معلومة

3: تنظيم بدائية النواة للتعبير الجيني - علم الأحياء

3: تنظيم بدائية النواة للتعبير الجيني - 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.

تنظيم بدائية النواة للتعبير الجيني

تنظيم النسخ: المشغلون والمشغلون

كلمات

الجينات الهيكلية: الجينات التي تشفر المعلومات الخاصة بالبروتين

"التعبير الجيني" = النسخ (+ الترجمة عند وصف الجينات الهيكلية)

لمناقشتنا في الفصل، سوف نفترض أنه عندما يتم نسخ الجين البنيوي ، سيتم ترجمة mRNA إلى بروتين وبالتالي ينتج عن "التعبير الجيني" إنتاج البروتين

-ase = نهاية مشتركة للإنزيمات

اللاكتوزاللاكتوز: يسمى أيضًا "سكر الحليب" ، وهو ثنائي السكاريد من الجلوكوز والجلاكتوز مرتبطًا برابطة جليكوسيدية.

اللاكتوز = الجالاكتوز الجلوكوز

المروجين: تسلسل خاص للحمض النووي الذي يرتبط به بوليميراز الحمض النووي الريبي لبدء النسخ

أوبرون: محفز ترميز تسلسل الحمض النووي ومواقع المشغلين والجينات الهيكلية التي يتحكمون فيها

المشغل أو العامل: تسلسل خاص للحمض النووي يمكن أن ترتبط به البروتينات المثبطة لمنع النسخ بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي ؛ مفتاح التبديل "on-off" للنسخ

بروتينات خيفي: بروتينات يمكن أن يكون لها شكلين مختلفين

لاك بروتين مثبط: بروتين خيفي له شكلين:

شكل نشط فيه القامع ربط عامل lac ويمنع نسخ الجينات الهيكلية لأوبرون عندما اللاكتوز غائب و ... شكل غير نشط لا تستطيع ربط عامل lac. يسود الشكل الخامل عند وجود اللاكتوز ويرتبط محفز الأولاكتوز ببروتين مثبط اللاكتوز.

ملاحظات بقاء المقدمة:

يعد التعبير الجيني وتخليق البروتين مكلفًا للخلايا (يتطلب الكثير من "اللبنات الأساسية" والطاقة.

(من بومان) ... معظم الجينات البكتيرية أعرب باستمرار = التعبير التأسيسي. تشمل هذه الجينات جينات الحمض الريبي النووي الريبي ، والجينات الهيكلية للبروتينات اللازمة باستمرار ، على سبيل المثال ، البروتينات الريبوزومية والإنزيمات المستخدمة في تحلل السكر.

ومع ذلك ، قد تكون هناك حاجة لبعض منتجات الجينات فقط في ظل ظروف معينة. على سبيل المثال ، لا يلزم التعبير عن الجين الذي يشفر إنزيم بيتا غالاكتوزيداز إلا إذا كان اللاكتوز موجودًا في البيئة. بيتا جالاكتوزيداز هو المكافئ البكتيري لـ "اللاكتاز" البشري. إنه يحفز التحلل المائي للرابطة الجليكوسيدية بين بقايا الجلوكوز والجالاكتوز في سكر الحليب واللاكتوز:

اللاكتوز-> بيتا جالاكتوزيدase -> جلوكوز + جالاكتوز

البكتيريا التي يمكنها تشغيل وإيقاف نسخ الجينات مثل بيتا جالاكتوزيداز سيكون لها ميزة البقاء على قيد الحياة على البكتيريا الأخرى التي لا تستطيع تنظيم التعبير الجيني (لماذا؟)

تنظيم التعبير الجيني البكتيري: التحكم في النسخ

1. ثلاثة أنواع من التعبير الجيني

  • التأسيس: النسخ المستمر (والتوليف المستمر للبروتينات المشفرة)
  • محفز: يتم صنعه فقط عند وجود ركيزة أو جزيء إشارة ، على سبيل المثال ، إنزيمات لنقل اللاكتوز / التمثيل الغذائي في بكتريا قولونية
  • قابل للقمع: ينتج فقط عندما يكون جزيء الإشارة نادرًا

2. مشغل: مجموعة الجينات التي يتم تشغيل أو إيقاف نسخها بشكل متناسق ؛ تحت سيطرة المشغل والمروج

3. المشغل أو العامل: تسلسل محدد للحمض النووي الذي يقع بين المروج وكودون الجين الأول. بروتينات الكابح تربط المشغل و

منع قدرة بوليميراز الحمض النووي الريبي على ربط المحفز / نسخ الجينات الهيكلية "النهائية". البروتينات المثبطة هي بروتينات خيفية. يحتوي الموقع على موقع ربط واحد لتسلسل مشغل DNA وموقع ربط ثانٍ لجزيء "محفز" على سبيل المثال allolactose في لاك عامل تشغيل (أو جزيء "corepressor" على سبيل المثال trp أوبرون)

الأوبرا المحرضة. تحول النسخ الجيني فقط عند وجود الركيزة / الإشارة. عادة ما تكون جينات الإنزيمات التقويضية على سبيل المثال: بكتريا قولونية لاك أوبرون. جاكوب ومونود 1961

1. يتكون أوبرا لاك من 3 جينات هيكلية (lacZ و Y و A) والمروج والمشغل.

أوبرون لاك غير محرض.

منتج الجينات الهيكلية (إنزيم / بروتين نقل)

لاكز بيتا جالاكتوزيداز

لاسي بروتين نقل اللاكتوز / نفاذية الجالاكتوزيد

لاكا ترانس أسيتيل الجالاكتوزيد

-----------------------------------------------------------------------------------------------------

2. الجين التنظيمي / المكبِط ، لاسي

لاسي هو لاك بروتين مثبط.

بروتين lac repressor هو بروتين مرتبط بالحمض النووي ، والذي عندما يكون نشطًا يمكن أن يرتبط بمشغل lac ، مما يمنع النسخ / التعبير عن lacZ و Y و A في حالة عدم وجود اللاكتوز (ملاحظة البقاء: سيكون هدرًا للبكتيريا أن تصنع هذه البروتينات إذا لم يكن اللاكتوز موجودًا). يحتوي جين Lac repressor على مروج خاص به ويتم التعبير عنه بشكل أساسي. إن جين lac repressor ليس جزءًا من lac operon

3. lac operon عندما لا يتوفر اللاكتوز (ملء الكرتون أدناه، الخطوط المنقطة المزدوجة تمثل خيطًا واحدًا من الحمض النووي)

الحمض النووي ___________________________________________________________

------------------------------------------------------------------------------------------------

lac أنا المروجلاك المشغل أو العامللاك lacZ lacY lacA

كيف يجب أن تبدو الرسوم المتحركة الخاصة بك؟

يربط بروتين lac repressor مشغل lac في غياب اللاكتوز ، ويمنع نسخ جينات lac بواسطة بوليميريز RNA. ملحوظة: كل القمع "متسرب" ، أي يقوم المكبِط بربط المشغل وإطلاقه بطريقة تعتمد على التركيز. عندما يغيب اللاكتوز ، تكون معظم البروتينات المثبطة في الشكل النشط ، مما يمنع معظم (ولكن ليس كل) نسخ الجينات الهيكلية اللاكتوزية)

4. أضف اللاكتوز: (كيف يختلف رسمك الكرتوني عن أعلاه؟)

الحمض النووي ___________________________________________________________

------------------------------------------------------------------------------------------------

lac أنا المروجلاك المشغل أو العامللاك lacZ lacY lacA

الحمض النووي ___________________________________________________________

------------------------------------------------------------------------------------------------

lac أنا المروجلاك المشغل أو العامللاك lacZ lacY lacA

5. الآن يمكن لبوليميراز الحمض النووي الريبي أن يبدأ في نسخ جينات اللاكتوز ويمكن للخلية أن تصنع بروتين النقل وبيتا جالاكتوزيداز ، وتبدأ الخلية في نقل وتفكيك اللاكتوز بمعدل مرتفع

6. عند استهلاك اللاكتوز ، تنخفض مستويات اللاكتوز / تحرر مثبط اللاكتوز ، ويستعيد المكبِط الشكل ، ويربط المشغل ، ويوقف النسخ الجيني اللاكتوز

الحمض النووي ___________________________________________________________

------------------------------------------------------------------------------------------------

lac أنا المروجلاك عامل التشغيل lacZ lacY lacA

ماذا سيحدث لو…..

ماذا إذا….

E.coli لديها طفرة بحيث لا يستطيع مثبط lac ربط الحمض النووي؟

"" لديها طفرة بحيث لا يمكن للبروتين الطافر المثبط للـ lac أن يربط الأليولاكتوز ، المحرض؟

"" لديها طفرة بحيث لا يستطيع المشغل ربط بروتين مثبط lac العادي؟

القسم المحذوف من الفصول السابقة:

I. تنظيم التمثيل الغذائي: 2 طرق

أ. تغيير نشاط الإنزيمات: مواقع خيفي / إنزيمات خيفي

1. مواقع الربط بخلاف الموقع النشط = مواقع allosteric ، ربط "المستجيبات"

2. يغير ارتباط المستجيب شكل الإنزيم ثلاثي الأبعاد

3. نوعان من المستجيبات:

أ. المنشطات الخيفية: ربط موقع خيفي ، وتغيير الإنزيم بحيث يكون أكثر نشاطًا / مفعَّلًا / تنشيط الإنزيم

ب. مثبطات الخيفي: ربط الموقع الخيفي ، وتغيير شكل الإنزيم بحيث يكون أقل نشاطًا / متوقفًا / مثبطًا للإنزيم ، على سبيل المثال: تثبيط المنتج النهائي

4. يوفر استجابة سريعة للتغيرات في الركائز ، والحاجة إلى المنتجات النهائية

ب. تغيير تعبير الجينات التي تنظم النسخ (أو حتى الترجمة)


محتويات

يمكن تعديل أي خطوة للتعبير الجيني ، من خطوة نسخ DNA-RNA إلى التعديل اللاحق للترجمة للبروتين. فيما يلي قائمة بالمراحل التي يتم فيها تنظيم التعبير الجيني ، والنقطة الأكثر استخدامًا هي بدء النسخ:

في حقيقيات النوى ، يمكن أن تعتمد إمكانية الوصول إلى مناطق كبيرة من الحمض النووي على هيكل الكروماتين الخاص به ، والذي يمكن تغييره نتيجة لتعديلات الهيستون الموجهة بواسطة مثيلة الحمض النووي ، أو ncRNA ، أو بروتين ربط الحمض النووي. ومن ثم فإن هذه التعديلات قد تزيد أو تنخفض تنظم التعبير عن الجين. بعض هذه التعديلات التي تنظم التعبير الجيني موروثة ويشار إليها بالتنظيم اللاجيني.

التحرير الهيكلي

تملي نسخ الحمض النووي من خلال هيكلها. بشكل عام ، تدل كثافة عبوته على تكرار النسخ. تعتبر مجمعات البروتين الثماني التي تسمى الهيستونات مع جزء من الحمض النووي الجرح حول بروتينات الهيستون الثمانية (يشار إليها معًا باسم nucleosome) مسؤولة عن مقدار الالتفاف الفائق للحمض النووي ، ويمكن تعديل هذه المجمعات مؤقتًا عن طريق عمليات مثل الفسفرة أو بشكل دائم المعدلة بعمليات مثل المثيلة. تعتبر هذه التعديلات مسؤولة عن تغييرات دائمة أكثر أو أقل في مستويات التعبير الجيني. [2]

التحرير الكيميائي

مثيلة الحمض النووي هي طريقة شائعة لإسكات الجينات. عادة ما يتم ميثلة الحمض النووي بواسطة إنزيمات ميثيل ترانسفيراز على نيوكليوتيدات السيتوزين في تسلسل CpG ثنائي النوكليوتيدات (وتسمى أيضًا "جزر CpG" عندما تتجمع بشكل كثيف). يمكن تحقيق تحليل نمط المثيلة في منطقة معينة من الحمض النووي (والتي يمكن أن تكون محفزًا) من خلال طريقة تسمى رسم خرائط بيسلفيت. لا تتغير بقايا السيتوزين الميثيلين عن طريق العلاج ، في حين يتم تغيير بقايا السيتوزين غير الميثيل إلى اليوراسيل. يتم تحليل الاختلافات عن طريق تسلسل الحمض النووي أو عن طريق الأساليب المطورة لتحديد تعدد الأشكال ، مثل Pyrosequencing (Biotage) أو MassArray (Sequenom) ، وقياس الكميات النسبية لـ C / T في CG ثنائي النوكليوتيد. يُعتقد أن أنماط المثيلة غير الطبيعية لها دور في تكون الأورام. [3]

استلة هيستون هي أيضًا عملية مهمة في النسخ. تقوم إنزيمات هيستون أسيتيل ترانسفيراز (HATs) مثل البروتين المرتبط بـ CREB أيضًا بفصل الحمض النووي عن مركب هيستون ، مما يسمح بمتابعة النسخ. في كثير من الأحيان ، تعمل مثيلة الحمض النووي ونزع الهستونات معًا في إسكات الجينات. يبدو أن الجمع بين الاثنين هو إشارة إلى أن يتم تعبئة الحمض النووي بشكل أكثر كثافة ، مما يقلل من التعبير الجيني. [ بحاجة لمصدر ]

وبالتالي فإن تنظيم النسخ يتحكم في وقت حدوث النسخ ومقدار الحمض النووي الريبي الذي يتم إنشاؤه. يمكن تنظيم نسخ الجين بواسطة بوليميراز RNA بعدة آليات. تعمل عوامل الخصوصية على تغيير خصوصية بوليميراز الحمض النووي الريبي لمحفز معين أو مجموعة من المحفزات ، مما يجعلها أكثر أو أقل عرضة للارتباط بها (أي عوامل سيجما المستخدمة في النسخ بدائية النواة). ترتبط المثبطات بالمشغل ، وترميز التسلسلات الموجودة على خيط الحمض النووي التي تكون قريبة من منطقة المروج أو تتداخل معها ، مما يعيق تقدم بوليميريز الحمض النووي الريبي على طول الشريط ، مما يعيق التعبير عن الجين. توضح الصورة الموجودة على اليمين التنظيم بواسطة أداة الضغط في مشغل lac. تضع عوامل النسخ العامة بوليميريز الحمض النووي الريبي في بداية تسلسل ترميز البروتين ثم تطلق البوليميراز لنسخ الرنا المرسال. تعمل المنشطات على تعزيز التفاعل بين بوليميريز RNA ومحفز معين ، مما يشجع على التعبير عن الجين. يقوم المنشطون بذلك عن طريق زيادة جذب بوليميريز الحمض النووي الريبي للمحفز ، من خلال التفاعلات مع الوحدات الفرعية لبوليميراز الحمض النووي الريبي أو بشكل غير مباشر عن طريق تغيير بنية الحمض النووي. المعززات هي مواقع على حلزون الحمض النووي التي ترتبط بالمنشطات من أجل حلقة الحمض النووي التي تجلب محفزًا محددًا إلى مجمع البدء. المعززات أكثر شيوعًا في حقيقيات النوى من بدائيات النوى ، حيث توجد أمثلة قليلة فقط (حتى الآن). [4] كواتم الصوت هي مناطق من تسلسل الحمض النووي التي ، عندما تكون مرتبطة بعوامل نسخ معينة ، يمكن أن تسكت التعبير عن الجين.

في الفقاريات ، تحتوي غالبية المحفزات الجينية على جزيرة CpG بها العديد من مواقع CpG. [5] عندما يتم ميثلة العديد من مواقع CpG المحفز للجين ، يصبح الجين صامتًا. [6] تحتوي سرطانات القولون والمستقيم عادةً على 3 إلى 6 طفرات للسائقين و 33 إلى 66 طفرات في الرحلة أو الركاب. [7] ومع ذلك ، قد يكون إسكات النسخ أكثر أهمية من الطفرة في التسبب في تطور السرطان. على سبيل المثال ، في سرطانات القولون والمستقيم ، يتم إسكات حوالي 600 إلى 800 جين نسبيًا بواسطة مثيلة جزيرة CpG (انظر تنظيم النسخ في السرطان). يمكن أن يحدث القمع النسخي في السرطان أيضًا عن طريق آليات الوراثة اللاجينية الأخرى ، مثل التعبير المتغير عن الرنا الميكروي. [8] في سرطان الثدي ، قد يحدث كبت نسخ BRCA1 بشكل متكرر عن طريق microRNA-182 مفرط التعبير عنه عن طريق فرط ميثيل محفز BRCA1 (انظر التعبير المنخفض عن BRCA1 في سرطان الثدي والمبيض).

من السمات الأساسية للإدمان استمراره. يبدو أن التغيرات السلوكية المستمرة ناتجة عن تغيرات طويلة الأمد ، ناتجة عن التغيرات اللاجينية التي تؤثر على التعبير الجيني ، داخل مناطق معينة من الدماغ. [9] تسبب تعاطي المخدرات ثلاثة أنواع من التغيرات اللاجينية في الدماغ. هذه هي (1) أسيتيلات هيستون وميثيلات هيستون ، (2) مثيلة الحمض النووي في مواقع CpG ، و (3) تقليل التنظيم اللاجيني أو زيادة التنظيم للـ microRNAs. [9] [10] (انظر علم التخلق لإدمان الكوكايين للحصول على بعض التفاصيل.)

يغير تناول النيكوتين المزمن في الفئران التحكم اللاجيني لخلايا الدماغ للتعبير الجيني من خلال أستلة الهيستونات. هذا يزيد من التعبير في الدماغ عن بروتين FosB ، المهم في الإدمان. [11] تمت دراسة إدمان السجائر أيضًا على حوالي 16000 شخص ، بما في ذلك الذين لم يدخنوا مطلقًا والمدخنون الحاليون والذين أقلعوا عن التدخين لمدة تصل إلى 30 عامًا. [12] في خلايا الدم ، أكثر من 18000 موقع من مواقع CpG (من حوالي 450.000 موقع تم تحليلها في الجينوم) غيّرت مثيلة بشكل متكرر بين المدخنين الحاليين. حدثت مواقع CpG هذه في أكثر من 7000 جين ، أو ما يقرب من ثلث الجينات البشرية المعروفة. عادت غالبية مواقع CpG الميثيلية التفاضلية إلى مستوى الذين لم يدخنوا مطلقًا في غضون خمس سنوات من الإقلاع عن التدخين. ومع ذلك ، ظل 2.568 CpGs من بين 942 جينًا ميثيلًا بشكل تفاضلي في المدخنين السابقين مقابل غير المدخنين. يمكن النظر إلى هذه التغييرات اللاجينية المتبقية على أنها "ندوب جزيئية" [10] قد تؤثر على التعبير الجيني.

في نماذج القوارض ، تتسبب تعاطي المخدرات ، بما في ذلك الكوكايين ، [13] الميثامفيامين ، [14] [15] الكحول [16] ومنتجات دخان التبغ ، [17] جميعها في تلف الحمض النووي في الدماغ. أثناء إصلاح أضرار الحمض النووي ، يمكن لبعض أحداث الإصلاح الفردية أن تغير مثيلة الحمض النووي و / أو الأسيتيل أو ميثيل الهستونات في مواقع التلف ، وبالتالي يمكن أن تساهم في ترك ندبة فوق جينية على الكروماتين. [18]

من المحتمل أن تساهم هذه الندبات اللاجينية في التغيرات اللاجينية المستمرة الموجودة في الإدمان.

في الثدييات ، مثيلة السيتوزين (انظر الشكل) في الحمض النووي هي وسيط تنظيمي رئيسي. تحدث السيتوزينات الميثيلية بشكل أساسي في تسلسل ثنائي النوكليوتيد حيث يتبع السيتوزين الجوانين ، وهو موقع CpG. يبلغ إجمالي عدد مواقع CpG في الجينوم البشري حوالي 28 مليون. [19] وبوجه عام ، تحتوي حوالي 70٪ من جميع مواقع CpG على سيتوزين ميثيل. [20]

في الفئران ، يمكن أن تؤدي تجربة التعلم المؤلمة ، تكييف الخوف السياقي ، إلى ذاكرة خائفة مدى الحياة بعد حدث تدريبي واحد. [21] يتم تغيير مثيلة السيتوزين في المناطق المحفزة لحوالي 9.17٪ من جميع الجينات في الحمض النووي للخلايا العصبية في قرن آمون لفأر تعرض لتجربة تكييف خوف قصيرة. [22] الحصين هو المكان الذي يتم فيه تخزين الذكريات الجديدة في البداية.

مثيلة CpGs في منطقة محفز للجين تمنع النسخ [23] بينما تزيد مثيلة CpGs في جسم الجين من التعبير. [24] تلعب إنزيمات TET دورًا مركزيًا في نزع ميثيل السيتوزينات الميثيلية. يؤدي نزع الميثيل من CpGs في محفز الجينات بواسطة نشاط إنزيم TET إلى زيادة نسخ الجين. [25]

عندما يتم تطبيق تكييف الخوف السياقي على الجرذ ، فإن أكثر من 5000 منطقة ميثلة تفاضلية (DMRs) (من 500 نيوكليوتيد لكل منها) تحدث في الجينوم العصبي للحصين للجرذان على حد سواء ساعة واحدة و 24 ساعة بعد التكييف في قرن آمون. [22] يتسبب هذا في زيادة تنظيم حوالي 500 جين (غالبًا بسبب إزالة الميثيل من مواقع CpG في منطقة المحفز) وخضوع حوالي 1000 جين للتنظيم السفلي (غالبًا بسبب تكوين 5-ميثيل سيتوزين حديثًا في مواقع CpG في محفز منطقة). يبدو أن نمط الجينات المستحثة والمكبوتة داخل الخلايا العصبية يوفر أساسًا جزيئيًا لتشكيل أول ذاكرة عابرة لهذا الحدث التدريبي في قرن آمون في دماغ الفئران. [22]

بعد نسخ الحمض النووي وتشكيل الرنا المرسال ، يجب أن يكون هناك نوع من التنظيم بشأن مقدار تحويل الرنا المرسال إلى بروتينات. تقوم الخلايا بذلك عن طريق تعديل السد ، والربط ، وإضافة ذيل بولي (A) ، ومعدلات التصدير النووي الخاصة بالتسلسل ، وفي العديد من السياقات ، عزل نسخة الحمض النووي الريبي. تحدث هذه العمليات في حقيقيات النوى ولكن ليس في بدائيات النوى. هذا التعديل هو نتيجة لبروتين أو نسخة يتم تنظيمها بدورها وقد يكون لها تقارب لتسلسلات معينة.

غالبًا ما تحتوي ثلاث مناطق رئيسية غير مترجمة (3'-UTRs) من الرنا المرسال (mRNAs) على تسلسلات تنظيمية تؤثر بعد النسخ على التعبير الجيني. [26] غالبًا ما تحتوي UTRs 3'-UTR على كلا من مواقع الربط لـ microRNAs (miRNAs) وكذلك للبروتينات المنظمة. من خلال الارتباط بمواقع محددة داخل 3'-UTR ، يمكن أن تقلل miRNAs من التعبير الجيني للعديد من mRNAs إما عن طريق تثبيط الترجمة أو التسبب مباشرة في تدهور النسخة. قد يحتوي 3'-UTR أيضًا على مناطق كاتم للصوت تربط بروتينات المثبط التي تمنع التعبير عن mRNA.

غالبًا ما يحتوي 3'-UTR على عناصر استجابة ميرنا (MREs). MREs هي سلاسل ترتبط بها miRNAs. هذه هي الزخارف السائدة في 3'-UTRs. من بين جميع الأشكال التنظيمية داخل 3'-UTRs (على سبيل المثال ، بما في ذلك مناطق كاتم الصوت) ، تشكل MREs حوالي نصف الأشكال.

اعتبارًا من عام 2014 ، أدرج موقع miRBase على الويب ، [27] أرشيفًا لتسلسل miRNA وشروحه ، 28645 إدخالًا في 233 نوعًا بيولوجيًا. من بين هؤلاء ، كانت 1،881 ميلًا في مواقع ميرنا البشرية المشروحة. تم توقع أن تحتوي miRNAs في المتوسط ​​على حوالي أربعمائة mRNAs مستهدفة (تؤثر على التعبير عن عدة مئات من الجينات). [28] فريدمان وآخرون. [28] قدر أن & gt45000 مواقع مستهدفة من mRNA داخل mRNA 3'-UTRs البشرية محفوظة فوق مستويات الخلفية ، و GT60٪ من جينات ترميز البروتين البشرية كانت تحت ضغط انتقائي للحفاظ على الاقتران مع miRNAs.

تظهر التجارب المباشرة أن ميرنا واحد يمكن أن يقلل من استقرار مئات من الرنا المرسال الفريدة. [29] أظهرت تجارب أخرى أن جزيءًا واحدًا من الحمض الريبي النووي النقال قد يثبط إنتاج مئات البروتينات ، ولكن هذا القمع غالبًا ما يكون خفيفًا نسبيًا (أقل من ضعفين). [30] [31]

يبدو أن تأثيرات خلل تنظيم الحمض النووي الريبي في التعبير الجيني مهمة في السرطان. [32] على سبيل المثال ، في سرطانات الجهاز الهضمي ، حددت ورقة بحثية صدرت عام 2015 تسعة جزيئات من الحمض النووي الريبوزي على أنها متغيرة جينياً وفعالة في إنزيمات إصلاح الحمض النووي الخافضة للتنظيم. [33]

يبدو أيضًا أن تأثيرات خلل تنظيم الحمض النووي الريبي في التعبير الجيني مهمة في الاضطرابات العصبية والنفسية ، مثل الفصام ، والاضطراب ثنائي القطب ، والاضطراب الاكتئابي الرئيسي ، ومرض باركنسون ، ومرض الزهايمر ، واضطرابات طيف التوحد. [34] [35] [36]

يمكن أيضًا التحكم في ترجمة mRNA من خلال عدد من الآليات ، معظمها على مستوى البدء. يمكن بالفعل تعديل تجنيد الوحدة الفرعية الريبوسومية الصغيرة عن طريق البنية الثانوية لـ mRNA ، أو ارتباط RNA المضاد للترتيب ، أو الارتباط بالبروتين. في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى ، يوجد عدد كبير من بروتينات ربط الحمض النووي الريبي ، والتي غالبًا ما يتم توجيهها إلى تسلسلها المستهدف من خلال البنية الثانوية للنسخة ، والتي قد تتغير اعتمادًا على ظروف معينة ، مثل درجة الحرارة أو وجود يجند (aptamer) . تعمل بعض النصوص بمثابة ريبوزيمات وتنظم تعبيرها ذاتيًا.

    هي عملية يحرض فيها الجزيء (على سبيل المثال ، الدواء) (أي يبدأ أو يعزز) التعبير عن الإنزيم.
  • تحريض بروتينات الصدمة الحرارية في ذبابة الفاكهة ذبابة الفاكهة سوداء البطن.
  • يعد أوبرون لاك مثالًا مثيرًا للاهتمام على كيفية تنظيم التعبير الجيني.
  • تمتلك الفيروسات ، على الرغم من وجود عدد قليل من الجينات ، آليات لتنظيم التعبير الجيني ، عادة في مرحلة مبكرة ومتأخرة ، باستخدام أنظمة متداخلة تنظمها مضادات الإنهاء (lambda phage) أو أدوات التضفير (HIV).
  • جال 4 هو منشط نسخي يتحكم في تعبير GAL1 و GAL7 و GAL10 (وكلها ترمز لعملية التمثيل الغذائي للجالاكتوز في الخميرة). تم استخدام نظام GAL4 / UAS في مجموعة متنوعة من الكائنات الحية عبر مختلف الشعب لدراسة التعبير الجيني. [37]

علم الأحياء التنموي

يأتي عدد كبير من الأنظمة التنظيمية المدروسة من علم الأحياء التطوري. الامثله تشمل:

  • العلاقة الخطية للكتلة الجينية Hox مع الزخرفة المتداخلة الأمامية والخلفية
  • توليد نمط اليد (أرقام - interdigits): انحدار القنفذ الصوتي (عامل تحفيز مفرز) من منطقة نشاط الاستقطاب في الطرف ، مما يخلق تدرجًا من Gli3 النشط ، والذي ينشط Gremlin ، والذي يثبط BMPs التي تفرز أيضًا في الطرف ، يؤدي إلى تكوين نمط متناوب من النشاط نتيجة لنظام التفاعل والانتشار هذا.
  • تكوين الجسد هو تكوين شرائح (الجسيدات) من نسيج موحد (الأديم المتوسط ​​قبل الجسدي). يتم تشكيلها بالتتابع من الأمام إلى الخلف. يتم تحقيق ذلك في amniotes ربما عن طريق اثنين من التدرجات المتعارضة ، وحمض الريتينويك في الجبهة (جبهة الموجة) و Wnt و Fgf في الخلف ، إلى جانب نمط متذبذب (ساعة التجزئة) يتكون من FGF + Notch و Wnt في الطور المضاد. [38]
  • يتطلب تحديد الجنس في سوما ذبابة الفاكهة استشعار نسبة الجينات الجسدية إلى الجينات المشفرة بالكروموسوم الجنسي ، مما يؤدي إلى إنتاج عامل التضفير غير الجنسي في الإناث ، مما يؤدي إلى الشكل الإسوي الأنثوي للجنس المزدوج. [39]

Up-Regulation و down-Regulation (تعديل)

التنظيم الأعلى هو عملية تحدث داخل خلية يتم تشغيلها بواسطة إشارة (تنشأ داخليًا أو خارجيًا للخلية) ، مما يؤدي إلى زيادة التعبير عن واحد أو أكثر من الجينات ونتيجة لذلك البروتين (البروتينات) المشفر بواسطة تلك الجينات. على العكس من ذلك ، فإن التنظيم النازل هو عملية تؤدي إلى انخفاض الجينات وتعبير البروتين المقابل.

    يحدث ، على سبيل المثال ، عندما تكون الخلية ناقصة في نوع من المستقبلات. في هذه الحالة ، يتم تصنيع المزيد من بروتين المستقبل ونقله إلى غشاء الخلية ، وبالتالي ، يتم إرجاع حساسية الخلية إلى وضعها الطبيعي ، وإعادة التوازن. يحدث ، على سبيل المثال ، عندما يتم تحفيز الخلية بشكل مفرط بواسطة ناقل عصبي أو هرمون أو دواء لفترة طويلة من الزمن ، وينخفض ​​التعبير عن بروتين المستقبل من أجل حماية الخلية (انظر أيضًا التسرع).

المحرض مقابل الأنظمة القابلة للقمع تحرير

يمكن تلخيص تنظيم الجينات من خلال استجابة النظام المعني:

  • الأنظمة المحفزة - يتم إيقاف تشغيل النظام المحرض ما لم يكن هناك وجود بعض الجزيء (يسمى المحفز) الذي يسمح بالتعبير الجيني. يقال إن الجزيء "يحفز التعبير". تعتمد الطريقة التي يحدث بها ذلك على آليات التحكم وكذلك الاختلافات بين الخلايا بدائية النواة والخلايا حقيقية النواة.
  • الأنظمة القابلة للقمع - يتم تشغيل النظام القابل للقمع إلا في حالة وجود جزيء ما (يسمى corepressor) يقوم بقمع التعبير الجيني. يقال إن الجزيء "يقمع التعبير". تعتمد الطريقة التي يحدث بها ذلك على آليات التحكم وكذلك الاختلافات بين الخلايا بدائية النواة والخلايا حقيقية النواة.

نظام GAL4 / UAS هو مثال على كل من النظام المحرض والقابل للقمع. جال 4 يربط تسلسل تنشيط المنبع (UAS) لتنشيط نسخ كاسيت GAL1 / GAL7 / GAL10. من ناحية أخرى ، فإن استجابة MIG1 لوجود الجلوكوز يمكن أن تمنع GAL4 وبالتالي توقف التعبير عن كاسيت GAL1 / GAL7 / GAL10. [40]

الدوائر النظرية تحرير

  • القامع / المحرض: يؤدي تنشيط المستشعر إلى تغيير تعبير الجين
  • ردود الفعل السلبية: المنتج الجيني يقلل من تنظيم إنتاجه بشكل مباشر أو غير مباشر ، مما قد يؤدي إلى
    • الحفاظ على مستويات النص ثابتة / متناسبة مع عامل
    • تثبيط تفاعلات الهروب عند اقترانها بحلقة ردود فعل إيجابية
    • إنشاء مذبذب من خلال الاستفادة من التأخير الزمني للنسخ والترجمة ، نظرًا لأن عمر النصف للبروتين ومرنا أقصر
    • تضخيم الإشارة
    • مفاتيح ثنائية الاستقرار عندما يثبط جينات بعضهما البعض ويكون لكلاهما ردود فعل إيجابية
    • جيل النمط

    بشكل عام ، استخدمت معظم التجارب التي تبحث في التعبير التفاضلي مستخلصات خلوية كاملة من الحمض النووي الريبي ، تسمى مستويات الحالة المستقرة ، لتحديد الجينات التي تغيرت ومقدارها. ومع ذلك ، فهذه ليست معلومات عن مكان حدوث التنظيم وقد تخفي العمليات التنظيمية المتضاربة (انظر تنظيم ما بعد النسخ) ، لكنها لا تزال الأكثر تحليلًا (PCR الكمي و DNA microarray).

    عند دراسة التعبير الجيني ، هناك عدة طرق للنظر في المراحل المختلفة. في حقيقيات النوى ، تشمل هذه:


    علم الأحياء 171


    تحتوي كل خلية جسدية في الجسم بشكل عام على نفس الحمض النووي. تشمل بعض الاستثناءات خلايا الدم الحمراء ، التي لا تحتوي على الحمض النووي في حالتها الناضجة ، وبعض خلايا الجهاز المناعي التي تعيد ترتيب الحمض النووي أثناء إنتاج الأجسام المضادة. بشكل عام ، فإن الجينات التي تحدد ما إذا كان لديك عيون خضراء ، وشعر بني ، ومدى سرعة استقلاب الطعام هي نفسها في خلايا عينيك وكبدك ، على الرغم من أن هذه الأعضاء تعمل بشكل مختلف تمامًا. إذا كان لكل خلية نفس الحمض النووي ، فكيف تختلف الخلايا أو الأعضاء؟ لماذا تختلف الخلايا في العين بشكل كبير عن خلايا الكبد؟

    في حين أن كل خلية تشترك في نفس الجينوم وتسلسل الحمض النووي ، فإن كل خلية لا تقوم بتشغيل أو التعبير عن نفس مجموعة الجينات. يحتاج كل نوع خلية إلى مجموعة مختلفة من البروتينات لأداء وظيفته. لذلك ، يتم التعبير عن مجموعة فرعية صغيرة فقط من البروتينات في الخلية. من أجل التعبير عن البروتينات ، يجب نسخ الحمض النووي إلى RNA ويجب ترجمة RNA إلى بروتين. في نوع خلية معين ، لا يتم نسخ جميع الجينات المشفرة في الحمض النووي إلى RNA أو ترجمتها إلى بروتين لأن خلايا معينة في أجسامنا لها وظائف محددة. يتم التعبير عن البروتينات المتخصصة التي تتكون منها العين (القزحية والعدسة والقرنية) فقط في العين ، بينما يتم التعبير عن البروتينات المتخصصة في القلب (خلايا جهاز تنظيم ضربات القلب وعضلة القلب والصمامات) فقط في القلب. في أي وقت ، يتم التعبير عن مجموعة فرعية فقط من جميع الجينات المشفرة بواسطة الحمض النووي لدينا وترجمتها إلى بروتينات. يعتبر التعبير عن جينات معينة عملية شديدة التنظيم مع العديد من المستويات والمراحل من التحكم. يضمن هذا التعقيد التعبير المناسب في الخلية المناسبة في الوقت المناسب.

    أهداف التعلم

    بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

    • ناقش لماذا لا تعبر كل خلية عن كل جيناتها طوال الوقت
    • وصف كيف يحدث تنظيم الجينات بدائية النواة على مستوى النسخ
    • ناقش كيف يحدث تنظيم الجينات حقيقية النواة على المستويات اللاجينية ، والنسخية ، وما بعد النسخ ، والترجمة ، وما بعد الترجمة

    لكي تعمل الخلية بشكل صحيح ، يجب تصنيع البروتينات الضرورية في الوقت والمكان المناسبين. تتحكم جميع الخلايا في توليف البروتينات أو تنظمها من المعلومات المشفرة في حمضها النووي. تسمى عملية تشغيل الجين لإنتاج RNA والبروتين التعبير الجيني. سواء في كائن وحيد الخلية بسيط أو كائن معقد متعدد الخلايا ، تتحكم كل خلية في وقت وكيفية التعبير عن جيناتها. لكي يحدث هذا ، يجب أن تكون هناك آليات كيميائية داخلية تتحكم في وقت التعبير عن الجين لتكوين الحمض النووي الريبي والبروتين ، وكمية البروتين التي يتم إنتاجها ، ومتى حان الوقت للتوقف عن صنع هذا البروتين لأنه لم تعد هناك حاجة إليه.

    تنظيم التعبير الجيني يحافظ على الطاقة والفضاء. يتطلب الأمر قدرًا كبيرًا من الطاقة للكائن الحي للتعبير عن كل جين في جميع الأوقات ، لذلك من الأفضل استخدام الطاقة لتشغيل الجينات فقط عندما تكون مطلوبة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التعبير عن مجموعة فرعية من الجينات في كل خلية فقط يوفر مساحة لأنه يجب فك الحمض النووي من هيكله الملفوف بإحكام لنسخ وترجمة الحمض النووي. يجب أن تكون الخلايا هائلة إذا تم التعبير عن كل بروتين في كل خلية طوال الوقت.

    إن التحكم في التعبير الجيني معقد للغاية. تؤدي الأعطال في هذه العملية إلى الإضرار بالخلية ويمكن أن تؤدي إلى الإصابة بالعديد من الأمراض ، بما في ذلك السرطان.

    بدائية النواة مقابل التعبير الجيني حقيقي النواة

    لفهم كيفية تنظيم التعبير الجيني ، يجب علينا أولاً أن نفهم كيف يرمز الجين لبروتين وظيفي في الخلية. تحدث العملية في كل من الخلايا بدائية النواة وخلايا حقيقية النواة ، ولكن بطريقة مختلفة قليلاً.

    الكائنات بدائية النواة هي كائنات وحيدة الخلية تفتقر إلى نواة الخلية ، وبالتالي فإن حمضها النووي يطفو بحرية في سيتوبلازم الخلية. لتجميع البروتين ، تحدث عمليتا النسخ والترجمة في وقت واحد تقريبًا. عندما لا تكون هناك حاجة للبروتين الناتج ، يتوقف النسخ. نتيجة لذلك ، فإن الطريقة الأساسية للتحكم في نوع البروتين وكمية كل بروتين يتم التعبير عنها في خلية بدائية النواة هي تنظيم نسخ الحمض النووي. تحدث جميع الخطوات اللاحقة تلقائيًا. عندما يتطلب الأمر المزيد من البروتين ، يحدث المزيد من النسخ. لذلك ، في الخلايا بدائية النواة ، يكون التحكم في التعبير الجيني في الغالب على مستوى النسخ.

    على النقيض من ذلك ، تحتوي الخلايا حقيقية النواة على عضيات داخل الخلايا تزيد من تعقيدها. في الخلايا حقيقية النواة ، يتم احتواء الحمض النووي داخل نواة الخلية وهناك يتم نسخه إلى الحمض النووي الريبي. ثم يتم نقل الحمض النووي الريبي المركب حديثًا من النواة إلى السيتوبلازم ، حيث تقوم الريبوسومات بترجمة الحمض النووي الريبي إلى بروتين. عمليات النسخ والترجمة منفصلين جسديا عن طريق نسخ الغشاء النووي يحدث فقط داخل النواة ، والترجمة تحدث فقط خارج النواة في السيتوبلازم. يمكن أن يحدث تنظيم التعبير الجيني في جميع مراحل العملية ((الشكل)). قد يحدث التنظيم عندما يكون الحمض النووي غير ملفوف ويتم فكه من النيوكليوسومات لربط عوامل النسخ (المستوى اللاجيني) ، عندما يتم نسخ الحمض النووي الريبي (مستوى النسخ) ، عندما تتم معالجة الحمض النووي الريبي وتصديره إلى السيتوبلازم بعد نسخه (مستوى ما بعد النسخ ) ، عند ترجمة الحمض النووي الريبي إلى بروتين (مستوى متعدية) ، أو بعد صنع البروتين (مستوى ما بعد الترجمة).


    تم تلخيص الاختلافات في تنظيم التعبير الجيني بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى في (الشكل). تتم مناقشة تنظيم التعبير الجيني بالتفصيل في الوحدات اللاحقة.

    الاختلافات في تنظيم التعبير الجيني للكائنات بدائية النواة والكائنات حقيقية النواة
    الكائنات بدائية النواة الكائنات حقيقية النواة
    تفتقر إلى نواة مرتبطة بالغشاء تحتوي على نواة
    تم العثور على الحمض النووي في السيتوبلازم يقتصر الحمض النووي على المقصورة النووية
    يحدث نسخ الحمض النووي الريبي وتكوين البروتين في وقت واحد تقريبًا يحدث نسخ الحمض النووي الريبي قبل تكوين البروتين ، ويحدث في النواة. تحدث ترجمة الحمض النووي الريبي إلى البروتين في السيتوبلازم.
    يتم تنظيم التعبير الجيني في المقام الأول على مستوى النسخ يتم تنظيم التعبير الجيني على عدة مستويات (الوراثة اللاجينية ، والنسخية ، والمكوكية النووية ، وما بعد النسخ ، والترجمة ، وما بعد الترجمة)

    يمكن للخلايا بدائية النواة فقط تنظيم التعبير الجيني عن طريق التحكم في كمية النسخ. مع تطور الخلايا حقيقية النواة ، زاد تعقيد التحكم في التعبير الجيني. على سبيل المثال ، مع تطور الخلايا حقيقية النواة جاء تجزئة المكونات الخلوية الهامة والعمليات الخلوية. تم تشكيل منطقة نووية تحتوي على الحمض النووي. تم فصل النسخ والترجمة فعليًا إلى جزأين خلويين مختلفين. لذلك أصبح من الممكن التحكم في التعبير الجيني عن طريق تنظيم النسخ في النواة ، وكذلك من خلال التحكم في مستويات الحمض النووي الريبي (RNA) وترجمة البروتين الموجودة خارج النواة.

    يتم تنظيم معظم الجينات للحفاظ على موارد الخلايا. ومع ذلك ، قد تكون العمليات التنظيمية الأخرى دفاعية. العمليات الخلوية مثل المطورة لحماية الخلية من العدوى الفيروسية أو الطفيلية. إذا تمكنت الخلية من إيقاف التعبير الجيني بسرعة لفترة قصيرة من الزمن ، فستكون قادرة على النجاة من العدوى عندما لا تستطيع الكائنات الأخرى. لذلك ، طور الكائن الحي عملية جديدة ساعدته على البقاء ، وكان قادرًا على نقل هذا التطور الجديد إلى الأبناء.

    ملخص القسم

    بينما تحتوي جميع الخلايا الجسدية داخل الكائن الحي على نفس الحمض النووي ، لا تعبر جميع الخلايا داخل هذا الكائن الحي عن نفس البروتينات. تعبر الكائنات بدائية النواة عن معظم جيناتها في معظم الأوقات. ومع ذلك ، يتم التعبير عن بعض الجينات فقط عند الحاجة إليها. من ناحية أخرى ، تعبر الكائنات حقيقية النواة عن مجموعة فرعية فقط من جيناتها في أي خلية معينة. للتعبير عن بروتين ، يتم نسخ الحمض النووي أولاً إلى RNA ، والذي يتم ترجمته بعد ذلك إلى بروتينات ، والتي يتم استهدافها بعد ذلك إلى مواقع خلوية محددة. في الخلايا بدائية النواة ، يحدث النسخ والترجمة في وقت واحد تقريبًا. في الخلايا حقيقية النواة ، يحدث النسخ في النواة ويكون منفصلًا عن الترجمة التي تحدث في السيتوبلازم. يتم تنظيم التعبير الجيني في بدائيات النوى في الغالب على مستوى النسخ (يوجد أيضًا بعض التنظيم اللاجيني وما بعد الترجمة) ، بينما في الخلايا حقيقية النواة ، يتم تنظيم التعبير الجيني على المستويات اللاجينية والنسخية وما بعد النسخ والترجمة وما بعد الترجمة .

    إستجابة مجانية

    اذكر اختلافين بين الخلايا بدائية النواة والخلايا حقيقية النواة وكيف تفيد هذه الاختلافات الكائنات متعددة الخلايا.

    تحتوي الخلايا حقيقية النواة على نواة ، بينما لا تحتوي الخلايا بدائية النواة على نواة. في الخلايا حقيقية النواة ، يقتصر الحمض النووي على المنطقة النووية. وبسبب هذا ، يتم فصل النسخ والترجمة ماديًا. هذا يخلق آلية أكثر تعقيدًا للتحكم في التعبير الجيني الذي يفيد الكائنات متعددة الخلايا لأنه يقسم تنظيم الجينات.

    يحدث التعبير الجيني في العديد من المراحل في الخلايا حقيقية النواة ، بينما في الخلايا بدائية النواة ، لا يحدث التحكم في التعبير الجيني إلا على مستوى النسخ. هذا يسمح بتحكم أكبر في التعبير الجيني في حقيقيات النوى وتطوير أنظمة أكثر تعقيدًا. لهذا السبب ، يمكن أن تنشأ أنواع مختلفة من الخلايا في كائن حي فردي.

    صف كيف سيغير التحكم في التعبير الجيني مستويات البروتين الكلية في الخلية.

    تتحكم الخلية في البروتينات التي يتم التعبير عنها وإلى أي مستوى يتم التعبير عن كل بروتين في الخلية. تغير الخلايا بدائية النواة معدل النسخ لتشغيل الجينات أو إيقاف تشغيلها. ستعمل هذه الطريقة على زيادة أو تقليل مستويات البروتين استجابة لما تحتاجه الخلية. تغير الخلايا حقيقية النواة إمكانية الوصول (التخلق المتوالي) أو النسخ أو الترجمة للجين. سيؤدي هذا إلى تغيير كمية الحمض النووي الريبي وعمر الحمض النووي الريبي لتغيير كمية البروتين الموجودة. تتحكم الخلايا حقيقية النواة أيضًا في ترجمة البروتين لزيادة أو تقليل المستويات الكلية. الكائنات حقيقية النواة أكثر تعقيدًا ويمكنها التلاعب بمستويات البروتين عن طريق تغيير العديد من مراحل العملية.

    قائمة المصطلحات


    التعبير عن الجينات

    تنظيم الجينات يجعل الخلايا مختلفة

    تنظيم الجينات هي الطريقة التي تتحكم بها الخلية في أي الجينات ، من بين العديد من الجينات في جينومها ، يتم تشغيلها & # 8221 (أعربت). بفضل التنظيم الجيني ، يمتلك كل نوع خلية في جسمك مجموعة مختلفة من الجينات النشطة - على الرغم من حقيقة أن جميع خلايا الجسم تقريبًا تحتوي على نفس الحمض النووي بالضبط. تتسبب هذه الأنماط المختلفة من التعبير الجيني في احتواء أنواع الخلايا المختلفة على مجموعات مختلفة من البروتينات ، مما يجعل كل نوع خلية متخصصًا بشكل فريد للقيام بعمله. في النهاية ، يمكن أن يتضمن التعبير الجيني تغييرات في النسخ أو الترجمة ، ولكن في حقيقيات النوى ، يحدث معظم التحكم في التعبير الجيني عند النسخ.

    على سبيل المثال ، تتمثل إحدى وظائف الكبد في إزالة المواد السامة مثل الكحول من مجرى الدم. للقيام بذلك ، تعبر خلايا الكبد عن جينات تشفر وحدات فرعية (قطع) من إنزيم يسمى نازع هيدروجين الكحول. هذا الإنزيم يكسر الكحول إلى جزيء غير سام. لا تقوم الخلايا العصبية في دماغ الشخص بإزالة السموم من الجسم ، لذا فإنها تحافظ على هذه الجينات غير معبرة أو "متوقفة". وبالمثل ، لا ترسل خلايا الكبد إشارات باستخدام النواقل العصبية ، لذا فهي تحافظ على جينات الناقل العصبي معطلة (الشكل 1).

    الشكل 1. الخلايا المختلفة لها جينات مختلفة & # 8220 قيد التشغيل. & # 8221

    هناك العديد من الجينات الأخرى التي يتم التعبير عنها بشكل مختلف بين خلايا الكبد والخلايا العصبية (أو أي نوعين من الخلايا في كائن متعدد الخلايا مثلك).

    كيف تحدد الخلايا & # 8220 & # 8221 الجينات المراد تشغيلها؟

    الآن هناك & # 8217s سؤال صعب! تعبر أنواع الخلايا المختلفة عن مجموعات مختلفة من الجينات ، كما رأينا أعلاه. ومع ذلك ، قد تحتوي خليتان مختلفتان من نفس النوع أيضًا على أنماط تعبير جيني مختلفة اعتمادًا على بيئتها وحالتها الداخلية.

    بشكل عام ، يمكننا القول أن نمط التعبير الجيني للخلية يتحدد بمعلومات من داخل وخارج الخلية.

    • أمثلة على المعلومات من داخل الخلية: البروتينات التي ورثتها من خليتها الأم ، وما إذا كان حمضها النووي تالفًا ، ومقدار ATP الموجود بها.
    • أمثلة على المعلومات من في الخارج الخلية: الإشارات الكيميائية من الخلايا الأخرى ، والإشارات الميكانيكية من المصفوفة خارج الخلية ، ومستويات المغذيات.

    كيف تساعد هذه الإشارات الخلية & # 8220_decide & # 8221 الجينات التي يجب التعبير عنها؟ لا تتخذ الخلايا قرارات بمعنى أنك أو أنا. بدلاً من ذلك ، لديهم مسارات جزيئية تحول المعلومات - مثل ارتباط إشارة كيميائية بمستقبلها - إلى تغيير في التعبير الجيني.

    كمثال ، دعونا نفكر في كيفية استجابة الخلايا لعوامل النمو. عامل النمو هو إشارة كيميائية من خلية مجاورة ترشد الخلية المستهدفة إلى النمو والانقسام. يمكننا أن نقول أن الخلية & # 8220 ملاحظات & # 8221 عامل النمو و & # 8220 تقرر & # 8221 لتقسيم ، ولكن كيف تحدث هذه العمليات بالفعل؟

    الشكل 2. عامل النمو الذي يحفز انقسام الخلية

    • تكتشف الخلية عامل النمو من خلال الارتباط المادي لعامل النمو ببروتين المستقبل على سطح الخلية.
    • يؤدي ارتباط عامل النمو إلى تغيير شكل المستقبل ، مما يؤدي إلى سلسلة من الأحداث الكيميائية في الخلية التي تنشط بروتينات تسمى عوامل النسخ.
    • ترتبط عوامل النسخ بتسلسلات معينة من الحمض النووي في النواة وتسبب نسخ الجينات المرتبطة بانقسام الخلية.
    • منتجات هذه الجينات هي أنواع مختلفة من البروتينات التي تجعل الخلية تنقسم (تدفع نمو الخلية و / أو تدفع الخلية إلى الأمام في دورة الخلية).

    هذا مجرد مثال واحد على كيفية قيام الخلية بتحويل مصدر المعلومات إلى تغيير في التعبير الجيني. هناك العديد من الآخرين ، وفهم منطق تنظيم الجينات هو مجال البحث المستمر في علم الأحياء اليوم.

    تعتبر إشارات عامل النمو معقدة وتنطوي على تنشيط مجموعة متنوعة من الأهداف ، بما في ذلك عوامل النسخ وبروتينات عامل عدم النسخ.

    باختصار: التعبير عن الجينات

    • تنظيم الجينات هو عملية التحكم في الجينات في الخلية و # 8217s DNA التي يتم التعبير عنها (تستخدم لصنع منتج وظيفي مثل البروتين).
    • قد تعبر الخلايا المختلفة في كائن متعدد الخلايا عن مجموعات مختلفة جدًا من الجينات ، على الرغم من أنها تحتوي على نفس الحمض النووي.
    • تحدد مجموعة الجينات المعبر عنها في الخلية مجموعة البروتينات و RNAs الوظيفية التي تحتوي عليها ، مما يمنحها خصائصها الفريدة.
    • في حقيقيات النوى مثل البشر ، يتضمن التعبير الجيني العديد من الخطوات ، ويمكن أن يحدث تنظيم الجينات في أي من هذه الخطوات. ومع ذلك ، يتم تنظيم العديد من الجينات في المقام الأول على مستوى النسخ.

    نازعة هيدروجين الكحول. (2016 ، 6 يناير). تم الاسترجاع في 26 أبريل 2016 من ويكيبيديا: https://en.wikipedia.org/wiki/Alcohol_dehydrogenase.

    كوبر ، جي إم (2000). تنظيم النسخ في حقيقيات النوى. في الخلية: نهج جزيئي. سندرلاند ، ماساتشوستس: سينيور أسوشيتس. تم الاسترجاع من http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9904/.

    كيمبال ، جون و. (2014 ، 19 أبريل). الجينوم البشري والشمبانزي. في Kimball & # 8217s biology pages. تم الاسترجاع من http://www.biology-pages.info/H/HominoidClade.html.

    كلية OpenStax ، علم الأحياء. (2016 ، 23 مارس). تنظيم جين نسخ حقيقيات النوى. في _OpenStax CNX. تم الاسترجاع من http://cnx.org/contents/[email protected]:[email protected]/Eukaryotic-Transcription-Gene-.

    كلية OpenStax ، علم الأحياء. (2016 ، 23 مارس). تنظيم التعبير الجيني. في _OpenStax CNX. تم الاسترجاع من http://cnx.org/contents/[email protected]:[email protected]/Regulation-of-Gene-Expression

    فيليبس ، ت. (2008). تنظيم النسخ والتعبير الجيني في حقيقيات النوى. تعليم الطبيعة, 1(1) ، 199. مأخوذ من http://www.nature.com/scitable/topicpage/regulation-of-transcription-and-gene-expression-in-1086.

    بورفز ، دبليو كيه ، سادافا ، دي إي ، أوريانز ، جي إتش ، وهيلر ، إتش سي. (2003). تنظيم النسخ من التعبير الجيني. في الحياة: علم الأحياء (الطبعة السابعة ، ص 290-296). سندرلاند ، ماساتشوستس: سينيور أسوشيتس.

    ريس ، جي بي ، أوري ، إل إيه ، كاين ، إم إل ، واسرمان ، إس إيه ، مينورسكي ، بي في ، وجاكسون ، آر بي (2011). يتم تنظيم التعبير الجيني حقيقيات النوى في مراحل عديدة. في علم الأحياء كامبل (الطبعة العاشرة ، ص 365 - 373). سان فرانسيسكو ، كاليفورنيا: بيرسون.


    مفاتيح موطئ القدم: منظمات مصممة للتعبير الجيني

    تم إعاقة الجهود المبذولة لبناء شبكات تركيبية في الخلايا الحية بسبب العدد المحدود من المكونات التنظيمية التي توفر نطاقًا ديناميكيًا واسعًا وتناقشًا منخفضًا. هنا ، قمنا بالإبلاغ عن فئة من منظمات الريبوريوتيك بدائية النواة المصممة من نوع de-novo والتي تسمى مفاتيح موطئ القدم التي تنشط التعبير الجيني استجابةً للـ RNAs المتعارف عليها ذات التسلسلات التعسفية. توفر مفاتيح موطئ القدم مستوى عالٍ من التعامد ويمكن هندستها إلى الأمام لتوفير نطاق ديناميكي متوسط ​​أعلى من 400. وقد أظهرنا أنه يمكن دمج المفاتيح في الجينوم لتنظيم الجينات الذاتية واستخدامها كأجهزة استشعار تستجيب للحمض النووي الريبي الداخلي. نحن نستغل تعامد مفاتيح موطئ القدم لتنظيم 12 جينًا بشكل مستقل وإنشاء دائرة وراثية تقيم 4 مدخلات ومنطق. تمثل مفاتيح موطئ القدم ، بنطاقها الديناميكي الواسع ، والتعامد ، وإمكانية البرمجة ، منصة قوية ومتعددة الاستخدامات لتنظيم الترجمة ، وتقدم تطبيقات متنوعة في البيولوجيا الجزيئية ، والبيولوجيا التركيبية ، والتكنولوجيا الحيوية.

    الأرقام

    الشكل 1. تصميم موطئ القدم التبديل و في…

    الشكل 1. تصميم موطئ القدم التبديل و في الجسم الحي التوصيف

    الشكل 2. تقييم التعامد التبديل موطئ القدم

    الشكل 2. تقييم تعامد التبديل موطئ القدم

    الشكل 3. الهندسة المستقبلية والتحليل الديناميكي الحراري ...

    الشكل 3. الهندسة الأمامية والتحليل الديناميكي الحراري للمفاتيح موطئ القدم

    الشكل 4. مفتاح موصول تم تنشيطه بواسطة mRNA ...

    الشكل 4. موطئ القدم التبديل تنشيط بواسطة مرنا ومحفزات الحمض النووي الريبي الصغيرة الذاتية

    الشكل 5. التنظيم التركيبي للجينات الذاتية

    الشكل 5. التنظيم التركيبي للجينات الذاتية

    الشكل 6. التنظيم المتزامن للتعبير الجيني ...

    الشكل 6. التنظيم المتزامن للتعبير الجيني عن طريق اثني عشر مفتاح موصول

    3.4 كيلو بايت مرنا متعدد الكريات المستخدمة في دراسات مضاعفة الإرسال. كل مراسل لديه مفتاح RNA الخاص به والذي يمكن تنشيطه بشكل مستقل عن طريق المشغل المشابه لـ RNA. (ب) النسبة المئوية للخلايا التي تعبر عن كل من المراسلين الأربعة لمجموعة من 24 مجموعة مختلفة من RNA. يتم استخدام الدوائر الرمادية والملونة لتحديد المشغل المعين RNA الذي يتم التعبير عنه والمفتاح المقابل RNA. انظر أيضًا الشكل S5 ، الجدول S6.


    شاهد الفيديو: ضبط التعبير الجيني في حقيقيات النواة - GENE EXPRESSION REGULATION IN EUKARYOTES (شهر فبراير 2023).