اقرأ في هذا المقال
مفهوم التعبير الجيني:
تقوم الجينات بترميز البروتينات التي تملي وظيفة الخلية، لذلك فإن آلاف الجينات المعبر عنها في خلية معينة تحدد ما يمكن أن تفعله هذه الخلية، علاوة على ذلك فإن كل خطوة في تدفق المعلومات من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي إلى البروتين تزود الخلية أيضًا بنقطة تحكم محتملة للتنظيم الذاتي لوظائفها، وذلك عن طريق ضبط كمية ونوع البروتينات التي تصنعها.
في أي وقت تعكس كمية بروتين معين في الخلية التوازن بين المسارات الكيميائية الحيوية الاصطناعية والمتحللة لهذا البروتين، على الجانب التركيبي لهذا التوازن، حيث أن إنتاج البروتين يبدأ بالنسخ (DNA إلى RNA) ويستمر في الترجمة (RNA) إلى بروتين، وبالتالي فإن التحكم في هذه العمليات يلعب دورًا مهمًا في تحديد البروتينات الموجودة في الخلية وبأي كميات بالإضافة إلى ذلك، فإن الطريقة التي تعالج بها الخلية نسخ (RNA) الخاصة بها والبروتينات الجديدة تؤثر أيضًا بشكل كبير على مستويات البروتين.
كيف يتم تنظيم التعبير الجيني؟
تعكس كميات وأنواع جزيئات الرنا المرسال في الخلية وظيفة تلك الخلية، وفي الواقع يتم إنتاج آلاف النصوص كل ثانية في كل خلية، إذ بالنظر إلى هذه الإحصائية فليس من المستغرب أن تكون نقطة التحكم الأساسية للتعبير الجيني عادة في بداية عملية إنتاج البروتين – بدء النسخ، حيث يجعل نسخ الحمض النووي الريبي نقطة تحكم فعالة؛ لأنه يمكن صنع العديد من البروتينات من جزيء واحد من الرنا المرسال.
توفر معالجة النسخ مستوى إضافيًا من التنظيم لحقيقيات النوى، كما أن وجود نواة يجعل ذلك ممكنًا، أما في بدائيات النوى تبدأ ترجمة النص قبل اكتمال النص نظرًا لقرب الريبوسومات من جزيئات الرنا المرسال الجديدة، ومع ذلك في حقيقيات النوى يتم تعديل النصوص في النواة قبل تصديرها إلى السيتوبلازم للترجمة.
تعتبر نسخ حقيقيات النوى أيضًا أكثر تعقيدًا من نسخ بدائية النواة على سبيل المثال، تحتوي النسخ الأولية التي تم تصنيعها بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي على متواليات لن تكون جزءًا من الحمض النووي الريبي الناضج، وتسمى هذه التسلسلات المتداخلة إنترونات، وتتم إزالتها قبل أن يغادر الرنا المرسال الناضج النواة، كما تسمى المناطق المتبقية من النسخة والتي تشمل مناطق ترميز البروتين (exons) ويتم تقطيعها معًا لإنتاج (mRNA) الناضج، ويتم أيضًا تعديل نسخ حقيقيات النوى في نهاياتها مما يؤثر على استقرارها وترجمتها.
بالطبع هناك العديد من الحالات التي يجب أن تستجيب فيها الخلايا بسرعة للظروف البيئية المتغيرة، وفي هذه الحالات قد تأتي نقطة التحكم التنظيمية بعد النسخ بشكل جيد، على سبيل المثال يعتمد التطور المبكر في معظم الحيوانات على التحكم الترجمي لأن القليل جدًا من النسخ يحدث أثناء الانقسامات الخلوية القليلة الأولى بعد الإخصاب، لذلك يحتوي البيض على العديد من نسخ (mRNA) التي نشأت من الأم كاحتياطي جاهز للترجمة بعد الإخصاب.
على الجانب التدريجي للتوازن يمكن للخلايا أن تعدل بسرعة مستويات البروتين الخاصة بها من خلال الانهيار الأنزيمي لنصوص الحمض النووي الريبي وجزيئات البروتين الموجودة، إذ أن كل من هذه الإجراءات تؤدي إلى انخفاض كميات بعض البروتينات، وفي كثير من الأحيان يرتبط هذا التقسيم بأحداث معينة في الخلية.
تقدم دورة الخلية حقيقية النواة مثالًا جيدًا على كيفية ارتباط انهيار البروتين بالأحداث الخلوية، حيث تنقسم هذه الدورة إلى عدة مراحل تتميز كل منها ببروتينات السيكلين المتميزة التي تعمل كمنظمين رئيسيين لتلك المرحلة، وقبل أن تتمكن الخلية من التقدم من مرحلة واحدة من دورة الخلية إلى المرحلة التالية يجب أن تتحلل من (cyclin)، الذي يميز تلك المرحلة المعينة من الدورة، والفشل في تحطيم (cyclin) يوقف الدورة من الاستمرار.
كيف تعبر الخلايا المختلفة عن الجينات التي تحتاجها؟
يتم التعبير عن جزء بسيط فقط من الجينات في الخلية في أي وقت، حيث ينشأ تنوع ملامح التعبير الجيني المميزة لأنواع الخلايا المختلفة لأن هذه الخلايا لديها مجموعات مميزة من منظمات النسخ، ويعمل بعض هؤلاء المنظمين على زيادة النسخ في حين أن البعض الآخر يمنعه أو يقمعه.
عادة يبدأ النسخ عندما يرتبط (RNA polymerase) بما يسمى تسلسل المحفز على جزيء (DNA)، ويقع هذا التسلسل دائمًا في اتجاه المنبع فقط من نقطة البداية للنسخ، على الرغم من أنه يمكن تحديد موقعه في اتجاه مجرى (mRNA)، في السنوات الأخيرة اكتشف الباحثون أن تسلسلات الحمض النووي الأخرى المعروفة باسم تسلسل المحسن تلعب أيضًا دورًا مهمًا في النسخ من خلال توفير مواقع ربط للبروتينات التنظيمية التي تؤثر على نشاط بوليميريز الحمض النووي الريبي.
يؤدي ربط البروتينات التنظيمية إلى تسلسل مُحسِّن إلى حدوث تحول في بنية الكروماتين التي إما تعزز أو تمنع ارتباط بوليميراز (RNA) وعامل النسخ، إذ يرتبط هيكل الكروماتين الأكثر انفتاحًا بنسخ الجينات النشط وفي المقابل يرتبط هيكل كروماتين أكثر إحكاما بعدم نشاط النسخ.
تؤثر بعض البروتينات التنظيمية على نسخ جينات متعددة، ويحدث هذا بسبب وجود نسخ متعددة من مواقع ربط البروتين التنظيمية داخل جينوم الخلية وبالتالي، يمكن أن يكون للبروتينات التنظيمية أدوار مختلفة للجينات المختلفة، وهذه إحدى الآليات التي يمكن للخلايا من خلالها تنسيق تنظيم العديد من الجينات في وقت واحد.
تغير التعبير الجيني استجابة للتغير البيئي:
في بدائيات النوى غالبًا ما يتم التحكم في البروتينات التنظيمية من خلال توافر المغذيات، حيث يسمح هذا للكائنات الحية مثل البكتيريا بتعديل أنماط نسخها بسرعة استجابة للظروف البيئية، بالإضافة إلى ذلك عادةً ما توجد المواقع التنظيمية على الحمض النووي بدائيات النواة بالقرب من مواقع محفز النسخ، وهذا يلعب دورًا مهمًا في التعبير الجيني.
للحصول على مثال لكيفية عمل ذلك يتم تخيل وجود بكتيريا بها فائض من الأحماض الأمينية التي تشير إلى تشغيل بعض الجينات وإيقاف جينات أخرى، إذ في هذا المثال بالذات قد ترغب الخلايا في تشغيل جينات البروتينات التي تقوم باستقلاب الأحماض الأمينية وإيقاف جينات البروتينات التي تصنع الأحماض الأمينية.
قد ترتبط بعض هذه الأحماض الأمينية ببروتينات تنظيمية إيجابية تسمى المنشطات، وترتبط بروتينات المنشط بالمواقع التنظيمية على الحمض النووي القريبة من مناطق المحفز التي تعمل كمفاتيح تشغيل وإيقاف، ويسهل هذا الارتباط نشاط بوليميريز (RNA) ونسخ الجينات القريبة ومع ذلك في الوقت نفسه، ترتبط الأحماض الأمينية الأخرى ببروتينات تنظيمية سلبية تسمى المثبطات، والتي بدورها ترتبط بالمواقع التنظيمية في الحمض النووي التي تمنع ارتباط بوليميراز الحمض النووي الريبي بشكل فعال.
يعتبر التحكم في التعبير الجيني في حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا من ذلك في بدائيات النوى وبشكل عام، يتم تضمين عدد أكبر من البروتينات التنظيمية، وقد تكون مواقع الربط التنظيمي بعيدة جدًا عن مواقع محفز النسخ أيضًا، عادةً ما يتم تنظيم التعبير الجيني حقيقي النواة من خلال مجموعة من البروتينات التنظيمية المتعددة التي تعمل معًا، مما يسمح بمزيد من المرونة في التحكم في التعبير الجيني.
