة هو ليس عاما في كل الاحياء. اذ ان الموقع الثالث من الشفرة الوراثية والتي قد تختلف دون التأثير على الحامض الأميني في البروتين اي مبدأ المراوغة Wobble hypothesis والتي تحدث في الانواع القريبة من بعضها، ولذلك فان ادراج مثل هذه القواعد في التحليل سوف يؤدي الى عدم التأكد من القواعد النتروجينية في الموقع الثالث من الشفرة وبالتالي الى احتمالية عدم وجود علاقة تطورية.

2-      لا توجد افضلية لاستخدام تواليات الحوامض الامينية بدلا من القواعد النتروجينية وذلك نظراً للاختلاف في احتواء الجينومات من GC بكميات مختلفة، وهذه تكون حقيقية ومؤثرة حتى في الأنواع التي تنتمي الى الجنس نفسه، وتكون GC موزعة بشكل متجانس على الجينوم. وهذا الوضع يؤدي الى تفضيل بعض الشفرات Codon preference خاصة التي فيها اختلاف في الموقع الثالث من الشفرة.

فالأحياء الحاوية على كميات كبيرة من GC فان الأفضلية في الموقع الثالث هي اما C أو G والتي تصل الى 90% من الحالات، اما الاحياء ذات المحتوى الواطئ من GC فانها تفضل A او T في الموقع الثالث للشفرة، ولذلك فان الانواع البعيدة عن بعضها ولكن حاوية على كميات متشابهة من GC قد تحتوي على القاعدة النتروجينية نفسها في الموقع الثالث وعند استعمال الحوامض الامينية تظهر تشابها كبيرا ولكن على اسس خاطئة، ولذلك فان الموقع الثالث من الشفرة بدلا من يساعد في اعطاء معلومات أكثر فانه يعطي تحيزا في التحليل.

وكذلك الحال مع الشفرة الأولى فكل الخلايا بدائية النواة تبدأ بشفرة الميثايونين الحاوية على Formy1 لذلك خاصة بالنسبة للموقع الأول والثالث فانها تؤدي الى نتائج مضللة. كما ان توالي القواعد في 16S rRNA لا يمكن الاعتماد عليه بشكل كبير.

واضافة الى ما ذكر فان تحديد التواليات سواء القواعد النتروجينية او الحوامض الامينية قد يتأثر بالأخطاء التقنية اثناء العمل، ولكن الخطأ الواحد في حالة القواعد النتروجينية يشكل 25% (باعتبار وجود 4 قواعد نتروجينيه)، اما الخطأ في الحوامض الأمينية فان الخطأ الواحد يشكل 5% على اعتبار وجود 20 حامض أميني. ويتأثر المقياس الجزيئي Ultimate molecular chronometer بعدد القواعد النتروجينية فمثلا في تواليات 16S rRNA في بدائية النواة يوجد 1500 قاعدة، وفي حقيقية النواة يوجد 2000 وفي المايتوكوندريا يوجد 612 قاعدة، لذلك فعمليات الصف Alignment قد لا تكون منطبقة بالاعتماد على التوالي الاولي للنيوكليتيدات خاصة عند وجود كميات مختلفة من GC  في الاحياء المتباعدة، لذلك يؤخذ بنظر الاعتبار التركيب الثانوي للـ rRNA والذي يكون ثابتا الى حد كبير ويمكن ان يعطي دليلا على المواقع المتجانسة في التواليات الأولية.

وبعد الدراسات التي اجريت حول تضارب أهمية دراسة التواليات سواء للبروتينات او القواعد النتروجينية استقرت الدراسات الحديثة واعتمدت على دراسة مجموعة من البروتينات التي يعتقد انها ثابتة لتساهم مع دراسات توالي DNA في التصنيف وايجاد العلاقات التطورية ومن البروتينات المستعملة عامل الاستطالة في ترجمة البروتينات EF-1α / Tu و EF-2 / G والوحدات الفرعية I و II لأنزيم الكوثرة RNAP وبروتينات الصدمة الحرارية HSP70 و F-type ATPase و V- type ATPase ونواتج الجينات trpB , trpD, his H, his F, his C وانزيم نزع هيدروجين الكلوتامات و Glutamine synthetase ولعل اهم هذه البروتينات هو HSP70 الذي يكون تسلسل الحوامض الامينية فيه ثابتا بشكل كبير وذو حجم متشابه في العديد من الاحياء سواء في الاحياء بدائية او حقيقية النواة.

المصادر

الخفاجي , زهرة محمود (2008) . التقنية الحيوية الميكروبية (توجهات جزيئية ) . معهد الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية . جامعة بغداد .