معلومة

14: الحمض النووي المتكرر - ظاهرة جينومية حقيقية النواة - علم الأحياء

14: الحمض النووي المتكرر - ظاهرة جينومية حقيقية النواة - 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.

  • 14.1: مقدمة
    بسبب صغر حجمها ، تمتلك الجينومات البكتيرية عددًا قليلاً من سلاسل الحمض النووي المتكررة. في المقابل ، تشكل تسلسلات الحمض النووي المتكررة جزءًا كبيرًا من جينوم حقيقيات النوى. يتكون الكثير من هذا الحمض النووي المتكرر من متواليات متطابقة أو متطابقة تقريبًا بأطوال متفاوتة تتكرر عدة مرات في الجينوم. تشمل الأمثلة الحمض النووي للأقمار الصناعية (DNA للأقمار الصناعية الصغيرة والأقمار الصناعية الدقيقة) والترانسبوزونات ، أو العناصر القابلة للنقل. هنا نلقي نظرة على التجارب التي كشفت أولاً عن وجود ونسبة الحمض النووي المتكرر
  • 14.2: تعقيد الحمض النووي الجيني
    بحلول الستينيات ، عندما كان روي بريتن وإريك ديفيدسون يدرسان تنظيم الجينات حقيقية النواة ، عرفوا أن هناك ما يكفي من الحمض النووي لتفسير الجينات اللازمة لتشفير الكائن الحي. كان من المحتمل أيضًا أن يكون الحمض النووي أكثر تعقيدًا من الناحية الهيكلية مما كان يعتقد في الأصل. لقد عرفوا أن الطرد المركزي المتدرج لكثافة كلوريد السيزيوم (CsCl) يفصل الجزيئات بناءً على الاختلافات في الكثافة وأن الحمض النووي المجزأ سينفصل إلى نطاق رئيسي وثانوي بكثافة مختلفة في أجهزة الطرد المركزي
  • 14.3: "جينات القفز" للذرة
    كان تقرير باربرا مكلينتوك أن أجزاء من الحمض النووي يمكن أن تقفز وتدمج نفسها في مواضع جديدة في الحمض النووي كان دراميًا وغامضًا لدرجة أن الكثيرين اعتقدوا أن هذه الظاهرة إما لمرة واحدة أو غير حقيقية! فقط مع الاكتشاف اللاحق لليقولات في البكتيريا (وفي حقيقيات النوى الأخرى) تم التعرف أخيرًا على جينات ماك كلينتوك القافزة على حقيقتها!
  • 14.4: الينقولات منذ مكلينتوك
    توجد الينقولات في كل مكان ننظر فيه في بدائيات النوى وتفسر الكثير من الحمض النووي المتكرر حقيقيات النوى. على هذا النحو ، يمكن أن تكون نسبة كبيرة من جينومات حقيقية النواة ، بما في ذلك بعض الجينومات التي لم تعد تنتقل. كانت الينقولات تعتبر ذات يوم DNA عديمة الفائدة أو غير مهمة ، بدون وظيفة واضحة ... أو جينات أنانية ليس لها أي غرض آخر غير التكرار الذاتي. لكن في ضوء بعض الأدلة الجديدة ، ربما لا!
  • 14.5: حول تطور الينقولات والجينات والجينوم
    لاحظنا أن الينقولات في البكتيريا تحمل جينات مقاومة للمضادات الحيوية ، وهو مثال واضح على فوائد التحول في بدائيات النوى. بالطبع ، جينومات بدائية النواة صغيرة ، كما هو الحال مع الحمل البكتيري النموذجي. أنواع الخميرة لديها أيضًا حمولة منخفضة من الينقولات. ولكن ، ما الذي يمكن أن نستخلصه من الحمل المرتفع من الينقولات في حقيقيات النوى؟
  • 14.6: أدوار التحول في التطور والتنوع
    تم وصف دور إعادة التركيب غير المتكافئ في نقل exons داخل وخارج جينات الانقسام حقيقية النواة المختلفة سابقًا. يمكن أن يحدث هذا النوع من خلط exon عندما تتعارض سلاسل DNA القصيرة في اثنين من الإنترونات المختلفة أثناء التشابك الانتصافي ، مما يسمح بالعبور غير المتكافئ. ينتج عن التعبير عن الجين بـ exon "جديد" بروتين بمجال جديد ونشاط جديد. إذا لم يكن الحدث ضارًا ، يزداد التنوع!
  • 14.7: التعامل مع مخاطر التحول المستشري
    معظم الكائنات الحية ليس لديها حمولة عالية من الينقولات التي لدينا. بالنسبة لمن هم مثلنا ، وبالنظر إلى الاتجاه العام للتنقلات لإدخال عشوائي في مواقع الحمض النووي الجديدة ، كيف نوجد على الإطلاق؟ ألا يتضخم خطر التحول إلى تسلسلات جينية أساسية من خلال إمكانية النقل المتزامن المتعدد للعناصر المتولدة عن طريق القص واللصق وآليات النسخ المتماثل بشكل خاص؟ في الواقع ، تم العثور على الينقولات في الجينات غير النشطة نتيجة لذلك.
  • 14.8: الكلمات والمصطلحات الأساسية

الصورة المصغرة: حبوب الذرة (هوبي بلو) مع تصبغ معدّل بفعل الينقولات. (CC BY-SA 3.0 Unported ؛ أبراهامي وتعديله عبر ويكيبيديا)


النسخ والتكرار الثلاثي عدم الاستقرار

I. مقدمة

إن تسلسلات الحمض النووي القصيرة المتكررة - السواتل الصغيرة المتكررة والأقمار الصناعية المتكررة - غير مستقرة في جميع الجينومات ، ولكن في عدة مواضع في الجينوم البشري ، يرتبط عدم الاستقرار المتكرر بالمرض [1-4]. توسع تكرارات CAG · CTG ثلاثي النوكليوتيد (ثلاثي) هي سبب العديد من الأمراض العصبية البشرية ، بما في ذلك ضمور التوتر العضلي ، ومرض هنتنغتون ، وعدد من ترنح النخاع الشوكي [5 ، 6]. تتميز هذه الأمراض بتوسع ثلاثي يتكرر إلى ما بعد عتبة حوالي 25-35 يتكرر إلى طول له عواقب مرضية [1 ، 6].

عادةً ما يُظهر وراثة الأمراض المتسلسلة المتكررة تدهورًا تدريجيًا في النمط الظاهري للمرض في الأجيال اللاحقة مع استمرار توسع المسار ، مما يشير إلى فترة حرجة من عدم الاستقرار في السلالة الجرثومية. إن ميل التسلسلات المتكررة للتوسع في السلالة الجرثومية هو السمة المميزة لهذه المجموعة من الأمراض. ومع ذلك ، فإن الأنسجة الجسدية للأفراد المصابين تظهر أيضًا نمطًا مميزًا من عدم الاستقرار المتكرر ، على سبيل المثال ، يتكرر CAG في مرض هنتنغتون ، وعادة ما يكون غير مستقر للغاية في المخطط ، وغير مستقر إلى حد ما في الكبد والكلى ، ومستقر في القلب والعضلات [7]. يمثل تعقيد الأنماط الخاصة بالنسيج لتكرار عدم الاستقرار - من السلالة الجرثومية إلى الأنسجة الجسدية المختلفة - تحديًا لفهم الآليات الكامنة. لماذا يختلف تكرار عدم الاستقرار من نسيج إلى آخر؟ هل تنشأ أنماط عدم الاستقرار هذه عن طريق تعديل آلية أساسية واحدة ، أم أن آليات متميزة تعمل في أنسجة مختلفة؟ هل نفس أنواع التكرار في مواقع مختلفة في الجينوم تتزعزع بنفس الآلية أم بآليات مختلفة؟

تم التحقيق في أساس تكرار عدم الاستقرار في البشر باستخدام أنظمة نموذجية ، بما في ذلك الإشريكية القولونية، الخميرة وخلايا الثدييات والفئران. في البكتيريا والخميرة ، ثبت أن كل عملية تكشف خيوطًا مفردة من الحمض النووي تقريبًا تزعزع استقرار التكرارات الثلاثية ، بما في ذلك تكرار الحمض النووي ، وإعادة التركيب المتماثل ، وإصلاح الحمض النووي ، والنسخ ، مع التكرار وإعادة التركيب الذي يظهر التأثيرات الأكثر دراماتيكية [1 ، 4]. يُعتقد أن التعرض للحمض النووي أحادي الجديلة يسمح بتكرار CAG · CTG لتشكيل دبابيس الشعر ومزدوجات الحمض النووي المنزلق ، كما يفعلون في المختبر [1 ، 3 ، 4 ، 8 ، 9]. تتداخل هذه الهياكل الثانوية مع عمليات التمثيل الغذائي الطبيعية للحمض النووي أو تؤدي إلى عمليات شاذة ، مما يؤدي في النهاية إلى تغييرات في طول المسار المتكرر. وبالتالي ، من المحتمل أن ينشأ عدم الاستقرار المتكرر الثلاثي عبر مسار تعرض فيه عملية التمثيل الغذائي الطبيعي للحمض النووي خيوطًا مفردة ، مما يسمح لها بتكوين بنية ثانوية ، والتي بدورها تستدعي عملية إصلاح الحمض النووي العادية أو الشاذة التي تؤدي إلى التغيير في تكرار المسار. الطول.

قدمت الدراسات التي أجريت على البكتيريا والخميرة رؤى مهمة حول المسارات المحتملة التي تؤدي إلى تكرار عدم الاستقرار ، لكنها لم تحدد تلك المسارات المسؤولة عن عدم الاستقرار لدى البشر. على سبيل المثال ، العمليات التي تم تحديدها على أنها الأكثر أهمية في البكتيريا والخميرة - تكرار الحمض النووي وإعادة التركيب المتماثل - لا تأخذ في الحسبان بعض الملاحظات الرئيسية في خلايا الثدييات والفئران ، والتي يمكن القول إنها توفر النماذج الأكثر صلة بعدم الاستقرار الانقسامي للتكرارات التي لوحظت في السلالة الجرثومية البشرية والأنسجة الجسدية. الملاحظة الأكثر صعوبة لاستيعابها في النماذج القائمة على النسخ المتماثل هي عدم الاستقرار المستمر الذي يحدث بمرور الوقت في الخلايا التي تنقسم ببطء (على سبيل المثال ، في الكبد) والخلايا غير المنقسمة مثل الخلايا العصبية في المخطط [10-13]. بالإضافة إلى ذلك ، لا ترتبط درجة عدم الاستقرار بمعدلات تكاثر الخلايا الخاصة بالنسيج [14-16]. علاوة على ذلك ، تم الإبلاغ عن حدوث عدم استقرار أثناء الاعتقال الانتصافي في السلالة الجرثومية للإناث [17] وفي سلائف الحيوانات المنوية غير المتكاثرة [18 ، 19]. تشير الدراسات التي أجريت على الفئران أيضًا إلى دور ثانوي في إعادة التركيب المتماثل في أحسن الأحوال ، حيث لم يتأثر تكرار الاستقرار في الفئران التي تعاني من نقص في بروتينات إعادة التركيب RAD52 و RAD54 [20]. أيضًا ، يجب أن يحدث عدم الاستقرار المستمر في الخلايا العصبية المتمايزة نهائيًا [10-13 ، 21] في غياب الكروماتيد الشقيق ، الشريك المفضل إلى حد كبير لإعادة التركيب المتماثل في خلايا الثدييات [22]. وبالتالي ، فإن التكاثر وإعادة التركيب هما مصدران غير محتملين لعدم الاستقرار المرئي في الخلايا الجسدية ، خاصة في الخلايا العصبية التي تم إيقافها G1 / G0.

تشير هذه الاعتبارات إلى أن المسارات الأخرى - بالإضافة إلى أو بدلاً من النسخ المتماثل وإعادة التركيب - من المحتمل أن تساهم في تكرار عدم الاستقرار الثلاثي في ​​أنسجة معينة. سيبحث هذا الفصل في احتمال أن يؤدي النسخ من خلال تكرار ثلاثي إلى عدم الاستقرار. تمت دراسة تأثيرات النسخ في البكتيريا [23-27] ، لكن المسار الذي يؤدي من النسخ إلى تكرار تغيير الطول لم يتم تحديده بعد. تم تفسير معظم النتائج في البكتيريا من حيث التفاعل بين النسخ والتكرار [23-26] ، والذي يبدو من غير المرجح أن ينطبق على عدم الاستقرار الذي لوحظ في الخلايا العصبية غير المنقسمة ، على سبيل المثال. تم اقتراح مسار واحد مستحث بالنسخ ، ومستقل عن النسخ المتماثل [26] ، وتظهر نسخة معدلة من هذا المسار في الشكل 44-1. من المحتمل أن يؤدي النسخ إلى عدم الاستقرار المتكرر عن طريق تعريض الحمض النووي أحادي الجديلة بينما يتحرك بوليميراز الحمض النووي الريبي خلال التكرارات ، مما يسمح للتكرارات بتكوين دبابيس الشعر وبنى الخيوط المنزلقة [1 ، 4 ، 8 ، 9]. يمكن أن تشغل هذه الهياكل الشاذة عمليات إصلاح الحمض النووي أثناء النسخ أو في عملية غير مرتبطة فعليًا بالنسخ ، كطريقة للتعامل مع الهياكل المتبقية في أعقاب البوليميراز العابر. إن عمليات الإصلاح نفسها هي التي من شأنها إحداث تغييرات في طول المسار المتكرر.

الشكل 44-1. مسار تكرار عدم الاستقرار الناجم عن النسخ الثلاثي. يفصل مرور بوليميراز الحمض النووي الريبي خيوط الطباعة المزدوجة مما يسمح للبنية الثانوية بالتشكل في الخيط غير المنسوخ. إذا كان الهيكل موجودًا عند إعادة إحياء الخيطين ، يمكن أن يتشكل هيكل خيط منزلق مثل الهيكل الموضح هنا. على الرغم من أن الهياكل المتكافئة تظهر في كل خصلة ، فإن CTG و CAG لا يشكلان دبابيس شعر ذات منشأة متساوية ، وبالتالي قد لا يكون للخيوط نفس البنية. تم اقتراح عمليات إصلاح الحمض النووي مثل MMR و NER للتعرف على دبابيس الشعر وبدء الإصلاح. قد تؤدي إزالة الحلقات إلى الانكماش. قد يؤدي انشقاق الخيوط المقابلة للحلقات ، إلى جانب تركيب إصلاح الحمض النووي باستخدام الحلقات كقوالب ، إلى حدوث تمددات.

عمليتا إصلاح الحمض النووي - إصلاح ختان النوكليوتيدات (NER) وإصلاح عدم التطابق (MMR) ، أو مكوناتهما - هما مرشحان منطقيان للمشاركة في مسار مستحث بالنسخ لعدم الاستقرار المتكرر. NER لديه اتصال محدد جيدًا للنسخ من خلال مسار فرعي يُعرف باسم الإصلاح المقترن بالنسخ (TC-NER) [28 ، 29]. بالإضافة إلى ذلك ، يتغير استقرار التكرارات الثلاثية بشكل كبير في السلالات البكتيرية ذات الطفرات في NER [25 ، 30] ، وكذلك في الخلايا البشرية عن طريق هدم مكونات NER باستخدام siRNA (Lin et al.). تم ربط MMR في بعض التقارير بـ TC-NER في البكتيريا [31] وفي الخلايا البشرية [32-34]. علاوة على ذلك ، فقد ثبت أن Msh2 يتفاعل مع مكونات NER في الخميرة [35] ويرتبط بهياكل CAG · CTG المنزلقة [36] ، وقد تم ربط MMR بعدم الاستقرار المتكرر الثلاثي في ​​البكتيريا [27 ، 37-39] ، الخميرة [40 ، 41] ، الخلايا البشرية (لين وآخرون) والفئران [10 ، 18 ، 20 ، 42-48].

يفحص هذا الفصل الأساس لاعتبار أن مسارًا بوساطة النسخ قد يساهم في عدم استقرار التكرار الثلاثي لـ CAG · CTG الذي لوحظ في البشر. يستعرض الفصل البيانات الموجودة حول عدم الاستقرار الناجم عن النسخ ويعرض بيانات جديدة توضح أن عناصر المسار الموضح في الشكل 44-1 تعمل في الخلايا البشرية.


14: الحمض النووي المتكرر - ظاهرة جينومية حقيقية النواة - علم الأحياء

تنظيم والتحكم في جينومات EUKARYOTIC

يحتوي التعبير الجيني في حقيقيات النوى على اختلافين رئيسيين عن نفس العملية في بدائيات النوى.

إن جينوم حقيقيات النوى النموذجي متعدد الخلايا أكبر بكثير من الجينوم الخاص بالبكتيريا.
تخصص الخلية يحد من تعبير العديد من الجينات إلى خلايا معينة.
تشتمل الجينات المقدرة بـ 35000 في الجينوم البشري على كمية هائلة من الحمض النووي الذي لا يبرمج تخليق الحمض النووي الريبي أو البروتين.

يتم دمج DNA حقيقيات النوى بدقة مع كميات كبيرة من البروتين.
خلال الطور البيني ، يتم تمديد ألياف الكروماتين بشكل كبير.
إذا تم تمديده ، فسيكون طول كل جزيء DNA حوالي 6 سم.

المستوى الأول - بروتينات هيستون
ترتبط أحماضها الأمينية موجبة الشحنة بإحكام بالحمض النووي سالب الشحنة.
تتشابه الأنواع الخمسة من الهستونات من حقيقيات النوى إلى أخرى ، بل إنها موجودة في البكتيريا.
يتميز الكروماتين غير المطوي بمظهر خرز على خيط ، وهو جسيم نووي ، يلتف فيه الحمض النووي حول نواة من بروتينات الهيستون.
يبدو أن السلسلة المخرزة تظل سليمة بشكل أساسي طوال دورة الخلية.
تترك الهيستونات الحمض النووي بشكل عابر فقط أثناء تكرار الحمض النووي.
يبقون مع الحمض النووي أثناء النسخ.
من خلال تغيير الشكل والموضع ، تسمح النيوكليوزومات للبوليميرات التي تصنع الحمض النووي الريبي بالتحرك على طول الحمض النووي.

المستوى الثاني - عندما تدخل الكروموسومات في الانقسام ، فإن لفائف السلسلة المحببة تشكل ألياف الكروماتين 30 نانومتر.
المستوى الثالث - تشكل هذه الألياف نطاقات ملتوية مرتبطة بسقالة من البروتينات غير الهيستونية.
المستوى الرابع - ملف المجالات الحلقية وطيها لإنتاج كروموسوم الطور المميز.
يكون كروماتين الطور البيني عمومًا أقل تكثفًا بكثير من كروماتين الانقسام الفتيلي مع بقاء ألياف 30 نانومتر والمجالات الحلقية سليمة.
يشغل الكروماتين الخاص بكل كروموسوم منطقة محدودة داخل نواة الطور البيني.
تحتوي الكروموسومات بين الطور على مناطق تظل شديدة التكثيف ، وكروماتين مغاير ، ومناطق أقل ضغطًا ، كروماتين حقيقي.

تنظيم الجينوم على مستوى الحمض النووي

في حقيقيات النوى ، لا يرمز معظم الحمض النووي (حوالي 97٪ في البشر) للبروتين أو الحمض النووي الريبي.
1. المناطق غير المشفرة هي تسلسلات تنظيمية.
2. إنترونات.
3. الحمض النووي المتكرر موجود في نسخ عديدة في الجينوم.
في الثدييات ، يكون حوالي 10-15٪ من الجينوم عبارة عن دنا متكرر بالترادف ، أو دنا ساتلي.
هذه تختلف في الكثافة عن المناطق الأخرى ، لذا فهي تشكل نطاقًا منفصلاً بعد التنبيذ الفائق التفاضلي.
هناك ثلاثة أنواع من الحمض النووي للأقمار الصناعية ، متباينة حسب الطول الإجمالي للحمض النووي في كل موقع. الجدول 19.1.
تحدث بعض الاضطرابات الوراثية نتيجة امتدادات طويلة بشكل غير طبيعي من توائم النوكليوتيدات الثلاثية المتكررة بالترادف داخل الجين المصاب.
تحدث متلازمة الهش X بسبب مئات الآلاف من تكرار CGG في جين X الهش.
يحدث داء هنتنغتون بسبب تكرار CAG التي تُترجم إلى بروتينات مع سلسلة طويلة من الجلوتامين.
ترتبط شدة المرض وعمر ظهور هذه الأمراض بعدد مرات التكرار.
يتكون حوالي 25-40 ٪ من معظم جينومات الثدييات من الحمض النووي المتكرر.
تظهر في مواقع متعددة في الجينوم.
متشابهة ولكنها عادة غير متطابقة مع بعضها البعض.

في حين أن معظم الجينات موجودة كنسخة واحدة لكل مجموعة أحادية الصبغيات من الكروموسومات ، فإن العائلات متعددة الجينات توجد كمجموعة من الجينات المتطابقة أو المتشابهة جدًا.
من المحتمل أن تكون هذه قد تطورت من جين سلف واحد.
يمكن أن يتجمع أفراد العائلات متعددة الجينات أو يتشتتوا في الجينوم.
الجينات المتطابقة هي عائلات متعددة الجينات تتجمع بالترادف. الشكل 19.2.
تتكون عادة من جينات منتجات الحمض النووي الريبي أو تلك الخاصة ببروتينات الهيستون.
يتم ترميز أكبر ثلاثة جزيئات من الرنا الريباسي في وحدة نسخ واحدة تتكرر بالترادف مئات إلى آلاف المرات.
يتم شق هذا النص لإنتاج ثلاثة جزيئات من الرنا الريباسي تتحد مع البروتينات ونوع آخر من الرنا الريباسي لتشكيل الوحدات الفرعية الريبوسومية.
الجينات غير المتطابقة
عائلتان متصلتان من جينات الغلوبين ، a (alpha) و szlig (beta) ، من الهيموجلوبين ، والتي توجد على كروموسومات مختلفة. الشكل 19.3.
يتم التعبير عن الإصدارات المختلفة لكل وحدة فرعية globin في أوقات مختلفة من التطوير.
يوجد داخل كلتا العائلتين متواليات يتم التعبير عنها خلال مرحلة التطور الجنيني و / أو الجنيني و / أو مرحلة البلوغ.
الهيموجلوبين الجنيني والجنيني لهما تقارب أعلى للأكسجين مقارنة بأشكال البالغين ، مما يضمن نقل الأكسجين من الأم إلى الجنين النامي.
تنشأ الاختلافات في الجينات من الطفرات التي تتراكم في نسخ الجينات عبر الأجيال.
قد تؤدي هذه الطفرات إلى تغييرات كافية لتكوين الجينات الخادعة ، وهي قطع من الحمض النووي لها تسلسلات مشابهة للجينات الحقيقية ولكنها لا تنتج بروتينات وظيفية.

تضخيم الجينات أو فقدانها أو إعادة ترتيبها

قد يتغير تسلسل النوكليوتيدات لجينوم الكائن الحي بطريقة منهجية خلال حياته.
لا يؤثر على الأمشاج
تقتصر آثارها على خلايا وأنسجة معينة.
في تضخيم الجينات ، يتم تكرار جينات معينة كطريقة لزيادة التعبير عن هذه الجينات.
في البرمائيات ، لا تحتوي جينات الرنا الريباسي على تكملة طبيعية من نسخ متعددة فحسب ، بل يتم تصنيع ملايين النسخ الإضافية في البويضة النامية.
يساعد هذا الخلية في إنتاج أعداد هائلة من الريبوسومات لتخليق البروتين بعد الإخصاب.
في بعض خلايا الحشرات ، تفقد الصبغيات كلها أو أجزاء منها في وقت مبكر من التطور.
قد يكون لإعادة ترتيب مواقع الجينات في الخلايا الجسدية تأثير قوي على التعبير الجيني.
الينقولات هي جينات يمكن أن تنتقل من مكان إلى آخر داخل الجينوم.
10٪ من الجينوم البشري هي الينقولات.
إذا قفز أحدهما & quot في تسلسل ترميز لجين آخر ، فيمكنه منع وظيفة الجين الطبيعية.
إذا تم إدخال الينقولات في منطقة تنظيمية ، فقد يزيد أو ينقص النسخ.
معظم الينقولات هي الينقولات العكسية (الشكل 19.5) ، حيث يشتمل الحمض النووي الريبي المنسوخ على رمز الإنزيم الذي يحفز إدخال الينقولات العكسية وقد يشتمل على جين للنسخة العكسية.
يستخدم النسخ العكسي جزيء RNA الذي تم نسخه في الأصل من retrotransposon كقالب لتجميع نسخة DNA مزدوجة تقطعت بهم السبل.
هذا يمكن أن يملأ جينوم حقيقيات النوى بنسخ متعددة من تسلسلها.
تحدث عمليات إعادة الترتيب الرئيسية لمجموعة واحدة على الأقل من الجينات أثناء تمايز الجهاز المناعي.
تنتج الخلايا الليمفاوية B غلوبينات مناعية ، أو أجسامًا مضادة ، تتعرف على وجه التحديد وتكافح الفيروسات والبكتيريا والغزاة الآخرين. الشكل 19.6.
تنتج كل خلية متمايزة نوعًا واحدًا محددًا من الأجسام المضادة التي تهاجم غازًا معينًا.
يتم تجميع جينات الجسم المضاد الوظيفية معًا من مناطق الحمض النووي المنفصلة جسديًا.
يتكون كل جلوبين مناعي من أربع سلاسل متعددة الببتيد ، ولكل منها منطقة ثابتة ومنطقة متغيرة ، مما يمنح كل جسم مضاد وظيفته الفريدة.
عندما تتمايز الخلايا الليمفاوية B ، ترتبط واحدة من عدة مئات من القطع المتغيرة المحتملة بالقسم الثابت عن طريق حذف الحمض النووي المتداخل.
تخلق التوليفات العشوائية لمناطق مختلفة ومتغيرة وثابتة تنوعًا هائلاً من عديد الببتيدات المختلفة ، والتي تتحد مع الآخرين لتشكيل جزيئات كاملة من الأجسام المضادة.
نتيجة لذلك ، يمكن للجهاز المناعي الناضج أن يصنع ملايين الأنواع المختلفة من الأجسام المضادة من ملايين المجموعات السكانية الفرعية من الخلايا الليمفاوية البائية.

السيطرة على التعبير الجيني

كل خلية تعبر عن جزء صغير فقط من جيناتها
يتم تشغيلها وإيقاف تشغيلها باستمرار استجابةً لإشارات من بيئتها الداخلية والخارجية.
يجب التحكم في التعبير الجيني على المدى الطويل أثناء التمايز الخلوي.
تعبر الخلايا عالية التخصص فقط عن جزء ضئيل من جيناتها.
يمكن أن تؤدي مشاكل التعبير الجيني والتحكم فيها إلى اختلال التوازن والأمراض ، بما في ذلك السرطانات.

يمكن أن يحدث التحكم في التعبير الجيني في أي خطوة في المسار من الجين إلى البروتين الوظيفي. الشكل 19.7
تتضمن مستويات التحكم هذه تعبئة الكروماتين والنسخ ومعالجة الحمض النووي الريبي والترجمة والتعديلات المختلفة على منتج البروتين.

تعديلات التعبئة الكروماتين

عادة لا يتم التعبير عن جينات الكروماتين المتغاير المكثف.

تلعب التعديلات الكيميائية للكروماتين دورًا رئيسيًا في بنية الكروماتين وتنظيم النسخ.
مثيلة الحمض النووي
بشكل عام ، يتم ميثلة الحمض النووي الخامل بشكل كبير مقارنة بالحمض النووي الذي يتم نسخه بنشاط.
على سبيل المثال ، فإن الكروموسوم X للثدييات المعطل في الإناث يتم ميثليته بشكل كبير.
تقوم إنزيمات الميثيل بميثلة خيوط الابنة بشكل صحيح.
هذا يفسر البصمة الجينية التي يتم فيها إيقاف تشغيل المثيلة الأليلات الأم أو الأب.
يبدو أن أستلة الهيستون و نزع الأسيتيل يلعبان دورًا مباشرًا في تنظيم نسخ الجينات.
تمسك الهستونات الأسيتيل الحمض النووي بإحكام أقل ، مما يوفر وصولاً أسهل لبروتينات النسخ في هذه المنطقة.
ترتبط بعض الإنزيمات المسؤولة عن الأستلة أو نزع الأسيتيل أو تكون مكونات لعوامل النسخ التي ترتبط بالعوامل المحفزة.
قد تتعاون مثيلة الحمض النووي ونزع استيل هيستون لقمع النسخ.

يعد بدء النسخ أهم نقطة تحكم مستخدمة عالميًا في التعبير الجيني.

عناصر التحكم عبارة عن شرائح DNA غير مشفرة تنظم النسخ عن طريق عوامل النسخ الملزمة. الشكل 19.8
يعتمد بوليميراز الحمض النووي الريبي حقيقي النواة على عوامل النسخ قبل بدء النسخ.
يتعرف عامل النسخ على صندوق TATA.

قد تكون عناصر التحكم البعيدة ، المعززات ، آلاف النيوكليوتيدات بعيدًا عن المحفز أو حتى في اتجاه مجرى الجين أو داخل إنترون. الشكل 19.9.
يمكّن ثني الحمض النووي عوامل النسخ ، والمنشطات ، المرتبطة بالمُعزِّزات ، من الاتصال بمركب بدء البروتين في المحفز.

تحتوي الجينات حقيقية النواة أيضًا على بروتينات مثبطة ترتبط بعناصر تحكم في الحمض النووي تسمى كاتمات الصوت.
قد يعمل القمع في الغالب على مستوى تعديل الكروماتين.

يحتوي كل بروتين بشكل عام على مجال ربط الحمض النووي الذي يرتبط بالحمض النووي ومجال ربط البروتين الذي يتعرف على عوامل النسخ الأخرى.

قد تنتشر الجينات التي ترميز إنزيمات المسار الأيضي على كروموسومات مختلفة.
يعتمد تنسيق التعبير الجيني على ارتباط عنصر تحكم معين أو مجموعة عناصر تحكم مع كل جين من مجموعة متفرقة.
ترتبط بهم مجموعة مشتركة من عوامل النسخ ، مما يعزز النسخ الجيني المتزامن.

آليات ما بعد النسخ
قد يتم حظر أو تحفيز التعبير الجيني بأي خطوة بعد النسخ.

في التضفير البديل للحمض النووي الريبي ، يتم إنتاج جزيئات مختلفة من الرنا المرسال من نفس النسخة الأولية ، اعتمادًا على مقاطع الحمض النووي الريبي التي يتم التعامل معها على أنها إكسونات وأيها كإنترونات. الشكل 19.11. فيلم! تنظيم تدهور mRNA.
قد تتحلل جزيئات mRNA بدائية النواة بعد بضع دقائق فقط.
عادة ما تستمر mRNAs حقيقية النواة لساعات ويمكن أن تستمر لأيام أو أسابيع.
على سبيل المثال ، في خلايا الدم الحمراء ، تكون mRNAs لبولي ببتيدات الهيموجلوبين مستقرة بشكل غير عادي ويتم ترجمتها بشكل متكرر في هذه الخلايا.
يبدأ المسار الشائع لانهيار الرنا المرسال بالتقصير الأنزيمي لذيل بولي (A).
يؤدي هذا إلى الإزالة الأنزيمية لغطاء 5 بوصات.
ويتبع ذلك تدهور سريع للـ mRNA بواسطة نوكليازات.

التحكم في الترجمة يمكن حظر ترجمة mRNAs بواسطة البروتينات التنظيمية التي ترتبط بتسلسلات أو هياكل معينة داخل المنطقة الرئيسية 5 من mRNA. فيلم!
هذا يمنع التعلق بالريبوسومات.
توفر عوامل البروتين المطلوبة لبدء الترجمة في حقيقيات النوى أهدافًا للتحكم في نفس الوقت في ترجمة كل الرنا المرسال في الخلية.
هذا يسمح للخلية بإغلاق الترجمة إذا كانت الظروف البيئية سيئة
يجب معالجة عديد الببتيدات حقيقية النواة لإنتاج بروتينات وظيفية. فيلم!
قد يحدث التنظيم عند الانقسام ، والتعديلات الكيميائية ، والنقل إلى الوجهة المناسبة.
على سبيل المثال ، ينتج التليف الكيسي عن طفرات في جينات بروتين قناة أيون الكلوريد التي تمنعه ​​من الوصول إلى غشاء البلازما.
يتحلل البروتين المعيب بسرعة.
تحدد الخلية عمر البروتينات الطبيعية عن طريق التحلل الانتقائي.

يتم تمييز البروتينات المعدة للتحلل من خلال الارتباط ببروتينات يوبيكويتين. الشكل 19.12.
تتعرف البروتينات العملاقة على اليوبيكويتين وتحلل البروتين الموسوم.

البيولوجيا الجزيئية للسرطان

السرطان مرض تهرب فيه الخلايا من طرق التحكم التي تنظم نمو الخلايا وانقسامها بشكل طبيعي.
يمكن أن تكون التغييرات عبارة عن طفرات عفوية عشوائية أو تأثيرات بيئية مثل المواد الكيميائية المسرطنة أو المطفرات الفيزيائية.
الجينات المسببة للسرطان ، الجينات الورمية ، هي نتاج الجينات الورمية الأولية ، التي ترمز للبروتينات التي تحفز نمو الخلايا الطبيعية وانقسامها ولها وظائف أساسية في الخلايا الطبيعية. الشكل 19.13.
ينشأ الجين الورمي من تغيير جيني يؤدي إلى زيادة في بروتين الجين الورمي أو نشاط كل جزيء بروتين.
تشمل هذه التغييرات الجينية حركات الحمض النووي داخل الجينوم ، وتضخيم الجينات الورمية الأولية ، والطفرات النقطية في الجين.
غالبًا ما تحتوي الخلايا الخبيثة على كروموسومات مكسورة وعادت إلى الالتحام بشكل غير صحيح.
قد يؤدي هذا إلى نقل جزء إلى موقع بالقرب من مروج نشط أو عنصر تحكم آخر.
يزيد التضخيم من عدد نسخ الجينات.
قد تؤدي الطفرة النقطية إلى ترجمة بروتين أكثر نشاطًا أو أطول عمراً. كما تساهم الطفرات في الجينات التي تمنع منتجاتها الطبيعية انقسام الخلايا ، والجينات الكابتة للورم ، في الإصابة بالسرطان.
تعمل بعض البروتينات المثبطة للورم عادةً على إصلاح الحمض النووي التالف.
يتحكم البعض الآخر في التصاق الخلايا ببعضها البعض أو بمصفوفة خارج الخلية ، وهو أمر بالغ الأهمية للأنسجة الطبيعية.
لا يزال البعض الآخر عبارة عن مكونات لمسارات إشارات الخلية التي تمنع دورة الخلية.

تتداخل بروتينات الجين الورمي والبروتينات المعيبة الكابتة للورم مع مسارات الإشارات الطبيعية. الشكل 19.14.

تحدث الطفرات في نواتج جينين رئيسيين ، الجين الورمي الأولي ras ، والجين الكابت للورم p53 في 30٪ و 50٪ من السرطانات البشرية على التوالي.
كلاهما مكونان من مسارات تحويل الإشارات التي تنقل الإشارات الخارجية إلى الحمض النووي.
Ras ، المنتج من جين ras ، هو بروتين G الذي يوفر تخليق البروتين الذي يحفز دورة الخلية.
العديد من جينات الراس المسرطنة لديها طفرة نقطية تؤدي إلى نسخة مفرطة النشاط من بروتين راس يمكنها إصدار إشارات من تلقاء نفسها ، مما يؤدي إلى الانقسام المفرط للخلايا.
إن البروتين المثبط للورم المشفر بواسطة الجين العادي p53 هو عامل نسخ يعزز تخليق البروتينات المثبطة للنمو.
يمكن أن تؤدي الطفرة التي تقطع الجين p53 إلى نمو الخلايا المفرط والسرطان.

غالبًا ما يُطلق على الجين p53 & quot الملاك الحارس للجينوم & quot.
يؤدي تلف الحمض النووي للخلية إلى التعبير عن الجين p53.
يمكن للبروتين p53:
تنشيط الجين p21 ، الذي يوقف دورة الخلية.
تشغيل الجينات المشاركة في إصلاح الحمض النووي.
تنشيط & quotsuicide الجينات & quot التي تسبب منتجاتها البروتينية موت الخلايا.

الطفرات المتعددة هي أساس تطور السرطان

إذا كان السرطان ناتجًا عن تراكم الطفرات ، وإذا حدثت طفرات طوال الحياة ، فكلما طالت مدة حياتنا ، زادت احتمالية إصابتنا بالسرطان.


أساليب

نظرة عامة على REPCLASS سير العمل

سير عمل REPCLASS مخطط في الشكل 1. ملف الإدخال الخاص بالبرنامج عبارة عن ملف نصي واحد يحتوي على تسلسلات DNA التي سيتم تصنيفها بتنسيق Fasta. ثم تتم معالجة كل إدخال من خلال وحدات التصنيف الثلاث: التماثل (هوم)، بنية (STR) ، وتكرار الموقع المستهدف (TSD). تتضمن كل وحدة خطوات وعمليات متعددة ، موضحة بالتفصيل أدناه. الخطوة الأخيرة هي خطوة تكامل تهدف إلى مقارنة نتائج الوحدات الثلاث وترتيبها ودمجها مع توفير تصنيف مؤقت واحد لكل إدخال Fasta في ملف الإدخال. إخراج REPCLASS هو ملف نصي يبلغ عن التصنيف لكل إدخال Fasta في ملف الإدخال ، إذا تم الحصول على أي تصنيف. يسبق مصطلحات التصنيف رمز حرف يشير إلى الوحدات النمطية التي تم استخدامها لإنتاج التصنيف (H أو S أو T). التصنيف مصحوب بوصف للسمات الهيكلية المحددة (على سبيل المثال ، طول TIRs و LTRs و poly A terminus) وطول إجماع TSD ، إن وجد. في نهاية ملف الإخراج ، يتم إعطاء العدد الإجمالي للإدخالات المصنفة بواسطة REPCLASS ، وتفصيل هذا العدد حسب الوحدة أو مجموعة الوحدات النمطية. لاحظ أن المستخدم لديه أيضًا خيار تشغيل كل وحدة من وحدات REPCLASS بشكل منفصل أو في أي مجموعة ثنائية (انظر دليل المستخدم والوثائق).

نظرة عامة على سير عمل REPCLASS. يتم عرض الإجراءات الفرعية بخط مائل في مربعات سوداء. تظهر قواعد البيانات في اسطوانات رمادية. يتم تحليل كل تسلسل استعلام إدخال (عادةً ما يكون إجماعًا) بواسطة وحدات التصنيف الثلاث لـ REPCLASS. HOM: القائم على التماثل ، يبحث عن التشابه مع التكرارات المعروفة المودعة في Repbase باستخدام TBlastX واستخراج التصنيف من ملف فهرس الكلمات الرئيسية STR: تقوم العديد من الإجراءات الفرعية القائمة على الهيكل بالبحث عن السمات الهيكلية المميزة لمجموعة مختلفة من TEs ، مثل التكرارات المقلوبة الطرفية (TIR_search) ، LTRs (LTR_search) ، متواليات تشبه الحمض الريبي النووي النقال (tRNAscan-SE) ، أو polyA / SSRs (polyA / SSR_search) TSD: تكرار الموقع المستهدف ، يتم استخراج النسخ الفردية من تسلسل الجينوم المستهدف باستخدام BlastN ويتم البحث في تسلسلها المرافقة عن TSD. إذا لم يتم العثور على TSD ، فإن الروتين الفرعي Helitron_scan للبحث عن السمات الهيكلية لـ الهليترونات. تحاول الخطوة الأخيرة مقارنة نتائج الوحدات الثلاث ودمجها ، مما يؤدي إلى تصنيف مبدئي لكل تسلسل إدخال. للحصول على وصف كامل لسير العمل والروتينات الفرعية ، راجع النتائج والطرق.

نظرة عامة على سير عمل REPCLASS. يتم عرض الإجراءات الفرعية بخط مائل في المربعات السوداء. تظهر قواعد البيانات في اسطوانات رمادية. يتم تحليل كل تسلسل استعلام إدخال (عادةً ما يكون إجماعًا) بواسطة وحدات التصنيف الثلاث لـ REPCLASS. HOM: القائم على التماثل ، يبحث عن التشابه مع التكرارات المعروفة المودعة في Repbase باستخدام TBlastX واستخراج التصنيف من ملف فهرس الكلمات الرئيسية STR: تقوم العديد من الإجراءات الفرعية القائمة على الهيكل بالبحث عن السمات الهيكلية المميزة لمجموعة مختلفة من TEs ، مثل التكرارات المقلوبة الطرفية (TIR_search) ، LTRs (LTR_search) ، متواليات تشبه الحمض الريبي النووي النقال (tRNAscan-SE) ، أو polyA / SSRs (polyA / SSR_search) TSD: تكرار الموقع المستهدف ، يتم استخراج النسخ الفردية من تسلسل الجينوم المستهدف باستخدام BlastN ويتم البحث في تسلسلها المرافقة عن TSD. إذا لم يتم العثور على TSD ، فإن الروتين الفرعي Helitron_scan للبحث عن السمات الهيكلية لـ الهليترونات. تحاول الخطوة الأخيرة مقارنة نتائج الوحدات الثلاث ودمجها ، مما يؤدي إلى تصنيف مبدئي لكل تسلسل إدخال. للحصول على وصف كامل لسير العمل والروتينات الفرعية ، راجع النتائج والطرق.

هوم وحدة

تستخدم هذه الوحدة كل تسلسل إدخال كاستعلام في بحث TBlastX (استعلام مترجم مقابل قاعدة بيانات مترجمة) لجميع مكتبات تكرار المراجع المودعة في Repbase Update (Jurka et al. 2005) أو أي مكتبة متكررة مخصصة مشروحة ومفهرسة كما في Repbase. أحدث إصدار من Repbase Update المستخدم في هذه الدراسة هو الإصدار 13.03 ، الذي تم تنزيله من http://www.girinst.org/. يتم إجراء بحث TBlastX باستخدام المعلمات الافتراضية باستخدام التثبيت المحلي لـ WU-Blast الإصدار 2.0 (http://blast.wustl.edu/). نحن نستخدم TBlastX (بدلاً من BlastN) لأنه يوفر حساسية متزايدة لاكتشاف أشكال البروتين المحفوظة ، بالإضافة إلى التطابقات القصيرة ولكن المهمة في التسلسلات غير المشفرة. لدى المستخدم خيار تعديل التعليمات البرمجية المصدر لتشغيل أي تطبيقات أخرى لمجموعة WU-Blast.

يتم تحليل ملفات الإخراج TBlastX ، والأول x (الافتراضي 10) يضرب بامتداد ه قيمة أقل من ه −5 يتم اختيارهم. تصنيف هذه x يتم استرداد TEs من ملف فهرس الكلمات الرئيسية الذي تم إنشاؤه لقاعدة بيانات Repbase وتحليلها باستخدام روتين فرعي يسمى Key_match. يستخرج هذا البرنامج الكلمات الرئيسية والأوصاف من Repbase Update بتنسيق EMBL لكل تسلسل نتيجة (الموضوع) TE. تبحث أداة الفهرسة عن كلمات رئيسية محددة مثل الفئة الفرعية ، والعائلة الفائقة ، والأسرة ، وما إلى ذلك. يتكون الفهرس من معرف Repbase المخصص لـ TE ، جنبًا إلى جنب مع المصطلحات التي تحدد التصنيف: الفئة الفرعية (SC) ، العائلة الفائقة (SF) ، الأسرة (FM) ) والمجموعة (GP) والمجموعة الفرعية (SG) والكلمات الرئيسية (KW). لكل كلمة رئيسية ، درجتا ثقة ، صه و صك، تحسب على النحو التالي. صه هو المتوسط ​​المرجح لـ ه قيم جميع النتائج التي تحتوي على الكلمة الرئيسية ، بعد تحويل كل منها ه قيمة مع الصيغة صه = | ln (ه القيمة) | / 100 ومع ه القيم & الملازم ه تعيين −100 إلى ه −100 . صك هو المتوسط ​​المرجح لحدوث كلمة رئيسية معينة إلى إجمالي عدد الزيارات ، أي ، صك = عدد الكلمات الرئيسية / لا. من الضربات. يقوم البرنامج بفرز الكلمات الرئيسية حسب صه و صك يسجل ويخصص تصنيفًا مبدئيًا بناءً على الكلمة الرئيسية التي حصلت على أعلى الدرجات لكلتا الدرجتين.

STR وحدة

تتكون هذه الوحدة من عدة إجراءات فرعية مصممة للبحث عن السمات الهيكلية المميزة لفئة فرعية مختلفة من العناصر. يتم تنفيذ أربعة إجراءات فرعية (موضحة أدناه) بشكل مستقل ، وتبلغ REPCLASS النتائج لكل إجراء فرعي بالإضافة إلى الإحصائيات الوصفية للميزات التي تم العثور عليها ، إن وجدت. روتين خامس ، Helitron_scan، إذا لم يتم التعرف على TSD من خلال TSD وحدة (موضحة أدناه).

LTR_search

LTR_search يمسح بحثًا عن LTRs ، باستخدام إجراء النافذة المنزلقة ، مع حجم نافذة افتراضي مبدئي يبلغ 10 نقطة أساس ، ويزيد بمقدار 1 نقطة أساس عند المطابقة ، وينزلق في الاتجاه المعاكس من كل نهاية لتسلسل الاستعلام (+/− 20 نقطة أساس). يُسمح بعدم تطابق قدره 1 نقطة أساس لكل 10 نقاط أساس. المستخدم لديه خيار تحديد الحجم الأولي للنافذة. يعتبر البرنامج منطقة LTR مفترضة إذا كان الطول الإجمالي للتكرار المباشر أكبر من 100 نقطة أساس ويبدأ / ينتهي في غضون 20 نقطة أساس من كل نهاية للاستعلام.

TIR_search

TIR_search يستخدم نسخة معدلة من مقلوب البرنامج ، الذي يعد جزءًا من مجموعة EMBOSS 6.0 (Olson 2002) ، لتحديد أطول التكرارات المقلوبة الممكنة التي تحدث في غضون 30 نقطة أساس من نهاية تسلسل الاستعلام. معلمات مقلوب هي فجوة = 12 ، عتبة = 50 ، تطابق = 3 ، عدم تطابق = 4 ، وتكرار أقصى = 10000. يقوم البرنامج بالإبلاغ عن حجم TIR ، إذا تم تحديد أي منها وإذا كان & GT10 نقطة أساس طويلة.

TRNAscan-SE

الهدف من هذا الروتين الفرعي هو البحث عن وجود بنية ثانوية تشبه الحمض الريبي النووي النقال داخل تسلسل الاستعلام. هذه البنية تدل على SINE حيث أن معظمها مشتق من تسلسلات الحمض النووي الريبي. نحن نستخدم برنامج tRNAscan-SE الإصدار 1.23 (Lowe and Eddy 1997) ، الذي يتوفر رمز مصدر UNIX الخاص به على http://lowelab.ucsc.edu/tRNAscan-SE/. نطبق tRNAscan-SE لكل تسلسل استعلام باستخدام المعلمات الافتراضية. يُبلغ ناتج البرنامج عن عدد من الإحصائيات ، بما في ذلك عدد الحمض الريبي النووي النقال الموجود وعدد الجينات الزائفة الحمض الريبي النووي النقال. اقترحت اختباراتنا التجريبية ذلك tRNAscan-SE كان قادرًا على التعرف على الجزء المشتق من الحمض الريبي النووي النقال من العديد من SINEs المعروفة ، والتي تم التنبؤ بها عادةً على أنها جينات خادعة للرنا الريباسي.

PolyA / SSR_search

يستخدم هذا الروتين الفرعي خوارزمية نافذة منزلقة بسيطة لاكتشاف وجود تكرار تسلسل بسيط (SSRs) مع وحدات تتراوح في الحجم من 1 إلى 5 nt عند أو بالقرب من نهاية تسلسل الاستعلام. يشير وجود هذه الميزات في أحد طرفي الاستعلام (ولكن ليس كلاهما) إلى احتمال إعادة نقل حركة غير LTR. بالنسبة إلى SSRs ، نطبق حدًا متغيرًا للاحتفاظ فقط بالحد الأدنى من الوحدات المتكررة ، اعتمادًا على طول الوحدة (10 وحدات مثالية على الأقل لأحادي النوكليوتيدات [بما في ذلك polyA / T] ، 7 للنيوكليوتيدات ، 5 للنيوكليوتيدات ، 4 لرباعي النوكليوتيدات ، و 3 للبنتانوكليوتيدات). لكل تسلسل استعلام (إجماع) ، يتم البحث في SSRs عن عينة من العناصر الفردية (1-10 اعتمادًا على رقم النسخة) عن طريق استخراج أول وآخر 50 nt تطابق الإجماع بالإضافة إلى 50 زوجًا أساسًا من التسلسلات الجينومية المرافقة على كل جانب ، المستخرجة من الجينوم المستهدف (انظر أيضًا TSD وحدة أدناه). يتم ذلك بسبب التباين المتأصل في طول SSR في كل موقع ، مما قد يمنع إدراج SSRs الطويلة في الإجماع. تم الإبلاغ عن وجود ومتوسط ​​طول ذيول polyA / T في ملف إخراج REPCLASS لأنه يشير بقوة إلى العناصر التي تم إرجاعها.

Helitron_scan

تم تصميم هذا البرنامج للبحث عن سمات تسلسل المحطة المميزة الهليترونات، والتي تشمل 5′-TC و CTRR-3 (R = A أو G) عند نهايتيهما 5 و 3 ، على التوالي ، ونمط غني بال GC (بطول 16 إلى 20 نقطة أساس) حلقة من 2 إلى 5 نقاط أساس) تقع 10-12 نانو طن من طرف CTRR-3 (Kapitonov and Jurka 2001). الهليترونات لا تُنشئ TSDs ، لكنها تُدرج بشكل تفضيلي بين النيوكليوتيدات A و T ، مما يؤدي إلى ترتيب تسلسل طرفي محفوظ شامل (5′-A | TC… / x nt / ... gcctgcggt / 2-5 nt / accgcaggc ... / 2-8 nt / CTRR | T-3 ′).

إذا تم العثور على العديد من أشكال دبوس الشعر في نفس التكرار ، فسيتم الاحتفاظ بأعلى نموذج تسجيل. النتيجة النهائية Hتي ل Helitron_scan هو مجموع H.53 و حص درجات. آهتي تؤخذ الدرجة 0.75 وما فوق كدلالة على أ هيليترون.

TSD وحدة

تم تصميم هذه الوحدة لتحديد TSDs المحتملة التي تم إنشاؤها عن طريق إدخال متواليات TE الفردية. مع استثناءات قليلة (على سبيل المثال ، TA في Tc1 /بحار عناصر) ، لا يتم حفظ تسلسل و / أو طول TSD بين العناصر الفردية (Wicker et al.2007). وبالتالي ، لا يتم تضمين TSD بشكل عام في تسلسل الاستعلام (الإجماع) ولكن تم العثور عليه بجوار كل إدخال. لذلك ، فإن TSD_search يقوم الروتين الفرعي أولاً بإجراء بحث BlastN (عبر تثبيت WU-Blast محلي) مع كل استعلام مقابل قاعدة بيانات نيوكليوتيد للجينوم الهدف (كما هو محدد ومُحمل بواسطة المستخدم) من أجل استرداد النسخ الفردية للتكرار. بعد ذلك يتم تحليل ناتج BlastN للاحتفاظ فقط بالنسخ المطابقة لكلا طرفي الاستعلام واستخراج أول وآخر 10 نقاط أساس لكل عنصر بالإضافة إلى 50 نقطة أساس من التسلسل الجيني المرافقي على كل جانب. ثم يتم استخدام خوارزمية النافذة المنزلقة لمسح متواليات محاذية 5 و 3 في اتجاهين متعاكسين (بدءًا من نهاية الجناح 5 ′ وبداية الجناح 3) للحصول على أشكال متسلسلة بطول و gt2 bp مطابقة في اتجاه مباشر .نحن نسمح بعدم تطابق 1 زوج / عزر 6-10 و 2 زوج / عزر من & gt10 bp. يسمح إدراج 10 نقاط أساس من التتابعات الطرفية للعنصر باستعادة TSDs المحفوظة في الطول والتسلسل وربما تم تضمينها كجزء من الإجماع. يتم تفسير الحافز المطابق الأول على أنه TSD المحتمل. إذا كانت & gt50٪ من العناصر التي تم فحصها تحتوي على TSD محتمل ، يتم استرداد الحد الأقصى لعدد العناصر التي لها نفس طول TSD ويتم إنشاء إجماع على تسلسل TSD. يتم تخزين تسلسل وطول الإجماع والإبلاغ عنه في ملف الإخراج REPCLASS. إذا تم العثور على TSDs في & gt50٪ من النسخ التي تم فحصها ، ولكن لا يمكن إعادة بناء طول TSD بالإجماع ، فإن البحث يشير إلى "طول TSD المتغير" ، والذي يشير إلى عناصر غير LTR. إذا تم العثور على TSDs في أقل من 50٪ من النسخ التي تم فحصها ، فسيتم اعتبار العنصر على أنه لا ينشئ TSD. لأن نقص TSD هو سمة من سمات الهليترونات، عمليات التكرار بدون TSD تخضع بعد ذلك لبحث إضافي عن السمات الهيكلية لـ الهليترونات (موصوف بالاعلى).

خطوة التكامل

الخطوة الأخيرة في سير عمل REPCLASS هي عملية تكامل تفسر وتقارن وتوزن وتجمع نتائج الوحدات الثلاث في سياق نظام تصنيف TE الحالي للوصول إلى تصنيف مبدئي لكل تسلسل استعلام. للقيام بذلك ، أنشأنا قاعدة بيانات تصنيف مخصصة تعكس إلى حد كبير "نظام التصنيف الموحد للعناصر القابلة للتحويل حقيقية النواة" (Wicker et al. 2007). تُستخدم قاعدة البيانات العلائقية هذه لدمج مستويات التصنيف المختلفة والتحقق من صحة النتائج التي تنتجها وحدات المنبع الثلاثة. على سبيل المثال ، عندما تتلاقى وحدتان أو ثلاث وحدات مع نفس الفئة الفرعية ، يتم اعتماد هذه الفئة الفرعية كالتصنيف النهائي. إذا كانت إحدى الوحدات تنتج تصنيفًا على مستوى الأسرة الفائقة ، فسيتم استخراج هذه المعلومات وإضافتها إلى تصنيف الفئة الفرعية. تُستخدم قاعدة بيانات التصنيف أيضًا لزيادة أو استكمال المعلومات الواردة من الوحدات. على سبيل المثال ، ملف هوم قد تقوم الوحدة بالإبلاغ عن العائلة الفائقة ولكن ليس الفئة الفرعية أو الفئة. هذا لأن فهرس الكلمات الأساسية المستخرج من تحديث Repbase أثناء هوم البحث ليس دائمًا كاملاً أو دقيقًا ، خاصةً بالنسبة للإدخالات القديمة.

الهدف الآخر لخطوة التكامل هو حل التصنيفات المتضاربة التي قد تنتجها الوحدات النمطية المختلفة. في هذه الحالة ، يطبق برنامج التكامل استراتيجية هرمية تعتمد على ترتيب الوحدات الثلاث في انخفاض مستوى الثقة: هوم & GT STR & GT TSD (انظر أيضا النتائج). يتم تطبيق القاعدة الهرمية بشكل منفصل في كل مستوى من مستويات التصنيف. أظهر اختبارنا التجريبي أن الترتيب حل معظم حالات التصنيفات المتضاربة. قد يجد المستخدم أيضًا أنه من المفيد تعديل الترتيب بين الوحدات أو تعطيل خطوة التكامل ، والتي تسمح بعد ذلك بعرض التصنيفات التي تنتجها كل وحدة ، والسماح للمستخدم بإجراء تكامل النتائج يدويًا لكل تكرار مصنف.

وقت الحوسبة والمعالجة

تم الحصول على معظم النتائج الواردة في هذه الورقة عن طريق تشغيل REPCLASS على UT Arlington Distributed and Parallel Computing Cluster الذي يتكون من 81 عقدة حسابية ثنائية المعالج 2.667 جيجا هرتز Xeon بذاكرة 2 جيجا بايت لكل منها. تم تشغيل البرنامج على عدد متفاوت من المعالجات لقياس أداء الحوسبة من حيث قابلية التوسع وموازنة الحمل (لمزيد من التفاصيل ، انظر Ranganathan et al.2006). باختصار ، كان وقت المعالجة مرتبطًا خطيًا بعدد إدخالات Fasta في ملف الإدخال وعدد المعالجات المستخدمة. على سبيل المثال ، استغرق الأمر حوالي ساعتين مع معالجين أو 40 دقيقة مع 10 معالجات لتشغيل REPCLASS على أنواع معينة انيقة مكتبة تحديث Repbase (116 إدخالاً) و 21 أو 2 ساعة باستخدام 2 و 10 معالجات ، على التوالي ، لملف C. ايليجانس مكتبة RepeatScout غير المصفاة (1851 مدخلًا). وبالتالي ، بالنسبة لجينوم صغير نسبيًا مع مكتبة تكرار تمت تصفيتها ، يمكن تنفيذ REPCLASS على كمبيوتر مكتبي قياسي في غضون ساعات قليلة. بالنسبة للجينومات الأكبر والأكثر ثراءً ، تم تحسين الوقت المستغرق بشكل كبير باستخدام الحوسبة العنقودية المتوازية أو الحوسبة الشبكية (Ranganathan et al.2006).

توافر البرمجيات

يتوفر REPCLASS 1.0 كحزمة تستند إلى UNIX ويمكن تنزيلها على http://www3.uta.edu/faculty/cedric/repclass.htm ، مع توثيق كامل ، بما في ذلك دليل المستخدم وإرشادات التثبيت والإعداد الأولي والتصفية. الحزمة وكود المصدر متاحان أيضًا كبرنامج مفتوح المصدر من خلال http://sourceforge.net/projects/repclass/.

RepeatScout والتصفية

RepeatScout (RepeatScout Price et al. 2005) تم تنزيل الإصدار 1.0.5 من http://bix.ucsd.edu/repeatscout/ وتشغيله باستخدام المعلمات الافتراضية. يتكون ناتج RepeatScout من مكتبة من تسلسلات الإجماع لكل من العائلات المتكررة المحددة. قبل تشغيل REPCLASS ، يتم تطبيق ثلاثة مرشحات مختلفة على إخراج RepeatScout. أولاً ، Tandem Repeats Finder الإصدار 4.0 (Benson 1999 http://tandem.bu.edu/trf/trf.html) و nseg (Wootton and Federhen 1996 ftp://ftp.ncbi.nih.gov/pub/seg/nseg ) لإزالة متواليات الإجماع المكونة في الغالب أو بالكامل من التكرارات الترادفية و SSR والتكرارات الأخرى منخفضة التعقيد. في هذه الدراسة ، تجاهلنا جميع التسلسلات المقنعة على أنها SSR / منخفضة التعقيد لأكثر من 70٪ من طولها. ثانيًا ، قمنا بتصفية متواليات الإجماع المتكررة بطول أقل من أو يساوي 100 نقطة أساس لأن حجم TEs المعروف يتجاوز عمومًا 100 نقطة أساس (انظر النتائج). نحن نعتبر أن هذا القطع هو الحد الأدنى الذي يجب تطبيقه على أي جينوم ، بغض النظر عن حجم الجينوم ، وعدد متواليات الإجماع المتكررة. ومع ذلك ، قد تكون العتبة الأعلى مناسبة للجينومات الأكبر حجمًا وتحتوي على عدد أكبر من التكرارات. لتسهيل مهمة تحديد عتبة الطول الأنسب للمشهد الجينومي الذي تم تحليله ، تنشئ REPCLASS رسمًا بيانيًا لتوزيع الطول المتكرر للتسلسلات المجمعة في ملف استعلام الإدخال. تم الحصول على مثال لتوزيع الطول المتكرر لمكتبة RepeatScout لـ C. ايليجانس يظهر في الشكل التكميلي 4 (المواد التكميلية عبر الإنترنت). يعتمد الفلتر الثالث والأخير على رقم النسخة لكل عائلة متكررة. من حيث المبدأ ، عند تشغيل RepeatScout بالمعلمات الافتراضية ، لا يتم الإبلاغ عن التكرارات الموجودة في أقل من 10 نسخ. ومع ذلك ، قد يتضمن عدد التكرار المحدد بواسطة RepeatScout أجزاء متكررة صغيرة جدًا وقد لا يعكس بدقة عدد النسخ الحسن النية لعائلات TE. ومن ثم ، فإننا نطبق مرشحًا ثانيًا استنادًا إلى تقدير أكثر صرامة لرقم النسخة بناءً على بحث BlastN للجينوم المستهدف مع تكرار كل إجماع كاستعلام باستخدام حزمة WU-Blast. نحن نحسب كل هذه النتائج كنسخ صالحة عندما تمتد على الأقل نصف طول تسلسل الاستعلام مع تشابه نيوكليوتيد ≥80٪. هذا القطع مشابه لتلك المستخدمة تقليديا لتعريف عائلات TE (Feschotte and Pritham 2007a Wicker et al.2007). من أجل مساعدة المستخدم في تحديد عدد النسخ المقطوع لخطوة التصفية هذه ، تنشئ REPCLASS رسمًا بيانيًا لتوزيع رقم النسخ لتسلسلات الاستعلام الموجودة في مكتبة الإدخال. مثال على الرسم البياني الذي تم الحصول عليه لـ C. ايليجانس تظهر مكتبة RepeatScout في الشكل التكميلي 5 (المواد التكميلية عبر الإنترنت). في هذه الدراسة ، احتفظنا فقط بالعائلات المتكررة التي يزيد عدد نسخها عن 10. قد تختلف قيمة القطع اعتمادًا على حجم الجينوم ومحتوى التكرار الكلي للجينوم الذي تم تحليله.

بيانات تسلسل الجينوم

ترد تفاصيل تسلسل الجينوم الذي تم تحليله في هذه الدراسة في الجدول التكميلي 1 (المواد التكميلية عبر الإنترنت) ، بما في ذلك حجم الجينوم ، ونسخة التجميع التي تم تحليلها ، وتغطية بندقية الجينوم الكاملة (WGS) ، ومراكز التسلسل التي تنتج التسلسل والتجميع ، والمراجع ذات الصلة . تم تنزيل جميع تجميعات التسلسل من NCBI أو متصفح الجينوم بجامعة كاليفورنيا - سانتا كروز (UCSC) أو معهد Broad Institute.


محتويات

في مجموعة rDNA الكبيرة ، تكون تعدد الأشكال بين وحدات تكرار rDNA منخفضة جدًا ، مما يشير إلى أن صفائف rDNA الترادفية تتطور من خلال التطور المنسق. [2] ومع ذلك ، فإن آلية التطور المنسق غير كاملة ، مثل أن تعدد الأشكال بين التكرارات داخل الفرد يمكن أن يحدث على مستويات كبيرة وقد يخلط بين تحليلات التطور الوراثي للكائنات ذات الصلة الوثيقة. [4] [5]

متواليات تكرار 5S جنبا إلى جنب في عدة ذبابة الفاكهة مقارنة مع بعضها البعض ، وكشفت النتيجة أن عمليات الإدخال والحذف تحدث بشكل متكرر بين الأنواع وغالبًا ما تكون محاطة بتسلسلات محفوظة. [6] يمكن أن تحدث عن طريق انزلاق الخيط المركب حديثًا أثناء تكرار الحمض النووي أو عن طريق التحويل الجيني. [6]

تتميز مسارات نسخ الحمض النووي الريبي (rDNA) بمعدل منخفض من تعدد الأشكال بين الأنواع ، مما يسمح بإجراء مقارنة بين الأنواع لتوضيح العلاقة التطورية باستخدام عينات قليلة فقط. يتم حفظ مناطق ترميز rDNA بشكل كبير بين الأنواع ولكن مناطق ITS متغيرة بسبب عمليات الإدراج والحذف والطفرات النقطية. بين الأنواع البعيدة مثل البشر والضفادع مقارنة التسلسلات في مناطق ITS ليست مناسبة. [7] تسمح التسلسلات المحفوظة في مناطق تشفير الحمض النووي الريبي بإجراء مقارنات بين الأنواع البعيدة ، حتى بين الخميرة والبشر. يحتوي الرنا الريباسي 5.8S البشري على هوية 75٪ مع الخميرة 5.8S rRNA. [8] في حالات الأنواع الشقيقة ، يتم إجراء مقارنة مرضية لشريحة rDNA بما في ذلك مسارات ITS بين الأنواع وتحليل النشوء والتطور. [9] [10] عادةً ما تُظهر مناطق التشفير المختلفة لتكرارات الحمض النووي الريبي معدلات تطورية متميزة. نتيجة لذلك ، يمكن لهذا الحمض النووي أن يوفر معلومات عن التطور العرقي للأنواع التي تنتمي إلى مستويات منهجية واسعة. [11]

جزء من الخميرة rDNA يحتوي على الجين 5S ، والحمض النووي الفاصل غير المنسوخ ، وجزء من الجين 35S له نشاط تحفيز إعادة التركيب الانقسامي المفعول من رابطة الدول المستقلة. [12] يحتوي جزء الحمض النووي هذا على نقطة ساخنة لإعادة التركيب الانقسامي ، يشار إليها باسم HOT1. يعبر HOT1 عن نشاط تحفيز إعادة التركيب عندما يتم إدخاله في مواقع جديدة في جينوم الخميرة. يتضمن HOT1 مروج نسخ RNA polymerase I (PolI) الذي يحفز نسخ الجين rRNA الريبوزومي 35S. في طفرة بولي معيبة ، يتم إلغاء نشاط تحفيز إعادة التركيب في نقطة ساخنة 1. يبدو أن مستوى نسخ بولي في HOT1 يحدد مستوى إعادة التركيب. [13]

يمكن أن ترتبط الأمراض بطفرات الحمض النووي حيث يمكن توسيع الحمض النووي ، مثل مرض هنتنغتون ، أو فقدانه بسبب طفرات الحذف. وينطبق الشيء نفسه على الطفرات التي تحدث في تكرارات الحمض النووي الريبي ، فقد وجد أنه إذا تم تعطيل أو تحور الجينات المرتبطة بتخليق الريبوسومات ، فيمكن أن يؤدي ذلك إلى أمراض مختلفة مرتبطة بالهيكل العظمي أو نخاع العظام. وأيضًا ، يمكن أن يؤدي أي تلف أو اضطراب في الإنزيمات التي تحمي التكرارات الترادفية لـ rDNA إلى تخليق أقل للريبوسومات ، مما يؤدي أيضًا إلى عيوب أخرى في الخلية. يمكن أن تنشأ الأمراض العصبية أيضًا من الطفرات في تكرارات الحمض النووي الريبي الترادفي ، مثل متلازمة بلوم ، والتي تحدث عندما يزيد عدد التكرارات الترادفية بما يقارب مائة ضعف مقارنةً بالعدد الطبيعي للتكرارات الترادفية. يمكن أيضًا أن تولد أنواع مختلفة من السرطانات من طفرات التكرار الترادفي في الحمض النووي الريبوزومي. يمكن أن تصبح خطوط الخلايا خبيثة إما من إعادة ترتيب التكرارات الترادفية ، أو توسيع التكرارات في rDNA. [14]


علم الوراثة الحالي

تحتوي حقيقيات النوى وكذلك الحمض النووي البشري على جزء كبير من التسلسلات غير المشفرة. أما بالنسبة للحمض النووي المشفر ، فقد يكون الحمض النووي غير المشفر فريدًا أو في نسخ متطابقة أو متشابهة. تسمى تسلسلات الحمض النووي ذات أرقام النسخ العالية بالتسلسلات المتكررة. إذا كانت نسخ نموذج التسلسل متاخمة لبعضها البعض في كتلة ، أو مصفوفة ، فإننا نتحدث عن التكرارات الترادفية ، والتسلسلات المتكررة المنتشرة في جميع أنحاء الجينوم كوحدات مفردة محاطة بتسلسل فريد تتكرر بشكل متقطع.

طبيعة التكرارات المتناثرة - العناصر القابلة للتبديل

تنشأ معظم التكرارات المتناثرة من خلال عملية التحويل ، وهي "القفز" من جزء من الحمض النووي إلى مكان آخر من الجينوم. هناك نوعان أساسيان من عناصر الحمض النووي القابلة للنقل ، أو الينقولات: ينقولات الحمض النووي والينقولات العكسية. الفئات الرئيسية من التكرارات المتناثرة ذات القدرة على التحويل موضحة في الشكل. 1.

ينقل الحمض النووي

تعتبر ترانسبوزونات الدنا غير نشطة في الجينوم البشري بسبب تراكم الطفرات أثناء تكوّن السلالات الفقارية ، لذلك لا يمكننا العثور إلا على بقاياها القديمة أو "حفرياتها". ومع ذلك ، يمكن هندسة الينقولات النشطة المشتقة من العناصر الأحفورية البشرية باستخدام المعلومات التي تم جمعها من جينومات الإنسان والفقاريات الأخرى. أحد الأمثلة على ذلك هو Sleeping Beauty Transposon ، وهو مكون واعد من الجيل التالي من العلاج الجيني ، نظرًا لموقع تكامله الأكثر تحديدًا (من البريد الملحوظ للفيروسات القهقرية). كيف يعمل الينقولات DNA النموذجية؟ جوهر رموز العناصر القابلة للنقل من أجل إنزيم transposase. يرتبط هذا الإنزيم بنهايات العنصر. يتم تشكيل نهايات الينقولات من خلال التكرارات المقلوبة ، والتي يمكن بالتالي تبادل خيوط الحمض النووي وتثبيت بنية الحلقة الجذعية اللازمة لعمل transposase. ثم يقطع Transposase الترانسبوزون ويربط نهايات DNA الكروموسومية الحرة الناتجة. [يتم استخدام آلية متطابقة تقريبًا أثناء نضج جينات الغلوبولين المناعي (إعادة التركيب V-D-J) وجينات TCR (مستقبلات الخلايا التائية) لاستئصال التسلسلات المتداخلة. ومن المثير للاهتمام أن الإنزيم الذي يحفز هذا التفاعل (المصنوع من مكونين RAG1 و RAG2) ربما تطور بالفعل من ترانسبوزيز. ينقل إلى المكان الجديد. وهكذا ، يتحرك الينقولات بواسطة آلية القص واللصق ويظل رقم النسخ ثابتًا.

الينقولات العكسية

تعتبر الينقولات العكسية من أهم العناصر القابلة للنقل في الجينوم البشري. أولاً ، إنها أكثر وفرة ، وتشكل بشكل مباشر ما لا يقل عن 45٪ من الجينوم البشري (تختلف التقديرات ، لكن يعتقد معظم الباحثين ، أنه يجب أن تكون أكثر من ذلك ، لأن الينقولات الرجعية القديمة التي تم تعطيلها ، قد تباعدت بسبب الطفرة إلى النقطة. ثانيًا: الينقولات العكسية لا تزال نشطة في الجينوم البشري.

للقفز ، تتطلب بوليمرات الحمض النووي الريبي الخلوية (الثاني أو الثالث) والتي يتم من خلالها نسخها إلى الحمض النووي الريبي ، بينما يتم الاحتفاظ بنسخة الحمض النووي الأصلية في نفس الموقع. يتم نسخ نسخة RNA عكسيًا إلى DNA ، ويتم إدخال الحمض النووي في الجينوم في موقع جديد. وبالتالي ، تتوسع هذه العناصر في العدد بواسطة آلية الازدواج (النسخ واللصق). كما هو موصوف بالنسبة لـ L1 retrotransposon ، فإن عملية التحويل الرجعي عرضة لأخطاء مختلفة ، لذا فإن النسخ الجديدة من retrotransposon ستكون معطلة إلى حد كبير ، بسبب الاقتطاع أو طفرة النقطة. نظرًا لأن معظم نسخ الينقولات غير نشطة ، فإن التوسع الإضافي لعائلة الينقولات الرجعية تحكمه عدد قليل من العناصر النشطة كاملة الطول. ومع ذلك ، حتى لو فقدت جميع العناصر النشطة في وقت لاحق أثناء التطور ، فقد يتم تجاوز الجينوم الأدبي مع أعضاء الحفريات في عائلة التسلسل.

يمكن تصنيف الينقولات العكسية أيضًا على أنها مستقلة وغير مستقلة. تقوم الينقولات العكسية المستقلة بترميز البروتينات اللازمة لنقلها ، على الرغم من أنها تعتمد أيضًا على بوليميرات الحمض النووي الريبي المضيفة وإنزيمات إصلاح الحمض النووي من أجل القفز الناجح. لا ترميز الينقولات العكسية غير الذاتية أي بروتين ويجب أن تختطف إنزيمات الينقولات الأخرى لتكون قادرة على التحويل.

الينقولات العكسية LTR - الفيروسات القهقرية الذاتية

تشبه الفيروسات القهقرية الذاتية ، والتي تسمى أيضًا LTR retrotransposons ، الفيروسات الأولية للفيروسات القهقرية الحقيقية في التركيبة - فهي تحتوي على تكرارات طويلة الطرف (LTRs) ، و gag ، و pol ، و env و prt ، ولكن على الأقل واحد من البروتينات اللازمة لتجميع الجسيمات الفيروسية المعدية هو متحور أو مفقود بالفعل - البيئة على وجه الخصوص. وبالتالي يمكن للفيروسات القهقرية الذاتية أن تتحرك فقط داخل الخلايا ، وإلا فإن دورة حياتها تشبه الفيروسات القهقرية المعدية ، على سبيل المثال. فيروس نقص المناعة البشرية. على الرغم من أن الفيروسات القهقرية الداخلية نشطة في العديد من الثدييات ، بما في ذلك الشمبانزي ، فإن البشر حاليًا لا يحتويون إلا على حفريات (متحولة وغير قادرة على الانتقال) ، والتي تملأ حوالي 8٪ من الجينوم. يبلغ طول الفيروسات القهقرية الداخلية كاملة الطول عادةً 7-9 كيلو بايت ، ولكن كما هو الحال في L1 (انظر أدناه) ، يتم اقتطاع العديد منها ، خاصةً عند نهاية 5 درجات. في كثير من الأحيان يمكننا العثور على LTR المستقل فقط ، نتيجة للإدخال الفيروسي وإعادة التركيب اللاحق داخل الكروموسومات بين LTRs أو إعادة التركيب غير المتكافئ للكروموسومات المتجانسة ، مما يؤدي إلى حذف جزء الترميز من الفيروسات القهقرية (الشكل 5).

الينقولات العكسية غير LTR

LINEs (العناصر النووية الطويلة المتناثرة) ، هي عبارة عن ينقالات رجعية مستقلة. وهي تشكل حوالي 21٪ من الجينوم البشري. تنتمي العناصر النشطة إلى عائلة LINE-1 أو L-1 الأكثر وفرة ، والتي تضم وحدها 17٪ من الجينوم. من نصف مليون تقريبًا من L1s في جينومنا ، ما يقرب من 10000 كاملة الطول وما زال حوالي 100 قادرًا على التحويل الرجعي. يبلغ طول عنصر L1 النشط حوالي 6 كيلو بايت ويحتوي على إطارين مفتوحين للقراءة هما ORF1 و ORF2. 5 UTR (منطقة غير مترجمة) تعمل أيضًا كمحفز ، 3 درجات UTR تحتوي على إشارة polyA. وظيفة ORF1 غير واضحة ، فمن المعروف فقط أنها ترتبط بـ L1 mRNA ، ORF2 يحتوي على النسخ العكسي ومجال نوكلياز داخلي وهو الإنزيم المسؤول عن التكامل. تبدأ دورة حياة L1 بنسخ الحمض النووي L1 بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي الخلوي الثاني والنضج القياسي في جزيء الرنا المرسال. يتم نقل L1 mRNA إلى السيتوبلازم ويتم ترجمة ORF1. ثم تتم إعادة بدء الترجمة على موقع إدخال ريبوسوم داخلي (IRES) لترجمة ORF2 (عملية غير متعارف عليها وغير فعالة في حقيقيات النوى ، لذلك يحصل جزء فقط من L1 mRNAs على بروتين ORF2). يرتبط كلا البروتينين على الفور بـ L1 mRNA. يتم نقل معقد البروتين مرنا هذا إلى النواة. يقطع ORF2 الحمض النووي للكروموسومات في الموقع المستهدف (الموقع المستهدف ليس محددًا تمامًا كما هو الحال بالنسبة للنويدات الداخلية المقيدة ، ولكن هناك بعض التفضيل للتسلسلات الغنية AT ، موقع الانقسام تقريبًا TT / AAAA). قطع الحمض النووي غير متساوٍ (مما يؤدي إلى نهايات لزجة). مجموعة مجانية بمقدار 3 ساعات على جانب واحد ، يتم استخدام جزيء الحمض النووي المشقوق بواسطة النسخ العكسي لـ ORF2 لتهيئة توليف أول خيط cDNA (النسخ العكسي المستهدف). لا تزال الآلية التفصيلية لتخليق حبلا cDNA الثاني خاضعة للنقاش ، لكن العملية تنتهي بالتكامل المستقر للحمض النووي L1 المزدوج الذي تقطعت به السبل في مكان جديد في الجينوم. بسبب كسر الحمض النووي المتدرج الذي تم إجراؤه بواسطة نوكلياز الينقولات ، فإن عنصر L1 المتكامل محاط بتكرار الموقع المستهدف 7-20 نقطة أساس (الشكل 2). غالبًا ما يكون النسخ العكسي غير قادر على إنهاء توليف الشريط الأول ، مما يؤدي إلى اقتطاع 5 درجات للنسخة المشكلة حديثًا (الشكل 3 أ). يفتقر النسخ العكسي أيضًا إلى نشاط التدقيق اللغوي (3 إلى 5 درجات من نوكلياز داخلي) ، وغالبًا ما يؤدي إلى حدوث طفرة في النسخة الجديدة.ومن المثير للاهتمام ، أن L1 mRNA يتم التعبير عنه في الغالب في الخلايا المنوية الانتصافية وما بعد الانقسام ، وبالتالي زيادة قدرة L1 لتوسيع النسخ (يمكن وراثة النسخ التي يتم إدخالها في الخط الجرثومي ، على عكس أحداث التحول الجسدي).

الينقولات العكسية غير الذاتية - الجيب

عادةً ما تكون العناصر النووية القصيرة المتناثرة في SINEs أقل من 500 نقطة أساس وليس لها إمكانات ترميز بروتين. تتكون عائلة SINE الرئيسية في البشر من عناصر Alu (الاسم مشتق من اكتشافها بناءً على زوج من مواقع تقييد AluI المحفوظة). تمثل أكثر من مليون عنصر Alu في الجينوم البشري حوالي 11٪ من كتلته.

تشترك عناصر Alu في إجماع 282 نقطة أساس ، وهو مرتبط بوحدة RNA الفرعية SRP (جسيم التعرف على الإشارة) (تسمى 7SL RNA) ومن المفترض أنها مشتقة منها. SRP عبارة عن مركب بروتين نووي ريبوني ، يتعرف على ببتيد الإشارة ، ويرتبط به وينقل مركب الببتيد الناشئ من الريبوسوم - الرنا المرسال إلى قناة الشبكة الإندوبلازمية (ER) ، والتي يتم من خلالها نقل البروتين الناشئ إلى تجويف ER أو دمجه في الغشاء . Alus ، مثل جين 7SL RNA ، يتم نسخه بواسطة RNA polymerase III. يمكن لـ Alu RNA ربط بروتينين SRP (9 و 14). من المفترض أن Alu يمكنه بالتالي الارتباط بالريبوسومات ومن خلال ذيل polyA الخاص به يمكنه الارتباط (إذا حدث الريبوسوم للتو لترجمة LINE-1 mRNA) بروتين ORF2 الناشئ ، وإجبار بروتين ORF2 على عكس النسخ ودمج RNA الخاص به وليس LINE-1 مرنا (الشكل 4).

وظيفة العناصر القابلة للتحويل

من وجهة النظر المباشرة ، لا يوجد لدى الينقولات وظيفة ضرورية في الخلية - تسمى DNA غير المرغوب فيه أو "الحمض النووي الأناني" ، حيث تنتشر الينقولات نيابة عن الموارد الخلوية. وعلى نطاق أوسع ، يمكن أن تكون حركة العناصر القابلة لإعادة النقل مهم لدونة الجينوم.يمكن أن يؤدي الإدخال العرضي في الجينات إلى تعطيل وظيفة الجين والتسبب في مرض وراثي (الشكل 3 ج). يمكن لعناصر LTR و LINE أيضًا تغيير التعبير الجيني ، إذا تم إدخالها بالقرب من الجين ، لأن LTRs و LINE 5 UTR لها تأثير قوي نشاط المروج في كلا الاتجاهين (الشكل 3F).

نظرًا لأن LINE-1 retrotransposon يحتوي على إشارة ضعيفة نسبيًا من مادة البولي أدينيل ، فإنه يحدث أن يقرأ RNA polymerase II من خلالها ، ويربط تسلسل الحمض النووي المحيط بـ L1 mRNA ، والذي يتم نسخه بعد ذلك ونقله إلى موضع جديد. لذلك يمكن أن يكون LINE-1 ناقلًا لخلط الحمض النووي. نظرًا لأن النسخ المعاد نقلها من L1 غالبًا ما تكون مقطوعة بمقدار 5 درجات ، يمكن للحمض النووي المعبأ أن ينتقل إلى موضع جديد حتى بدون أي تسلسل للناقل L1. قد يكون هذا مهمًا لخلط أجزاء أصغر من الحمض النووي - مثل تبادل الإكسونات بين الجينات (الشكل ثلاثي الأبعاد).

قد يؤدي التحويل الرجعي L1 إلى عمليات الحذف والانعكاس ، كما هو موضح في الشكل. 3E.

نادرًا ما يخضع الرنا المرسال الخلوي للنسخ العكسي والتبديل بواسطة إنزيم من L1 أو الينقولات العكسية الأخرى. في هذه الحالة يتم تكرار الجين. تسمى النسخة الجديدة الجين الزائف المعالج ، لأنها مشتقة من mRNA المعالج الذي يفتقر إلى الإنترونات ، وعادةً لا يعمل بسبب عدم وجود المحفز (الشكل 3 ب). نادرًا ما يمكن للجين الزائف المعالج أن يتبنى وظيفة تحت ضغط انتقائي. ومن الأمثلة المعروفة جين بيروفات ديهيدروجينيز ، الوحدة الفرعية E1alpha. هذا الجين (PDHA1) موجود على كروموسوم X في الثدييات eutherian. لكن التعبير عن العديد من الجينات الموجودة على الكروموسوم X يتوقف أثناء تكوين الحيوانات المنوية ، بما في ذلك PDHA1 ، على الرغم من أنه ضروري لوظيفة جميع الخلايا. تم إنقاذ هذه الوظيفة الناقصة على ما يبدو عن طريق التحويل الرجعي - هناك جين PDHA2 وثيق الصلة بالكروموسوم 4 - وهذا الجين عديم الجين - سمة نموذجية للجينات الخادعة المعالجة .. الجينات التي يتم التعبير عنها بشكل كبير لديها بالطبع احتمالية أعلى للانتقال الرجعي. وهكذا نجد العديد من الجينات الخادعة المعالجة لبروتينات الريبوسوم ، والإنزيمات المحللة للجلوكوز ، وبيتا أكتين ، وما إلى ذلك. لا ينبغي الخلط بين الجينات الكاذبة المعالجة والجينات الكاذبة "العادية" ، التي نشأت عن طريق ازدواج الحمض النووي الجيني (على سبيل المثال ، الجينات الزائفة في مجموعة الهيموغلوبين) وتحتفظ بالتالي بالجين الأصلي البنية (exons ، introns ، المروج ،. على الرغم من ضعف الوظيفة). تم اكتشاف العديد من الجينات المشتقة مباشرة من retrotransposon. أحدث إضافة هي الجين Peg10 (المعبر عنه أبويًا 10) مشتق من LTR retrotransposon لعائلة Ty3 / gypsy (تم العثور على معظم retrotransposon في شكل نشط في أسماك fugu ). يعد Peg10 ضروريًا لتطور المشيمة في الفئران ، وربما ينطبق الأمر نفسه على البشر. تشمل الأمثلة الأخرى جينات سينسيتين المستمدة من الفيروسات القهقرية الذاتية لعائلة HERV-W. هذه مهمة في تكوين المخلوقات من خلايا الأرومة الغاذية ، آلية اندماج الغشاء تشبه بالفعل دخول الفيروس إلى الخلية.

حتى العناصر المتكررة غير النشطة تزيد من مرونة الجينوم عن طريق تعزيز العبور غير المتكافئ بين الكروموسومات أو إعادة التركيب داخل الكروموسومات ، مما يؤدي إلى الحذف / الازدواجية أو الانقلاب (الشكل 5).

أخيرًا وليس آخرًا ، يُعتقد أن الينقولات لها بعض الوظائف الفسيولوجية الحقيقية ، على سبيل المثال يتم تنظيم تعبيرهم أثناء الاستجابة للضغط. لكن الفرضيات المتنوعة التي يمكن استخلاصها من هذه الملاحظة بعيدة كل البعد عن التوضيح.

يكرر جنبا إلى جنب

التكرارات الترادفية مصنوعة من وحدات تكرار متطابقة أو متطابقة تقريبًا (متدهورة). وهي تختلف في طول وحدة التكرار وكذلك طول كل تكرار كثيرًا ، لذا فإن كل تصنيف غير مرضٍ ويجب أن يؤخذ "كوم غرانو ساليس". يتم استدعاء أكبر التكرارات ، والتي تميل إلى أن تتكون من وحدات تكرار كبيرة الأقمار الصناعية. يأتي اسم الأقمار الصناعية من الطرد المركزي للحمض النووي في تدرجات الكثافة. أولاً ، أثناء الطرق التقليدية لعزل الحمض النووي ، يخضع الحمض النووي لضغط القص ، مما ينتج عنه تجزئة الحمض النووي (لاحظ أنه في الجسم الحي يحتوي كروموسوم طور G1 واحد على جزيء DNA واحد). يمكن بعد ذلك طرد هذه الشظايا في تدرجات الكثافة بحيث تحتل جزيئات الحمض النووي أماكن في التدرج بنفس كثافة جزيء الحمض النووي. سيشكل الجزء الأكبر من الحمض النووي فرقة واحدة. لكن شظايا الحمض النووي التي تحتوي على محتوى CG / AT مختلف تمامًا ، تسببت في حدوث ذلك. ز. من خلال التكرارات الرتيبة الكبيرة ستشكل نطاقات "ساتلية" ثانوية. تم لاحقًا توسيع تسمية DNA الساتلية لتشمل متواليات متكررة مماثلة لا تشكل هذه النطاقات الساتلية. وحدات التكرار الأولية للأقمار الصناعية متنوعة ، من GGAAT الموجودة في الأقمار الصناعية 2 و 3 إلى 171 نقطة أساس في القمر الصناعي ألفا. لكن هذه الوحدات الأولية غالبًا ما تكون متدهورة ، وتحتوي على بعض المخالفات. يمكن أن تكون هذه المخالفات دورية ، مما يشكل وحدات تكرار ثانوية. الحمض النووي الساتلي وفير في السنتروميرات والكروماتين التكويني. على الرغم من اعتبار الجينوم البشري مجمّعًا بالكامل ، إلا أن المناطق المركزية والكروماتين المغاير التي تحتوي على تسلسل الأقمار الصناعية لم يتم تضمينها ، نظرًا لأن تسلسل هذه المناطق يمثل تحديًا لأسباب مختلفة (عدم وجود مواقع تقييد ، التسلسل الصعب ، تجميع كونتيج شبه مستحيل). من مختلف الأقمار الصناعية الموجودة في السنترومير أو بالقرب منه ، من المحتمل أن تشكل عائلة من الأقمار الصناعية ألفا المتكررة (مع الوحدة الأولية 171 نقطة أساس) جوهرًا وظيفيًا من السنتروميرات ، لأنها مهمة لتجميع kinetochore أثناء انقسام الخلية (ترتبط بعض بروتينات kinetochore بـ alpha -الساتل في centromere ، وبالتالي تجميع النواة الحركية النواة). وظيفة الأقمار الصناعية الأخرى غير معروفة ، وتعتبر في الغالب خردة من الحمض النووي.

الأقمار الصناعية الصغيرة هي تكرارات ترادفية أقصر ، في نطاق كيلو بايت ، والتي يتم إثرائها في المناطق الفرعية للكروموسومات. غالبًا ما تكون متعددة الأشكال بدرجة كبيرة من حيث عدد وحدات التكرار في التكرار (العديد من الأليلات في السكان) ويمكن استخدامها كواسمات جينية - VNTR ، عدد متغير من التكرارات الترادفية. غالبًا ما تكون VNTRs كبيرة جدًا بحيث لا يمكن تضخيمها بواسطة تفاعل البوليميراز المتسلسل ، وبالتالي يتم تقييمها عادةً بواسطة لطخة جنوبية. في بعض الأحيان ، يُفترض أن يكون لبعض السواتل الصغيرة وظائف تنظيمية ، مثل VNTR في محفز الأنسولين ، حيث ارتبط طول مختلف من التكرار بأنواع مختلفة من مرض السكري. يظهر أليل واحد من الأنسولين VNTR في الشكل. 7. تيلوميرات الكروموسومات البشرية ، المكونة من عدة قواعد من السداسيات المتكررة ، تنتمي TTAGGG أيضًا إلى نطاق الأقمار الصناعية الصغيرة للتكرارات الترادفية ، على الرغم من أنها تنشأ بواسطة آلية محددة - بواسطة إنزيم التيلوميراز. يتكون التيلوميراز من وحدة بروتينية فرعية مع نشاط النسخ العكسي ووحدة فرعية من الحمض النووي الريبي مع تسلسل مكمل لـ TTAGGG ، والذي يعمل كقالب لاستطالة التيلومير (ترتبط الوحدة الفرعية لبروتين التيلوميراز بالنسخة العكسية للناقلات العكسية غير LTR). ومع ذلك ، يمكن أن تتمدد التيلوميرات حتى من خلال الآلية العامة السلبية للعبور غير المتكافئ (انظر الشكل 5D) ، على سبيل المثال. في الخلايا السرطانية.

ربما تجدر الإشارة هنا مرة أخرى ، إلى أن تسلسل الجينوم البشري يشتمل على مناطق متجانسة اللون ، محدودة بشكل قريب ، ولكن لا تشمل السنتروميرات والكروماتين المتغاير حول المركز ، وبعيدًا عن طريق التيلوميرات ، والتي هي أيضًا ، جنبًا إلى جنب مع المناطق شبه التيلوميرية غير المدرجة.

الأقمار الصناعية الدقيقة تحتوي على وحدات متكررة عادةً 1-5 bp ، ونادرًا ما يتجاوز طول التكرار مئات التكرارات بالترتيب. الأسرة الأكثر شيوعًا من هذه التكرارات هي 2 bp مكررة ، والتي يسود منها تكرار (CA) n. السواتل المكروية شائعة جدًا في الجينوم ، وهي متعددة الأشكال للغاية وغالبًا ما تستخدم كواسمات جينية. توجد أمثلة على هذه الواسمات الجينية في الفصل الذي يغطي الترابط.

أمراض توسع ثلاثي النوكليوتيدات

إذا كان في الجينات أو بالقرب منها ، يمكن أن يكون لطول السواتل المكروية عواقب عميقة - على سبيل المثال فيما يسمى بأمراض توسع ثلاثي النوكليوتيدات ، وهي مجموعة من المتلازمات الوراثية المندلية غير المتجانسة. وأشهر مثال على ذلك هو رقص هنتنغتون ، وهو مرض عصبي قاتل يصاحبه ظهور للبالغين مثل الخرف وضعف التحكم في الحركة خارج الهرمية. في جين هنتنغتين ، يوجد تسلسل تكرار CAG ، يتم ترميزه لتمتد من بقايا الجلوتامين (المسالك المتعددة الجلوتامين) في بروتين هنتنغتين. عادةً ما يكون لدى الأشخاص أقل من 20 ثلاثي نيوكليوتيدات CAG وبالتالي الجلوتامين في هنتنغتين ، حيث يعمل كمجال مهم لتفاعل البروتين البروتين. ومع ذلك ، إذا توسع هذا الرقم عن طريق الطفرة إلى أكثر من 30 جلوتامين ، فإن البروتين لا يعمل بشكل صحيح ، مما يؤدي إلى الموت التدريجي للخلايا العصبية في النواة الذيلية. في مرض توسع ثلاثي النوكليوتيدات الآخر ، الحثل العضلي (ضمور العضلات مع ضعف العضلات المصحوب بشكل متناقض مع زيادة توتر العضلات) ، يحدث التوسع المرضي لثلاثي النوكليوتيد CTG في المنطقة غير المترجمة 3 درجات من DMPK (الحثل العضلي myotonica بروتين كيناز). ولذلك فإن mRNA الطافرة نفسها لديها القدرة المرضية ، وربما تسبب الخراب من خلال عزل عوامل النسخ المختلفة. للحصول على أمثلة أخرى لأمراض "التوسع" ، يرجى الرجوع إلى فصل الوراثة غير المندلية.

آليات تكرار التمدد / الانكماش الترادفي

الآلية الأولى التي تساهم في تعدد الأشكال لطول التكرار الترادفي هي العبور غير المتكافئ. هذا نموذجي بشكل خاص بالنسبة لعمليات التكرار الأكبر (الشكل 5 د). غالبًا ما تغير التكرارات الصغيرة للأقمار الصناعية الصغيرة طولها عن طريق أخطاء تركيب الحمض النووي ، هـ. ز. آلية يشار إليها باسم انزلاق البوليميراز (الشكل 8). في الجزء الأمامي من النسخ المتماثل ، لم يكن الحلزون المزدوج للحمض النووي مستقرًا بعد ويخضع لتقلبات حرارية كبيرة. إذا حدث أن يتكاثر البوليميراز في القمر الصناعي الصغير ، فقد لا يتم إعادة ربط خيوط الحمض النووي (أثناء التقلبات) تمامًا ، ولكن مع تحول عدة وحدات متكررة. يتم تحسين هذه الآلية في بعض أنواع التكرارات التي يمكنها تثبيت حالات الانتقال من خلال تشكيل حلقات حبلا مزدوجة ، على سبيل المثال ثلاثي النوكليوتيدات CAG / CTG.

الروابط

يتم تخزين التسلسلات المتكررة في قاعدة بيانات cetral ، Repbase (لسوء الحظ ، فإن الاستخدام المباشر لـ RepBase ممكن فقط للمؤسسات الأكاديمية). http://www.girinst.org/

هناك أيضًا قواعد بيانات متخصصة ، تغطي فقط بعض الجوانب ، مثل قاعدة بيانات الفيروسات القهقرية الذاتية البشرية. http://herv.img.cas.cz/

RepeatMasker هو برنامج كمبيوتر يقوم بتحديد التسلسلات المتكررة باستخدام Repbase وإخفائها في النهاية بالتسلسل (على سبيل المثال لتسهيل اكتشاف الجينات). http://www.repeatmasker.org/cgi-bin/WEBRepeatMasker

يوفر SRPDB (قاعدة بيانات جسيمات التعرف على الإشارات) التسلسلات والهياكل المتعلقة بوظائف SRP. http://psyche.uthct.edu/SRPDB/SRPDB.html

AluGene هي قاعدة بيانات لعناصر Alu المدمجة في جينات ترميز البروتين http://alugene.tau.ac.il/

L1Xplorer هي قاعدة بيانات مخصصة للكشف والتعليق التوضيحي لعناصر L1 كاملة الطول http://l1xplorer.molgen.mpg.de

الروابط

الشكل 1: فئات مختلفة من الينقولات التي تحدث في الجينوم البشري
ج: الينقولات العكسية غير LTR. يتم تمثيل LINEs (التكرارات الطويلة المتقطعة) بواسطة LINE-1 (L1). يحتوي عنصر بحجم 6 كيلوبايت على إطارين مفتوحين للقراءة. يحتوي ORF2 على نوكلياز داخلي (en) ، مجال النسخ العكسي (rvt) بالإضافة إلى مجال غني بالسيستين (C-rich). تحتوي المنطقة غير المترجمة 5 (5 UTR) أيضًا على مروج داخلي لـ RNA polymerase II (في الجين المعتاد ، يكون المروج هو المنبع 5 درجة UTR). تحتوي المنطقة غير المترجمة 3 (3 UTR) على إشارة البولي أدينيل الكنسي (AATAAA) وذيل polyA (والذي يكون أيضًا غائبًا بشكل طبيعي عن الجينات العادية ، ويتم إضافته فقط إلى mRNA عن طريق عمل بوليميريز polyA). L1 محاط بنسخ الموقع المستهدف (TSD) الذي ينشأ أثناء النسخ العكسي المستهدف.
B: LTR-retrotransposon - الفيروسات القهقرية الذاتية. يُصوَّر هيكل نموذجي للفيروس القهقري ، أو بشكل أكثر دقة من فيروس ، الشكل المدمج في الحمض النووي. لا يمكن تمييز الفيروسات القهقرية الذاتية عن الفيروسات المعدية إلا عن طريق الطفرات النقطية أو الحذف في الجينات اللازمة لتجميع الجسيمات المعدية - في معظم الحالات يكون الجين env (الغلاف). gag (مستضد خاص بالمجموعة) هو بروتين nucleocapsid. بولي (بوليميراز) له نشاط النسخ العكسي (rvt) لتخليق الحمض النووي للشريط الأول والثاني ، نشاط RnaseH لانشقاق الحمض النووي الريبي في هجين RNA / DNA بعد توليف الخيط الأول ونشاط Integrase (int) (يشق الحمض النووي المستهدف ويربط retrovirus في الموقع المشقوق). prt (البروتياز) لا غنى عنه لتجميع الفيروس عن طريق سلائف بروتين الانقسام المترجمة من الفيروس القهقري mRNA (على سبيل المثال ، غالبًا ما تتم ترجمة gag و pol على أنها بروتين متعدد واحد كبير). LTRs (التكرارات الطرفية الطويلة) هي متواليات متطابقة في نهايات الفيروسات القهقرية. يتكون كل LTR من U3 (3 مناطق غير مترجمة) ، R (منطقة إعادة التركيب) و U5 (5 مناطق غير مترجمة). هذا مشتق من بنية retrovirus mRNA ، والتي تمتد فقط من المنبع R إلى المصب R. كيف يتم اشتقاق الطول الكامل (cDNA) من هذا الرنا المرسال خارج نطاق الفصل. على الرغم من أن الفيروسات القهقرية الداخلية يتم نسخها عكسيًا في السيتوبلازم ، وبالتالي فإن آليات التكامل من الناحية النظرية لا تتطلب تكرار الموقع المستهدف ، غالبًا ما يتم تشكيلها ، وإن كانت أقصر مما كانت عليه في L1.
C: يتم تمثيل ترانسبوسون DNA بواسطة عائلة ملاح بحجم 1،2 كيلو بايت. تنتمي الجميلة النائمة DNA transposon الاصطناعية إلى هذه العائلة أيضًا. منطقة الترانسبوزيز المركزية محاطة بالتكرارات المقلوبة. عند التكامل ، يتم تشكيل ازدواجية موقع الهدف من الحمض النووي للمضيف. يتم ترك ازدواجية الموقع الهدف في الجينوم كتوقيع ينقول ، عندما يقفز الينقولات إلى مكان آخر.
D: الينقولات العكسية nonautonomous nonLTR تنتمي إلى SINE (تكرار قصير يتخللها). يتم تمثيل الفصيلة الفرعية النشطة في البشر بواسطة عنصر نموذجي 282 نقطة أساس ألو. Alu عبارة عن باهتة يتكون من مونومرين متطابقين تقريبًا (رمادي فاتح ومتوسط). يحتوي المونومر الأيسر على حذف للمربع الرمادي الداكن. يُشتق المونومر من جين 7SL RNA ، وهو مشفر لوحدة RNA الفرعية لـ SRP (جسيم التعرف على الإشارة). SRP عبارة عن مركب معقد للتعرف على إشارة الببتيد للبروتينات التي سيتم نقلها إلى تجويف أو غشاء شبكي إندوبلازمي. لاحظ أن جين 7SL مرسوم بمقياس 50٪! منطقة PolyA من Alu ليست جزءًا من جين 7SL ، ولكنها مهمة لنجاح Alu في التحويل الرجعي.

الشكل 2. النسخ العكسي المستهدف (TPRT)
يشق بروتين ORF2 أول خيط DNA واحد عند الهدف (التسلسل المستهدف غني بـ A + T ويكون التسلسل مشابهًا عادةً للإجماع TTAAAA ، يحدث الانقسام بين T و A على الشريط التكميلي). ينفصل الخيط المشقوق ويرتبط بذيل polyA لـ L1 mRNA (خط برتقالي متقطع). مجموعة OH المجانية 3 من خيط DNA تقوم بتوليف أول ضفيرة cDNA. يحدث انشقاق حبلا DNA الثاني بعد 7-20 nt في اتجاه مجرى القطع الأول ويتم استخدام مجموعة OH المجانية التي تم إنشاؤها بواسطة هذا الحدث لتركيب الخيط الثاني من L1 cDNA. لم يتم توضيح آلية تخليق الخيط الثاني بشكل كامل. تنتهي العملية برمتها بتكوين نسخة DNA جديدة من L1 ، محاطًا بتكرار الموقع المستهدف.

الشكل 3. LINE-1 يغير الجينوم بطرق مختلفة
أ: التحويل الرجعي في رابطة الدول المستقلة. يقوم L1 بعمل نسخ معاد نقلها من نفسه. قد تكون النسخ كاملة ، أو يتم اقتطاعها في أغلب الأحيان 5 درجات أو 5 درجات مع الانعكاس. ب: يمكن لبروتين ORF2 من L1 إعادة نقل عناصر SINE (مثل Alu) أو mRNAs الخلوية الأخرى ، مما ينتج عنه جينات خادعة معالجة (التحويل الرجعي في trans). يتم تمثيل exons الترميز بواسطة مربعات بنية اللون ، 5 درجات و 3 درجات UTR (مناطق غير مترجمة) بلون أفتح ، يشار إلى ربط exons إلى mRNA بخطوط مكسورة. ج: يمكن إدخال Retrotransposon في الجين. عادةً ما يؤدي الإدراج في exon إلى تعطيل إطار القراءة المفتوح واقتطاع البروتين (تمثل العلامة النجمية مكان كودون التوقف الجديد). ولكن حتى الإدخال في الإنترون يمكن أن يكون له عواقب وخيمة - على سبيل المثال تخطي exon أو إنشاء exon جديد ، والذي غالبًا ما يؤدي أيضًا إلى تعطيل البروتين. يعتبر إدخال الينقيع العكسي سببًا موثقًا جيدًا للعديد من الأمراض الوراثية. غالبًا ما يتم إدخال عناصر Alu ، متبوعة بـ L1. د: 3 التوصيل. L1 لديه إشارة ضعيفة نسبيًا من مادة البولي أدينيل. لذلك قد يقرأ بوليميراز الحمض النووي الريبي وينسخ أيضًا جزءًا من DNA الكروموسوم المحيط. ثم يتم إعادة نقل هذا الرنا الهجين ، مما يؤدي إلى تحريك كل من L1 (والذي عادة ما يتم اقتطاعه جزئيًا بمقدار 5 درجات أو حتى حذفه تمامًا) والحمض النووي المحيط. قد تكون هذه آلية خلط إكسون بين الجينات. ه: غالبًا ما يكون إدخال الينقولات العكسية مصحوبًا بإعادة ترتيب - هنا حذف الجزء الأخضر وانعكاس الجزء الأحمر بما في ذلك exon ، مع تخطي هذا exon لاحقًا أثناء الربط. F: يمكن لمحفز L1 أن يعزز النسخ ليس فقط لعنصره الخاص ، ولكن أيضًا للجينات المجاورة ، سواء في المنبع أو في اتجاه مجرى النهر.

الشكل 4 الشكل 4 تسلسل ألو هي طفيليات مفرطة
ج: هيكل جين 7SL RNA وعنصر Alu (يسار) والهيكل الثانوي لجزيئات RNA المعنية (يمين). يتم توجيه نسخ الجين 7SL RNA بواسطة مروج RNA polymerase III الداخلي (A) والمحسن (EN). يحتوي جين Alu على محفز داخلي مركب (A + B). المنهي الطبيعي لـ RNA polymerase III هو رباعي النوكليوتيد TTTT. تمت مقاطعة النسخ بعد أن يتكون T. 7SL RNA من مجال Alu (أزرق) ومجال S (أصفر). ترتبط بروتينات SRP 9 و 14 بمجال Alu ، والذي يعمل على تثبيت الريبوسوم. ترتبط البروتينات الأخرى بالمجال S ، بما في ذلك البروتين 54 ، الذي يتعاون في التعرف على إشارة الببتيد (الخط الأحمر). يتكون Alu RNA أساسًا من مجالين Alu من 7SL RNA ، مع إضافة تسلسل polyA.
ب: Alu RNA يرتبط بالريبوسوم.إذا كان الريبوسوم يقوم فقط بترجمة ORF2 لـ LINE-1 mRNA (الخط الأخضر) ، فإن ذيل polyA لعنصر Alu يتنافس مع ذيل polyA لـ L1 لربط ORF2 الناشئ. تتوسط بروتينات ربط PolyA التفاعل. إذا ارتبط ORF2 بـ Alu ، فسيقوم ORF2 بترجمة وتبديل Alu بدلاً من L1 وبالتالي الطفيلي على L1. إذا اعتبرنا L1 طفيليًا جينيًا ، فإن Alu هو طفيلي مفرط - أنا. ه. طفيلي. يمكن أن تتنافس mRNAs الخلوية الأخرى (الخط الأزرق) مع L1 mRNA لربط ORF2 أيضًا ، وإن كان ذلك بكفاءة أقل بكثير (يُقدر أنه من 3000 L1 retrotranspositions ، سيتم اختطاف 300 بواسطة عناصر Alu وفقط cca 1 بواسطة mRNA آخر.

الشكل 5. التكرارات تعزز إعادة ترتيب الجينوم.
A + B: المنطقة الجينومية التي تحتوي على تكرارات مباشرة (في نفس الاتجاه ، نفس التسلسل على نفس شريط الحمض النووي). يمكن أن يقترن المكرران ويعاد توحيدهما. إعادة التركيب داخل الكروموسومات (أ) يؤدي إلى الحذف. يتم فقد جزء دائري افتراضي - لا يحتوي على مركز مركزي. يؤدي العبور غير المتكافئ مع إعادة التركيب بين الصبغيات (B) إلى الحذف والازدواجية.
ج: إعادة التركيب داخل الكروموسومات بين مكررين مقلوبين (في الاتجاه المعاكس ، نفس التسلسل على حبلا DNA المعاكس) يؤدي إلى عكس تسلسل الحمض النووي المتداخل. النتائج الوظيفية لمثل هذه الترتيبات تعتمد على السياق ، من صامت إلى قاتل ، كما هو متوقع.
D: يمكن أن تنشأ تعدد الأشكال المتكررة بالترادف عن طريق العبور غير المتكافئ.

الشكل 6. الأقمار الصناعية
ج: وحدات أولية وأعلى (ثانوية) متكررة. "التاريخ التطوري" المحتمل للتكرارات كما يتضح من تسلسل GGAAT. هذا التسلسل يتكاثر ويشكل بالتالي تكرارًا رتيبًا مثاليًا. تخضع بعض المواقف لاحقًا لطفرة (حمراء) مما يؤدي إلى تكرار غير كامل (متدهور). ثم يتضاعف التسلسل مرة أخرى ، ولكن الآن تتكاثر عدة وحدات متدهورة معًا كوحدة واحدة ، مما ينتج عنه تكرارًا مثاليًا لهذه الوحدة الثانوية الأكبر (السهم). تسلسل GGAAT هو قاعدة الأقمار الصناعية البشرية 2 و 3. هذه الأقمار الصناعية تختلف حسب الوحدة الثانوية.
ب: هيكل الكروموسوم الإنقسامي البشري فيما يتعلق بالتسلسل الساتلي. يشكل قمر ألفا الصناعي كروماتين متغاير في قلب السنترومير. إلى جانب البروتينات المرتبطة بالكروماتين المغاير ، تتجمع بروتينات ربط الأقمار الصناعية ألفا على تسلسلات القمر الصناعي ألفا لتشكيل الصفيحة الداخلية من kinetochore. ترتبط بعض هذه البروتينات بالسنترومير طوال دورة الخلية. على لوحة kinetochore الداخلية ، يتم تجميع لوحة kinetochore خارجية تتفاعل مع الأنابيب الدقيقة للمغزل الانقسامي. عادة ما يكون السنترومير محاطًا بالكروماتين المتغاير حول المركز الذي يتكون من أنواع أخرى من تسلسلات الأقمار الصناعية. تتشكل أطراف الكروموسوم (التيلوميرات) عن طريق تكرار التيلومير TTAGGG ، كما أن المناطق الفرعية المتجاورة متكررة للغاية.

الشكل 7. VNTR في جين الأنسولين
أ: قطعة DNA (خيط ترميز ، اتجاه 5 إلى 3 درجات) تحتوي على جين الأنسولين. يحتوي جين الأنسولين على ثلاثة إكسونات (الحالة العلوية) التي تشكل الرنا المرسال الناضج. توجد أشكال التسلسل التنظيمي المهمة باللون الأحمر - مربع TATA المنبع من موقع بدء النسخ ، ATG كبداية للترجمة (تم نسخها إلى AUG في mRNA ، والتي تعمل ككودون بدء ، وإدخال أول ميثيونين من حبلا polypeptide) ، ثنائي النوكليوتيدات المحفوظة GT و AG في مواقع لصق intron ، وإيقاف الكودون TAG وإشارة polyadenylation AATAAA. تظهر مواقع تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة بالخط العريض (وهذا يعني أن العديد من الأشخاص لديهم نيوكليوتيدات مختلفة في هذا الموضع ، وليس الموضحة). يكون الساتل الصغير باللون الأزرق ، بالطبع ، يظهر فقط أليل واحد ، وتختلف الأليلات الأخرى حسب عدد التكرارات. ب: يتكون أليل VNTR هذا من 29 تكرارًا لعزر التسلسل GGGGTGTGGGGACA ، على الرغم من عدم تطابق جميع وحدات التكرار مع الإجماع تمامًا (القواعد غير المطابقة باللون الأسود). لاحظ أن التكرار يحتوي على متناظر TGTnnnnACA ، والذي قد يثبت هياكل "حلقة جذعية" ويعزز بالتالي عدم استقرار عدد التكرارات (انظر الشكل 8). قد يتفاعل الطول المتغير للساتل الصغير في بداية جين الأنسولين في منطقة المروج بشكل تفاضلي مع محفز ربط عامل النسخ ويسبب بالتالي تعبيرًا تفاضليًا عن جين الأنسولين. في الواقع ، ارتبطت بعض الأليلات بتطور مرض السكري (ومع ذلك ، من الصعب للغاية التمييز بين التأثير المباشر والترابط "الوحيد" - راجع الفصل الذي يتناول الارتباط.

الشكل 8. يمكن أن ينشأ تعدد الأشكال في السواتل المكروية من انزلاق البوليميراز
أثناء عملية البلمرة ، يمكن للتذبذب الحراري أن يفصل خيوط الحمض النووي. عادة ما تكون إعادة الاقتران مثالية ، ولا ينتج عنها أي تغيير. ومع ذلك ، في بعض الأحيان ، قد يصطف الحمض النووي بشكل غير متساوٍ ، بسبب التكرار. إما أن تعود حلقات حبلا البلمرة للخلف ، والتي يمكن أن تؤدي إلى توسيع التكرار (وهو أكثر تواترًا) أو ربط الخيط المطول بشكل أكثر بعدًا بالقالب (حلقات القالب للخلف) مع الانكماش اللاحق للتكرار. الإدخال الداخلي: قد تؤدي بعض التكرارات إلى تعزيز هذا الإجراء بسبب استقرار الحالة الانتقالية من خلال تكوين بنية حلقة جذعية من اللولب المزدوج غير الكامل ، وخاصة تكرار CAG / CTG ، والذي يشارك في التسبب في العديد من أمراض توسع ثلاثي النوكليوتيدات. كلما زاد طول القمر الصناعي ، زادت احتمالية انزلاق البوليميراز ، مما يخلق ، بالاقتران مع الاتجاه الأكثر وضوحًا لاستطالة التكرار ، حلقة تغذية مرتدة موجبة (معززة).


14.5 تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى

في هذا القسم سوف تستكشف الأسئلة التالية:

  • ما هي أوجه التشابه والاختلاف بين تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى وبدائيات النوى؟
  • ما هو دور الإنزيم تيلوميراز في تكرار الحمض النووي؟

اتصال لدورات AP ®

المفاهيم والأمثلة الموضحة في هذا القسم ليست في نطاق AP. ومع ذلك ، فإن أدوار التيلوميرات والتيلوميراز في الشيخوخة والسرطان مفيدة وتعتمد على معرفتك بتكاثر الحمض النووي في بدائيات النوى.

دعم المعلم

تكرار الحمض النووي على النقيض من حقيقيات النوى مع تكاثر بدائية النواة. الجدول 14.2 مفيد. احصل على الرسوم التوضيحية للعملية في الخلايا حقيقية النواة التي تسمح للطلاب بمشاهدة التفاصيل.

اجمع بين هذه الموضوعات في مناقشة التيلوميرات والشيخوخة والسرطان. قد يعتقد الطلاب أن طول التيلومير يفسر الاختلافات في فترات الحياة بين الحيوانات المختلفة ، مثل البشر والكلاب. اشرح أن هذا قد يكون استنتاجًا مغريًا ، لكن بعض الأنواع طويلة العمر ، مثل البشر ، لديها تيلوميرات أقصر من الفئران التي تعيش بضع سنوات فقط.

تعتبر جينومات حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا وأكبر حجمًا من جينومات بدائية النواة. يحتوي الجينوم البشري على ثلاثة مليارات زوج قاعدي لكل مجموعة أحادية الصبغيات من الكروموسومات ، ويتم تكرار 6 مليارات زوج قاعدي خلال المرحلة S من دورة الخلية. هناك أصول متعددة للتكاثر على كروموسوم حقيقيات النوى يمكن أن يكون لدى البشر ما يصل إلى 100000 أصل من النسخ المتماثل. معدل النسخ المتماثل حوالي 100 نيوكليوتيد في الثانية ، أبطأ بكثير من تكرار بدائيات النواة. في الخميرة ، وهي حقيقيات النوى ، توجد متواليات خاصة تُعرف باسم متواليات النسخ الذاتي (ARS) على الكروموسومات. هذه مكافئة لأصل النسخ المتماثل في بكتريا قولونية.

عدد بوليميرات الحمض النووي في حقيقيات النوى أكبر بكثير من بدائيات النوى: 14 معروفة ، منها خمسة معروفة بأدوار رئيسية أثناء التكاثر وقد تمت دراستها جيدًا. هم معروفون باسم بول α، بول β، بول γ، بول δو بول ε.

الخطوات الأساسية للنسخ هي نفسها كما في بدائيات النوى. قبل أن يبدأ النسخ المتماثل ، يجب توفير الحمض النووي كقالب. يرتبط الحمض النووي حقيقيات النوى بالبروتينات الأساسية المعروفة باسم الهيستونات لتكوين هياكل تسمى النيوكليوسومات. قد يخضع الكروماتين (المركب بين الحمض النووي والبروتينات) لبعض التعديلات الكيميائية ، بحيث يمكن للحمض النووي أن ينزلق عن البروتينات أو يكون في متناول إنزيمات آلية تكرار الحمض النووي. في أصل النسخ المتماثل ، يتكون معقد ما قبل النسخ المتماثل ببروتينات بادئ أخرى. ثم يتم تجنيد البروتينات الأخرى لبدء عملية النسخ المتماثل (الجدول 14.2).

إن الهليكاز الذي يستخدم الطاقة من التحلل المائي ATP يفتح الحلزون DNA. تتشكل شوكات النسخ المتماثل في كل أصل نسخ متماثل مع فك الحمض النووي. يؤدي فتح اللولب المزدوج إلى الالتفاف المفرط ، أو الالتفاف الفائق ، في الحمض النووي قبل شوكة النسخ المتماثل. يتم حلها من خلال عمل الإيزوميراز العلوي. يتم تشكيل الاشعال بواسطة إنزيم بريماز ، وباستخدام التمهيدي ، يمكن أن يبدأ DNA pol في التوليف. بينما يتم تصنيع الخيط الرئيسي بشكل مستمر بواسطة قطب الإنزيم δ، يتم تصنيع الخيط المتأخر بواسطة pol ε. إن بروتين مشبك منزلق يعرف باسم PCNA (مستضد الخلية النووية المتكاثر) يحمل بول الحمض النووي في مكانه بحيث لا ينزلق من الحمض النووي. يزيل RNase H التمهيدي RNA ، والذي يتم استبداله بعد ذلك بنكليوتيدات DNA. يتم ربط شظايا Okazaki الموجودة في الخيط المتأخر معًا بعد استبدال البادئات RNA بالحمض النووي. يتم سد الفجوات المتبقية بواسطة DNA ligase ، الذي يشكل رابطة phosphodiester.

نسخ التيلومير

على عكس الكروموسومات بدائية النواة ، فإن الكروموسومات حقيقية النواة خطية. كما تعلمت ، يمكن أن يضيف إنزيم DNA pol النيوكليوتيدات فقط في اتجاه 5 إلى 3. في الخيط الرئيسي ، يستمر التوليف حتى الوصول إلى نهاية الكروموسوم. على الخيط المتأخر ، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة ، كل منها يبدأ بواسطة تمهيدي منفصل. عندما تصل شوكة النسخ إلى نهاية الكروموسوم الخطي ، لا يوجد مكان لعمل تمهيدي لجزء الحمض النووي ليتم نسخه في نهاية الكروموسوم. وهكذا تظل هذه الغايات غير متزاوجة ، وبمرور الوقت قد تصبح هذه الغايات أقصر تدريجيًا مع استمرار الخلايا في الانقسام.

تُعرف نهايات الكروموسومات الخطية باسم التيلوميرات ، والتي لها تسلسلات متكررة لا ترمز إلى جين معين. بطريقة ما ، تحمي هذه التيلوميرات الجينات من الحذف مع استمرار الخلايا في الانقسام. في البشر ، يتكرر تسلسل ستة أزواج أساسية ، TTAGGG ، من 100 إلى 1000 مرة. ساعد اكتشاف إنزيم التيلوميراز (الشكل 14.16) في فهم كيفية الحفاظ على نهايات الكروموسوم. يحتوي إنزيم التيلوميراز على جزء محفز وقالب مدمج للحمض النووي الريبي. يتم إرفاقه بنهاية الكروموسوم ، ويتم إضافة القواعد التكميلية لقالب الحمض النووي الريبي على الطرف الثالث لشريط الحمض النووي. بمجرد استطالة الطرف 3 'لقالب الخيط المتأخر بشكل كافٍ ، يمكن أن يضيف بوليميريز الحمض النووي النيوكليوتيدات المكملة لنهايات الكروموسومات. وهكذا ، يتم تكرار نهايات الكروموسومات.

ينشط التيلوميراز عادة في الخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية البالغة. لا ينشط في الخلايا الجسدية البالغة. لاكتشافها الإنزيم تيلوميراز وعمله ، حصلت إليزابيث بلاكبيرن (الشكل 14.16) على جائزة نوبل في الطب وعلم وظائف الأعضاء في عام 2009.

التيلوميراز والشيخوخة

تستمر الخلايا التي تخضع للانقسام الخلوي في تقصير التيلوميرات الخاصة بها لأن معظم الخلايا الجسدية لا تصنع التيلوميراز. هذا يعني بشكل أساسي أن تقصير التيلومير مرتبط بالشيخوخة. مع ظهور الطب الحديث والرعاية الصحية الوقائية وأنماط الحياة الصحية ، زاد العمر الافتراضي للإنسان ، وهناك طلب متزايد على الناس ليبدو أصغر سناً وأن يتمتعوا بنوعية حياة أفضل مع تقدمهم في السن.

في عام 2010 ، وجد العلماء أن الإنزيم تيلوميراز يمكنه عكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران. قد يكون لهذا إمكانات في الطب التجديدي. 2 تم استخدام الفئران التي تعاني من نقص التيلوميراز في هذه الدراسات ، حيث تعاني هذه الفئران من ضمور الأنسجة ، ونضوب الخلايا الجذعية ، وفشل الجهاز العضوي ، وضعف الاستجابة لإصابة الأنسجة. تسبب إعادة تنشيط التيلوميراز في هذه الفئران في تمدد التيلوميرات ، وتقليل تلف الحمض النووي ، وتنكس عصبي معكوس ، وتحسين وظيفة الخصيتين والطحال والأمعاء. وبالتالي ، قد يكون لإعادة تنشيط التيلومير إمكانية علاج الأمراض المرتبطة بالشيخوخة لدى البشر.

يتميز السرطان بانقسام الخلايا غير المنضبط للخلايا غير الطبيعية. تتراكم الخلايا الطفرات ، وتتكاثر بشكل لا يمكن السيطرة عليه ، ويمكن أن تهاجر إلى أجزاء مختلفة من الجسم من خلال عملية تسمى ورم خبيث. لاحظ العلماء أن الخلايا السرطانية قد قامت بتقصير التيلوميرات بشكل كبير وأن الإنزيم تيلوميراز نشط في هذه الخلايا. ومن المثير للاهتمام ، أنه فقط بعد تقصير التيلوميرات في الخلايا السرطانية ، أصبح الإنزيم تيلوميراز نشطًا. إذا كان من الممكن إعاقة عمل الإنزيم تيلوميراز في هذه الخلايا عن طريق الأدوية أثناء علاج السرطان ، فيمكن عندئذٍ إيقاف الخلايا السرطانية من الانقسام الإضافي.


تعديلات مثيلة الحمض النووي في سرطانات الإنسان

5.2.3.2 Hypomethylation من محفز الجينات المسرطنة

يشارك نقص ميثيل الحمض النووي لبعض الجينات المسرطنة في تكوين الأورام. LINE (عنصر نووي طويل متخلل) هو تسلسل الحمض النووي أو الترانسبوزون المتنقل الأكثر نشاطًا ووفرة ، والذي يمكن أن يؤدي إلى تنشيط النسخ في بعض أنواع السرطانات [49]. الطفرات الإدراجية لـ LINE دمرت التعبير عن APC (داء البوليبات الغدي القولوني) في CC [50]. الجينات الأخرى ذات النسخ المفردة هي أيضًا ناقصة الميثيل في السرطانات البشرية. على سبيل المثال ، يحتوي مجال العلاقات العامة على 16 (PRDM16) هو hypomethylated ، وحالة hypomethylation من PRDM16 المروج يمكن أن يتنبأ بالتنبؤات السيئة لمرضى الورم النجمي [51]. تعبير عالي عن بروتياز الغشاء ، سيرين 4 (TMPRSS4) ، هو عامل تنبؤي مستقل في سرطان الخلايا الحرشفية (SCC) ، ويرتبط ارتباطه الشاذ بنقص الميثيل بارتفاع TMPRSS4 التعبير ، والذي تم إثباته كعامل تنبؤي مستقل في SCC [52]. ينتج عن المروج hypomethylation تنشيط الجينات البروتونية. مثال واحد هو MAT2A (ميثيونين أدينوسيل ترانسفيراز) ، وهو جين محفز للورم ناقص الميثيل محدد في سرطان الكبد البشري الأولي [53]. S100A8 بروتين (S100 المرتبط بالكالسيوم A8) ، المعروف باسم الكالسيلين ، كان كثيرًا ما يكون مفرط الميثيل في الأنسجة غير السرطانية ولكنه ناقص الميثيل في أنسجة سرطان الكبد. مستوى المثيلة للموقع (cg2007009) في S100A8 انخفضت مستويات التعبير بشكل ملحوظ في سرطان الكبد. علاوة على ذلك ، فإن hypomethylation من S100A8 كان مرتبطًا بكل من PFS المختصرة (البقاء على قيد الحياة بدون تقدم) ودعم نظام التشغيل (البقاء الكلي) دورًا محتملًا لـ S100A8 [54] hypomethylation كمؤشر بيولوجي تشخيصي لـ HCC. ال S100A4 غالبًا ما يتم إزالة الميثيل من الجين ، المعروف أيضًا باسم الجين المرتبط بالورم الخبيث ، ويزداد التعبير البروتيني في CC [55]. بالإضافة إلى ذلك ، فإن عامل ADP-ribosylation (ARF) يشبه 4C (ARL4C) الإفراط في التعبير ، بسبب نقص ميثيل الحمض النووي في المنطقة غير المترجمة 3 (3′UTR) ، يعزز تكوين الأورام في الرئة SCC [56].


محتويات

يتم تصنيف SINEs على أنها الينقولات العكسية غير LTR لأنها لا تحتوي على تكرارات طرفية طويلة (LTRs). [4] هناك ثلاثة أنواع من الجيوب الأنفية الشائعة لدى الفقاريات واللافقاريات: CORE-SINEs و V-SINEs و AmnSINEs. [3] تمتلك SINEs 50-500 منطقة داخلية لزوج قاعدي تحتوي على مقطع مشتق من الحمض الريبي النووي النقال مع مربعات A و B التي تعمل كمحفز داخلي لـ RNA polymerase III. [5] [3]

تعديل الهيكل الداخلي

تتميز SINEs بوحداتها المختلفة ، والتي هي في الأساس تقسيم لتسلسلها. يمكن لـ SINEs ، ولكن ليس بالضرورة أن تمتلك رأسًا وجسمًا وذيلًا. يقع الرأس في الطرف الخامس من العناصر النووية القصيرة المتقطعة وهو مشتق تطوريًا من الحمض النووي الريبي المركب بواسطة RNA Polymerase III مثل RNAs الريبوزومي و tRNAs ، يشير الرأس 5 إلى العنصر الداخلي الذي اشتُق منه SINE و كان قادرًا على استخدام آلية النسخ الخاصة به بشكل طفيلي. [1] على سبيل المثال ، مشتق 5 'من Alu sine من 7SL RNA ، وهو تسلسل نسخ بواسطة RNA Polymerase III والذي يرمز لعنصر RNA لـ SRP ، وهو بروتين نووي وفير. [6] يمتلك جسد SINEs أصلًا غير معروف ولكنه غالبًا ما يشترك في الكثير من التماثل مع LINE المقابل والذي يسمح بالتالي لـ SINEs بالاستحواذ الطفيلي على نوكليازات مشفرة بواسطة LINEs (التي تتعرف على نماذج تسلسلية معينة). أخيرًا ، يتكون ذيل 3 من SINEs من تكرارات بسيطة قصيرة بأطوال متفاوتة. هذه التكرارات البسيطة هي مواقع حيث يمكن لعنصرين نوويين (أو أكثر) متداخلين قصيرين أن يتحدوا لتشكيل SINE ثنائي الأبعاد. [7] العناصر النووية القصيرة التي لا تمتلك رأسًا وذيلًا فقط تسمى SINEs بسيطة بينما العناصر النووية قصيرة الانتشار والتي تمتلك أيضًا جسمًا أو مزيجًا من اثنين أو أكثر من SINEs هي SINEs معقدة. [1]

يتم نسخ العناصر النووية قصيرة التخلل بواسطة RNA polymerase III المعروف بنسخ RNA الريباسي و tRNA ، وهما نوعان من الحمض النووي الريبي الحيوي للتجميع الريبوزومي وترجمة mRNA. [8] تمتلك SINEs ، مثل tRNAs والعديد من RNAs النووية الصغيرة محفزًا داخليًا ، وبالتالي يتم نسخها بشكل مختلف عن معظم جينات ترميز البروتين. [1] بعبارة أخرى ، العناصر النووية قصيرة التداخل لها عناصرها المحفزة الرئيسية داخل المنطقة المكتوبة نفسها. على الرغم من نسخها بواسطة RNA polymerase III و SINEs والجينات الأخرى التي تمتلك محفزات داخلية ، فإنها تقوم بتجنيد آليات وعوامل نسخ مختلفة من الجينات التي تمتلك محفزات المنبع. [9]

تؤثر التغييرات في بنية الكروموسوم على التعبير الجيني بشكل أساسي من خلال التأثير على إمكانية وصول الجينات إلى آلية النسخ. يحتوي الكروموسوم على نظام معقد للغاية وتسلسل هرمي لتنظيم الجينوم. يسمح نظام التنظيم هذا ، الذي يتضمن الهستونات ومجموعات الميثيل ومجموعات الأسيتيل ومجموعة متنوعة من البروتينات والحمض النووي الريبي ، بمجالات مختلفة داخل الكروموسوم لتكون في متناول البوليميرات وعوامل النسخ والبروتينات الأخرى المرتبطة بدرجات مختلفة. [10] علاوة على ذلك ، يمكن أن يؤثر شكل وكثافة مناطق معينة من الكروموسوم على شكل وكثافة المناطق المجاورة (أو حتى البعيدة) على الكروموسوم من خلال التفاعل الذي تسهله البروتينات والعناصر المختلفة. يمكن أن تلعب الحمض النووي الريبي غير المشفر ، مثل العناصر النووية قصيرة التشتت ، والتي من المعروف أنها ترتبط بهيكل الكروماتين وتساهم فيه ، دورًا كبيرًا في تنظيم التعبير الجيني. [11] وبالمثل ، يمكن أن تشارك العناصر النووية قصيرة التداخل في تنظيم الجينات عن طريق تعديل البنية الجينية.

في الواقع Usmanova et al. اقترح عام 2008 أن العناصر النووية قصيرة التشعب يمكن أن تكون بمثابة إشارات مباشرة في إعادة ترتيب الكروماتين وهيكله. فحصت الورقة التوزيع العالمي لـ SINEs في كروموسومات الفئران والكروموسومات البشرية وتوصلت إلى أن هذا التوزيع كان مشابهًا جدًا للتوزيعات الجينية للجينات ونماذج CpG. [12] كان توزيع SINEs على الجينات أكثر تشابهًا بشكل ملحوظ من توزيع العناصر الجينية غير المشفرة الأخرى ، بل إنه يختلف اختلافًا كبيرًا عن توزيع العناصر النووية طويلة التشعب. [12] يشير هذا إلى أن توزيع SINE لم يكن مجرد حادث ناتج عن التحويل الرجعي بوساطة LINE ولكن بالأحرى أن SINEs كان لها دور في تنظيم الجينات. علاوة على ذلك ، تحتوي SINEs في كثير من الأحيان على نماذج لبروتينات YY1 polycomb. [12] YY1 عبارة عن بروتين بأصابع الزنك يعمل كمثبط نسخي لمجموعة متنوعة من الجينات الأساسية للتطور والإشارة. [13] يُعتقد أن بروتين Polycomb YY1 يتوسط في نشاط هيستون ديستيلاسيس و هيستون أسيتيل ترانسفيرازز لتسهيل إعادة تنظيم الكروماتين ، وغالبًا ما يكون ذلك لتسهيل تكوين الكروماتين المغاير (حالة إسكات الجينات).[14] وهكذا ، يشير التحليل إلى أن العناصر النووية قصيرة التشعب يمكن أن تعمل "كمعزز للإشارة" في إسكات مجموعات الجينات المعتمد على متعدد الخلايا من خلال إعادة تنظيم الكروماتين. [12] في جوهرها ، فإن التأثير التراكمي للعديد من أنواع التفاعلات هو الذي يؤدي إلى الاختلاف بين الكروماتين الحقيقي ، الذي لا يتم تعبئته بإحكام ويكون متاحًا بشكل عام لآلات النسخ ، والكروماتين المغاير ، المعبأ بإحكام والذي لا يمكن الوصول إليه بشكل عام للنسخ. يبدو أن SINEs الآلية تلعب دورًا تطوريًا في هذه العملية.

بالإضافة إلى التأثير المباشر على بنية الكروماتين ، هناك عدد من الطرق التي يمكن أن تنظم بها SINEs التعبير الجيني. على سبيل المثال ، يمكن للحمض النووي الريبي الطويل غير المشفر أن يتفاعل مباشرة مع مثبطات ومُنشطات النسخ ، مما يخفف أو يعدل وظيفتها. [15] يمكن أن يحدث هذا النوع من التنظيم بطرق مختلفة: يمكن لنسخة RNA الارتباط مباشرة بعامل النسخ كمنظم مشارك أيضًا ، ويمكن لـ RNA تنظيم وتعديل قدرة المنظمين المشاركين على الارتباط بعامل النسخ. [15] على سبيل المثال ، من المعروف أن Evf-2 ، وهو نوع معين من الحمض النووي الريبي غير المشفر طويلًا ، يعمل كمنشط مشارك لبعض عوامل النسخ المثلية التي تعتبر بالغة الأهمية لتطوير الجهاز العصبي وتنظيمه. [16] علاوة على ذلك ، يمكن أن تتداخل نسخ الحمض النووي الريبي مع وظائف مجمع النسخ من خلال التفاعل أو الارتباط مع بوليميرات الحمض النووي الريبي أثناء عمليات النسخ أو التحميل. [15] علاوة على ذلك ، يمكن أن ترتبط الحمض النووي الريبي غير المشفر مثل SINEs أو تتفاعل مباشرة مع الجين الذي يشفر الحمض النووي المزدوج وبالتالي يمنع نسخه. [15]

أيضًا ، يتم توزيع العديد من RNAs غير المشفرة بالقرب من الجينات المشفرة للبروتين ، غالبًا في الاتجاه العكسي. هذا ينطبق بشكل خاص على العناصر النووية قصيرة الانتشار كما رأينا في Usmanova et al. توفر هذه RNAs غير المشفرة ، والتي تقع بجوار مجموعات الجينات أو تتداخل معها آلية يمكن من خلالها تجنيد عوامل وآلات النسخ لزيادة أو قمع نسخ الجينات المحلية. تمت مناقشة المثال المحدد لـ SINEs التي يحتمل أن تقوم بتجنيد مثبط النسخ متعدد الأقراص YY1 أعلاه. [12] وبدلاً من ذلك ، فإنه يوفر أيضًا آلية يمكن من خلالها تقليص التعبير الجيني المحلي وتنظيمه لأن المجمعات النسخية يمكن أن تعيق أو تمنع نسخ الجينات القريبة. هناك بحث يشير إلى أن هذه الظاهرة تظهر بشكل خاص في التنظيم الجيني للخلايا متعددة القدرات. [17]

في الختام ، فإن الحمض النووي الريبي غير المشفر مثل SINEs قادر على التأثير على التعبير الجيني على العديد من المستويات المختلفة وبطرق مختلفة. يُعتقد أن العناصر النووية قصيرة النوى مندمجة بعمق في شبكة تنظيمية معقدة قادرة على ضبط التعبير الجيني عبر جينوم حقيقيات النوى.

لا يرمز الحمض النووي الريبي المشفر بواسطة العنصر النووي قصير الانتشار لأي منتج بروتيني ، ولكنه مع ذلك يتم نسخه عكسيًا وإدراجه مرة أخرى في منطقة بديلة في الجينوم. لهذا السبب ، يُعتقد أن العناصر النووية القصيرة المتناثرة قد تطورت بشكل مشترك مع عنصر نووي طويل التشتت (LINEs) ، حيث تقوم LINEs في الواقع بتشفير منتجات البروتين التي تمكنها من النسخ العكسي ودمجها مرة أخرى في الجينوم. [4] يُعتقد أن SINEs قد اختارت البروتينات المشفرة بواسطة LINEs الموجودة في إطارين للقراءة. يشفر إطار القراءة المفتوح 1 (ORF 1) بروتينًا يرتبط بـ RNA ويعمل كوصيف لتسهيل والحفاظ على البنية المعقدة لبروتين LINE-RNA. [18] إطار القراءة المفتوح 2 (ORF 2) يرمز إلى بروتين يمتلك كل من نوكلياز داخلي وأنشطة النسخ العكسي. [19] يتيح ذلك إمكانية النسخ العكسي لـ LINE mRNA إلى DNA ودمجها في الجينوم بناءً على الأشكال المتسلسلة التي يتعرف عليها مجال نوكلياز البروتين.

يتم نسخ LINE-1 (L1) وإعادة نقله بشكل متكرر في الخط الجرثومي وأثناء التطور المبكر كنتيجة لذلك ، تتحرك SINEs حول الجينوم أكثر خلال هذه الفترات. يتم تنظيم نسخ SINE من خلال عوامل النسخ في الخلايا الجسدية بعد التطور المبكر ، على الرغم من أن الإجهاد يمكن أن يتسبب في زيادة التنظيم في SINEs الصامتة بشكل طبيعي. [20] يمكن نقل SINEs بين الأفراد أو الأنواع عن طريق النقل الأفقي من خلال ناقل فيروسي. [21]

من المعروف أن SINEs تشترك في تجانس التسلسل مع LINES مما يعطي أساسًا يمكن لآلة LINE من خلاله عكس النسخ ودمج نصوص SINE. [22] بالتناوب ، يُعتقد أن بعض SINEs تستخدم نظامًا أكثر تعقيدًا بكثير للدمج مرة أخرى في الجينوم ، يتضمن هذا النظام استخدام فواصل الحمض النووي المزدوجة العشوائية (بدلاً من نوكلياز داخلي مشفر بواسطة عناصر نووية متداخلة طويلة مما يؤدي إلى إدخال- موقع). [22] تُستخدم فواصل الحمض النووي هذه في إعادة إنزيم المنتسخة العكسية ، وفي النهاية دمج نسخة SINE مرة أخرى في الجينوم. [22] ومع ذلك ، تعتمد الجينات على الإنزيمات المشفرة بواسطة عناصر الحمض النووي الأخرى ، وبالتالي تُعرف باسم الينقولات العكسية غير المستقلة لأنها تعتمد على آلية LINEs ، والتي تُعرف باسم الينقولات العكسية المستقلة. & lt [23]

النظرية القائلة بأن العناصر النووية قصيرة الانتشار قد تطورت للاستفادة من آلية الينقولات العكسية للعناصر النووية طويلة التشتت تدعمها الدراسات التي تدرس وجود وتوزيع LINEs و SINEs في أصناف الأنواع المختلفة. [24] على سبيل المثال ، تُظهر LINEs و SINEs في القوارض والرئيسيات تماثلًا قويًا جدًا في شكل موضع الإدخال. [24] هذا الدليل هو أساس الآلية المقترحة التي يمكن فيها دمج نسخة SINE مع منتجات البروتين المشفرة بـ LINE. يتضح هذا على وجه التحديد من خلال تحليل مفصل لأكثر من 20 نوعًا من القوارض التي تم تصنيفها على الملامح LINEs و SINEs ، بشكل رئيسي L1s و B1s على التوالي ، فهذه هي عائلات من LINEs و SINEs الموجودة على ترددات عالية في القوارض إلى جانب الثدييات الأخرى. [24] سعت الدراسة إلى توفير وضوح النشوء والتطور في سياق نشاط LINE و SINE.

توصلت الدراسة إلى تصنيف مرشح يُعتقد أنه أول مثال لانقراض L1 LINE ، ومن المتوقع أنه اكتشف أنه لا يوجد دليل يشير إلى أن نشاط B1 SINE حدث في الأنواع التي ليس لها نشاط L1 LINE. [24] أيضًا ، اقترحت الدراسة أن إسكات العنصر النووي B1 قصير التخلل حدث في الواقع قبل انقراض العنصر النووي L1 طويل التشتت ، ويرجع ذلك إلى حقيقة أن B1 SINEs تم إسكاتها في الجنس الأكثر ارتباطًا بالجنس الذي يفعل لا تحتوي على L1 LINEs نشطة (على الرغم من أن الجنس مع إسكات B1 SINE لا يزال يحتوي على L1 LINEs نشطة). [24] تم العثور أيضًا على جنس آخر يحتوي بالمثل على عناصر نووية نشطة L1 متداخلة لفترة طويلة ولكنه لم يحتوي على عناصر نووية مختلطة قصيرة B1 في السيناريو المعاكس ، حيث كانت B1 SINEs النشطة موجودة في جنس لا يمتلك L1 LINEs نشطًا. غير موجود. [24] كانت هذه النتيجة متوقعة وتدعم بقوة النظرية القائلة بأن SINEs قد تطورت لتشترك في اختيار بروتينات ربط الحمض النووي الريبي (RNA) والنوكليازات الداخلية والنسخ العكسية المشفرة بواسطة LINEs. في الأصناف التي لا تقوم بنسخ وترجمة المنتجات البروتينية للعناصر النووية المتناثرة لفترة طويلة ، لا تمتلك SINEs الأساس النظري الذي يمكن من خلاله الانتقال داخل الجينوم. النتائج التي تم الحصول عليها في Rinehart et al. وبالتالي فهي داعمة جدًا للنموذج الحالي لـ SINE retrotransposition.

قد يؤدي إدخال تيار SINE في منطقة الترميز إلى خلط exon أو تغييرات في المنطقة التنظيمية للجين. يمكن أن يكون لإدخال SINE في تسلسل ترميز الجين آثار ضارة ويمكن أن يتسبب النقل غير المنظم في حدوث مرض وراثي. يُعتقد أن تبديل وإعادة تركيب SINEs والعناصر النووية النشطة الأخرى هو أحد المساهمات الرئيسية للتنوع الجيني بين الأنساب أثناء الانتواع. [21]

يُعتقد أن العناصر النووية قصيرة النوى لها أصول طفيلية في جينومات حقيقيات النوى. لقد تحوَّرت هذه الجينات وتضاعف نفسها عدة مرات على نطاق زمني تطوري ، وبالتالي شكلت العديد من السلالات المختلفة. تسبب أصلهم التطوري المبكر في أن يكونوا في كل مكان في العديد من سلالات حقيقية النواة.

تعد عناصر Alu ، وهي عنصر نووي قصير التخلل لحوالي 300 نيوكليوتيد ، أكثر أنواع الجينات الجيبية شيوعًا في البشر ، مع & gt1،000،000 نسخة في جميع أنحاء الجينوم ، وهو ما يزيد عن 10 بالمائة من إجمالي الجينوم ، وهذا أمر شائع بين الأنواع الأخرى. [25] يمكن استخدام الاختلافات في عدد نسخ عنصر Alu للتمييز بين سلالات الأنواع الرئيسية وبناءها. [21] تختلف الأنياب بشكل أساسي في وفرة تكرارات SINEC_Cf في جميع أنحاء الجينوم ، بدلاً من الطفرات الأخرى على مستوى الجينات أو الأليل. قد تقوم SINEs الخاصة بالكلاب بتشفير موقع متقبل لصق ، وتغيير التسلسلات التي تظهر على شكل exons أو introns في كل نوع. [26]

بصرف النظر عن الثدييات ، يمكن أن تصل SINEs إلى أعداد نسخ عالية في مجموعة من الأنواع ، بما في ذلك الفقاريات غير العظمية (قرش الفيل) وبعض أنواع الأسماك (السيلكانث). [27] في النباتات ، غالبًا ما تقتصر الجينات الوراثية على الأنواع وثيقة الصلة ، وقد ظهرت ، وتلاشت ، واختفت كثيرًا أثناء التطور. [28] ومع ذلك ، فإن بعض عائلات SINE مثل Au-SINEs [29] و Angio-SINEs [30] منتشرة بشكل غير عادي عبر العديد من الأنواع النباتية التي لا علاقة لها في كثير من الأحيان.

هناك & gt50 أمراض بشرية مرتبطة بـ SINEs. [20] عند إدخالها بالقرب من exon أو داخله ، يمكن أن تسبب SINEs تضفيرًا غير صحيح ، أو تصبح مناطق تشفير ، أو تغير إطار القراءة ، مما يؤدي غالبًا إلى أنماط ظاهرية للمرض في البشر والحيوانات الأخرى. [26] يرتبط إدخال عناصر Alu في الجينوم البشري بسرطان الثدي ، وسرطان القولون ، وسرطان الدم ، والهيموفيليا ، ومرض دنت ، والتليف الكيسي ، والورم الليفي العصبي ، وغيرها الكثير. [4]

تحرير microRNAs

تم دعم دور العناصر النووية قصيرة التخلل في تنظيم الجينات داخل الخلايا من خلال دراسات متعددة. فحصت إحدى هذه الدراسات العلاقة بين عائلة معينة من SINEs و microRNAs (في أسماك الزرد). [31] كانت العائلة المحددة من SINEs التي تم فحصها هي Anamnia V-SINEs ، وغالبًا ما توجد هذه العائلة من العناصر النووية القصيرة المختلطة في المنطقة غير المترجمة من الطرف الثالث للعديد من الجينات وهي موجودة في جينومات الفقاريات. [31] اشتملت الدراسة على تحليل حسابي تم فيه توزيع الجينوم ونشاط Anamnia V-SINEs في دانيو ريريو علاوة على ذلك ، تم فحص الزرد ، وتم تحليل إمكانات V-SINEs لتوليد مواضع microRNA جديدة. [31] وقد وجد أن الجينات التي كان من المتوقع أن تمتلك V-SINEs تم استهدافها بواسطة microRNAs مع قيم E تهجين أعلى بشكل ملحوظ (مقارنة بالمناطق الأخرى في الجينوم). [31] الجينات التي لديها قيم تهجين عالية هي جينات تشارك بشكل خاص في مسارات التمثيل الغذائي والإشارات. [31] تم تحديد جميع الجزيئات الدقيقة تقريبًا التي تتمتع بقدرة قوية على التهجين مع نماذج تسلسل V-SINE المفترضة في الجينات (في الثدييات) ليكون لها أدوار تنظيمية. [31] هذه النتائج التي تثبت وجود علاقة متبادلة بين العناصر النووية قصيرة التشتت ومختلف الرنا الميكروي التنظيمي تشير بقوة إلى أن V-SINEs لها دور مهم في تخفيف الاستجابات للإشارات والمحفزات المختلفة المتعلقة بالتمثيل الغذائي والتكاثر والتمايز. يجب إجراء العديد من الدراسات الأخرى لإثبات صحة ومدى دور الينقولات الرجعية القصيرة المتقطعة للعناصر النووية في شبكات التعبير الجيني التنظيمية. في الختام ، على الرغم من أنه لا يُعرف الكثير عن الدور والآلية التي تولد من خلالها SINEs موقع جين ميرنا ، فمن المفهوم عمومًا أن SINEs لعبت دورًا تطوريًا مهمًا في إنشاء "جينات RNA" ، وقد تم التطرق إلى هذا أيضًا أعلاه في SINEs والجينات الكاذبة.

مع وجود مثل هذه الأدلة التي تشير إلى أن العناصر النووية القصيرة التي تتخللها كانت مصادر تطورية لتوليد مواقع microRNA ، فمن المهم مواصلة مناقشة العلاقات المحتملة بين الاثنين وكذلك الآلية التي ينظم بها الرنا الميكروي تدهور الحمض النووي الريبي وعلى نطاق أوسع ، التعبير الجيني. الرنا الميكروي عبارة عن رنا غير مشفر بشكل عام يبلغ طوله 22 نيوكليوتيدات. [32] هذا قليل النوكليوتيد المشفر غير البروتيني هو نفسه مشفر بواسطة تسلسل DNA نووي أطول عادة ما يتم نسخه بواسطة RNA polymerase II وهو المسؤول أيضًا عن نسخ معظم mRNAs و snRNAs في حقيقيات النوى. [33] ومع ذلك ، تشير بعض الأبحاث إلى أن بعض الرنا الميكروي الذي يحتوي على عناصر نووية متناثرة قصيرة المنبع يتم نسخها بواسطة RNA polymerase III المتورط على نطاق واسع في RNA الريباسي و tRNA ، وهما نسختان حيويتان لترجمة الرنا المرسال. [34] يوفر هذا آلية بديلة يمكن من خلالها أن تتفاعل العناصر النووية القصيرة المتقطعة مع شبكات تنظيم الجينات التي تتضمن الرنا الميكروي أو تتوسط فيها.

يمكن أن تكون المناطق التي تقوم بتشفير miRNA عبارة عن جينات RNA مستقلة غالبًا ما تكون معادية لجينات ترميز البروتين المجاورة ، أو يمكن العثور عليها داخل إنترونات الجينات المشفرة للبروتين. [35] يوفر التوطين المشترك للرنا الميكروي وجينات ترميز البروتين أساسًا ميكانيكيًا ينظم من خلاله الرنا الميكروي التعبير الجيني. علاوة على ذلك ، Scarpato et al. يكشف (كما نوقش أعلاه) أن الجينات التي يُتوقع أن تمتلك عناصر نووية قصيرة التشتت (SINEs) من خلال تحليل التسلسل قد تم استهدافها وتهجينها بواسطة microRNAs أكبر بكثير من الجينات الأخرى. [31] يوفر هذا مسارًا تطوريًا تم من خلاله اختيار SINEs الطفيلية واستخدامها لتكوين جينات RNA (مثل microRNAs) التي تطورت لتلعب دورًا في شبكات تنظيم الجينات المعقدة.

يتم نسخ microRNAs كجزء من سلاسل RNA أطول من حوالي 80 نيوكليوتيد بشكل عام والتي من خلال الاقتران الأساسي التكميلي تكون قادرة على تشكيل هياكل حلقة دبوس الشعر [36] يتم التعرف على هذه الهياكل ومعالجتها في النواة بواسطة البروتين النووي DiGeorge Syndrome Critical Region 8 ( DGCR8) الذي يجند بروتين Drosha ويرتبط به. [37] هذا المركب مسؤول عن شق بعض تراكيب دبوس الشعر من الحمض النووي الريبي قبل الميكروي الذي يتم نقله إلى السيتوبلازم. تتم معالجة pre-miRNA بواسطة البروتين DICER إلى 22 نيوكليوتيد مزدوج تقطعت بهم السبل. [38] بعد ذلك ، يتم دمج أحد الخيوط في مركب إسكات مستحث بالـ RNA متعدد البروتينات (RISC). [39] من بين هذه البروتينات بروتينات من عائلة Argonaute والتي تعتبر بالغة الأهمية لقدرة المركب على التفاعل مع ترجمة mRNA المستهدفة وقمعها. [40]

يعد فهم الطرق المختلفة التي ينظم بها الرنا الميكروي التعبير الجيني ، بما في ذلك ترجمة الرنا المرسال والتدهور ، مفتاحًا لفهم الدور التطوري المحتمل لـ SINEs في تنظيم الجينات وفي توليد مواقع الرنا الميكروي. هذا ، بالإضافة إلى دور SINEs المباشر في الشبكات التنظيمية (كما نوقش في SINEs مثل RNAs الطويلة غير المشفرة) أمر بالغ الأهمية لبدء فهم العلاقة بين SINEs وأمراض معينة. اقترحت دراسات متعددة أن زيادة نشاط SINE يرتبط ببعض ملامح التعبير الجيني وتنظيم ما بعد النسخ لجينات معينة. [41] [42] [43] في الواقع ، بيترسون وآخرون. أظهر 2013 أن تعبير SINE RNA المرتفع يرتبط مع تقليل التنظيم بعد النسخ من BRCA1 ، وهو مثبط للورم متورط في أشكال متعددة من السرطان ، وبالتحديد سرطان الثدي. [43] علاوة على ذلك ، أثبتت الدراسات وجود علاقة قوية بين التعبئة النسخية لـ SINEs وبعض أنواع السرطان والظروف مثل نقص الأكسجة الذي يمكن أن يكون بسبب عدم الاستقرار الجيني الناجم عن نشاط SINE بالإضافة إلى المزيد من التأثيرات المباشرة. [42] وقد تورطت الجينات أيضًا في عدد لا يحصى من الأمراض الأخرى. في جوهرها ، أصبحت العناصر النووية قصيرة التداخل مندمجة بعمق في عدد لا يحصى من المسارات التنظيمية والاستقلابية والإشارات ، وبالتالي تلعب دورًا حتميًا في التسبب في المرض. لا يزال هناك الكثير مما يُعرف عن هذه الطفيليات الجينومية ولكن من الواضح أنها تلعب دورًا مهمًا داخل الكائنات حقيقية النواة.

ومع ذلك ، فإن نشاط SINEs له آثار وراثية لا يبدو أنها تلعب دورًا مهمًا ، إيجابيًا أو سلبيًا ، وتظهر نفسها في الجينوم كجينات خادعة. ومع ذلك ، لا ينبغي الخلط بين الجينات SINEs على أنها جينات خادعة للحمض النووي الريبي. [1] بشكل عام ، تتولد الجينات الكاذبة عندما يتم النسخ العكسي للـ mRNAs من الجينات المشفرة للبروتين ودمجها مرة أخرى في الجينوم (الجينات الكاذبة للحمض النووي الريبي هي جينات RNA المنسوخة العكسي). [44] عادة ما تكون الجينات الزائفة عديمة الوظيفة لأنها تنحدر من رنا معالج مستقل عن سياقها التطوري الذي يتضمن إنترونات وعناصر تنظيمية مختلفة تتيح النسخ والمعالجة. هذه الجينات الكاذبة ، على الرغم من أنها غير وظيفية ، قد لا تزال تمتلك في بعض الحالات محفزات وجزر CpG وميزات أخرى تتيح النسخ ، وبالتالي لا يزال من الممكن نسخها وقد يكون لها دور في تنظيم التعبير الجيني (مثل SINEs والعناصر الأخرى غير المشفرة ). [44] وهكذا تختلف الجينات الزائفة عن الجينات SINE في أنها مشتقة من الحمض النووي الريبي المنسوخ ، في حين أن الجينات الكاذبة هي عناصر الحمض النووي التي تنتقل عن طريق المشاركة في اختيار آلية نسخ جينات الحمض النووي الريبي. ومع ذلك ، هناك دراسات تشير إلى أن العناصر القابلة للنقل الرجعي مثل العناصر النووية قصيرة التداخل ليست قادرة فقط على نسخ نفسها في مناطق بديلة في الجينوم ولكنها أيضًا قادرة على القيام بذلك للجينات العشوائية أيضًا. [45] [46] وبالتالي يمكن أن تلعب SINEs دورًا حيويًا في توليد الجينات الخادعة ، والتي من المعروف أنها تشارك في الشبكات التنظيمية. ربما تكون هذه وسيلة أخرى تمكنت من خلالها SINEs من التأثير والمساهمة في تنظيم الجينات.


شاهد الفيديو: كيف يتم حزم الحمض النووي Advanced (شهر فبراير 2023).