تاريخ علم الجينات

أمشاج ناتجة عن تهجين جيني تحتوي على جينات أحد الأنواع الأبوية (C)، بدلا عن كل من الاحتمالات الممكنة لكروموسومات كلا الوالدين (الأحمر والأخضر)(B)، بينما(A) خلية جسدية.

بدأ تاريخ علم الوراثة مع عمل الراهب أغسطينوس جريجور يوهان مندل. الذي وصف عمله على نباتات البازلاء، وقام بنشره في عام 1866، وهو ما أصبح يعرف فيما بعد باسم الوراثة المندلية. كثير من نظريات الوراثة انتشرت في القرون التي سبقت مندل ولعدة عقود بعد عمله.

تميزت سنة 1900 بـ "إعادة اكتشاف مندل" على يد كل من هوغو دي فريس، وكارل كورنس وإريك فون تشرماك، وبحلول سنة 1915 تم تطبيق المبادئ الأساسية لعلم الوراثة المندلية على مجموعة واسعة من الكائنات أبرزها ذبابة الفاكهة السوداء البطن. تم تطوير النموذج المندلي بقيادة توماس هانت مورجان وزملائه "المختصين في ذبابة الفاكهة"، وعلماء الهندسة الوراثية، وحظى هذا النموذج الجديد بقبول واسع بحلول عام 1925. إلى جانب العمل التجريبي، وضع علماء الرياضيات الإطار الإحصائي لعلم الوراثة السكانية، وبذلك تدخلت التفسيرات الوراثية في دراسة التطور.

مع ظهور الأنماط الأساسية من الوراثة الجينية، تحول العديد من علماء الأحياء للبحث حول الطبيعة الفيزيائية للجين. في العقد 1940 وفي وقت مبكر من 1950، أشارت التجارب إلى الحمض النووي باعتباره جزء من الصبغيات (وربما بروتينيات النواة الأخرى ) التي تمسك بالجينات. التركيز على نموذج جديد من الكائنات مثل الفيروسات والبكتيريا، جنبا إلى جنب مع اكتشاف الهيكل الحلزوني المزدوج للحمض النووي في عام 1953، ميّز مرحلة التحول إلى عصر علم الوراثة الجزيئي.

في السنوات التالية، وضع الكيميائيون تقنيات التسلسل لكل من الأحماض النووية والبروتينات، فيما عمل آخرون على العلاقة بين شكلين من الجزيئات البيولوجية: الشفرة الوراثية. أصبح تنظيم التعبير الجيني قضية مركزية في العقد 1960. من 1970 كان يمكن السيطرة علي التعبير الجيني والتلاعب فيه عن طريق الهندسة الوراثية. في العقود الأخيرة من القرن العشرين، ركز العديد من علماء الأحياء على مشاريع وراثية ذات نطاق واسع، والبحث حول تسلسل الجينوم بأكمله.

الأفكار السابقة لمندل حول الوراثة

النظريات القديمة

كانت النظريات المبكرة الأكثر تأثيرا حول الوراثة ترجع إلى أبقراط وأرسطو. كانت نظرية أبقراط (التي ربما بُنيت على تعاليم أنكساغوراس) مشابهة لأفكار داروين في وقت لاحق عن شمولية التخلق، حيث تشمل المواد الوراثة التي تجتمع من جميع أنحاء الجسم. اقترح أرسطو بدلا من ذلك أن المبدأ الذي يمنح الكائن الحي شكله ينتقل عن طريق السائل المنوي (الذي اعتبره شكل منقى للدم) ودم حيض الأم، وأن هذه المواد تفاعلت في الرحم لتوجيه النمو المبكر للكائن الحي. بالنسبة لكل من أبقراط وأرسطو وتقريبا كل علماء الغرب حتى أواخر القرن ال19 فإن توريث الصفات المكتسبة كان يعتبر حقيقة راسخة بحيث أن أي نظرية وراثية مقبولة يجب أن تشرحها. في الوقت نفسه، اتخذت الفصائل الفردية جوهر ثابت لها. بحيث تمر فقط بتغيرات وراثية سطحية.

في تشاركا سامهيتا من عام 300 ميلاديا، رأى كتّاب الطب القدامى في الهند أن خصائص الطفل تتحدد من خلال أربعة عوامل: (1) المواد الإنجابية للأم، (2) الحيوانات المنوية للأب، (3) بعضها من النظام الغذائي للأم الحامل (4) الأشخاص المرافقين للروح التي تدخل في الجنين. كل من هذه العوامل الأربعة كان لها أربعة أجزاء مكونةً ستة عشر عاملا منها الكارما الخاصة بالوالدين والروح التي تحدد السمات السائدة، وهو ما يعطى للطفل خصائصه.

في القرن التاسع عشر الميلادي، اهتم الكاتب العربي الأفريقي الجاحظ بالآثار البيئية على احتمالية الحيوان في البقاء على قيد الحياة. بينما في عام 1000 ميلاديا، كان الطبيب العربي أبو القاسم الزهراوي (المعروف باسم ألبوكاسيس في الغرب) أول طبيب يصف بوضوح الطبيعة الوراثية لمرض عدم تخثر الدم (الهيموفيليا) في كتابه التصريف لمن عجز عن التأليف. في 1140 ميلاديا، وصف يهوذا هاليفي الصفات الوراثية السائدة والمتنحية في كتابه الكوزاري.

النظاميات النباتية والتهجين

في القرن الثامن عشر، مع المعرفة المتزايدة بالتنوع النباتي والحيواني وما صاحبها من زيادة التركيز على علم التصنيف، بدأت أفكار جديدة حول الوراثة في الظهور. أجرى لينيوس وغيره (من بينهم جوزيف غوتليب كولريتور، كارل فريدريش فون غارتنر، وتشارلز ناودين) تجارب مكثفة على التهجين، خصوصا تهجين الأنواع. وصف مُهجّني الأنواع مجموعة واسعة من الظواهر الوراثية، تشمل العقم الهجين و التباين العالي في إعادة التهجين مع أحد الأبوين.

قام مُربّي النباتات بتطوير مجموعة من أصناف مستقرة في كثير من الأنواع النباتية الهامة. في أوائل القرن التاسع عشر، أنشأ أوغستين ساجريت مفهوم الهيمنة، مكتشفا أنه عندما يتم تزاوج بعض أنواع النباتات، بعض الصفات (الموجودة في أحد الوالدين) تظهر عادة في النسل. كما وجد أيضا أن بعض الصفات الموروثة غير الموجودة في أي من الأبوين قد تظهر في النسل. مع ذلك، قام مربي النباتات بمحاولة صغيرة لإقامة الأساس النظري لعملهم أو لتبادل المعرفة التي لديهم مع العمل الحالي لعلم وظائف الأعضاء (الفسيولوجي)، على الرغم من قيام مربي نباتات جارتونز الزراعية في انجلترا بتوضيح نظامهم.

مندل

في تجارب التناسل بين 1856 و 1865، قام جريجور مندل أولا بتتبع أنماط توريث صفات معينة في نبات البازلاء، وبيّن أنها تخضع لقواعد إحصائية بسيطة مع كون بعض الصفات مُهيمنة "سائدة" وبعضها الآخر متنحية. أظهرت هذه الأنماط من الوراثة المندلية أن تطبيق الإحصاءات على علم الوراثة يمكن أن يكون مفيدا للغاية. كما أنها تتناقض أيضا مع نظريات القرن التاسع عشر حول الوراثة المختلطة حيث ظلت الصفات مميزة خلال أجيال عديدة من التهجين. ومنذ ذلك الوقت تم تفسير العديد من أشكال الوراثة الأكثر تعقيدا .

توصل مندل من خلال تحليله الإحصائي إلى المفهوم الذي وصفه بأنه "الصفة" (الذي ينطبق أيضا في ذهنه على المحدد لهذه الصفة ). استخدم في جملة واحدة فقط من ورقته التاريخية مصطلح "العوامل" للدلالة على "مادة الصانعة" للصفة: "حتى الآن وعلى مدى التجربة، نجد تأكيد على أنه في كل حالة يمكن فقط أن تتكون ذرية ثابتة عندما تحمل الخلية البيضية وحبة اللقاح المخصبة صفة مشابهة، بحيث يقدم كلا منهما المواد اللازمة لخلق جيل من الأفراد المتماثلة تماما، كما هو الحال مع الإخصاب الطبيعي في الأنواع النقية، ولذلك يجب علينا أن نأخذ في الاعتبار حقيقة أنه يجب أن تتوافر عوامل مماثلة للعمل أيضا على إنتاج أشكال ثابتة في النباتات الهجينة. "(مندل، 1866).

نشرت أعمال مندل في عام 1866 باسم (تجارب على تهجين النبات)، (وقائع من جمعية التاريخ الطبيعي في برون)، بعد أن ألقى محاضرتين عن عمله في أوائل 1866 .

مابعد مندل وما قبل إعادة الاكتشاف

نُشرت أعمال مندل في مجلة علمية مغمورة نسبيا، ولم تحظ بأي اهتمام في الأوساط العلمية. بدلا من ذلك، اندفعت المناقشات حول نماذج الوراثة التي قدمتها نظرية نظرية داروين عن التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي، والتي بدا فيها أن آليات الوراثة غير اللاماركية مطلوبة. لم تتلق نظرية داروين الخاصة حول الوراثة، وشمولية التخلق درجة كبيرة من القبول. هناك نسخة أكثر رياضية عن شمولية التخلق، والتي خفضت كثيرا من تماسك النظرية داروين اللاماركية، وُضعت هذه النسخة باعتبارها المدرسة "البيومترية" للوراثة التي كتبها ابن عم داروين، فرانسيس غالتون. على غرار غالتون وخليفته كارل بيرسون، حاولت المدرسة البيومترية بناء النماذج الإحصائية للوراثة والتطور، مع بعض النجاح المحدود ولكن الحقيقي، وإن كانت الطرق الصحيحة للوراثة غير معروفة و لم يكن حولها جدال إلى حد كبير.

في عام 1883 أجرى أوغست وايزمان التجارب على تناسل الفئران التي أزيلت ذيولها جراحيا . أوضحت نتائجه - أن إزالة ذيل الفأر جراحيا لم يكن له تأثير على ذيول ذريته - متحديا بذلك نظريات شمولية التخلق واللاماركية، التي رأت أن التغييرات التي يتعرض لها الكائن الحي خلال فترة حياته يمكن أن تكون موروثة خلال نسله. قدم ايزمان نظرية بلازما الجرثومة للوراثة، التي رأت أن المعلومات الوراثية تُحمل فقط في خلايا الحيوانات المنوية والبويضات.

إعادة اكتشاف مندل

تساءل هوغو دي فريس ما قد تكون طبيعة المادة الوراثية ، وعلى وجه الخصوص تساءل ما إذا كانت البلازما الجرثومية مختلطة مثل الطلاء أم لا أو ما إذا كانت المعلومات محمولة في حزم منفصلة التي بقيت دون تكسير. في العقد 1890 كان يقوم بإجراء تجارب التناسل على مجموعة متنوعة من الأنواع النباتية، في عام 1897 نشر ورقة عن نتائجه التي ذكرت أن كل سمة موروثة كان يتحكم بها اثنين من الجزيئات المنفصلة من المعلومات، واحد من كل من الوالدين، وأن هذه الجسيمات تنتقل جنبا إلى جنب سليمة إلى الأجيال الجديدة. في عام 1900 كان يُعِد ورقة أخرى عن المزيد من نتائجه عندما عُرضت عليه نسخة من ورقة مندل 1866 من قبل أحد الأصدقاء الذي اعتقد أنها قد تكون ذات صلة مع عمل دي فريس. مضى قدما ونشر ورقته عام 1900 دون ذكر أسبقية مندل. في وقت لاحق من العام نفسه كان عالم نبات آخر، كارل كورنس، الذي كان قد قام بإجراء تجارب التهجين مع الذرة والبازلاء، يبحث في الأدب عن التجارب ذات الصلة قبل نشر نتائجه الخاصة عندما عثر على ورقة مندل، والتي كانت لها نتائج مماثلة لنتائجه. اتهم كرونس دي فريس بالاستيلاء على مصطلحات من ورقة مندل دون نسب الفضل له أو الاعتراف بأسبقيته. في الوقت نفسه، كان عالم نبات آخر، إريك فون تشرماك يقوم بتجاربه على تناسل نبات البازلاء وتوصل إلى نتائج مماثلة لمندل. اكتشف هو أيضا ورقة مندل خلال بحثه في الأدب عن الأعمال ذات الصلة. في ورقة لاحقة اعترف دي فريس بفضل مندل و بأن عمله هو فقط امتداد لأعمال مندل السابقة.

ظهور علم الوراثة الجزيئية

بعد إعادة اكتشاف عمل مندل كان هناك صراع بين ويليام باتيسون وبيرسون على آلية الوراثة، تم حل هذا الصراع على يد رونالد فيشر في عمله "العلاقة بين الأقارب بناء على فرضية مندل الوراثية".

في عام 1910، أظهر توماس مورغان أن الجينات تتواجد على كروموسومات محددة. ثم أوضح لاحقا أن الجينات تحتل مواقع محددة على الكروموسوم. مع هذه المعرفة، بدأ مورغان وطلابه بوضع خريطة الكروموسومات الأولى لذبابة الفاكهة. في عام 1928، أظهر فريدريك غريفيث أن الجينات يمكن نقلها. فيما يعرف الآن باسم تجربة غريفيث، حيث قام بحقن فأر صغير بسلالة قاتلة من البكتيريا التي كانت قُتلت بالحرارة ثم نقلت معلوماتها الوراثية لسلالة آمنة من نفس البكتيريا، مما أسفر عن موت الفأر.

كشفت سلسلة من الاكتشافات في عقود لاحقة أن المادة الوراثية مصنوعة من الحمض النووي DNA (الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين). في عام 1941، أظهر كلا من جورج بيدل وإدوارد تاتوم أن الطفرات الحادثة في الجينات تسبب أخطاء في خطوات محددة في المسارات الأيضية. أظهر هذا أن جينات معينة ترمز لبروتينات معينة، مما قاد إلى فرضية "جين واحد، إنزيم واحد" . أوضح أوزوالد آفري، وكولن مونرو ماكلويد، وماكلين مكارتي في عام 1944 أن الحمض النووي يحمل المعلومات الجينة. في عام 1952، أنتج روزاليند فرانكلين وريمون جوزلينج نمط لافت للنظر من حيود الأشعة السينية الواضحة يُظهر شكل حلزوني، في عام 1953، توصل جيمس واطسون وفرانسيس كريك إلى التركيب الجزيئي للحمض النووي. أنشأت هذه الاكتشافات معا الفكرة المركزية لعلم الأحياء الجزيئية، التي تنص على أن البروتينات يتم ترجمتها من الحمض النووي الريبي RNA الذي نُسخ من الحمض النووي DNA. أظهرت هذه الفكرة ومنذ نشأتها بعض الاستثناءات، مثل النسخ العكسي في الفيروسات القهقرية.

في عام 1972، كان والتر فيرس وفريقه في جامعة غنت أول من قام بتحديد تسلسل الجين: الجين الخاص بالبروتين المُغلِّف لجراثيم MS2. اكتشف كل من ريتشارد روبرتس وفيليب شارب في عام 1977 أن الجينات يمكن تقسيمها إلى شرائح. أدى ذلك إلى ظهور فكرة أن جين واحد يمكنه أن ينتج العديد من البروتينات. هذا النجاح الكبير في التوصل إلى تسلسل الجينوم لكثير من الكائنات الحية أدى إلى تعقد التعريف الجزيئي للجينات. على وجه الخصوص، لا يبدو أن الجينات تنتظم جنبا إلى جنب على الحمض النووي كحبات منفصلة. بدلا من ذلك، قد تتداخل مناطق إنتاج البروتينات المتخصصة على الحمض النووي ، بحيث تبرز فكرة أن "الجينات هي اتصال واحد طويل". ظهر افتراض لأول مرة في عام 1986 من قبل والتر جيلبرت أنه لا الحمض النووي ولا البروتين سوف يكون مطلوبا في مثل هذا النظام البدائي ذو المرحلة المبكرة جدا من التطور إذ يمكن لـ RNA أن يؤدي ببساطة دور المحفز و معالج تخزين المعلومات الوراثية.

تُعرف الدراسة الحديثة على علم الوراثة على مستوى الحمض النووي باسم علم الوراثة الجزيئية، كما يُعرف تركيب علم الوراثة الجزيئية مع التطور الدارويني التقليدي باسم التركيب التطوري الحديث.

عصر الحمض النووي DNA

1944: عزل الحمض النووي كمادة وراثية في تجربة أفيري-ماكلويد-مكارتي (الذي سمى وقتها بمبدأ التحويل)

1947: اكتشف سلفادور لوريا إعادة تنشيط الفاج المشع، مما حفز العديد من الدراسات في عمليات إصلاح الحمض النووي في الجراثيم، وغيرها من الكائنات، بما في ذلك البشر.

1948: اكتشاف باربرا مكلينتوك الجينات القافزة (الترانسبوزونات) في نبات الذرة.

1950: حدد أروين تشارجاف طريقة المزاوجة بين القواعد النيتروجينية. درس تشارجاف وفريقه الحمض النووي لكائنات متعددة ، وعثروا على ثلاثة أشياء (المعروفة أيضا باسم قواعد تشارجاف). أولا، تركيز البريميدينات (الجوانين والأدينين) توجد دائما بنفس المقدار مساوية لبعضها البعض. ثانيا، تركيز البيورينات (السيتوزين والثيميدين) تكون متساوية دائما. وأخيرا، وجد تشارجاف وفريقه نسبة البريميدينات والبيورينات تتوافق مع بعضها البعض.

1952: تجربة هيرشي تشيس أتثبتت أن المعلومات الوراثية في الفاج (وضمنا، جميع الكائنات الأخرى) هي الحمض النووي DNA.

1952: التقطت صورة حيود الأشعة السينية للحمض النووي ، بواسطة ريمون جوزلينج في مايو 1952، وهو طالب يشرف عليه روزاليند فرانكلين.

1953: تم كشف بنية الحمض النووي وهي في شكل الحلزون المزدوج على يد جيمس واطسون وفرانسيس كريك.

1955: بينما كان جو هين تجيو يعمل في مختبر ألبرت ليفان، حدد عدد الكروموسومات في البشر ليكون 46 كروموسوم. كان تجيو يحاول صقل تقنية قائمة لفصل الكروموسومات على الشرائح الزجاجية عن طريق إجراء دراسة أنسجة الرئة الجنينية البشرية، عندما رأى أن هناك 46 كروموسوم بدلا من 48. وهو الاكتشاف الذي شكل ثورة في علم الوراثة الخلوية.

1957: قام آرثر كورنبرغ و سيفيرو أوتشوا بتوليف الحمض النووي في أنبوب اختبار بعد اكتشاف الوسائل التي يتضاعف بها الحمض النووي. وفر بوليميريز الحمض النووي 1 متطلبات تركيب الحمض النووي في المختبر. مُنح كورنبرغ وأوتشوا جائزة نوبل في عام 1959 لهذا العمل.

1957/1958: اقترح كلا من روبرت هولي، مارشال نيرنبرج، هار غوبند خورانا تسلسل النوكليوتيدات في جزيء الحمض الريبي النووي النقال tRNA. كان فرانسيس كريك اقترح ضرورة وجود نوع من جزيء مُحوِّل وسرعان ما تم تعريفه من قبل هولي، ساعد نيرنبرج وخورانا في تفسير هذه الصلة بين تسلسل نوكليوتيدات RNA المرسل وسلسلة الببتيد. في التجربة، قاما بتنقية tRNA من خلايا الخميرة ومنحا جائزة نوبل في عام 1968.

1958: أوضحت تجربة ميسلسون ستال أن الحمض النووي يتم نسخه بشكل شبه متحفظ.

1960: اكتشف جايكوب ومعاونيه "الاوبرون"، وهو مجموعة من الجينات التي تم تنسيقها من قبل المشغل "أوبراتور"

1961: اكتشف فرانسيس كريك وسيدني برينر طفرات نقل الإطار. في التجربة، تم عزل الطفرات المستحثة بالبروفلافين من جينات بكتريا T4 (rIIB) . تسبب البروفلافين في إحداث الطفرات عن طريق إدراج نفسه بين قواعد الحمض النووي، مما يؤدي عادة إلى إدراج أو حذف زوج من قاعدة واحدة. الطفرة لا يمكن أن تنتج البروتين الوظيفي rIIB. استُخدمت هذه الطفرات لإثبات أن ثلاث قواعد متسلسلة من الحمض النووي للجين rIIB تحدد كل حمض أميني صالح ناتج من شفرة البروتين . وبناء عليه فإن الشفرة الوراثية تتكون من رمز ثلاثي، حيث يحدد كل ثلاثي (يسمى كودون) حمض أميني معين.

1961: حدد كل من سيدني برينر، فرانسوا جاكوب وماثيو ميسلسون وظيفة RNA المرسِل.

1961 - 1967: تضافرت جهود العلماء لفك الشفرة الوراثية، من ضمن هؤلاء مارشال نيرنبرج، هار غوبند خورانا، سيدني برينر وفرانسيس كريك.

1964: أظهر هوارد تيمن باستخدام فيروسات RNA أن اتجاه الحمض النووي لنسخ الحمض النووي الريبي يمكن عكسه.

1964: نهاية الليسينكووية

1966: قام كل من مارشال جورج نيرنبرج، فيليب ليدر، هار غوبند خورانا بفك الشفرة الوراثية باستخدام تجارب مبلمر RNA المتجانس و المبلمر المغاير، والتي تمكنوا من خلالها من اكتشاف أي ثلاثة من الأحماض النووية الريبية تمت ترجمتها إلى أي من الأحماض الأمينية في خلايا الخميرة.

1969: التهجين الجزيئي للحمض النووي المشع إلى الحمض النووي ذو الإعداد الخلوي. بواسطة بارديو إم . إل وغال جي . جاي.

1970: تم اكتشاف إنزيمات القصر في دراسات البكتيريا، والمستدمية النزلية، على يد هاملتون سميث ودانيال ناتان، وهو ما مكن العلماء من قص ولصق الحمض النووي.

1972: قام ستانلي كوهين نورمان وهربرت بوير في جامعة كاليفورنيا ، سان فرانسيسكو، وجامعة ستانفورد ببناء الحمض النووي المؤتلف الذي يمكن تشكيله باستخدام اندونوكلياز القصر ليلتصق الحمض النووي بليغاز الحمض النووي لإعادة إلصاق "النهايات اللزجة" بالبلازميد البكتيري.

انظر أيضا

• تاريخ الفكر التطوري
• جينوم بشري
• مشروع الجينوم
• غريغور يوهان مندل
• توماس مورغان