معلومة

12.2: تنظيم الجينات في بدائيات النوى - علم الأحياء

12.2: تنظيم الجينات في بدائيات النوى - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

يتم تنظيم العديد من الجينات بدائية النواة في أوبرا، جينات مرتبطة تم نسخها إلى mRNA واحد يشفر بروتينين أو أكثر. يسمح تنظيم نشاط الأوبرون (بدلاً من جينات مفردة متعددة ترميز بروتينات مفردة) بتنسيق أفضل لتركيب عدة بروتينات في وقت واحد. في بكتريا قولونية، الخاضعة للرقابة أوبرون لاك بتشفير ثلاثة إنزيمات تشارك في عملية التمثيل الغذائي لـ اللاكتوز (مادة مغذية بديلة للجلوكوز). تنظيم الأوبرا (أو جين واحد لهذه المسألة) يمكن أن يكون من خلال قمع او بواسطة الحث. عندما يرتبط مستقلب صغير في خلية بجهاز تنظيمي كاظمة أو محفز البروتين ، يخضع البروتين لتغيير خيفي يسمح له بالارتباط بتسلسل تنظيمي للحمض النووي ... أو فك الارتباط بالحمض النووي. سنرى أمثلة على مثل هذا التنظيم في لاك و trp أوبرا. تنظيم جين أوبرا لاك هو مثال على قمع الجينات إلى جانب الحث. يتم تنظيم تشغيل TRP (التربتوفان) قمع الجينات. في كلا الأوبرين ، تعكس التغييرات في مستويات المستقلبات داخل الخلايا الحالة الأيضية للخلية وتؤدي إلى التغييرات المناسبة في نسخ الجينات. سننظر في تنظيم كلا المشغلين.

نسخ مرنا من أوبرون لاك يتم ترجمتها في وقت واحد إلى تلك الإنزيمات الثلاثة ، كما هو موضح أدناه.

أ. آليات التحكم في بحيرة أوبيرون

في الجهاز الهضمي الحيواني (بما في ذلك جيناتنا) ، جينات من بكتريا قولونية أوبرون لاك تنظيم استخدام اللاكتوز كمغذٍ بديل للجلوكوز. فكر في الجبن بدلاً من الشوكولاتة! يتكون الأوبرا من جينات lacZ و lacY و lacA التي تم استدعاؤها الجينات الهيكلية. بحكم التعريف ، تقوم الجينات الهيكلية بتشفير البروتينات التي تشارك في بنية الخلية ووظيفة التمثيل الغذائي. كما لوحظ بالفعل ، فإن أوبرون لاك يتم نسخها إلى mRNA يشفر البروتينات Z و Y و A.

دعونا نلقي نظرة فاحصة على هيكل أوبرون اللاكتات ووظيفة البروتينات Y و Z و A (أدناه).

يقوم الجين lacZ بترميز β- جالاكتوزيداز، وهو الإنزيم الذي يكسر اللاكتوز (ثنائي السكاريد) إلى الجالاكتوز والجلوكوز. يقوم الجين lacY بترميز اللاكتوز تصريحوهو بروتين غشائي يسهل دخول اللاكتوز إلى الخلايا. دور جين lacA (أ ترانس أسيتيلاز) في استقلاب طاقة اللاكتوز ليست مفهومة جيدًا. ال أنا الجينات على يسار جين lac Z يوجد a الجين التنظيمي (لتمييزه عن الجينات البنيوية). تقوم الجينات التنظيمية بترميز البروتينات التي تتفاعل مع تسلسل الحمض النووي التنظيمي المرتبط بجين للتحكم في النسخ. ال المشغل أو العامل التسلسل الذي يفصل بين الجينات I و Z هو تسلسل تنظيمي للنسخ DNA.

ال بكتريا قولونية عادةً ما يكون lac operon صامتًا (مكبوتًا) لأن هذه الخلايا تفضل الجلوكوز كمصدر للطاقة والكربون. في حالة وجود نسبة كافية من الجلوكوز ، أ بروتين مثبط (منتج الجينات I) مرتبط بـ المشغل أو العامل، ومنع نسخ أوبرون لاك. حتى إذا كان اللاكتوز متاحًا ، فلن تستخدمه الخلايا كمصدر بديل للطاقة والكربون عندما تكون مستويات الجلوكوز كافية. ومع ذلك ، عندما تنخفض مستويات الجلوكوز ، ينشط أوبرون اللاكتوز ويتم ترجمة منتجات الإنزيم الثلاثة. سنرى كيف يؤدي الحد من مستويات الجلوكوز إلى الحد الأقصى لنسخ أوبرون lac بواسطة كليهما السقوط ومباشر الحث، مما يؤدي إلى الحد الأقصى من نسخ جينات اللاكتوز عند الضرورة فقط (أي في وجود اللاكتوز وغياب الجلوكوز). دعونا نلقي نظرة على بعض التجارب الكلاسيكية التي أدت إلى فهمنا لتنظيم جين E. coli بشكل عام ، و lac operon بشكل خاص.

في أواخر الخمسينيات وأوائل الستينيات من القرن الماضي ، كان فرانسوا جاكوب وجاك مونود يدرسان استخدام السكريات المختلفة كمصادر للكربون بواسطة بكتريا قولونية. كانوا يعرفون ذلك النوع البري بكتريا قولونية سيكون ليس جعل ( بيتا ) - جالاكتوزيداز ، ( بيتا ) - بيرميز الجالاكتوزيد أو ( بيتا ) - بروتينات ترانس أسيتيل الجالاكتوزيد عند نموها على الجلوكوز. بالطبع ، عرفوا أيضًا أن الخلايا ستتحول إلى اللاكتوز للنمو والتكاثر إذا حُرمت من الجلوكوز! ثم بحثوا وعزلوا طفرات الإشريكية القولونية المختلفة التي لا يمكن أن تنمو على اللاكتوز ، حتى عندما لا يكون هناك جلوكوز في وسط النمو. فيما يلي بعض المسوخات التي درسوها:

  1. فشل أحد المسوخ في تنشيط إنزيم الجالاكتوزيداز ( beta ) ولكنه جعل النفاذية.
  2. فشل أحد الطفرات في صنع إذن نشط ولكنه صنع كميات طبيعية من ( بيتا ) - galactosidase.
  3. أخفقت متحولة أخرى في إنتاج ترانس أسيتيلاز ، لكنها ما زالت قادرة على استقلاب اللاكتوز في غياب الجلوكوز. ومن هنا يأتي عدم اليقين من دوره في استقلاب اللاكتوز.
  4. الغريب أن إحدى السلالات الطافرة فشلت في صنع أي من الإنزيمات الثلاثة!

نظرًا لأن الطفرات المزدوجة نادرة جدًا وأن الطفرات الثلاثية أكثر ندرة ، فقد استنتج جاكوب ومونود أن تنشيط جميع الجينات الثلاثة في وجود اللاكتوز تم التحكم فيه معًا بطريقة ما. في الواقع ، كان هذا الاكتشاف هو الذي حدد الأوبرون على أنه مجموعة من الجينات تم نسخها على أنها mRNA واحد ، وبالتالي يمكن تنسيق تعبيرها بشكل فعال. قاموا فيما بعد بتمييز البروتين المثبط الذي ينتجه جين lacI. شارك جاكوب ومونود وأندريه لووف في جائزة نوبل في الطب عام 1965 لعملهم في تنظيم الجينات البكتيرية. نحن نعرف ذلك الآن نفي و إيجابي تنظيم أوبرون لاك (الموصوف أدناه) يعتمد على نوعين من البروتينات التنظيمية التي تتحكم معًا في معدل استقلاب اللاكتوز.

1. التنظيم السلبي لأوبيرون لاك اللاكتوز

ارجع إلى الرسم التوضيحي أدناه للتعرف على اللاعبين في إلغاء ضغط أوبرا اللاكتيك.

دائمًا ما يتم تصنيع منتج البروتين المثبط للجين I وموجود فيه بكتريا قولونية الخلايا. أنا لا ينظم التعبير الجيني! في حالة عدم وجود اللاكتوز في وسط النمو ، يرتبط البروتين المثبط بإحكام بحمض النووي المشغل. في حين بوليميراز الحمض النووي الريبي مرتبط بالمروج وجاهز لنسخ الأوبون ، فوجود القامع المرتبط بتسلسل المشغل بالقرب من الجين Z يمنع حركته للأمام فعليًا. في ظل هذه الظروف ، يتم عمل نسخة قليلة أو معدومة. إذا نمت الخلايا في وجود اللاكتوز ، يتم تحويل اللاكتوز الداخل إلى الخلايا allolactose. يرتبط Allolactose بالقمع الموجود على DNA المشغل ليشكل مركبًا مكونًا من جزأين ، كما هو موضح أدناه.

ينفصل القامع الذي تم تغييره بشكل خيفي عن المشغل ويمكن لبوليميراز الحمض النووي الريبي نسخ لاك الجينات الأوبرون كما هو موضح أدناه

2. التنظيم الإيجابي لـ Lac Operon ؛ الحث عن طريق تنشيط Catabolite

يتم التوسط في آلية التحكم الثانية التي تنظم تعبير lac operon بواسطة CAP (مرتبط بـ cAMP بروتين منشط هاديبوليت أو بروتين مستقبل cAMP). عندما يتوفر الجلوكوز ، تكون المستويات الخلوية لـ cAMP منخفضة في الخلايا ويكون CAP في شكل غير نشط. من ناحية أخرى ، إذا كانت مستويات الجلوكوز منخفضة ، ترتفع مستويات cAMP وترتبط بـ CAP ، مما يؤدي إلى تنشيطها. إذا كانت مستويات اللاكتوز منخفضة أيضًا ، فلن يكون لـ CAP المرتبط بـ cAMP أي تأثير. إذا كان اللاكتوز موجودًا وكانت مستويات الجلوكوز منخفضة ، فإن الأولاكتوز يربط مثبط اللاكتوز مما يؤدي إلى انفصاله عن منطقة المشغل. في ظل هذه الظروف ، يمكن أن يرتبط CAP المرتبط بـ cAMP بالمشغل بدلاً من البروتين المثبط. في هذه الحالة ، بدلاً من منع بوليميراز الحمض النووي الريبي ، فإن CAP المنشط المرتبط بالمعسكر يؤدي إلى نسخ أكثر كفاءة لأوبيرون اللاكتيك. والنتيجة هي تخليق مستويات أعلى من إنزيمات اللاكتوز التي تسهل الاستخدام الخلوي الفعال للاكتوز كبديل للجلوكوز كمصدر للطاقة. أقصى التنشيط يظهر أدناه أوبرون اللاكتوز في ارتفاع اللاكتوز وانخفاض الجلوكوز.

CAP المرتبط بـ cAMP هو ملف محفز من النسخ. يقوم بذلك عن طريق إجبار الحمض النووي في منطقة عامل المروج على الانحناء. وبما أن ثني اللولب المزدوج يفك روابط H ، يصبح من السهل على بوليميراز RNA العثور على المحفز وربطه على خيط DNA ليتم نسخه… ، وبدء النسخ. تم توضيح الانحناء الناتج عن cAMP-CAP للحمض النووي أدناه.

3. تنظيم Lac Operon من خلال استبعاد المحرض والمشغلين المتعددين

في السنوات الأخيرة ، تم الكشف عن طبقات إضافية من تنظيم lac operon. في حالة واحدة ، قدرة تصاريح لاك ينظم نقل اللاكتوز عبر غشاء الخلية. في آخر ، تم اكتشاف تسلسلات مشغل إضافية للتفاعل مع مثبط متعدد الأبعاد للتحكم في التعبير الجيني lac.

أ) تنظيم استخدام اللاكتوز عن طريق استبعاد المحرض

عندما تكون مستويات الجلوكوز مرتفعة (حتى في وجود اللاكتوز) ، يتم استهلاك الفوسفات في المواد الوسيطة الحالبة للجليكوز ، مما يحافظ على مستويات الفوسفات السيتوبلازمية منخفضة. في ظل هذه الظروف ، يرتبط EIIAGlc غير الفسفوري بـ نفاذية اللاكتوز إنزيم في غشاء الخلية يمنعه من إدخال اللاكتوز إلى الخلية.

دور EIIA المفسفرة وغير المفسفرةجلك في تنظيم أوبرون لاك موضحة أدناه.

تمنع مستويات الجلوكوز المرتفعة دخول اللاكتوز إلى الخلايا ، مما يمنع بشكل فعال تكوين الأولاكتوز وإلغاء ضغط أوبرون اللاكتوز. وبالتالي فإن استبعاد المحرض هو طريقة منطقية للخلايا للتعامل مع وفرة من الجلوكوز ، سواء كان اللاكتوز موجودًا أم لا. من ناحية أخرى ، إذا كانت مستويات الجلوكوز منخفضة في وسط النمو ، فإن تركيزات الفوسفات في الخلايا ترتفع بشكل كافٍ لكي يعمل كيناز معين على فسفرة EIIAGlc. يخضع EIIAGlc الفسفوري بعد ذلك لتغيير خيفي وينفصل عن نفاذية اللاكتوز ، مما يجعله نشطًا بحيث يمكن أن يدخل المزيد من اللاكتوز إلى الخلية. بعبارة أخرى ، لا "يُستثنى" المحرض في ظل هذه الظروف!

كيناز الذي يفسفر EIIAجلك هو جزء من فسفوينول بيروفات (PEP) - إنزيم فوسفوتانسفيراز المعتمد تتالي النظام (PTS). عندما تكون مستويات الجلوكوز خارج الخلية منخفضة ، تقوم الخلية بتنشيط نظام PTS في محاولة لجلب أي جلوكوز موجود في الخلية. لكن آخر إنزيم في سلسلة فسفرة المواد السمية الثابتة هو كيناز الذي يعمل على فسفرة EIIAجلك. الفسفرة EIIAجلك ينفصل عن نفاذية اللاكتوز ، ويعيد تنشيطه ، ويجلب اللاكتوز المتاح إلى الخلية من الوسط.

ب) هيكل البروتين الكابح وتسلسلات المشغل الإضافية

إن lac repressor عبارة عن رباعي وحدات فرعية متطابقة (أدناه).

تحتوي كل وحدة فرعية على ملف الحلزون بدوره الحلزون عزر قادر على الارتباط بالحمض النووي. ومع ذلك ، فإن تسلسل الحمض النووي للمشغل في اتجاه مجرى المروج في المشغل يتكون من زوج من يكرر مقلوب متباعدة بطريقة تجعلها تتفاعل فقط مع وحدتين فرعيتين للقمع ، تاركة وظيفة الوحدتين الفرعيتين الأخريين غير معروفة ... أي حتى وقت قريب!

تم تمييز منطقتين أخريين من المشغلين مؤخرًا في lac operon. واحد يسمى ا2، داخل الجين lac z نفسها والآخر ، ودعا ا3، بالقرب من نهاية ، ولكن داخل أنا لاك الجين. بصرف النظر عن موقعهم غير المعتاد داخل الجينات الفعلية ، فإن هؤلاء المشغلين ، الذين يتفاعلون مع وحدتي الكابح المتبقيين ، لم يتم اكتشافهم في البداية لأن الطفرات في منطقة O2 أو O3 بشكل فردي لا تساهم بشكل كبير في تأثير اللاكتوز في إزالة الضغط من أوبرون اللاكتوز. يؤدي تحور كلتا المنطقتين فقط في نفس الوقت إلى انخفاض كبير في ارتباط القامع بالأوبون.

B. آلية السيطرة على التربتوفان أوبرون

إذا كان وافرا التربتوفان (trp) متاحًا ، يمكن تثبيط مسار تخليق التربتوفان بطريقتين. أولاً ، تذكر كيف أن تثبيط التغذية المرتدة بواسطة trp الزائد يمكن أن يثبط بشكل خيفي مسار تخليق trp. تحدث الاستجابة السريعة عندما يكون التربتوفان موجودًا بشكل زائد ، مما يؤدي إلى تثبيط ردود الفعل السريع عن طريق منع أول خمسة إنزيمات في مسار تخليق trp. ال أوبيرون trp يشفر عديد الببتيدات التي تشكل اثنين من هذه الإنزيمات.

إنزيم 1 هو متعدد البروتين ، المصنوع من عديد الببتيدات المشفرة بواسطة trp5 و trp4 الجينات. تتكون المنتجات الجينية trp1 و trp2 انزيم 3. إذا انخفضت مستويات التربتوفان الخلوية بسبب استهلاك الحمض الأميني بسرعة (على سبيل المثال ، بسبب الطلب على البروتينات أثناء النمو السريع) ، ستستمر خلايا الإشريكية القولونية في تصنيع الحمض الأميني ، كما هو موضح أدناه.

من ناحية أخرى ، إذا تباطأ استهلاك التربتوفان ، يتراكم التربتوفان في السيتوبلازم. سوف يرتبط التربتوفان الزائد بضاغط trp. ثم يرتبط المكثف المرتبط بـ trp بمشغل trp ، مما يمنع بوليميراز الحمض النووي الريبي من نسخ الأوبون. يتم عرض قمع trp operon بواسطة trp أدناه.

في هذا السيناريو ، التربتوفان هو ملف القامع المشترك. تتمثل وظيفة الضاغط المساعد في الارتباط ببروتين مثبط وتغيير شكله بحيث يمكنه الارتباط بالمشغل.


12.2: تنظيم الجينات في بدائيات النوى - علم الأحياء

يتم تنظيم DNA بدائيات النوى في كروموسوم دائري ملفوف في المنطقة النووية من سيتوبلازم الخلية. يتم ترميز البروتينات اللازمة لوظيفة معينة معًا في كتل تسمى أوبرا. على سبيل المثال ، يتم ترميز جميع الجينات اللازمة لاستخدام اللاكتوز كمصدر للطاقة بجانب بعضها البعض في أوبرون اللاكتوز (أو اللاكتوز).

في الخلايا بدائية النواة ، هناك ثلاثة أنواع من الجزيئات المنظمة التي يمكن أن تؤثر على التعبير عن العوامل: الكابتات ، والمنشطات ، والمحفزات. القامعات هي بروتينات تمنع نسخ الجين استجابة لمحفز خارجي ، بينما المنشطات هي بروتينات تزيد من نسخ الجين استجابةً لمنبه خارجي. أخيرا، المحرضات هي جزيئات صغيرة إما تنشط أو تمنع النسخ حسب احتياجات الخلية وتوافر الركيزة.

أهداف التعلم

  • فهم الخطوات الأساسية لتنظيم الجينات في الخلايا بدائية النواة
  • اشرح أدوار المثبطات في التنظيم الجيني السلبي
  • اشرح دور المنشطات والمحفزات في التنظيم الجيني الإيجابي

12.2: تنظيم الجينات في بدائيات النوى - علم الأحياء

في البكتيريا والعتائق ، عادةً ما يتم ترميز البروتينات الهيكلية ذات الوظائف ذات الصلة - مثل الجينات التي تشفر الإنزيمات التي تحفز العديد من الخطوات في مسار كيميائي حيوي واحد - معًا داخل الجينوم في كتلة تسمى أوبرون ويتم نسخها معًا تحت سيطرة شخص واحد المروجين. هذا يشكل نسخة متعددة السلاسل (الشكل 1). بعد ذلك ، يتمتع المروج بالتحكم المتزامن في تنظيم نسخ هذه الجينات الهيكلية لأنها إما ستكون مطلوبة جميعًا في نفس الوقت ، أو لن تكون هناك حاجة إلى أي منها.

الشكل 1. في بدائيات النوى ، غالبًا ما يتم تنظيم الجينات الهيكلية للوظيفة ذات الصلة معًا على الجينوم ويتم نسخها معًا تحت سيطرة مروج واحد. تشمل المنطقة التنظيمية للمشغل كلاً من المروج والمشغل. إذا ارتبط القامع بالمشغل ، فلن يتم نسخ الجينات الهيكلية. بدلاً من ذلك ، قد ترتبط المنشطات بالمنطقة التنظيمية ، مما يعزز النسخ.

العلماء الفرنسيون فرانسوا يعقوب (1920-2013) وجاك مونود في معهد باستير كانوا أول من أظهر تنظيم الجينات البكتيرية في أوبرا ، من خلال دراساتهم حول لاك أوبرون من بكتريا قولونية. وجدوا ذلك في بكتريا قولونية، جميع الجينات الهيكلية التي تشفر الإنزيمات اللازمة لاستخدام اللاكتوز كمصدر للطاقة تقع بجانب بعضها البعض في اللاكتوز (أو لاك) مشغل تحت سيطرة مروج واحد ، و لاك المروجين. لهذا العمل ، حصلوا على جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب في عام 1965.

يتضمن كل مشغل تسلسلات DNA التي تؤثر على النسخ الخاص بها ، وتقع هذه في منطقة تسمى المنطقة التنظيمية. تشمل المنطقة التنظيمية المروج والمنطقة المحيطة بالمروج الذي عوامل النسخيمكن للبروتينات المشفرة بواسطة جينات تنظيمية الارتباط. تؤثر عوامل النسخ على ارتباط ملفات بوليميراز الحمض النووي الريبي المروج والسماح لتقدمها لنسخ الجينات الهيكلية. أ كاظمة هو عامل نسخ يمنع نسخ الجين استجابة لمحفز خارجي من خلال الارتباط بتسلسل DNA داخل المنطقة التنظيمية التي تسمى المشغل أو العامل، والذي يقع بين موقع ربط RNA polymerase للمروج وموقع البدء النسخي للجين الهيكلي الأول. يمنع ربط القامع فعليًا بوليميراز الحمض النووي الريبي من نسخ الجينات الهيكلية. على العكس من ذلك ، فإن ملف المنشط هو عامل نسخ يزيد من نسخ الجين استجابة لمحفز خارجي عن طريق تسهيل ارتباط بوليميراز الحمض النووي الريبي بالمحفز. ان محفزهو نوع ثالث من الجزيئات التنظيمية ، وهو جزيء صغير ينشط النسخ أو يثبطه من خلال التفاعل مع مثبط أو منشط.

هناك حاجة إلى جينات أخرى في الخلايا بدائية النواة طوال الوقت. ستكون هذه المنتجات الجينية معبر عنها بشكل جوهري، أو قيد التشغيل باستمرار. معظم الجينات المعبر عنها بشكل ضمني هي & # 8220 Housekeeping & # 8221 الجينات المسؤولة عن الصيانة الشاملة للخلية.


تنظيم التعبير الجيني في بدائيات النوى | تنظيم الجينات

يتم تنظيم النسخ الجيني في البكتيريا من خلال مجموعة من الجينات تسمى أوبرون. هذه وحدات نسخية يتم فيها تنظيم العديد من الجينات ، مع الوظائف ذات الصلة ، معًا. تحدث جينات أخرى أيضًا في المشغلات التي تشفر البروتينات المنظمة التي تتحكم في التعبير الجيني. يتم تصنيف عوامل التشغيل على أنها محرضة أو قابلة للقمع.

نظام محرض وقابل للقمع:

إن β galactosidase الموجود في الإشريكية القولونية هو المسؤول عن الماء والخجل من اللاكتوز إلى الجلوكوز والجالاكتوز.

إذا لم يتم توفير اللاكتوز لخلايا الإشريكية القولونية ، فإن وجود جالاكتوزيداز بالكاد يمكن اكتشافه. ولكن بمجرد إضافة اللاكتوز ، يزداد إنتاج إنزيم β galactosidase. يسقط الإنزيم بأسرع ما تتم إزالة الركيزة (اللاكتوز).

تُعرف هذه الإنزيمات التي يمكن تحفيز تركيبها عن طريق إضافة الركيزة باسم الإنزيمات المحفزة ويسمى النظام الجيني المسؤول عن تخليق مثل هذا الإنزيم بالنظام المحرض. الركيزة التي تؤدي إضافتها إلى تخليق إنزيم هي محفز.

في بعض الحالات الأخرى ، يكون الوضع معكوسًا. على سبيل المثال ، عندما لا يتم توفير الأحماض الأمينية من الخارج ، يمكن لخلايا الإشريكية القولونية تصنيع جميع الإنزيمات اللازمة لتخليق الأحماض الأمينية المختلفة. ومع ذلك ، إذا تمت إضافة حمض أميني معين ، على سبيل المثال ، الهيستيدين ، فإن إنتاج إنزيم تصنيع الهيستيدين ينخفض.

في مثل هذا النظام ، فإن إضافة المنتج النهائي من biosyn و shythesis يتحقق من تخليق الإنزيمات اللازمة للتخليق الحيوي. هذه الإنزيمات التي يمكن التحقق من تركيبها عن طريق إضافة المنتج النهائي هي إنزيمات قابلة للقمع ويعرف النظام الوراثي باسم النظم والقوالب القابلة للقمع. المنتج النهائي ، الذي تتحقق إضافته من تخليق الإنزيم ، هو مثبط مساعد.

توجد فئة من الجزيئات تسمى المكبِّطات في الخلايا ، وتتحقق هذه المكثِّفات من نشاط الجينات.يمكن جعل القامع النشط غير نشط عن طريق إضافة محفز ، في حين يمكن تنشيط القامع النشط عن طريق إضافة القامع المشترك.

نموذج الأوبرا:

فرض جاكوب ومونود فرضية لشرح تحريض وقمع تخليق الإنزيم. يُطلق على المخطط المصمم من قبلهم & shyposed نموذج Operon.

يتكون هذا من المكونات:

هذه مقيدة بشكل مباشر مع تخليق البروتينات الخلوية. إنهم ينتجون mRNAs من خلال النسخ ويحددون تسلسل الأحماض الأمينية في البروتينات المركبة. قد تشكل جميع الجينات الهيكلية تحت أوبرون جزيء مرنا طويل الأمد أو متعدد الجينات.

يقع هذا بجوار الجين الهيكلي. إنه يحدد ما إذا كان سيتم قمع الجينات الهيكلية بواسطة بروتين repre & shyssor ، وهو منتج من الجين المنظم. جين المشغل هو موقع ارتباط بروتين repre & shyssor ، وهذا الأخير يرتبط بشكل المشغل ويخجل مجمع المشغل والقمع. عندما يرتبط القامع بالمشغل ، لا يمكن أن يحدث نسخ الجينات الهيكلية.

هذه الجينات تصنع القامع. قد يكون القامع إما مثبطًا نشطًا أو مانعًا غير نشط. يحتوي Repressor pro & shytein على موقع نشط واحد للتعرف على المشغل وموقع نشط آخر للمحفز. في حالة عدم وجود بروتين محفز ، يرتبط المثبط بجين ope & shyrator ويمنع مسار RNA poly & shymerase. وبالتالي فإن الجينات الهيكلية غير قادرة على نسخ mRNA وبالتالي لا يحدث تخليق البروتين وخلعه.

في وجود محفز ، يرتبط البروتين المثبط بالمحفز ليشكل مركبًا محفزًا - مثبطًا. يخضع الكابت عند الارتباط بالمحفز لتغيير ويصبح غير فعال ونتيجة لذلك لا يمكنه الارتباط بجين المشغل ويمكن تخليق البروتين وخلعه.

يُعرف الموقع الفعلي لبدء transcrip & shytion باسم الجين المحفز الذي يقع على يسار جين المشغل. يُعتقد أن بوليميراز RNA يرتبط بموقع المروج وينتقل منه.

المستجيب عبارة عن جزيء صغير (سكر أو حمض أميني) يمكن ربطه ببروتين منظم وسيحدد ما إذا كان المكثف سيربط المشغل أم لا. في الأوبرون المحرض ، تسمى جزيئات المستجيب هذه المحرض. في الأوبر القابل للقمع ، تسمى جزيئات المستجيب هذه بـ co-repressor.

مشغل محرض:

أشهر أوبرا هو أوبرون لاك. يمارس Lac operon كلًا من التحكم الإيجابي والسلبي والخجول. التحكم السلبي هو بمعنى أن الأوبون عادة & # 8220 على & # 8221 ولكن يتم الاحتفاظ بها & # 8220off & # 8221 بواسطة الجين المنظم ، أي لا يُسمح للجينات بالتعبير إلا إذا لزم الأمر.

يمارس ضاغط lac تحكمًا سلبيًا. التحكم الإيجابي هو أن الجين المنظم سوف يحفز إنتاج الإنزيم. يسهل بروتين منشط الكاتابوليت (CAP) النسخ ، لذلك فهو يمارس ويقلل من التحكم الإيجابي. وبالتالي ، يشارك نوعان من البروتينات الفريدة في تنظيم أوبرون اللاكتيك وهما مثبط اللاكتوز و CAP.

اللاكتوز هو جزيء ثنائي السكاريد. من أجل استخدام اللاكتوز كمصدر للكربون والطاقة ، يجب نقل جزيئات اللاكتوز من البيئة خارج الخلية إلى السقف ، ثم الخضوع للتحلل المائي إلى الجلوكوز والجلاك والشيتوز. يتم تحفيز هذه التفاعلات بواسطة ثلاثة إنزيمات. يتكون أوبرون اللاكوب من ثلاثة جينات هيكلية وحيوية (lac Z ، Y ، A) والتي ترمز لهذه الإنزيمات الثلاثة (الشكل 17.2).

جين lac Z - رموز إنزيم galactosidase الذي يكسر اللاكتوز إلى الجالاكتوز والجلوكوز

جين lac Y - رموز التصاريح التي تنقل اللاكتوز إلى الخلية

جين lac A - رموز تران أسيتيلز التي تنقل مجموعة الأسيتيل من أسيتيل CoA إلى الجالاكتوز.

التحكم السلبي في lac Operon:

يتم تصنيع lac repres & shysor من خلال نشاط الجين lac I المسمى الجين المنظم. هذا القامع هو بروتين خيفي

(ط) يمكن أن يؤدي ذلك إلى ربط DNA lac في موقع المشغل ، أو

(2) يمكن أن يرتبط بالمحفز.

في حالة عدم وجود محفز ، فإن موقع ارتباط الحمض النووي للقمع وظيفي. يرتبط بروتين المثبط بالحمض النووي في موقع المشغل في موضع lac ويمنع نسخ جينات lac بواسطة بوليميريز RNA. وهكذا يتم تثبيط تزامن إنزيم اللاك (شكل 17.3 أ).

اللاكتوز ليس هو المحفز الحقيقي لأوبيرون اللاكتوز. إنه ملزم للقمع لزيادة رغبته في التعامل مع المشغل. من ناحية أخرى ، فإن البروتين المرتبط بالقمع غير النشط هو الأولاكتوز. في حين أن β galactosidase يكسر اللاكتوز إلى الجلوكوز والجالاكتوز ، فإن رد الفعل الجانبي يغير الجالاكتوز إلى allolactose و galactobiose.

يمنع هذا اللاكتوز تأثير اللاكتوز المضاد للحث. عندما يرتبط allolactose (المحرض) بالقمع ، فإنه يغير شكل موقع ربط الحمض النووي مما يجعل المكبِط غير نشط ويتحرر من موقع المشغل. وبالتالي يمكن تحويل جينات lac واختصارها.

التحكم الإيجابي في lac Operon:

إنها آلية تنظيمية إضافية تسمح لأوبرون اللاكتوز باستشعار وجود الجلوكوز ، وهو مصدر طاقة بديل ومفضل للاكتوز. إذا كان كل من الجلوكوز واللاكتوز موجودًا ، فستستخدم الخلايا الجلوكوز أولاً ولن تقوم بتقسيم اللاكتوز إلى السكريات المكونة له.

يؤدي وجود الجلوكوز في الخلية إلى إيقاف تشغيل lac operon عن طريق آلية تسمى كبت catabolite الذي يتضمن بروتينًا تنظيميًا يسمى بروتين منشط catabolite (CAP). يرتبط CAP بتسلسل الحمض النووي المنبع لمحفز lac ويعزز الارتباط والخجل لبوليميراز الحمض النووي الريبي ويتم تحسين نسخ الأوبون (الشكل 17.3 ب).

يرتبط CAP فقط في وجود مشتق و shyvative من ATP يسمى cyclic adenosine monophos & shyphate (cAMP) الذي تتأثر مستوياته بالجلوكوز. يقوم إنزيم adenylate cyclase cata & shylyzes بتكوين cAMP ويمنعه الجلوكوز. عندما يتوفر الجلوكوز للخلية ، يتم تثبيط إنزيم الأدينيلات وتنخفض مستويات cAMP.

في ظل هذه الظروف ، لا يلتزم CAP مع المنبع للمروج ويتم نسخ lac ope & shyron عند مستوى منخفض جدًا. على العكس من ذلك ، عندما يكون الجلوكوز منخفضًا ، لا يتم تثبيط إنزيم الأدينيلات ، ويكون cAMP أعلى ويربط CAP يزيد من مستوى النسخ من الأوبرون.

في حالة وجود الجلوكوز واللاكتوز معًا ، فسيتم نسخ أوبرون اللاكتوز عند مستوى منخفض فقط. ومع ذلك ، عند استخدام الجلوكوز ، سينتهي قمع التهدم ويزيد الترانس والارتباك من أوبرون اللاكتوز مما يسمح باستخدام اللاكتوز المتاح.

مشغل قابل للقمع:

يتكون مشغل trp من المكونات التالية:

(1) الجينات الهيكلية (trp E و D و C و B و A):

يحتوي هذا الأوبرون على خمسة جينات هيكلية ترميز الإنزيمات المشاركة في التخليق الحيوي والتخلص من الحمض الأميني التربتوفان. يتم التعبير عن الجينات على أنها mRNA واحد يتم نسخه من مروج المنبع.

(2) الجين المروج (TRP P):

إنها منطقة المروج وهي موقع الربط لبوليميراز الحمض النووي الريبي.

(3) جين المشغل (trp O):

إنها منطقة المشغل التي ترتبط بالضاغط.

إنها المنطقة الرائدة التي تتكون من 162 نيوكليوتيد قبل الجين الهيكلي الأول trp E. ولها أربع مناطق ، المنطقة 1 لديها كودون tryp & shytophan ، المنطقة 2 و 3 و 4 تنظم تخليق mRNA للجينات الهيكلية.

يتم تنظيم التعبير عن الأوبرا بمستوى التربتوفان في الخلية (الشكل 17.4). يقوم جين regu & shylatory المنبع من أوبرا trp بتشفير بروتين يسمى trp repressor. يرتبط هذا البروتين بتسلسل DNA يسمى مشغل trp والذي يقع في اتجاه مجرى محفز trp الذي يتداخل جزئيًا معه.

عندما يكون التربتوفان موجودًا في الخلية ، فإنه يرتبط ببروتين مثبط trp مما يمكّنه من ربط تسلسل مشغل trp ، مما يعيق ربط بوليميراز الحمض النووي الريبي بمحفز trp ويمنع نسخ الأوبون.

في حالة عدم وجود التربتوفان ، فإن مثبط trp غير قادر على ربط عامل trp ونسخ عائدات المشغل. التربتوفان ، المنتج النهائي للإنزيمات المشفرة بواسطة أوبرون trp ، يعمل كمثبط مشترك مع بروتين مثبط trp ويثبط تركيبه عن طريق تثبيط المنتج النهائي.

التوهين هو آلية تنظيمية بديلة تسمح بالتعديل الدقيق والخجل للتعبير عن أوبرا trp وعوامل أخرى (phe ، his ، leu ، thr operon). إن تسلسل mRNA المنقول والمختلط بين الجين الترويجي trp & shyter وجين trp الأول قادر على تكوين إما بنية حلقة جذعية كبيرة لا تؤثر على النسخ أو حلقة جذعية أصغر تعمل كمنهي نسخ (الشكل 17.5).

لا يسمح الموضع النسبي للتسلسلات بتشكيل كلتا الحلقات الجذعية في وقت واحد. يعتمد التوهين على حقيقة أن النقل والشفاء والترجمة مرتبطان ، أي أن الريبوسومات ترتبط بـ mRNAs أثناء نسخها والبدء في ترجمتها إلى بروتين.

إن ارتباط الريبوسومات بتأثير trp mRNA على أي من الحلقتين الجذعية يمكن أن يتشكل ، وبالتالي يردع ويتأرجح سواء حدث الإنهاء أم لا (الشكل 17.5).

تحتوي منطقة الترميز القصيرة المنبع لمنطقة الحلقة الجذعية على أكواد التربتوفان التي تُرجمت قبل الجينات الهيكلية. عندما تكون مستويات التربتوفان كافية ، فإن بوليميراز الحمض النووي الريبي ينسخ المنطقة الرائدة متبوعة بالريبوسوم الذي يمنع شكل الحلقة الجذعية الأكبر ، مما يسمح للحلقة الطرفية والشينيتور بتشكيل نسخ نهائية.

في حالة عدم وجود trypto & shyphan ، يبدأ النسخ ، ولكن لم يتم إنهاؤه لاحقًا بسبب توقف الريبوسوم ، يتحرك RNA polymerase للأمام وتشكل حلقة جذعية كبيرة. تم حظر تشكيل حلقة ter & shyminator واستمرار نسخ المشغل. عندما يكون التربتوفان موجودًا في المستويات المتوسطة ، فإن بعض النصوص ستنطلق وتلمع والبعض الآخر لا.

وبالتالي ، فإن التوهين يسمح للخلية بتجميع التربتوفان وفقًا لمتطلباتها الدقيقة. بشكل عام ، يحدد مكبّر trp ما إذا كان المشغل قيد التشغيل أو الإيقاف ويحدّد التوهين مدى كفاءة نسخه.

يشير تسلسل الرنا المرسال إلى أن توقف الريبوسوم يؤثر على الإنهاء عند المخفف. قد تتحكم قدرة الريبوسوم على التقدم والخجل من خلال منطقة القائد في الانتقال بين هذه الهياكل. تحدد البنية ما إذا كان يمكن لـ mRNA توفير الميزات اللازمة للإنهاء أم لا.

عندما يكون التربتوفان موجودًا ، تكون الريبوسومات قادرة على تصنيع الببتيد القائد. سيستمرون على طول القسم الرائد من mRNA إلى كودون UGA ، الذي يقع بين المنطقتين 1 و 2. بالتقدم إلى هذه النقطة ، تمتد الريبوسومات فوق المنطقة 2 وتمنعها من الاقتران الأساسي.

والنتيجة هي أن المنطقة 3 متاحة للزوج الأساسي مع المنطقة 4 ، مما يؤدي إلى إنشاء دبوس الشعر الطرفى واللامع. في ظل هذه الظروف ، لذلك ، ينتهي بوليميراز الحمض النووي الريبي عند المخفف.

ومع ذلك ، في حالة عدم وجود التربتوفان ، يبدأ الريبو و shysomes ترجمة الببتيد القائد ولكن يتوقف عند أكواد trp الموجودة في المنطقة 1. وبالتالي لا يمكن للمنطقة 1 أن تتزاوج مع المنطقة 2. إذا حدث هذا ، حتى أثناء وجود الرنا المرسال نفسه توليفها ، سيتم إقران المنطقة 2 و 3 بالقاعدة قبل نسخ المنطقة 4.

هذا يجبر المنطقة 4 على البقاء في شكل واحد تقطعت بهم السبل. في حالة عدم وجود دبوس الشعر المنهي ، يستمر بوليميراز الحمض النووي الريبي في النسخ بعد المخفف.

أوبرا آرا (أرابينوز) لفطر F. coli con & shytains:

(1) ثلاثة جينات هيكلية (ara A و ara B و ara D) & # 8211 التي تشفر ثلاثة إنزيمات مختلفة (أيزوميراز ، كيناز ، إبيميريز) لاستقلاب جينات أرابينوز الثلاثة على مرنا واحد.

(2) الجين المروج (Pسيء) - الذي يبدأ النسخ.

(3) الجين العادي (ara C) - البروتين التنظيمي لهذا الجين ara C.

(4) الجين المروج (Pc) - هذا يبدأ نسخ C.

اثنين من المروجين P.سيء و Pc يقعان على بعد 100 زوج من النوكليوتيدات في نفس منطقة المحفز ويبدآن النسخ في direc & shytions المعاكسة.

يعتمد تحريض أوبرون ara على التأثيرات التنظيمية الإيجابية لبروتينين ، بروتين ara C و CAP (بروتين المنشط المرتبط بـ cAMP) ، وتقع مواقع الارتباط لهذين البروتينين في منطقة تسمى ara I والتي تقع بينهما الجينات الهيكلية الثلاثة (ara B و ara A و ara D) والجين المنظم (ara C) (الشكل 17.6A).

يعمل بروتين ara C كمنظم سلبي (مثبط) لنسخ الجينات الهيكلية ara B و ara A و ara D من Pسيء المروج في غياب أرابينوز ودوري AMP (cAMP). لكنه يعمل كمنظم إيجابي (منشط) لنقل وخلع هذه الجينات من P.سيء المروج عند وجود الأرابينوز و cAMP.

اعتمادًا على وجود أو عدم وجود جزيء المستجيب مثل أرابينوز و cAMP ، قد يكون لمنتج الجين التنظيمي ara C تأثير إيجابي أو سلبي على نسخ الجينات الهيكلية ara B و ara A و ara D (الشكل 17.6 ب).

تنظيم ما بعد النسخ للتعبير الجيني في بدائيات النوى:

قد يحدث التنظيم الجيني أيضًا في بدائيات النوى في وقت الترجمة.

التنظيم الذاتي للترجمة:

هناك عدد من الأمثلة حيث ينظم البروتين أو الحمض النووي الريبي إنتاجه. تعمل العديد من البروتينات كمثبطات ، وترتبط بموقع ربط الريبوسوم (أو تسلسل SD-Shine-Dalgarno) أو كودون بدء mRNA. في هذه الحالات ، تظل mRNA سليمة ولكن لا يمكن ترجمتها. هناك بعض الأنظمة الأخرى التي قد يتحلل فيها الرنا المرسال عن طريق ارتباط البروتين على التسلسلات المحددة القصيرة من الرنا المرسال.

التنظيم بواسطة Anti-sense RNA:

يمكن ممارسة التحكم الانتقالي في تخليق البروتين باستخدام RNA المكمل لـ mRNA ، وستشكل هذه RNA التكميلية هجينة RNA-mRNA وتمنع mRNA من الترجمة. يُطلق على هذا النوع من الحمض النووي الريبي اسم RNA المضاد للحس أو الرنا الميكروي (mic = mRNA الذي يتداخل مع الحمض النووي الريبي التكميلي).

قمع الترجمة:

يتم قمع الترجمة بالطرق التالية:

(أ) قد يعيد جزيء المانع-المستجيب للتأرجح والتألق والربط بتسلسل محدد أو بهيكل ثانوي محدد (يتضمن منطقة SD وكودون AUG) ، وبالتالي يمنع بدء الترجمة من خلال منع منطقة الربط والخجل الريبوزومية.

(ب) قد يرتبط جزيء المثبط-المستجيب للمشغل (لا يشمل منطقة SD وكودون AUG) وبالتالي استقرار بنية mRNA الثانوية المثبطة.

(ج) يمكن لجزيء المستجيب (نوكلياز داخلي) أن يمنع بدء الترجمة عن طريق انقسام حال النواة الداخلية لمنطقة SD.

تفعيل الترجمة:

تتسبب بعض المؤثرات أو المنشطات الإيجابية في تنشيط الترانس والانعزال عن طريق زعزعة استقرار الهياكل الثانوية المثبطة في الرنا المرسال إما من خلال الربط البسيط والخجل أو عن طريق الانقسام الداخلي للنووية. قد تتأثر ترجمة بعض الجينات ببعض الجينات الأخرى & # 8211 تسمى هذه الظاهرة اقتران عبر & shylational.

في بعض الحالات ، يتراكم المنتج النهائي لمسار تخليق حيوي معين وقد يوقف هذا التراكم المزيد من تخليق هذه المادة. يعمل المنتج النهائي من خلال التحول الخيفي للأنزيم الأول لمسار التخليق الحيوي (الشكل 17.7).


ال لاك Operon: مشغل محفز

النوع الثالث من تنظيم الجينات في الخلايا بدائية النواة يحدث من خلال عوامل محفزة ، والتي تحتوي على بروتينات ترتبط لتنشيط أو قمع النسخ اعتمادًا على البيئة المحلية واحتياجات الخلية. ال لاك أوبرون هو أوبرون محفز نموذجي. كما تم ذكره سابقا، بكتريا قولونية قادر على استخدام السكريات الأخرى كمصادر للطاقة عندما تكون تركيزات الجلوكوز منخفضة. للقيام بذلك ، يعمل مركب البروتين cAMP-CAP كمنظم إيجابي للحث على النسخ. أحد مصادر السكر هو اللاكتوز. ال لاك يقوم operon بتشفير الجينات اللازمة لاكتساب اللاكتوز ومعالجته من البيئة المحلية. يرتبط CAP بتسلسل المشغل المنبع للمروج الذي يبدأ نسخ لاك أوبرون. ومع ذلك ، بالنسبة لـ لاك تفعيل الاوبون ، يجب أن تتحقق شرطين. أولاً ، يجب أن يكون مستوى الجلوكوز منخفضًا جدًا أو غير موجود. ثانيًا ، يجب أن يكون اللاكتوز موجودًا. فقط عندما يغيب الجلوكوز ويوجد اللاكتوز لاك أوبرون يتم نسخه ([رابط]). هذا أمر منطقي بالنسبة للخلية ، لأنه سيكون من الهدر بقوة إنتاج البروتينات لمعالجة اللاكتوز إذا كان الجلوكوز وفيرًا أو لم يكن اللاكتوز متاحًا.


في بكتريا قولونية، ال trp يتم تشغيل operon افتراضيًا ، بينما يكون ملف لاك أوبرون متوقف. لماذا تظن أن هذه هي القضية؟

في حالة عدم وجود الجلوكوز ، يمكن لـ CAP الارتباط بتسلسل المشغل لتنشيط النسخ. إذا كان اللاكتوز غائبًا ، فإن المكثف يرتبط بالمشغل لمنع النسخ. إذا تم استيفاء أي من هذه المتطلبات ، فسيظل النسخ متوقفًا. فقط عندما يتم استيفاء كلا الشرطين هو لاك أوبرون مكتوب ([رابط]).

الإشارات التي تحفز أو تقمع نسخ ملف لاك مشغل
الجلوكوز يربط CAP اللاكتوز القامع يربط النسخ
+ + لا
+ + بعض
+ + لا
+ + نعم


شاهد برنامج تعليمي متحرك حول طريقة عمل لاك الاوبرون هنا.


تنظيم التعبير الجيني: النماذج والطرق

يتكون الحمض النووي ، الناقل الكيميائي للوراثة ، من وحدات وظيفية ، وهي الجينات. يشير مصطلح الجينوم إلى إجمالي المعلومات الجينية والخلية الموجودة في الخلية.

تحتوي بكتيريا Escheri و shychia coli على حوالي 4400 جين موجود في كروموسوم واحد.

يعتبر جينوم البشر أكثر تعقيدًا ، حيث يحتوي على 23 زوجًا من الكرومو (ثنائي الصبغيات) و shysomes تحتوي على 6 مليارات (6 × 10 9) زوجًا أساسيًا من الحمض النووي ، مع ما يقدر بـ 30.000-40.000 جين. في أي وقت ، يتم التعبير عن جزء بسيط فقط من الجينوم.

تمتلك الخلايا الحية خاصية رائعة للتكيف مع التغيرات في البيئة من خلال تنظيم التعبير الجيني. على سبيل المثال ، يتم تصنيع الأنسولين بواسطة خلايا البنكرياس المتخصصة وليس بواسطة خلايا أعضاء أخرى (مثل الكلى والكبد) ، على الرغم من أن نوى جميع خلايا الجسم تحتوي على جينات الأنسولين. تسهل الآليات التنظيمية الجزيئية التعبير عن جين الأنسولين في البنكرياس ، بينما تمنع التعبير عنه في الخلايا الأخرى.

تنظيم الجينات - عام:

يعد تنظيم التعبير عن الجينات أمرًا ضروريًا للغاية لنمو الكائن الحي وتطوره وتمايزه ووجوده. هناك نوعان من التنظيم الجيني - إيجابي وسلبي.

1- التنظيم الإيجابي:

يقال إن تنظيم الجينات يكون إيجابيًا عندما يتم زيادة التعبير عن طريق عنصر تنظيمي (منظم إيجابي).

2 - التنظيم السلبي:

يشار إلى الانخفاض في التعبير الجيني بسبب وجود عنصر تنظيمي (منظم سلبي) على أنه تنظيم سلبي. وتجدر الإشارة هنا إلى أن التأثير السلبي المزدوج على تنظيم الجينات يؤدي إلى ظاهرة إيجابية.

الجينات التأسيسية والمستحثة:

تعتبر الجينات بشكل عام تحت فئتين.

منتجات (بروتينات) هذه الجينات مطلوبة طوال الوقت في الخلية. لذلك ، يتم التعبير عن الجينات المكونة (أو جينات التدبير المنزلي) بمعدل ثابت إلى حد ما أو أقل في جميع الخلايا تقريبًا ، علاوة على ذلك ، لا تخضع للتنظيم على سبيل المثال. إنزيمات دورة حامض الستريك.

يتم تنظيم تركيز البروتينات التي يتم تصنيعها بواسطة الجينات المحفزة بواسطة إشارات جزيئية مختلفة. يزيد المحرض من التعبير عن هذه الجينات بينما ينقص المكثف ، على سبيل المثاليحدث التربتوفان بيرولاز في الكبد عن طريق التربتوفان.

مفهوم الوحدة الفرعية Cistron-One:

المنتج الكيميائي للتعبير الجيني هو بروتين قد يكون إنزيمًا. كان يعتقد في الأصل أن كل جين يشفر إنزيمًا معينًا ، مما يؤدي إلى المفهوم الشائع ، جين واحد - إنزيم واحد. ومع ذلك ، هذا ليس صحيحًا بالضرورة نظرًا لحقيقة أن العديد من الإنزيمات (أو البروتينات) تتكون من وحدتين فرعيتين غير متطابقتين أو أكثر (سلاسل متعددة الببتيد). الكسترون هو أصغر وحدة للتعبير الجيني. إنه جزء من ترميز الحمض النووي للوحدة الفرعية لجزيء البروتين. يتم استبدال المفهوم الأصلي لأنزيم الجين الأول بوحدة فرعية واحدة من نوع cistron-one.

نماذج لدراسة التعبير الجيني:

ساعد توضيح تنظيم التعبير الجيني في بدائيات النوى إلى حد كبير على فهم مبادئ تدفق المعلومات من الجينات إلى mRNA لتخليق بروتينات معينة. يتم وصف بعض السمات المهمة للتعبير الجيني بدائية النواة أولاً. يتبع ذلك سرد موجز للتعبير الجيني حقيقي النواة.

مفهوم Operon:

أوبرون هو الوحدة المنسقة للتعبير الجيني في البكتيريا. تم تقديم مفهوم الأوبرا من قبل جاكوب ومونود في عام 1961 (جائزة نوبل 1965) ، بناءً على ملاحظاتهم حول تنظيم استقلاب اللاكتوز في الإشريكية القولونية. هذا هو المعروف شعبيا باسم lac operon.

عامل اللاكتوز (لاك):

هيكل أوبرون لاك:

يتكون مشغل lac (الشكل 5.1) من جين تنظيمي (I I للتثبيط) ، وجين المشغل (O) وثلاثة جينات هيكلية (Z ، Y ، A). إلى جانب هذه الجينات ، يوجد موقع محفز (P) ، بجوار جين المشغل ، حيث يرتبط إنزيم RNA polymerase. الجينات الهيكلية Z و Y و A على التوالي ، رمز إنزيمات β-galactosidase و galactoside permease و galactoside acetylase. β-Galacto- sidase hydrolyses اللاكتوز (β-galactoside) إلى الجالاكتوز والجلوكوز بينما يكون permease مسؤولاً عن نقل اللاكتوز إلى الخلية. تظل وظيفة الأسيتيلاز (المشفرة بواسطة الجين A) لغزا.

تنسخ الجينات الهيكلية Z و Y و A إلى mRNA واحد كبير مع 3 وحدات ترجمة مستقلة لتخليق 3 إنزيمات متميزة. يُعرف ترميز mRNA لأكثر من بروتين واحد باسم polycistronic mRNA. تحتوي الكائنات بدائية النواة على عدد كبير من الرنا المرسال متعدد الكريات.

قمع أوبرا لاك:

الجين التنظيمي (I) هو التأسيسي. يتم التعبير عنه بمعدل ثابت يؤدي إلى تخليق مثبط اللاكتوز. lac repressor هو بروتين تنظيمي رباعي (4 وحدات فرعية) (إجمالي وزن مول. 150.000) والذي يرتبط بشكل خاص بجين المشغل (O). هذا يمنع ارتباط إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي بموقع المروج (P) ، وبالتالي يمنع نسخ الجينات الهيكلية (Z و Y و A). هذا ما يحدث في حالة عدم وجود اللاكتوز في الإشريكية القولونية. يعمل جزيء المثبط كمنظم سلبي للتعبير الجيني.

إلغاء قمع أوبرون اللاك:

في وجود اللاكتوز (المحرض) في الوسط ، يمكن أن تدخل كمية صغيرة منه إلى خلايا الإشريكية القولونية. جزيئات المثبط لها انجذاب كبير للاكتوز. ترتبط جزيئات اللاكتوز وتحدث تغييرًا توافقيًا في المكبِط. والنتيجة هي أن المكبِط يصبح معطلاً ، وبالتالي لا يمكنه الارتباط بجين المشغل (O).

يرتبط RNA polymerase بالحمض النووي في موقع المروج ويستمر النسخ ، مما يؤدي إلى تكوين مرنا متعدد الكريات (للجينات Z و Y و A) وأخيراً الإنزيمات الثلاثة. وهكذا ، يحفز اللاكتوز تخليق الإنزيمات الثلاثة P-galactosidase و galactoside permease و galactoside acetylase. يعمل اللاكتوز عن طريق تعطيل جزيئات الكابت ، ومن ثم تُعرف هذه العملية باسم إزالة قمع أوبرون اللاكتوز.

هناك بعض النظائر الهيكلية للاكتوز التي يمكن أن تحفز أوبرا اللاكتوز ولكنها ليست ركائز إنزيم β- galactosidase. تُعرف هذه المواد بالمحفزات غير المبررة. Isopropylthiogalactoside (IPTG) هو محفز غير مبرر ، يستخدم على نطاق واسع لدراسة أوبرون lac.

بروتين المنشط الجيني catabolite:

تستخدم خلايا الإشريكية القولونية الجلوكوز بدلاً من اللاكتوز عندما يكون كلاهما موجودًا في الوسط. بعد استنفاد الجلوكوز في الوسط ، يبدأ استخدام اللاكتوز. يشير هذا إلى أن الجلوكوز يتداخل بطريقة ما مع تحريض أوبرون اللاكتات. هذا يفسر كالتالي.

يتطلب ربط بوليميريز الحمض النووي الريبي بموقع المروج وجود بروتين منشط للجين الهدمي (CAP) مرتبط بـ AMP الدوري (الشكل 5.2). يقلل وجود الجلوكوز من التركيز داخل الخلايا لـ cAMP عن طريق تعطيل إنزيم adenylyl cyclase المسؤول عن تخليق cAMP. بسبب انخفاض مستويات cAMP ، يكون تكوين CAP-cAMP منخفضًا.

لذلك ، فإن ارتباط بوليميراز RNA بالحمض النووي (بسبب عدم وجود CAP-cAMP) والنسخ يكاد يكون ضئيلًا في وجود الجلوكوز. وبالتالي ، يتداخل الجلوكوز مع التعبير عن أوبرون اللاكتات عن طريق استنفاد مستويات cAMP. تم العثور على إضافة cAMP الخارجية لبدء نسخ العديد من العوامل المحرضة ، بما في ذلك lac operon.

من الواضح الآن أن وجود CAP-cAMP ضروري لنسخ الجينات الهيكلية لأوبيرون lac. وبالتالي ، يعمل CAP-cAMP كمنظم إيجابي للتعبير الجيني. لذلك ، من الواضح أن lac operon يخضع للتنظيم الإيجابي (بواسطة القامع ، الموصوف أعلاه) والتنظيم السلبي.

تريبتوفان أوبرون:

التربتوفان هو حمض أميني عطري ، وهو ضروري لتركيب جميع البروتينات التي تحتوي على التربتوفان. إذا لم يكن التربتوفان موجودًا في الوسط بكميات كافية ، فيجب على الخلية البكتيرية أن تصنعه ، لأنه ضروري لنمو البكتيريا.

يظهر أوبرا التربتوفان للإشريكية القولونية في الشكل 5.3. يحتوي هذا المعامل على خمسة جينات هيكلية (trpE ، trpD ، trpC ، trpB ، trpA) والعناصر التنظيمية - المروج الأساسي (trpP) ، المشغل (trpO) ، المخفف (trpa) ، المروج الداخلي الثانوي (TrpP2) و فاصل (trpt).

الجينات الهيكلية الخمسة لرمز أوبر التربتوفان لثلاثة إنزيمات (إنزيمان يحتويان على وحدتين فرعيتين مختلفتين) المطلوبة لتخليق التربتوفان من الكلوريزميت. يتم تشغيل مثبط التربتوفان دائمًا ، ما لم يتم قمعه بواسطة جزيء معين يسمى القامع المشترك. وبالتالي فإن أوبيرون اللاكتوز (الموصوف بالفعل) يكون قابلاً للحث ، في حين أن أوبيرون التربتوفان قابل للقمع. يقال إن أوبرا التربتوفان يكون مكتئبًا عندما يتم نسخه بنشاط.

تنظيم التربتوفان أوبرون بواسطة القامع:

يعمل التربتوفان كمثبط مساعد لإيقاف تخليق الإنزيمات من أوبرا التربتوفان. يتم إبراز هذا بالاقتران مع بروتين معين ، وهو مثبط التربتوفان. يربط مثبط التربتوفان ، وهو homodimer (يحتوي على وحدتين فرعيتين متماثلتين) مع جزيئين من التربتوفان ، ثم يرتبط بمشغل trp لإيقاف النسخ. من المهم أن نلاحظ أن مثبط التربتوفان ينظم أيضًا نسخ الجين (trpR) المسؤول عن توليفه.

يتم إنتاج اثنين من الرنا المرسال متعدد الكريات من أوبرون التربتوفان - أحدهما مشتق من جميع الجينات البنيوية الخمسة ، والآخر مأخوذ من الجينات الثلاثة الأخيرة. إلى جانب العمل كعامل ضاغط مساعد لتنظيم أوبرا التربتوفان ، يمكن أن يثبط التربتوفان نشاط إنزيم أنثرانيلات سينثيتاز. يشار إلى هذا باسم تثبيط التغذية المرتدة ، ويتم إخراجه عن طريق ربط التربتوفان في موقع خيفي على مركب أنثرانيلات.

المخفف كموقع التحكم الثاني لأوبرون التربتوفان:

يقع الجين المخفف (trpa) لأوبيرون التربتوفان في بداية جين trpE. التوهين هو المستوى الثاني من تنظيم مشغل التربتوفان. توفر منطقة المخفف RNA polymerase الذي ينظم النسخ. في وجود التربتوفان ، يتم إنهاء النسخ قبل الأوان في نهاية منطقة المخفف. ومع ذلك ، في حالة عدم وجود التربتوفان ، لا تؤثر منطقة المخفف على النسخ. لذلك ، يمكن تصنيع مرنا متعدد الكريات للجينات الهيكلية الخمسة.

التعبير الجيني في حقيقيات النوى:

تحتوي كل خلية في الكائن الأعلى على الجينوم بأكمله. كما هو الحال في بدائيات النوى ، يتم تنظيم التعبير الجيني في حقيقيات النوى لتوفير الاستجابة المناسبة للاحتياجات البيولوجية.

قد يحدث هذا بالطرق التالية:

أنا. التعبير عن جينات معينة (جينات التدبير المنزلي) في معظم الخلايا.

ثانيا. تفعيل الجينات المختارة عند الطلب.

ثالثا. التعطيل الدائم للعديد من الجينات في جميع الأنواع باستثناء عدد قليل منها.

في حالة الخلايا بدائية النواة ، يتم تنظيم معظم الحمض النووي في جينات يمكن نسخها. في المقابل ، في الثدييات ، يتم تنظيم القليل جدًا من إجمالي الحمض النووي في الجينات والتسلسلات التنظيمية المرتبطة بها. وظيفة الجزء الأكبر من الحمض النووي الإضافي غير معروفة. إن التعبير الجيني حقيقيات النوى وتنظيمه معقدان للغاية. بعض الجوانب الهامة موصوفة بإيجاز.

هيكل الكروماتين والتعبير الجيني:

يتم طي الحمض النووي في الكائنات الحية العليا على نطاق واسع وتعبئته لتشكيل مركب بروتيني DNA يسمى الكروماتين. يلعب التنظيم الهيكلي للحمض النووي في شكل كروماتين دورًا مهمًا في التعبير الجيني حقيقي النواة. في الواقع ، توفر بنية الكروماتين مستوى إضافيًا من التحكم في التعبير الجيني.

ترد قائمة مختارة من الجينات (ممثلة بالمنتجات) جنبًا إلى جنب مع الكروموسومات المعنية التي توجد عليها في الجدول 5.1.

بشكل عام ، الجينات التي يتم نسخها داخل خلية معينة تكون أقل تكثفًا وأكثر انفتاحًا في الهيكل. هذا على عكس الجينات التي لم يتم نسخها والتي تشكل كروماتين عالي الكثافة.

هيستون أستلة ونزع الأسيتيل:

يتم لف مقاطع DNA حقيقية النواة حول بروتينات هيستون لتشكيل جسيم نووي. يعتبر الأستلة أو إزالة الأسيتيل من الهيستونات عاملاً مهمًا في تحديد التعبير الجيني. بشكل عام ، يؤدي acetylation من هيستونات إلى تنشيط التعبير الجيني بينما يعكس de-acetylation التأثير.

يحدث الأسيتيل في الغالب على بقايا اللايسين في النهايات الطرفية الأمينية للهيستونات. يقلل هذا التعديل في الهيستونات من الشحنات الموجبة للنهايات الطرفية (ذيول) ، ويقلل تقاربها الملزم مع الحمض النووي سالب الشحنة. وبالتالي ، يتم تعطيل البنية النووية للسماح بالنسخ.

مثيلة الحمض النووي وتعطيل الجينات:

يتم ميثلة السيتوزين في تسلسل CG للحمض النووي لتشكيل 5 & # 8242-methyl cytosine. يوجد جزء كبير من تسلسل CG (حوالي 20 ٪) في الحمض النووي البشري في شكل ميثلي. بشكل عام ، يؤدي المثيلة إلى فقدان نشاط النسخ ، وبالتالي تعطيل الجينات. يحدث هذا بسبب ارتباط بروتينات ربط الميثيل السيتوزين بالحمض النووي الميثلي.

نتيجة لذلك ، لا يتعرض الحمض النووي الميثلي المرتبط بعوامل النسخ. من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن مثيلة الحمض النووي ترتبط بإزالة أستيل الهيستونات. هذا يوفر وسيلة مزدوجة لقمع الجينات. التنشيط والتعبير الطبيعي للجينات ، وتعطيل الجينات عن طريق مثيلة الحمض النووي موضحة في الشكل 5.4.

المعززات والتعبير الجيني الخاص بالأنسجة:

المعززات (أو المنشطات) هي عناصر الحمض النووي التي تسهل أو تعزز التعبير الجيني. توفر المعززات مواقع ربط لبروتينات معينة تنظم النسخ. إنها تسهل ربط مجمع النسخ بمناطق المروج.

تختلف المعززات عن المروجين بطريقتين مختلفتين:

1. قد توجد المحسنات على آلاف الأزواج الأساسية بعيدًا عن بداية موقع النسخ (المروجون قريبون من موقع النسخ).

2. يمكنهم العمل في أي اتجاه ، أي يمكن أن تعمل المعززات في اتجاه المنبع (5 & # 8242) أو المصب (3 & # 8242) من المروج.

تم تحديد العديد من الجينات حقيقية النواة التي تحتوي على عناصر مُحسِنة في مواقع مختلفة بالنسبة إلى مناطق الترميز الخاصة بها.

تمتلك بعض المعززات القدرة على تعزيز النسخ بطريقة خاصة بالأنسجة. على سبيل المثال ، يتم تعزيز التعبير الجيني في الخلايا اللمفاوية لإنتاج الغلوبولين المناعي & # 8217s (Ig) بواسطة المُحسِّن المرتبط بجينات Ig بين منطقتي J و C.

كثيرا ما تستخدم الحيوانات المعدلة وراثيا لدراسة التعبير الخاص بالأنسجة. تشير الأدلة المتاحة من دراسات مختلفة إلى أن التعبير الجيني الخاص بالنسيج يتم بشكل كبير من خلال إشراك المعززات.

مزيج من عناصر الحمض النووي والبروتينات في التعبير الجيني:

يعد التعبير الجيني في الثدييات عملية معقدة مع العديد من المحفزات البيئية على جين واحد. تظهر الاستجابة النهائية للجين والتي قد تكون إيجابية أو سلبية من خلال ارتباط عناصر الحمض النووي والبروتينات.

في الرسم التوضيحي الوارد في الشكل 5.5 ، يتم تنشيط الجين I بمزيج من المنشطات 1 و 2 و 3. يتم تنشيط الجين II بشكل أكثر فاعلية من خلال العمل المشترك لـ 1 و 3 و 4. المنشط 4 ليس على اتصال مباشر مع الحمض النووي ، لكنه يشكل جسرا بين المنشطين 1 و 3 ، وينشط الجين الثاني. فيما يتعلق بالجين الثالث ، يتم تعطيله عن طريق توليفة من 1 و 5 و 3. في هذه الحالة ، يتداخل البروتين 5 مع ارتباط البروتين 2 بالحمض النووي ويثبط نشاط الجين.

الزخارف في البروتينات والتعبير الجيني:

الفكرة تعني حرفيا العنصر المهيمن. تتوسط أشكال معينة في البروتينات في ربط البروتينات المنظمة (عوامل النسخ) بالحمض النووي. يحدث التحكم المحدد في النسخ من خلال ربط البروتينات التنظيمية ذات التقارب العالي بالمناطق الصحيحة من الحمض النووي. يتم إبراز الغالبية العظمى من تفاعلات البروتين والحمض النووي من خلال أربعة أشكال فريدة.

ترتبط أشكال الأحماض الأمينية المذكورة أعلاه بتقارب كبير مع الموقع المحدد وتقارب منخفض مع أجزاء أخرى من الحمض النووي. يتم الحفاظ على تفاعلات الحافز والحمض النووي بواسطة روابط الهيدروجين وقوى فان دير فال.

شكل اللولب بدوره الحلزون:

يتكون شكل اللولب الحلزوني (HTS) من حوالي 20 من الأحماض الأمينية التي تمثل جزءًا صغيرًا من بروتين كبير. HTS هو جزء المجال من البروتين الذي يتفاعل بشكل خاص مع DNA (الشكل 5.6A). تتضمن أمثلة البروتينات اللولبية الحلزونية الحلزونية مثبط اللاكتوز ، وبروتين منشط AMP الدوري (CAP) للإشريكية القولونية ، والعديد من عوامل النسخ المهمة من الناحية التنموية في الثدييات ، والتي يشار إليها مجتمعة باسم بروتينات المجال المثلي. يشير مصطلح النطاق الداخلي إلى جزء بروتين عوامل النسخ الذي يتعرف على الحمض النووي. تلعب بروتينات المجال المثلي دورًا رئيسيًا في نمو الثدييات.

عزر إصبع الزنك:

منذ فترة ، تم التعرف على أن عامل النسخ TFIIIA يتطلب الزنك لنشاطه. عند التحليل ، تم الكشف عن أن كل TFIIIA يحتوي على أيونات الزنك كمجمع متكرر منسق. يتكون هذا المركب من الأحماض الأمينية المتقاربة السيستين والسيستين ، متبوعًا بزوج هيستيدين - هيستيدين. في بعض الحالات ، يتم استبدال His-His بزوج Cys-Cys ثانٍ (الشكل 5.6 ب).

ترتبط أصابع الزنك بالأخدود الرئيسي للحمض النووي ، وتستلقي على وجه الحمض النووي. يقوم هذا الارتباط بإجراء اتصال مع 5 نقاط أساس من الحمض النووي. تستخدم عوامل نسخ مستقبلات هرمون الستيرويد أشكال أصابع الزنك لربط الحمض النووي.

قد يؤدي حدوث طفرة تؤدي إلى تغيير حمض أميني واحد في إصبع الزنك إلى مقاومة عمل هرمونات معينة على التعبير الجيني. تم التعرف على إصبع زنك متحور مقاوم لتأثير الكالسيتريول (شكل نشط من فيتامين د). قد يؤدي هذا في النهاية إلى الكساح (نقص فيتامين د).

سحاب Leucine عزر:

المناطق 6 الأساسية لبروتينات الليوسين سحاب (bZIP) غنية بالحمض الأميني ليسين. يحدث تكرار دوري لبقايا الليوسين في كل موضع سابع. يسمح هذا النوع من البنية المتكررة لاثنين من المونومرات المتماثلة أو غير المتجانسة بالتجمع معًا وتشكيل مجمع ثنائي الأبعاد. يرتبط مركب البروتين والبروتين هذا بالحمض النووي ويتفاعل معه (الشكل 5.6C). من الأمثلة الجيدة على بروتينات سحاب الليوسين البروتينات الرابطة المُحسِنة (EBP) —fos و jun.

شكل حلزوني حلزوني:

اثنين من الأمفيباثيك (تعني حرفيًا الشعور بالتقارب) يمكن لشرائح حلزونية من البروتينات أن تشكل شكلًا حلزونيًا حلزونيًا حلزونيًا وترتبط بالحمض النووي. يرتبط الشكل الخافت للبروتين في الواقع بالحمض النووي (الشكل 5.6 د)

تنظيم الجينات في حقيقيات النوى:

يتم سرد أهمها أدناه:

4. البديل مرنا الربط

5. نقل mRNA من النواة إلى السيتوبلازم

تضخيم الجينات:

في هذه الآلية ، يتم زيادة تعبير الجين عدة مرات. يلاحظ هذا بشكل شائع خلال مراحل تطور الكائنات حقيقية النواة. على سبيل المثال ، في ذبابة الفاكهة (ذبابة الفاكهة) ، لوحظ تضخيم ترميز الجينات لبروتينات قشرة البيضة أثناء تكوين البويضات. يمكن ملاحظة تضخيم الجين (DNA) تحت المجهر الإلكتروني (الشكل 5.7).

كما تم الإبلاغ عن حدوث تضخيم الجينات في البشر. الميثوتريكسات دواء مضاد للسرطان يثبط إنزيم اختزال ثنائي هيدروفولات. تطور الخلايا الخبيثة مقاومة للأدوية لإعطاء الميثوتريكسات على المدى الطويل عن طريق تضخيم الجينات المشفرة لاختزال ثنائي هيدروفولات.

إعادة ترتيب الجينات:

يمتلك الجسم قدرة هائلة على تصنيع مجموعة واسعة من الأجسام المضادة. تشير التقديرات إلى أن جسم الإنسان يمكن أن ينتج حوالي 10 مليارات (10) من الأجسام المضادة استجابة لتحفيز المستضد. لم يتم فهم الآلية الجزيئية لتنوع الجسم المضاد هذا لفترة طويلة. يتم شرحه الآن على أساس إعادة ترتيب الجينات أو تبديل الجينات أو إعادة التركيب الجسدي للحمض النووي.

يتكون هيكل الجلوبولين المناعي النموذجي من سلسلتين خفيفتين (L) واثنتين ثقيلتين (H). تحتوي كل واحدة من هذه السلاسل (L أو H) على متغير N- طرفي (V) و C- محطة ثابتة (C).

المناطق V من الغلوبولين المناعي & # 8217s مسؤولة عن التعرف على المستضدات. يمكن فهم ظاهرة إعادة ترتيب الجينات من خلال آلية تخليق سلاسل الضوء من الغلوبولين المناعي & # 8217s (الشكل 5.8).

يمكن تصنيع كل سلسلة خفيفة من خلال ثلاثة أجزاء مميزة من الحمض النووي ، وهي المتغير (V.إل) ، الانضمام (Jإل) والثابت (Cإل). يحتوي جينوم mamma & shylian على حوالي 500 فولتإل شرائح ، 6 يإل شرائح و 20 جإل شرائح. أثناء تمايز الخلايا الليمفاوية B ، واحد V.إل الجزء (من 500) أقرب إلى Jإل و جإل شرائح. يحدث هذا على نفس الكروموسوم.

من أجل التوضيح ، 100 الخامسإل، 3 ط Jإل و 10 جإل يتم إعادة ترتيب الشرائح في الشكل 5.8. الحمض النووي المعاد ترتيبه (مع V.إل، يإل و جإل شظايا) لإنتاج مرنا واحد لتخليق سلسلة ضوئية معينة من الجسم المضاد. من خلال مجموعات لا حصر لها من Vإل، يإل و جإل شرائح ، يمكن للجهاز المناعي للجسم أن يولد الملايين من جزيئات الغلوبولين المناعي المحددة لمستضد. يحدث أيضًا تكوين سلاسل ثقيلة (H) من الغلوبولين المناعي & # 8217s عن طريق إعادة ترتيب 4 جينات متميزة - متغير (Vح) ، التنوع (D) ، الانضمام (Jح) وثابت (Cح).

معالجة الحمض النووي الريبي:

يخضع الحمض النووي الريبي المركب في النسخ لتعديلات ينتج عنها RNA وظيفي. تشمل التغييرات الربط بين intron-exon و polyadenylation وما إلى ذلك.

بديل مرنا الربط:

الخلايا حقيقية النواة قادرة على تنفيذ معالجة mRNA بديلة للتحكم في التعبير الجيني. يمكن إنتاج mRNAs المختلفة عن طريق التضفير البديل الذي يرمز لبروتينات مختلفة.

تدهور مرنا:

يتأثر التعبير الجيني بشكل غير مباشر باستقرار الرنا المرسال. تنظم هرمونات معينة تخليق وتفكك بعض الرنا المرسال. على سبيل المثال ، يطيل استراديول نصف عمر vitellogenin mRNA من بضع ساعات إلى حوالي 200 ساعة.

يبدو أن نهايات جزيئات الرنا المرسال تحدد ثبات الرنا المرسال. يحتوي mRNA النموذجي على 5 & # 8242 تسلسل غير مشفر (5 & # 8242-NCS) ، ومنطقة تشفير و 3 & # 8242-NCS. يتم توج جميع mRNAs في نهاية 5 & # 8242 ، ومعظمها يحتوي على تسلسل متعدد الأدينيلات في نهاية 3 & # 8242 (الشكل 5.9). غطاء 5 & # 8242 وذيل بولي (A) يحمي الرنا المرسال من هجوم نوكلياز خارجي. علاوة على ذلك ، توفر هياكل الحلقة الجذعية في مناطق NCS ، والمناطق الغنية بالاتحاد الأفريقي في 3 & # 8242 NCS أيضًا الاستقرار لـ mRNA.

طرق دراسة التعبير الجيني / التنظيم:

عادة ما يتم دراسة التعبير الجيني أو تنظيم الجينات على مستوى النسخ ، أي إنتاج mRNA من الجين.

تم تصميم طرق توضيح التعبير الجيني لتوفير معلومات عن واحد أو أكثر مما يلي:

ثانيا. حجم النسخة (مرنا)

ثالثا. نقاط البداية والنهاية للجينات لإنتاج النص.

رابعا. عدد وموقع الإنترونات على الجينات.

v. نشاط المروج.

بعض الطرق الهامة والعامة المستخدمة لدراسة تنظيم الجينات موصوفة بإيجاز.

اللطخة الجنوبية هي تقنية جديدة للكشف عن جزء معروف من الحمض النووي في تحضير الحمض النووي للكائن الحي. هذه التقنية مفيدة بشكل خاص للكشف عن وجود DNA غريب في الكائنات المعدلة وراثيا أو لتحديد وجود ونسخ عدد الجينات في جينوم الكائن الحي & # 8217s. يتم إعطاء تفاصيل هذه التقنية في مكان آخر.

اللطخة الشمالية تكتشف على وجه التحديد حجم وتسلسل الرنا المرسال. يتم استخلاص إجمالي الرنا المرسال من خلية أو نسيج معلق ، ويتم فصله بواسطة الرحلان الكهربي لهلام الاغاروز ثم يتم اكتشافه عن طريق التهجين

Nuclease SI رسم الخرائط:

نوكلياز سي هو إنزيم يمكنه على وجه التحديد تحطيم الأحماض النووية أحادية السلسلة. يتم استخدام خرائط نوكلياز SI لتحديد عدد الإنترونات الموجودة في الجين (الشكل 5.10).

يتم تهجين الرنا المرسال الناضج مع الجين المقابل له (أي الحمض النووي الجيني). جزء من intron على الجين الذي لم يتم نسخه يحلق خارجًا. يمكن هضم هذا الإنترون المفصول على وجه التحديد بواسطة نوكلياز SI ، والذي يحط من الحمض النووي أحادي الجديلة. يمكن تحديد عدد ووجود الإنترونات من خلال تحليل الحمض النووي المجزأ.

مقايسة حماية نوكلياز:

في مقايسة حماية نوكلياز ، يتم تهجين نص الاختبار (مرنا) بكميات زائدة من جزيئات الحمض النووي المركب في المختبر والمسمى إشعاعيًا (يتم الحصول عليها عادةً من الجينات المستنسخة). تخضع المواد الهجينة الملدنة التي تم تصنيفها للهضم بواسطة نوكلياز SI الذي يحط من الأحماض النووية أحادية السلسلة. يتم فصل الجزيئات المهجنة المعالجة وغير المعالجة بالنوكلياز بواسطة الرحلان الكهربائي لهلام الآجار وتحديدها (الشكل 5.11).

مقايسة حماية نوكلياز هي نوع مختلف من تعيين نوكلياز SI وتوفر معلومات فيما يتعلق بوجود الإنترونات ، ومحطة النسخ ونسخة الاختبار المناسبة.

تمديد التمهيدي:

طريقة التمديد التمهيدي هي تقنية موثوقة لتحديد نهاية 5 & # 8242 من النصوص. لهذا الغرض ، يتم استخدام مادة أولغنوكليوتيد مصطنعة 5 & # 8242 تحتوي على تسلسل أساسي تكميلي لجزء صغير من نص الاختبار.

كلاهما مسموح لهما بالتهجين ، ويتم استخدام إنزيم النسخ العكسي لتمديد التمهيدي حتى يصل إلى نهاية الرنا المرسال 5 & # 8242 (الشكل 5.12). ينتج عن هذا تخليق الحمض النووي التكميلي (cDNA) الذي يمثل المسافة بين 5 & # 8242 نهاية التمهيدي و 5 & # 8242 نهاية mRNA. يمكن فصل (كدنا) عن طريق الرحلان الكهربائي واكتشافه.

ينتهي التضخيم السريع لـ (كدنا) (RACE):

يمكن تعيين نهايات 5 & # 8242- و 3 & # 8242 للحمض النووي التكميلي (cDNA) باستخدام تفاعل البلمرة المتسلسل. هذه الطريقة هي إما 5 & # 8242-RACE أو 3 & # 8242-RACE اعتمادًا على النهاية المراد تعيينها.

المقايسات مراسل:

جينات المراسل هي الجينات التي تشكل منتجات بروتينية يمكن اكتشافها دون تدمير الأنسجة / الخلايا. لتوضيح التعبير الجيني ، يتم دمج محفزه مع الجين المراسل ، ثم يتم إدخاله في الخلايا.

يمكن تحديد المنتجات المحددة (مثل لوسيفيراز ، بيتا-جالاكتوزيداز ، الكلورامفينيكول أسيتيل ترانسفيراز) للجينات المراسل. يعكس نشاط الجين المراسل نشاط الجين المحفز ، وبالتالي التعبير الجيني.

تعتبر فحوصات المراسل مفيدة جدًا لدراسة التعبير الجيني في الجسم الحي في الأنسجة / الخلايا.

تحليل الجينات بواسطة T-DNA و Transposon Tagging:

يتضمن وضع العلامات الجينية على نطاق واسع إدخال جزء من الحمض النووي يمكن التعرف عليه داخل الجين بحيث تتعطل وظيفة الجين ، ويتم التعرف على الجين بفضل جزء الحمض النووي المُدخَل. T-DNA (الحمض النووي المنقول) هو جزء من DNA البلازميد المحفز للورم (Ti plasmid) الموجود في بكتيريا التربة Agrobacterium tumefaciens ، ويمكن استخدام الترانسبوزونات أو T-DNA في توصيف الجينات وتحليل الجينات.

تم توضيح علامات الترانسبوزون للجين في الشكل 5.13. عندما يتم إدخال الينقولات الموجودة في البلازميد في الخلية ، يتم دمجها في الحمض النووي ، ويتعطل الجين. وبالتالي ، ينتج عن إدخال الينقولات طفرة (A & # 8211). يمكن التعرف على هذا المتحور من خلال النمط الظاهري ومكتبة الجينات. علاوة على ذلك ، يمكن فحص المتحولة لوجود الينقولات. من خلال تحديد موقع إدخال الينقولات ، يمكن تحديد موقع الجين المحدد.

طرق دراسة تفاعلات البروتين والبروتين:

يمكن تقييم عمل الجينوم من خلال دراسة البروتين. وبالتالي ، من خلال دراسة وظائف البروتينات ، من الممكن فهم كيفية عمل الجينوم وكيف يمكن أن يؤدي نشاط الجينوم غير الفعال إلى حالات مرضية مثل السرطان. تتضمن البروتيوميات على نطاق واسع منهجية لوصف محتوى البروتين في الخلية. يمكن القيام بذلك عن طريق الرحلان الكهربي للبروتين ، وقياس الطيف الكتلي ، إلخ.

تحديد تفاعل البروتين البروتين هو نهج حديث لدراسة البروتين. يمكن إنشاء خرائط تفاعل البروتين لفهم العلاقة بين الكيمياء الحيوية البروتينية والخلوية. يشيع استخدام نظام عرض Phage ونظام الخميرة ثنائي الهجين لدراسة تفاعلات البروتين والبروتين.

عرض فج:

عرض Phage هو أسلوب جديد لتقييم نشاط الجينوم مع إشارة خاصة لتحديد البروتينات التي تتفاعل مع بعضها البعض. إنها تتضمن أساسًا إدخال DNA غريب في جينوم الملتهمة ، وتعبيرها كمنتج اندماجي مع بروتين غلاف الملتهمة (الشكل 5.14 أ). ويتبع ذلك فحص بروتين الاختبار بواسطة مكتبة عرض الملتهمة (الشكل 5.14 ب). يتم وصف هذه التقنية بإيجاز أدناه.

يتم استخدام نوع خاص من ناقلات الاستنساخ مثل العاثية أو العاثية الخيطية (مثل M13) لعرض الملتهمة. يتم إدخال جزء من ترميز الحمض النووي لبروتين الاختبار في الحمض النووي المتجه (بجوار جين بروتين غلاف الملتهمة). بعد تحول الإشريكية القولونية ، ينتج عن هذا الجين المؤتلف (الإطار المدمج للحمض النووي) تخليق البروتين الهجين. يتكون البروتين الجديد من بروتين الاختبار المدمج مع بروتين غلاف الملتهمة. تعرض جزيئات الملتهمة المنتجة في الإشريكية القولونية المحولة بروتين الاختبار في طبقاتها.

يمكن تحديد تفاعل بروتين الاختبار باستخدام مكتبة عرض الملتهمة. لهذا الغرض ، يتم تجميد بروتين الاختبار داخل بئر من علبة عيار دقيقة ، وتضاف مكتبة عرض الملتهمة. بعد عدة عمليات غسل ، فإن العاثيات التي يتم الاحتفاظ بها في البئر هي تلك التي تعرض بروتينًا يتفاعل مع بروتين الاختبار.

يمكن عزل الببتيدات التي تعرض Phage ، بناءً على خصائص ارتباطها بالأجسام المضادة ، عن طريق استخدام كروماتوجرافيا التقارب. يمكن استخدام عدة جولات من كروماتوغرافيا التقارب وانتشار العاثيات لإثراء العاثيات بالبروتينات المرغوبة.

عرض Phagemid:

يمكن أيضًا استخدام Phagemid بدلاً من البلازميد لعرض البروتينات. في الواقع ، تم تطوير أنواع خاصة من نواقل العرض phagemid لهذا الغرض. يمكن استخدام عرض Phage و phagemid بنجاح لاختيار وهندسة polypeptides بوظائف جديدة.

نظام الخميرة ثنائي الهجين:

عندما يتفاعل بروتينان مع بعضهما البعض ، تُعرف الجينات المقابلة لها باسم الجينات المتفاعلة. يستخدم نظام الخميرة ثنائي الهجين جين مراسل لاكتشاف التفاعل المادي لزوج من البروتينات داخل نواة الخميرة.

تعتمد الطريقة ثنائية الهجين على ملاحظة أن معظم بروتينات النسخ (أي البروتينات المشاركة في تعزيز نسخ الجين) تحتوي على مجالين متميزين - مجال ربط الحمض النووي ومجال تنشيط النسخ. عندما يتم فصل هذين المجالين ماديًا ، يفقد البروتين نشاطه. ومع ذلك ، يمكن إعادة تنشيط نفس البروتين عندما يتم تجميع المجالات معًا. يمكن أن ترتبط هذه البروتينات بالحمض النووي وتنشط النسخ.

يتم دمج البروتين المستهدف في مجال ربط الحمض النووي لتشكيل طعم. عندما يرتبط هذا البروتين المستهدف ببروتين آخر مصمم خصيصًا وهو الفريسة في النواة ، فإنهم يتفاعلون ، وهذا بدوره يؤدي إلى تشغيل التعبير عن الجين المراسل (الشكل 5.15). يمكن الكشف عن جينات المراسل عن طريق زراعة الخميرة على وسط انتقائي.

من الممكن إنتاج بروتينات اندماج الطُعم والفريسة عن طريق تقنيات الحمض النووي المؤتلف القياسية. كثيرًا ما يستخدم البروتين المفرد في صيد الشركاء المتفاعلين بين مجموعة بروتينات الفريسة. يمكن إنتاج عدد كبير من بروتينات الفريسة عن طريق ربط الحمض النووي بتشفير مجال التنشيط لمنشط النسخ إلى ضباب شظايا الحمض النووي من مكتبة cDNA.

نظام الخميرة الثلاثة الهجين:

يمكن التحقق من التفاعلات بين جزيئات البروتين والحمض النووي الريبي باستخدام تقنية تعرف باسم نظام الخميرة ثلاثي الهجين.


المشهد فوق الجينوم من بدائيات النوى

تعمل مثيلة الحمض النووي بالتنسيق مع إنزيمات التقييد لحماية سلامة جينومات بدائية النواة. تشير الدراسات التي أجريت على عدد محدود من الكائنات الحية إلى أن المثيلة تساهم أيضًا في تنظيم الجينوم بدائية النواة ، لكن انتشار وخصائص أنظمة المثيلة المرتبطة بعدم التقييد لا تزال غير مفهومة جيدًا. هنا ، استخدمنا جزيءًا منفردًا ، وتسلسلًا في الوقت الفعلي لرسم خرائط لتعديلات الحمض النووي بما في ذلك m6A و m4C و m5C عبر جينومات 230 نوعًا من البكتيريا والأثرية المتنوعة. لاحظنا مثيلة الحمض النووي في جميع الكائنات الحية تقريبًا (93 ٪) التي تم فحصها ، وحددنا ما مجموعه 834 شكلاً مميزًا مميثلًا متكاثرًا. مكنت هذه البيانات من تقديم شرح لخصائص ربط الحمض النووي لـ 620 DNA Methyltransferases (MTases) ، مما أدى إلى مضاعفة الخصائص المعروفة لنوع I و IIG و III MTases التي كان من الصعب دراستها سابقًا ، وكشف عن تنوعها الاستثنائي. اللافت للنظر ، أن 48 ٪ من الكائنات الحية تحتوي على النوع الثاني MTases النشط مع عدم وجود إنزيم تقييد مشابه واضح. توجد MTases النشطة `` اليتيمة '' في مجموعة متنوعة من الشعب البكتيرية والبدئية وتظهر خصائص نموذجية وأنماط مثيلة متوافقة مع وظائف تنظيم الجينات وتكرار الحمض النووي. تكشف نتائجنا عن الوجود المنتشر لميثيل الحمض النووي في جميع أنحاء ممالك بدائية النواة ، بالإضافة إلى تنوع خصائص التسلسل والوظائف المحتملة لأنظمة مثيلة الحمض النووي.

بيان تضارب المصالح

RJR و RDM و JP و AF موظفون في New England Biolabs (NEB) ، وهي شركة تبيع إنزيمات ميثيل الحمض النووي وإنزيمات التقييد. دفعت NEB مقابل جزء من البحث. JK و TAC موظفان بدوام كامل في Pacific Biosciences ، وهي شركة تقوم بتسويق جزيء واحد وتقنيات التسلسل في الوقت الفعلي.


43 بدائية النواة مقابل التعبير الجيني حقيقي النواة

لفهم كيفية تنظيم التعبير الجيني ، يجب علينا أولاً أن نفهم كيف يصبح الجين بروتينًا وظيفيًا في الخلية. تحدث العملية في كل من الخلايا بدائية النواة وخلايا حقيقية النواة ، فقط في أشكال مختلفة قليلاً.

نظرًا لأن الكائنات بدائية النواة تفتقر إلى نواة الخلية ، فإن عمليات النسخ والترجمة تحدث في وقت واحد تقريبًا. عندما لا تكون هناك حاجة للبروتين ، يتوقف النسخ. نتيجة لذلك ، فإن الطريقة الأساسية للتحكم في نوع وكمية البروتين التي يتم التعبير عنها في خلية بدائية النواة هي من خلال تنظيم نسخ الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي. جميع الخطوات اللاحقة تحدث تلقائيًا. عندما يتطلب الأمر المزيد من البروتين ، يحدث المزيد من النسخ. لذلك ، في الخلايا بدائية النواة ، يكون التحكم في التعبير الجيني بالكامل تقريبًا على مستوى النسخ.

على النقيض من ذلك ، تحتوي الخلايا حقيقية النواة على عضيات داخل الخلايا وهي أكثر تعقيدًا. تذكر أنه في الخلايا حقيقية النواة ، يتم احتواء الحمض النووي داخل نواة الخلية ويتم نسخه إلى mRNA هناك. ثم يتم نقل الرنا المرسال المركب حديثًا من النواة إلى السيتوبلازم ، حيث تقوم الريبوسومات بترجمة الرنا المرسال إلى بروتين. يتم فصل عمليتي النسخ والترجمة ماديًا عن طريق نسخ الغشاء النووي الذي يحدث فقط داخل النواة ، ولا تحدث الترجمة إلا خارج النواة في السيتوبلازم. يمكن أن يحدث تنظيم التعبير الجيني في جميع مراحل العملية (الشكل 2):

  • المستوى اللاجيني: ينظم مدى إحكام التفاف الحمض النووي حول بروتينات الهيستون لتجميعها في الكروموسومات
  • مستوى النسخ: ينظم مقدار النسخ الذي يحدث
  • مستوى ما بعد النسخ: ينظم جوانب معالجة الحمض النووي الريبي (مثل الربط) والنقل خارج النواة
  • المستوى التحويلي: ينظم مقدار تحويل الحمض النووي الريبي إلى بروتين
  • مستوى ما بعد الترجمة: ينظم المدة التي يستمر فيها البروتين بعد تصنيعه وما إذا كان البروتين قد تمت معالجته في شكل نشط

يتم تلخيص الاختلافات في تنظيم التعبير الجيني بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى في الجدول 1.

الجدول 1: الاختلافات في تنظيم التعبير الجيني للكائنات بدائية النواة والكائنات حقيقية النواة


80 تنظيم الجينات بدائية النواة

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • وصف الخطوات المتضمنة في تنظيم الجينات بدائية النواة
  • اشرح أدوار المنشطات والمحفزات والمثبطات في تنظيم الجينات

يتم تنظيم DNA بدائيات النوى في كروموسوم دائري ، ملفوف بشكل كبير داخل المنطقة النووية من سيتوبلازم الخلية. يتم ترميز البروتينات اللازمة لوظيفة معينة ، أو التي تشارك في نفس المسار الكيميائي الحيوي ، معًا في كتل تسمى أوبيرونات. على سبيل المثال ، يتم ترميز جميع الجينات اللازمة لاستخدام اللاكتوز كمصدر للطاقة بجانب بعضها البعض في اللاكتوز (أو لاك) أوبرون ، ونسخها إلى مرنا واحد.

في الخلايا بدائية النواة ، هناك ثلاثة أنواع من الجزيئات المنظمة التي يمكن أن تؤثر على التعبير عن العوامل: الكابتات ، والمنشطات ، والمحفزات. الكابتات والمنشطات هي بروتينات يتم إنتاجها في الخلية. ينظم كل من المثبطات والمنشطات التعبير الجيني عن طريق الارتباط بمواقع DNA معينة المجاور للجينات التي يسيطرون عليها. بشكل عام ، ترتبط المنشطات بموقع المروج ، بينما ترتبط المكثفات بمناطق المشغل. تمنع المثبطات نسخ الجين استجابةً لمحفز خارجي ، بينما تزيد المنشطات من نسخ الجين استجابةً لمحفز خارجي. المحرضات هي جزيئات صغيرة قد تنتجها الخلية أو موجودة في بيئة الخلية. تقوم المحرضات إما بتنشيط النسخ أو كبته اعتمادًا على احتياجات الخلية وتوافر الركيزة.

ال trp Operon: مشغل قابل للقمع

البكتيريا مثل الإشريكية القولونية بحاجة إلى أحماض أمينية للبقاء على قيد الحياة ، وقادرة على تصنيع العديد منها. التربتوفان هو أحد هذه الأحماض الأمينية بكتريا قولونية يمكن تناولها من البيئة أو توليفها باستخدام إنزيمات مشفرة بخمس جينات. هذه الجينات الخمسة متجاورة فيما يسمى التربتوفان (trp) مشغل ((الشكل)). يتم نسخ الجينات إلى mRNA واحد ، والذي يتم ترجمته بعد ذلك لإنتاج جميع الإنزيمات الخمسة. إذا كان التربتوفان موجودًا في البيئة ، إذن بكتريا قولونية لا يحتاج إلى توليف ذلك و trp تم إيقاف تشغيل operon. ومع ذلك ، عندما يكون توافر التربتوفان منخفضًا ، يتم تشغيل المفتاح الذي يتحكم في الأوبون ، ويتم نسخ الرنا المرسال ، ويتم ترجمة بروتينات الإنزيم ، ويتم تصنيع التربتوفان.


ال trp يشمل operon ثلاث مناطق مهمة: منطقة التشفير ، و trp المشغل و trp المروجين. تشمل منطقة الترميز الجينات الخاصة بأنزيمات التخليق الحيوي للتربتوفان الخمسة. مباشرة قبل منطقة الترميز هي موقع بدء النسخ. يكون تسلسل المحفز ، الذي يرتبط به بوليميراز الحمض النووي الريبي لبدء النسخ ، قبل أو "المنبع" لموقع بدء النسخ. بين المروج وموقع بدء النسخ توجد منطقة المشغل.

ال trp المشغل يحتوي على كود DNA الذي trp يمكن أن يرتبط البروتين المثبط. ومع ذلك ، فإن القامع وحده لا يمكنه الارتباط بالمشغل. عندما يكون التربتوفان موجودًا في الخلية ، يرتبط جزيئين من التربتوفان بـ trp repressor ، الذي يغير شكل البروتين المكبِر إلى شكل يمكن أن يرتبط بـ trp المشغل أو العامل. إن ارتباط معقد التربتوفان - المكبّر عند المشغل يمنع فيزيائيًا بوليميريز الحمض النووي الريبي من الارتباط بالمحفز ونسخ جينات المصب.

عندما لا يكون التربتوفان موجودًا في الخلية ، فإن المثبط بحد ذاته لا يرتبط بالمشغل ، يمكن للبوليميراز نسخ جينات الإنزيم ، ويتم تصنيع التربتوفان. نظرًا لأن البروتين المثبط يرتبط بشكل فعال بالمشغل للحفاظ على إيقاف الجينات ، فإن trp يقال أن أوبرون يكون سلبي التنظيم والبروتينات التي ترتبط بالمشغل لإسكات الصوت trp التعبير منظمون سلبيون.

شاهد هذا الفيديو لمعرفة المزيد عن trp أوبرون.

بروتين منشط الكاتابوليت (CAP): منشط نسخي

تمامًا مثل ملف trp يتم تنظيم الأوبون سلبًا بواسطة جزيئات التربتوفان ، وهناك بروتينات ترتبط بتسلسلات المحفز التي تعمل كمنظمين إيجابيين لتشغيل الجينات وتنشيطها. على سبيل المثال ، عندما يكون الجلوكوز نادرًا ، بكتريا قولونية يمكن للبكتيريا أن تتحول إلى مصادر السكر الأخرى للحصول على الوقود. للقيام بذلك ، يجب نسخ جينات جديدة لمعالجة هذه السكريات البديلة. عندما تنخفض مستويات الجلوكوز ، يبدأ AMP الدوري (cAMP) في التراكم في الخلية. جزيء cAMP هو جزيء إشارة يشارك في استقلاب الجلوكوز والطاقة في بكتريا قولونية. يرتبط تراكم cAMP بالبروتين المنشط الموجب للمنظم الهدمي (CAP) ، وهو بروتين يرتبط بمحفزات الأوبراونات التي تتحكم في معالجة السكريات البديلة. عندما يرتبط cAMP بـ CAP ، يرتبط المركب بعد ذلك بمنطقة المروج للجينات اللازمة لاستخدام مصادر السكر البديلة ((الشكل)). في هذه العوامل ، يقع موقع ربط CAP في بداية موقع ربط RNA-polymerase في المروج. يعمل ربط CAP على استقرار ارتباط بوليميراز RNA بمنطقة المروج ويزيد من نسخ جينات ترميز البروتين المرتبطة.


ال لاك Operon: مشغل محرض

النوع الثالث من تنظيم الجينات في الخلايا بدائية النواة يحدث من خلاله الأوبرا المحرضة، والتي تحتوي على بروتينات ترتبط لتنشيط أو قمع النسخ اعتمادًا على البيئة المحلية واحتياجات الخلية. ال لاك أوبرون هو أوبرون محفز نموذجي. كما تم ذكره سابقا، بكتريا قولونية قادر على استخدام السكريات الأخرى كمصادر للطاقة عندما تكون تركيزات الجلوكوز منخفضة. أحد مصادر السكر هو اللاكتوز. ال لاك يقوم operon بتشفير الجينات اللازمة لاكتساب اللاكتوز ومعالجته من البيئة المحلية. الجين Z الخاص بـ لاك يقوم أوبرون بتشفير بيتا جالاكتوزيداز ، الذي يكسر اللاكتوز إلى الجلوكوز والجالاكتوز.

ومع ذلك ، بالنسبة لـ لاك تفعيل الاوبون ، يجب أن تتحقق شرطين. أولاً ، يجب أن يكون مستوى الجلوكوز منخفضًا جدًا أو غير موجود. ثانيًا ، يجب أن يكون اللاكتوز موجودًا. فقط عندما يغيب الجلوكوز ويوجد اللاكتوز لاك أوبرون يتم نسخه ((الشكل)). في حالة عدم وجود الجلوكوز ، يؤدي ارتباط بروتين CAP إلى نسخ لاك أوبرون أكثر فعالية. عندما يكون اللاكتوز موجودًا ، فإنه يرتبط بـ لاك repressor ويغير شكله بحيث لا يمكنه الارتباط بـ لاك عامل لمنع النسخ. يعتبر هذا المزيج من الظروف منطقيًا بالنسبة للخلية ، لأنه سيكون من الهدر بقوة تصنيع الإنزيمات لمعالجة اللاكتوز إذا كان الجلوكوز وفيرًا أو لم يكن اللاكتوز متاحًا.


في بكتريا قولونية، ال trp يتم تشغيل operon افتراضيًا ، بينما يكون ملف لاك أوبرون متوقف. لماذا تظن أن هذه هي القضية؟

في حالة وجود الجلوكوز ، يفشل CAP في الارتباط بتسلسل المروج لتنشيط النسخ. إذا كان اللاكتوز غائبًا ، فإن المكثف يرتبط بالمشغل لمنع النسخ. إذا تم استيفاء أي من هذه الشروط ، فسيظل النسخ متوقفًا. فقط عند غياب الجلوكوز ووجود اللاكتوز هو لاك أوبرون مكتوب ((الشكل)).

الإشارات التي تحفز أو تقمع نسخ ملف لاك مشغل
الجلوكوز يربط CAP اللاكتوز القامع يربط النسخ
+ + لا
+ + بعض
+ + لا
+ + نعم

شاهد برنامج تعليمي متحرك حول طريقة عمل لاك الاوبرون هنا.

ملخص القسم

يحدث تنظيم التعبير الجيني في الخلايا بدائية النواة على مستوى النسخ. هناك نوعان رئيسيان من البروتينات يتحكمان في النسخ بدائية النواة: الكابتات والمنشطات. ترتبط المكثفات بمنطقة المشغل لمنع عمل بوليميراز الحمض النووي الريبي. ترتبط المنشطات بالمحفز لتعزيز ارتباط بوليميريز الحمض النووي الريبي. يمكن لجزيئات المحرض أن تزيد النسخ إما عن طريق تعطيل المكثفات أو عن طريق تنشيط البروتينات المنشطة. في ال trp أوبرون trp يتم تنشيط القامع نفسه عن طريق الارتباط بالتريبتوفان. لذلك ، إذا لم تكن هناك حاجة إلى التربتوفان ، فإن القامع يكون مرتبطًا بالمشغل ويظل النسخ متوقفًا. ال لاك يتم تنشيط الأوبرا بواسطة CAP (بروتين منشط catabolite) ، والذي يرتبط بالمحفز لتثبيت ارتباط RNA polymerase. يتم تنشيط CAP نفسه بواسطة cAMP ، الذي يرتفع تركيزه مع انخفاض تركيز الجلوكوز. ومع ذلك ، فإن لاك يتطلب أوبرون أيضًا وجود اللاكتوز لحدوث النسخ. اللاكتوز يثبط نشاط لاك repressor ، ويمنع بروتين القامع من الارتباط بـ لاك المشغل أو العامل. مع تعطيل القامع ، قد يستمر النسخ. لذلك يجب أن يكون الجلوكوز غائبًا ويجب أن يكون اللاكتوز موجودًا من أجل النسخ الفعال لـ لاك أوبرون.

أسئلة الاتصال المرئي

(الشكل) في بكتريا قولونية، ال trp يتم تشغيل operon افتراضيًا ، بينما يكون ملف لاك أوبرون متوقف. لماذا تعتقد أن هذا هو الحال؟

(الشكل) التربتوفان هو حمض أميني ضروري لصنع البروتينات ، لذلك تحتاج الخلية دائمًا إلى وجود بعض منها في متناول اليد. ومع ذلك ، إذا كان هناك الكثير من التربتوفان ، فإنه من الإسراف في صنع المزيد ، والتعبير عن trp المستقبلات مكبوتة. لا يتوفر اللاكتوز ، وهو سكر موجود في الحليب ، دائمًا. ليس من المنطقي صنع الإنزيمات اللازمة لهضم مصدر طاقة غير متوفر ، لذا فإن لاك يتم تشغيل الأوبيرون فقط عند وجود اللاكتوز.

راجع الأسئلة

إذا كان الجلوكوز غائباً ، وكذلك اللاكتوز ، فإن لاك سيكون المشغل ________.

تفتقر الخلايا بدائية النواة إلى نواة. لذلك ، فإن الجينات في الخلايا بدائية النواة هي:

  1. كل ما تم التعبير عنه ، في كل الأوقات
  2. نسخها وترجمتها في وقت واحد تقريبًا
  3. يتم التحكم فيها بنص لأن الترجمة تبدأ قبل انتهاء النسخ
  4. ب و ج كلاهما صحيح

ال آرا أوبرون هو عامل محفز يتحكم في إنتاج سكر أرابينوز. عندما يكون الأرابينوز موجودًا في بكتيريا فإنه يرتبط بالبروتين AraC ، ويرتبط المركب بموقع البادئ لتعزيز النسخ. في هذا السيناريو ، AraC هو (n) ________.

أسئلة التفكير النقدي

صف كيف يمكن تغيير النسخ في الخلايا بدائية النواة عن طريق التحفيز الخارجي مثل اللاكتوز الزائد في البيئة.

يمكن أن تزيد المنبهات البيئية أو تحفز النسخ في الخلايا بدائية النواة. في هذا المثال ، سيحث اللاكتوز الموجود في البيئة على نسخ لاك أوبرون ، ولكن فقط إذا كان الجلوكوز غير متوفر في البيئة.

ما هو الفرق بين الأوبرا القابل للقمع والمحفز؟

يستخدم المشغل القابل للقمع بروتينًا مرتبطًا بمنطقة المحفز للجين لإبقاء الجين مكبوتًا أو صامتًا. يجب إزالة هذا القامع بنشاط من أجل نسخ الجين. يتم تنشيط أو قمع الأوبرا المحرض اعتمادًا على احتياجات الخلية وما هو متاح في البيئة المحلية.

قائمة المصطلحات


كيف يتشابه تنظيم الجينات في بدائيات النوى وحقيقيات النوى

النسخ والترجمة متشابهان إلى حد كبير في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى. يشارك بوليميراز الحمض النووي الريبي في عملية نسخ الجينات إلى مرنا. تحدث ترجمة كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى في السيتوبلازم بمساعدة الريبوسومات. يُظهر تنظيم التعبير الجيني في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى بعض أوجه التشابه.

  1. التنظيم على مستوى النسخ & # 8211 يحدث تنظيم التعبير الجيني في بدائيات النوى بشكل أساسي أثناء بدء النسخ. يتم تنظيم التعبير الجيني على مستوى النسخ في حقيقيات النوى أيضًا. - يتم تنظيم ارتباط الحمض النووي الريبي بالمنطقة المحفزة من خلال عوامل النسخ في كل من التعبير الجيني بدائية النواة وحقيقية النواة.
  2. الجينات الهيكلية - يتم تنظيم جينات بدائية النواة المتشابهة وظيفيًا في مجموعات جينية تُعرف باسم الأوبراونات. في حقيقيات النوى ، يتم إنتاج العديد من البروتينات عن طريق الربط البديل للحمض النووي الريبي.
  3. المنشطات والمثبطات & # 8211 المنشطات تنظم بشكل إيجابي التعبير الجيني بينما تقوم المثبطات بتنظيم سلبي للتعبير الجيني في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى.
  4. آليات التغذية الراجعة - يتم تنظيم التعبير الجيني بدائية النواة وحقيقية النواة من خلال آليات التغذية الراجعة.

يظهر تنظيم التعبير الجيني بدائية النواة على مستوى النسخ في الشكل 2.

الشكل 2: لائحة لاك أوبيرون

ومع ذلك ، في حقيقيات النوى ، يحدث تنظيم التعبير الجيني في مراحل مختلفة خلال عملية التعبير الجيني. يتم تنظيمها في مستويات ما بعد النسخ ، والترجمة ، وما بعد الترجمة.

استنتاج

التعبير الجيني هو آلية تصنيع جزيئات RNA وظيفية أو بروتينية داخل الخلايا. آلية التعبير الجيني متشابهة جدًا في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى. يجب تنظيم التعبير الجيني من أجل تخليق الكمية المطلوبة من المنتجات الجينية بواسطة الخلية. في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى ، يتم تنظيم التعبير الجيني على مستوى النسخ. يتم التحكم في كلا الآليتين بواسطة عوامل النسخ والمنشطات والمثبطات. يمكن تنظيم كل من الجينات بدائية النواة وحقيقية النواة لإنتاج منتجات جينية متعددة.

المرجعي:

1. "تنظيم التعبير الجيني." لومن، علم الأحياء بلا حدود ، متاح هنا


شاهد الفيديو: ضبط التعبير الجيني في حقيقيات النواة: شرح بالعربي (ديسمبر 2022).