معلومة

2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_25 - علم الأحياء

2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_25 - 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.

أهداف التعلم المرتبطة بـ 2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_25

  • بالنظر إلى العقيدة المركزية ، اقترح أساسًا منطقيًا للحاجة إلى تنظيم كل خطوة ، بما في ذلك تحلل الجزيء الحيوي.
  • بالنظر إلى المعلومات المتعلقة بالتنظيم الخيفي لبروتين ربط الحمض النووي ، توقع تأثير تغيير تركيز المنظم الخيفي على ارتباط عامل النسخ بعنصر تنظيمي.
  • وصف أدوار كل من المنظمين النسبيين الإيجابي والسلبي في التحكم في التعبير الجيني.
  • ارسم نماذج تساعد في شرح كيف أن الارتباط الخيفي للجزيئات الصغيرة بعوامل النسخ ذات التأثير الإيجابي والسلبي يمكن أن يفسر في كلتا الحالتين قدرتها على "رفع" أو "رفض" النسخ بطريقة تعتمد على تركيز جزيء صغير.

أمثلة على تنظيم الجينات البكتيرية

يصف هذا القسم مثالين على تنظيم النسخ في البكتيريا. كن على اطلاع في الفصل وفي المناقشة وفي أدلة الدراسة للحصول على امتدادات لهذه الأفكار واستخدمها لشرح الآليات التنظيمية المستخدمة لتنظيم الجينات الأخرى.

أمثلة على تنظيم الجينات في بكتريا قولونية

الحمض النووي للبكتيريا والعتيقةعادة ما تكون منظمةفي كروموسومات دائرية واحدة أو أكثر في السيتوبلازم. التجميع الكثيف للحمض النووي يمكنه ذلكيرىفي صورة مجهرية إلكترونيةيسمىالنواة. في البكتيريا والعتائقالجيناتالذي يحتاج تعبيرهأن تكون منسقة بإحكام(على سبيل المثال ، ترميز الجينات البروتينات المشاركة في نفس المسار البيوكيميائي)غالبًا ما يتم تجميعهامعا بشكل وثيق في الجينوم. عند التعبير عن جينات متعددةيتم التحكم فيهبواسطة نفس المروج ونسخة واحدةويتم إنتاجوحدات التعبير هذهوتسمىأوبرا. على سبيل المثال ، في البكتيريا الإشريكية القولونية هي جميع الجينات اللازمة لاستخدام اللاكتوزمشفرةبجانب بعضها البعض في الجينوم. نسمي هذا الترتيب اللاكتوز (أو لاك) مشغل. في العديد من البكتيريا والعتائق ما يقرب من 50٪ من جميع الجيناتمشفرةفي أوبرا من اثنين أو أكثر من الجينات.

دور المروج

المستوى الأول من السيطرة على التعبير الجيني هو في المروج نفسه. يقوم بعض المروجين بتجنيد بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA) ويحولون أحداث ربط بروتين الدنا إلى نسخ أكثر كفاءة من المحفزات الأخرى. هذه الخاصية الجوهرية للمُروّج ، هي قدرته على إنتاج نسخة بمعدل معين ،يشار إليهكأنالمروجينالخضوع ل. أقوى المروج ،كلما زاد إنتاج الحمض النووي الريبيفي أي فترة زمنية معينة. يمكن لقوة المروجكن علي نفس الموجة"بواسطة Nature inصغير جداأو خطوات كبيرة جدًا عن طريق تغيير تسلسل النوكليوتيدات للمحفز (على سبيل المثال تحوير المحفز). ينتج عن هذا عائلات من المروجين يتمتعون بنقاط قوة مختلفةاستخدمت لالتحكم في الحد الأقصى لمعدل التعبير الجيني لجينات معينة.

اتصال جامعة كاليفورنيا في ديفيس الجامعية:

استخدمت مجموعة من طلاب جامعة كاليفورنيا في ديفيس المهتمين بالبيولوجيا التركيبية هذه الفكرة لإنشاء مادة تركيبيةالمروجينمكتبات الميكروبات الهندسية كجزء من مشروع تصميمها لعام 2011 iGEM منافسة.

المثال رقم 1: Trp Operon

منطق تنظيم التخليق الحيوي للتربتوفان

بكتريا قولونية، مثل جميع الكائنات الحية ، تحتاج إما إلى تصنيع أو استهلاك الأحماض الأمينية للبقاء على قيد الحياة. الأحماض الأمينية التربتوفان هو أحد هذه الأحماض الأمينية. E. القولونية يمكن إما استيراد التربتوفان من البيئة (تناول ما يمكنه تنظيفه من العالم من حوله) أو تصنيع التربتوفان من جديد باستخدام الإنزيمات المشفرة بخمس جينات. هذه الجينات الخمسةيقيمبجانب بعضها البعض في بكتريا قولونية الجينوم في ما نسميه التربتوفان (trp) الاوبرون (الشكل أدناه). إذا كان التربتوفان موجودًا في البيئة ، إذن بكتريا قولونية لا تحتاج إلى توليفها والمفتاح الذي يتحكم في تنشيط الجينات في trp أوبرون يغلق. ومع ذلك ، عندما يكون توافر التربتوفان البيئي منخفضًا ، فإن المفتاح يتحكم في المشغليتم تشغيلتشغيل،بدأ النسخ، الجيناتمعبر عنهم، والكائن الحي يصنع التربتوفان. انظر الشكل والفقرات أدناه للحصول على شرح آلي.

تنظيم trp أوبرون

الجينات الخمسة التي تشفر إنزيمات التخليق الحيوي للتربتوفان

إنها مرتبة

بالتتابع على الكروموسوم وتحت سيطرة مروج واحد - أي الانتقاء الطبيعي

نظمت هذهالجينات

في الاوبرون. فقط قبل منطقة الترميز هي موقع بدء النسخ. هذا ، كما يوحي الاسم ، هو المكان الذي يبدأ فيه بوليميراز الحمض النووي الريبي نسخة جديدة. تسلسل المروج هو مزيد من المنبع لموقع بدء النسخ.

تسلسل DNA يسمى "المشغل"

مشفر أيضا

بين المروج والأول trp جين الترميز. هذه المشغل أو العامل هو تسلسل الحمض النووي الذي سيرتبط به بروتين عامل النسخ.

بعض التفاصيل الإضافية المتعلقة بمواقع ربط TF

يجب أن نلاحظ أن استخدام مصطلح "المشغل" يقتصر على عدد قليل من الأنظمة التنظيمية ودائمًا ما يشير إلى موقع الربط لعامل النسخ الذي يعمل بشكل سلبي. من الناحية المفاهيمية ، ما تحتاج إلى تذكره هو أن هناك مواقع على الحمض النووي تتفاعل مع البروتينات المنظمة ، مما يسمح لها بأداء وظيفتها المناسبة (مثل قمع أو تنشيط النسخ). سوف يتكرر هذا الموضوع عالميًا عبر علم الأحياء سواء كان مصطلح "المشغل"

يستخدم

.

في حين أن الأمثلة المحددة التي ستعرضها تصور مواقع ربط TF في مواقعها المعروفة ، فإن هذه المواقع ليست عالمية لجميع الأنظمة. يمكن أن تختلف مواقع ربط عامل النسخ في الموقع بالنسبة إلى المروج. هناك بعض الأنماط (على سبيل المثال ، غالبًا ما تكون الجهات التنظيمية الإيجابية في مقدمة المروج والهيئات التنظيمية السلبية تربطها بالمصب) ، ولكن هذه التعميمات ليست صحيحة بالنسبة لجميع الحالات. مرة أخرى ، الشيء الأساسي الذي يجب تذكره هو أن عوامل النسخ (سواء كانت إيجابية أو سلبية) لها مواقع ارتباط تتفاعل معها للمساعدة في تنظيم بدء النسخ بواسطة بوليميريز الحمض النووي الريبي.

الجينات الخمسة التي تتطلب توليف التربتوفان في مجموعة E. coli بجانب بعضها البعض فيtrpأوبرون. عندما يكون التربتوفان وفيرًا ، يرتبط جزيئان من التربتوفان بعامل النسخ ويسمحان لمركب TF-tryptophan بالارتباط عند تسلسل المشغل. هذا يمنع فعليًا بوليميريز الحمض النووي الريبي من نسخ جينات التخليق الحيوي للتربتوفان. عندما يكون التربتوفان غائبًا ، لا يرتبط عامل النسخ بالمشغل ويتم نسخ الجينات.
الإسناد:مارك ت. Facciotti (العمل الخاص)

تنظيم trp أوبرون

عندما يكون التربتوفان موجودًا في الخلية: يرتبط جزيئين من التربتوفان بـ trp بروتين مثبط. عندما يرتبط التربتوفان بعامل النسخ ، فإنه يتسبب في تغيير توافقي في البروتين الذي يسمح الآن لمركب TF-tryptophan بالارتباط بـ trp تسلسل المشغل. إن ارتباط معقد التربتوفان - المكبّر عند المشغل يمنع فيزيائيًا بوليميراز الحمض النووي الريبي من الارتباط ونسخ جينات المصب. عندما لا يكون التربتوفان موجودًا في الخلية ، لا يرتبط عامل النسخ بالمشغل ؛ لذلك ، يستمر النسخ ، جينات استخدام التربتوفان

يتم نسخها

وترجمته ، والتربتوفان

وهكذا يتم تصنيعه

.

نظرًا لأن عامل النسخ يرتبط بشكل فعال بالمشغل للحفاظ على إيقاف تشغيل الجينات ، فإن trp أوبرون

ويقال

إلى

أن تكون "منظمة بشكل سلبي

"والبروتينات التي ترتبط بالمشغل لإسكات الصوت trp التعبير المنظمين السلبيين.


مناقشة ملحوظة محتملة نقطة

لنفترض أن الطبيعة اتخذت نهجًا مختلفًا لتنظيم عامل trp. اقتراح طريقة لتنظيم التعبير عن trp مشغل مع منظم إيجابي بدلاً من منظم سلبي. صف كيف يمكن أن يعمل هذا. (ملحوظة: نسأل هذا النوع من الأسئلة في الامتحانات)


رابط خارجي

شاهد هذا الفيديو لمعرفة المزيد عن trp أوبرون.

المثال الثاني: ملف لاك أوبرون

الأساس المنطقي لدراسة لاك أوبرون

في هذا المثال ، ندرس تنظيم الجينات التي تشفر البروتينات التي يتمثل دورها الفسيولوجي في استيراد واستيعاب اللاكتوز ثنائي السكاريد ، لاك أوبرون. قصة التنظيم لاك operon هو مثال شائع يستخدم في العديد من فصول البيولوجيا التمهيدية لتوضيح المبادئ الأساسية لتنظيم الجينات المحرض. نصف هذا المثال ثانيًا لأنه ، في تقديرنا ، أكثر تعقيدًا من المثال السابق الذي يتضمن نشاط عامل نسخ واحد يعمل بشكل سلبي.

على النقيض من ذلك ، فإن

تنظيم لاك يعد operon مثالًا رائعًا على كيفية قيام النشاط المنسق لكل من المنظمين الموجبين والسلبيين حول نفس المروج بدمج عدة مصادر مختلفة للمعلومات الخلوية لتنظيم التعبير عن الجينات.

أثناء استعراض هذا المثال ، ضع في اعتبارك النقطة الأخيرة. بالنسبة للعديد من مدربي Bis2a ، من المهم بالنسبة لك أن تتعلم لاك أوبرون قصة والمبادئ التوجيهية مما هو عليه الحال بالنسبة لك لحفظ الجدول المنطقي الموضح أدناه. عندما يكون هذا هو الحال ، فعادة ما يخبرك المدرب بذلك. غالبًا ما لا يقوم هؤلاء المعلمون عن عمد بتضمين أسئلة الامتحان حول لاك أوبرون. بدلاً من ذلك ، سيختبرونك حول ما إذا كنت قد فهمت المبادئ الأساسية التي تقوم عليها الآليات التنظيمية التي تدرسها باستخدام مثال lac operon. إذا لم يكن واضحًا ما يريده المعلم ، فاسأل.

استخدام اللاكتوز

اللاكتوز هو ثنائي السكاريد يتكون من الجلوكوز والسداسي الجالاكتوز. عادة ما نواجه اللاكتوز في الحليب وبعض منتجات الألبان. كما يمكن للمرء أن يتخيل ، يمكن أن يكون السكاريد مادة غذائية مهمة للميكروبات التي يمكن أن تستخدم سداسيتيها. القولونية يمكن استخدام العديد من السكريات المختلفة كمصادر للطاقة والكربون ، بما في ذلك

اللاكتوز

و ال لاك أوبرون هي بنية ترميز الجينات الضرورية

يستحوذ على

ومعالجة اللاكتوز من البيئة المحلية. القولونيةومع ذلك ، لا تصادف في كثير من الأحيان اللاكتوز ، وبالتالي جينات لاك يجب أن أوبرون عادة

يتم قمعها

(أي "متوقف") عند غياب اللاكتوز. يؤدي نسخ هذه الجينات عند غياب اللاكتوز إلى إهدار الطاقة الخلوية الثمينة.

على النقيض من ذلك ، متى

اللاكتوز موجود ، سيكون منطقيًا للجينات المسؤولة عن استخدام السكر

كن معبرا

(أي "قيد التشغيل"). حتى الآن ، القصة مشابهة جدًا لقصة أوبرا التربتوفان الموصوف أعلاه.

ومع ذلك، هناك كمية الصيد. التجارب التي أجريت في

1950

من قبل جاكوب ومونود أظهر ذلك بكتريا قولونية يفضل استخدام كل الجلوكوز الموجود في البيئة قبل أن يستخدم اللاكتوز. هذا يعني أن الآلية المستخدمة لاتخاذ القرار

سواء ذلك او

للتعبير عن جينات استخدام اللاكتوز يجب أن تكون قادرة على دمج نوعين من المعلومات (1) تركيز الجلوكوز و (2) تركيز اللاكتوز. في حين أن هذا يمكن من الناحية النظرية

أن يتحقق

بطرق متعددة ، سوف نفحص كيف لاك ينجز Operon هذا باستخدام عوامل النسخ المتعددة.

المنظمون النسخ من لاك أوبرون

ال لاك مثبط - جهاز استشعار مباشر للاكتوز

كما لوحظ ، فإن لاك أوبرون عادة ما يكون منخفضًا جدًا أو لا ينتج نسخًا في حالة عدم وجود اللاكتوز. هذا بسبب عاملين: (1) قوة المروج التأسيسية للأوبون منخفضة نسبيًا و (2) يؤثر الوجود المستمر لبروتين مثبط LacI سلبًا على النسخ. يرتبط هذا البروتين بموقع المشغل بالقرب من المروج ويمنع RNA polymerase من نسخ لاك جينات الأوبيرون.على النقيض من ذلك ، إذااللاكتوز موجود ، وسيرتبط اللاكتوز ببروتين LacI ، مما يؤدي إلى تغيير توافقي يمنع مركب LacI-lactose من الارتباط بمواقع الارتباط الخاصة به. لذلك ، عندما يكون اللاكتوز موجودًا ، يكون اللاكتوز التنظيمي السلبيغير ملزمإلى موقع الارتباط الخاص به ويمكن أن يستمر نسخ اللاكتوز باستخدام الجينات.

بروتين CAP - جهاز استشعار غير مباشر للجلوكوز

في بكتريا قولونية، عندما تنخفض مستويات الجلوكوز ، الجزيء الصغير AMP دوري (معسكر) يتراكم في الخلية.

معسكر

هو جزيء إشارة شائع

متورط

في استقلاب الجلوكوز والطاقة في العديد من الكائنات الحية. عندما تنخفض مستويات الجلوكوز في الخلية ، تزداد تركيزات

معسكر

السماح لهذا المركب بالالتزام بمنظم النسخ الموجب المسمى بروتين منشط الكاتابوليت (CAP) - يشار إليها أيضًا باسم CRP.

معسكر

يحتوي مجمع -CAP على العديد من المواقع في جميع أنحاء بكتريا قولونية الجينوم والعديد من هذه المواقع

تقع

بالقرب من مروجي العديد من العوامل التي تتحكم في معالجة السكريات المختلفة.

في ال لاك أوبرون

معسكر

-CAP موقع ملزم

يقع

المنبع من المروج. تجليد

معسكر

-CAP للحمض النووي يساعد على تجنيد وإبقاء بوليميريز الحمض النووي الريبي في المروج. زيادة شغل بوليميراز الحمض النووي الريبي لمروجها

، بالمقابل،

يؤدي إلى زيادة مخرجات النسخ. هنا ، يعمل بروتين CAP كمنظم إيجابي.

لاحظ أن CAP-

معسكر

يمكن للمركب ، في عوامل أخرى ، أن يعمل أيضًا كمنظم سلبي اعتمادًا على مكان موقع الربط لـ CAP-

معسكر

مركب

يقع

بالنسبة إلى موقع ربط بوليميراز الحمض النووي الريبي.

وضع كل ذلك معًا: حث التعبير عن أوبرون lac

بالنسبة إلى لاك مشغل ليتم تفعيلها,يجب استيفاء شرطين. أولاً ، يجب أن يكون مستوى الجلوكوز منخفضًا جدًا أو غير موجود. ثانيًا ، يجب أن يكون اللاكتوز موجودًا. فقط عندما يغيب الجلوكوز ويوجد اللاكتوز ، سوف يفعل ذلكاللاكأوبرونيتم نسخها. عندما يكون هذا الشرطيتحققالأنا- يفصل مجمع اللاكتوز المنظم السلبي عن قرب المحفز ، ويحرر بوليميراز الحمض النووي الريبي لنسخ جينات الأوبرا. عاليمعسكر(تدل بشكل غير مباشر على انخفاض مستوى الجلوكوز) تؤدي إلى تكوين CAP-معسكرمركب. يرتبط زوج محفز TF هذا الآن بالقرب من المروج ويتصرفلتجنيد إيجابيبوليميراز الحمض النووي الريبي. هذا التأثير الإيجابي الإضافي يعزز إخراج النسخويمكن اللاكتوزيتم استخدامها بكفاءة.يتم وصف المخرجات الآلية للتركيبات الأخرى من حالات الجلوكوز واللاكتوز الثنائيةفي الجدول أدناه وفي الشكل التالي.

جدول الحقيقة لـ Lac Operon

النسخ من lac operonيتم تنظيمه بعنايةبحيث يحدث تعبيره فقط عند الجلوكوزمحدودةواللاكتوز موجود ليكون بمثابة مصدر بديل للوقود.
الإسناد:مارك ت. Facciotti (العمل الخاص)

الإشارات التي تحفز أو تقمع نسخ ملف لاك مشغل
الجلوكوزيربط CAPاللاكتوزالقامع يربطالنسخ
+--+لا
+-+-بعض
-+-+لا
-++-نعم

عرض أكثر دقة لوظيفة مثبط lac

يصف وصف وظيفة مثبط lac بشكل صحيح منطق آلية التحكم المستخدمة حوللاكالمروجين. ومع ذلك ، فإن الوصف الجزيئي لمواقع الربط مفرط في التبسيط. في الواقع ، يحتوي برنامج lac repressor على ثلاثة مواقع ربط متشابهة ، ولكن ليست متطابقة ، تسمى المشغل 1 ، والمشغل 2 ، والمشغل 3. المشغل 1 قريب جدًا من موقع بدء النص (يُشار إليه +1).يقع المشغل 2حوالي + 400nt في منطقة الترميز الخاصة بـلاكزبروتين.يقع المشغل 3حوالي -80nt قبل موقع بدء النص ("خارج" موقع ربط CAP).

منطقة تنظيم lac operon التي تصور المروج وثلاثة مشغلي lac وموقع ربط CAP.تظهر منطقة الترميز لبروتين Lac Z أيضًابالنسبة لتسلسل المشغل. لاحظ أن اثنين من المشغلين موجودان في منطقة ترميز البروتين - هناك عدة عوامل مختلفةانواع منالمعلومات المشفرة في نفس الوقت في الحمض النووي.
الإسناد:مارك ت. Facciotti (العمل الخاص)

يصور tetramer lac repressor (الأزرق) ربط اثنين من المشغلين على حبلا من DNA حلقي (برتقالي).
الإسناد:مارك ت. Facciotti (العمل الخاص) - مقتبس من Goodsell (https://pdb101.rcsb.org/motm/39)

تنظيم الجينات حقيقية النواة

نظرة عامة على اللوائح

كما لوحظ سابقًا ، فإن التنظيم يدور حول اتخاذ القرار. تنظيم الجينات ، كموضوع عام ، يتعلق ب

اتخاذ القرار

حول التعبير الوظيفي للمادة الجينية. سواء كان المنتج النهائي هو نوع من أنواع الحمض النووي الريبي أو بروتينًا ، فإن إنتاج المنتج النهائي المعبر عنه يتطلب عمليات تتخذ خطوات متعددة. لقد أمضينا بعض الوقت في مناقشة بعض هذه الخطوات (مثل النسخ والترجمة) وبعض الآليات التي تستخدمها الطبيعة لاستشعار المعلومات الخلوية والبيئية لتنظيم بدء النسخ.

عندما ناقشنا مفهوم المروجين القوي والضعيف ، قدمنا ​​فكرة أن تنظيم كمية (عدد الجزيئات) من النسخة المنتجة من المروج في وحدة زمنية معينة قد يكون مهمًا أيضًا للوظيفة. لا ينبغي أن يكون هذا مفاجئًا تمامًا. بالنسبة للجين المشفر للبروتين ، فكلما زاد عدد النسخ ، زادت القدرة على إنتاج المزيد من البروتين. قد يكون هذا مهمًا عندما يكون صنع الكثير من إنزيم معين مفتاحًا للبقاء. في حالات أخرى ، تحتاج الخلية فقط إلى القليل من بروتين معين ، وبالتالي فإن إنتاج الكثير من البروتين سيكون إهدارًا للموارد الخلوية.

هنا

، قد تفضل الخلية مستويات منخفضة من النسخ. يمكن للمروجين من مختلف القوى تلبية هذه الاحتياجات المتفاوتة. فيما يتعلق برقم النص ، ذكرنا أيضًا بإيجاز أن التوليف ليس الطريقة الوحيدة لتنظيم الوفرة. عمليات التدهور مهمة أيضًا في الاعتبار.

في هذا القسم ، نضيف إلى هذه الموضوعات من خلال التركيز على العمليات التنظيمية حقيقية النواة. على وجه التحديد ، نحن نفحص - وأحيانًا نعيد فحص - الخطوات المتعددة المطلوبة للتعبير عن المادة الجينية في الكائنات حقيقية النواة في

سياق

اللائحة. لا نريدك فقط أن تفكر في العمليات ولكن أيضًا أن تدرك أن كل خطوة في عملية التعبير هي أيضًا فرصة لضبط ليس فقط وفرة نسخة أو بروتين ولكن أيضًا حالته الوظيفية أو شكله (أو متغيره) ، و / أو الاستقرار. قد يكون كل من هذه العوامل الإضافية أيضًا مهمًا بشكل حيوي للنظر فيه للتأثير على وفرة المتغيرات الوظيفية المحددة المشروطة.

الاختلافات الهيكلية بين الخلايا البكتيرية وحقيقية النواة التي تؤثر على تنظيم الجينات

السمة المميزة للخلية حقيقية النواة هي النواة ، وهي عبارة عن غشاء مزدوج يحيط بالمادة الوراثية للخلية. من أجل ملاءمة الحمض النووي للكائن الحي بكفاءة في المساحة المحصورة للنواة ، يتم تعبئة الحمض النووي أولاً وتنظيمه بواسطة البروتين في بنية تسمى الكروماتين. هذه العبوة للمواد النووية تقلل من الوصول إلى أجزاء معينة من الكروماتين. يتم حزم بعض عناصر الحمض النووي بإحكام بحيث لا تستطيع آلية النسخ الوصول إلى المواقع التنظيمية مثل المروجين. هذا يعني أن أحد المواقع الأولى لتنظيم النسخ في حقيقيات النوى يجب أن يكون التحكم في الوصول إلى الحمض النووي نفسه. يمكن أن تخضع بروتينات الكروماتين لتعديل إنزيمي يمكن أن يؤثر على ما إذا كانت ترتبط بإحكام (وصول نسخ محدود) أو بشكل أكثر مرونة (وصول نسخ أكبر) إلى جزء من الحمض النووي

.

عملية التعديل هذه - أي اتجاه

يعتبر

الأول - قابل للعكس. لذلك ، يمكن للحمض النووي

يتم عزله ديناميكيًا

وإتاحته عندما "يحين الوقت".

يتضمن تنظيم التعبير الجيني في حقيقيات النوى أيضًا

قليلا من ال

نفس الآليات الأساسية الإضافية التي تمت مناقشتها في الوحدة النمطية حول التنظيم البكتيري (أي استخدام المروجين القوي أو الضعيف ، وعوامل النسخ ، والمُنهي ، وما إلى ذلك) ولكن العدد الفعلي للبروتينات المتضمنة يكون عادةً أكبر بكثير في حقيقيات النوى من البكتيريا أو العتائق.

المعالجة الأنزيمية بعد النسخ للـ RNA التي تحدث في النواة وتصدير الناضج

مرنا

إلى العصارة الخلوية هما فرقان إضافيان بين تنظيم الجينات البكتيرية وحقيقية النواة. سننظر في هذا المستوى من التنظيم بمزيد من التفصيل أدناه.

تصوير بعض الاختلافات الرئيسية بين عمليات التعبير الجيني البكتيري وحقيقية النواة. لاحظ في هذه الحالةحضور المعدّلات هيستون وهيستون ، تضفير ما قبلمرنا، وتصدير الحمض النووي الريبي الناضج من النواة كمفرق رئيسي بين الأنظمة البكتيرية وحقيقية النواة.
الإسناد:مارك ت. Facciotti (العمل الخاص)

تعبئة الحمض النووي والعلامات اللاجينية

الحمض النووي في الخلايا حقيقية النواةجرح بدقة، مطوية ومضغوطة في الكروموسومات بحيث تتناسب مع النواة. النواةينظم أيضًا الحمض النوويالبروتينات الرئيسيةيمكن بسهولة الوصول إلى شرائح محددة من الكروموسوماتكما هو مطلوب. ستكون مناطق الكروموسومات الأكثر ضغطًا أكثر صعوبة بالنسبة للبروتينات في الارتباط ، وبالتالي تؤدي إلى تقليل التعبير الجيني للجينات المشفرة في تلك المناطق. سيكون من السهل على البروتينات الوصول إلى المناطق المضغوطة بشكل فضفاض من الجينوم ، مما يزيد من احتمالية ذلكأسيتم نسخ الجين. نناقش هنا كيف تنظم الخلايا كثافة انضغاط الحمض النووي.

تعبئة الحمض النووي

المستوى الأول من التنظيم ، أو التعبئة ، هو لف خيوط الحمض النووي حولها هيستون البروتينات. تجمع الهيستونات وترتيب الحمض النووي في وحدات هيكلية تسمى النيوكليوزومات، والتي يمكنها التحكم في وصول البروتينات إلى مناطق معينة من الحمض النووي. تحت المجهر الإلكتروني ، فإن هذا اللف للحمض النووي حول بروتينات الهيستون لتشكيل الجسيمات النووية يشبه حبات صغيرة على خيط. يمكن لهذه الحبيبات (المجمعات النووية) أن تتحرك على طول السلسلة (DNA) لتغيير مناطق الحمض النووي التي يمكن الوصول إليها من خلال آلية النسخ. بينما يمكن للنيوكليوسومات أن تتحرك لفتح بنية الكروموسوم لفضح جزء من الحمض النووي ، فإنها تفعل ذلك بطريقة مسيطر عليها للغاية.

ينثني الحمض النووي حول بروتينات هيستون لإنشاء مجمعات نيوكليوسوم (أ). تتحكم هذه النيوكليوسومات في وصول البروتينات إلى الحمض النووي الأساسي. عندما ينظر إليها من خلال المجهر الإلكتروني (ب) ، تبدو النيوكليوسومات مثل خرز على خيط. (الائتمان "صورة مجهرية": تعديل العمل بواسطة كريس وودكوك)

تعديل هيستون

تعتمد كيفية تحرك بروتينات الهيستون على الإشارات الكيميائية الموجودة في كل من بروتينات الهيستون وعلى الحمض النووي. هذه الإشارات الكيميائية عبارة عن علامات كيميائية تضاف إلى بروتينات الهيستون والحمض النووي الذي يخبر الهيستونات إذا كان يجب أن تكون منطقة الكروموسومات "مفتوحة" أو "مغلقة". يوضح الشكل أدناه التعديلات على بروتينات الهيستون والحمض النووي. هذه العلامات ليست دائمة ، ولكن يجوزتضافأو إزالتها حسب الحاجة. إنها تعديلات كيميائية (مجموعات فوسفات أو ميثيل أو أسيتيل) ترتبط بأحماض أمينية معينة في بروتينات هيستون أو بالنيوكليوتيدات في الحمض النووي. العلامات لا تغير تسلسل قاعدة الحمض النووي ، لكنها هيفعليغير مدى إحكام جرح الحمض النووي حول بروتينات هيستون. الحمض النووي جزيء سالب الشحنة ؛ لذلك ، فإن التغييرات في شحنة هيستون ستغير مدى إحكام جرح جزيء الحمض النووي. عند عدم تعديلها ، يكون لبروتينات الهيستون شحنة موجبة كبيرة ؛ بإضافة تعديلات كيميائية مثل مجموعات الأسيتيل ، تصبح الشحنة أقل إيجابية.

يمكن أن تنزلق النيوكليوسومات على طول الحمض النووي. عندما النيوكليوسوماتمتباعدةمعًا (أعلى) ، لا يمكن لعوامل النسخ الارتباط ويتم تشغيل التعبير الجينيإيقاف. عندما النيوكليوسوماتمتباعدةمتباعدة (أسفل) ،يتعرض الحمض النووي. يمكن أن ترتبط عوامل النسخ ، مما يسمح بالتعبير الجيني. تؤثر التعديلات على الهيستونات والحمض النووي على التباعد بين الجسيمات النووية.


مناقشة ملحوظة محتملة نقطة

في مرحلة النضج اللاحقة لخلايا الحيوانات المنوية ، يتم استبدال الهستونات (التي تحتوي على أعداد كبيرة من الأحماض الأمينية اللايسينية) بالبروتامين ، وهي بروتينات نووية صغيرة غنية جدًا بأحماض الأرجينين الأمينية. يقال أن هذه العملية ضرورية لتكثيف رأس الحيوانات المنوية وتثبيت الحمض النووي. بناءً على هذه المعلومات ، ما هي المقارنات التي يمكنك إجراؤها بين البروتامين والهيستونات؟ لماذا من المهم وجود أعداد كبيرة من اللايسين والأرجينين في الهيستونات والبروتامين؟ ما هي الأسباب التي تعتقد أن البروتامين يحل محل الهستونات في الحيوانات المنوية وليس الخلايا الأخرى؟


تعديل الحمض النووي

يمكن أيضًا تعديل جزيء الحمض النووي نفسه. يحدث هذا في مناطق محددة جدًا تسمى جزر CpG. تمتد هذه الأزواج ذات التردد العالي من أزواج الدنا السيتوزين والغوانين ثنائي النوكليوتيد (CG) التي توجد غالبًا في مناطق المروج للجينات. عندما يكون هذا التكوين موجودًا ، يمكن ميثلة عضو السيتوزين في الزوج (يتم إضافة مجموعة الميثيل). يغير هذا التعديل كيفية تفاعل الحمض النووي مع البروتينات ، بما في ذلك بروتينات الهيستون التي تتحكم في الوصول إلى المنطقة. يتم لف مناطق الحمض النووي عالية الميثيل (مفرطة الميثيل) ذات الهيستونات المنزوعة الأسيتيل بإحكام وغير نشطة نسبيًا.

لا تؤدي التغييرات الجينية إلى تغييرات دائمة في تسلسل الحمض النووي. تغير التغييرات الوراثية اللاجينية بنية الكروماتين (معقد البروتين والحمض النووي) للسماح أو تمنع الوصول إلى نسخ الجينات. يمكن أن يؤدي تعديل الحمض النووي مثل الميثيل على نيوكليوتيدات السيتوزين إما إلى تجنيد البروتينات المثبطة التي تمنع وصول بوليميريز الحمض النووي الريبي إلى نسخالجينأو يمكنهم المساعدة في ضغط الحمض النووي لمنع وصول جميع البروتينات إلى تلك المنطقة من الجينوم. هذه التغييرات قابلة للانعكاس في حين أن الطفرات ليست ، ومع ذلك ، يمكن للتغييرات اللاجينية للكروموسوم أيضًاأن تكون موروثة.
مصدر:تم التعديلمن عند https: //researcherblogski.wordpress....ص/ dudiwarsito /

تنظيم التعبير الجيني من خلال إعادة تشكيل الكروماتينيسمىتنظيم الوراثة اللاجينية. الوراثة اللاجينية تعني "حول علم الوراثة". التغييرات التي تحدث لبروتينات الهيستون والحمض النووي لا تغير تسلسل النوكليوتيدات وليست دائمة. بدلاً من ذلك ، تكون هذه التغييرات مؤقتة (على الرغم من أنها غالبًا ما تستمر من خلال جولات متعددة من الانقسام الخلوي ويمكن أن يحدث ذلكأن تكون موروثة) وتعديل التركيب الكروموسومي (مفتوح أو مغلق) حسب الحاجة.

رابط خارجي

شاهد هذا الفيديو الذي يصف كيف يتحكم التنظيم اللاجيني في التعبير الجيني.

بنية الجينات حقيقية النواة ومعالجة الحمض النووي الريبي

هيكل الجينات حقيقية النواة

العديد من الجينات حقيقية النواة ، خاصة تلك التي تشفر منتجات البروتين ،مشفرةعلى الجينوم بشكل متقطع.المنطقة الترميز معطلةإلى أجزاء عن طريق التدخل في عناصر الجينات غير المشفرة. نحن نطلق على مناطق الترميز exons بينما تدخل العناصر غير المشفرةتسمىالإنترونات. الشكل أدناه يصور جين حقيقي النواة.

أجزاء الجين النموذجي حقيقيات النوى المتقطع. الإسناد:مارك ت. Facciotti (العمل الخاص)

تتضمن أجزاء من جين حقيقيات النوى العام عناصر مألوفة مثل المحفز والمنهي. بين هذين العنصرين ، تقوم المنطقة بترميز جميع عناصر الجين التي لديها القدرة على ذلك

يمكن ترجمتها

(ليس لديهم أكواد توقف) ، كما هو الحال في الأنظمة البكتيرية ،

يسمى

إطار القراءة المفتوح (ORF). محسن و / أو

كاتم الصوت

العناصر هي مناطق من الحمض النووي تقوم بتجنيد البروتينات المنظمة. يمكن أن تكون قريبة نسبيًا من المحفز ، كما هو الحال في الأنظمة البكتيرية ، أو آلاف النيوكليوتيدات. توجد أيضًا في العديد من النصوص البكتيرية ، توجد أيضًا مناطق غير مترجمة 5 'و 3' (UTRs). تقوم هذه المناطق من الجين بتشفير أجزاء من

نسخة طبق الأصل،

والتي ، كما تدل أسمائهم ،

لم تتم ترجمتها

والجلوس 5 'و 3' ، على التوالي ، إلى ORF. ترميز UTRs عادةً بعض العناصر التنظيمية المهمة لتنظيم النسخ أو خطوات التعبير الجيني التي تحدث بعد النسخ.

أنواع الحمض النووي الريبي الناتجة عن نسخ هذه الجينات هي أيضًا متقطعة وبالتالي يجب

تتم معالجتها

قبل الخروج من النواة إلى

يمكن ترجمتها

أو تستخدم في العصارة الخلوية كرنا ناضجة. في الأنظمة حقيقية النواة يتضمن ذلك تضفير الحمض النووي الريبي (RNA) ، وسد 5 '، و 3' انشقاق طرفي ، وعديد الأدينيل. هذه السلسلة من الخطوات هي عملية جزيئية معقدة يجب أن تحدث داخل الحدود المغلقة للنواة. توفر كل خطوة من هذه الخطوات فرصة لتنظيم وفرة النصوص المصدرة والأشكال الوظيفية التي ستتخذها هذه النصوص. في حين أن هذه ستكون موضوعات لدورات أكثر تقدمًا ، فكر في كيفية تأطيرها

قليلا من ال

الموضوعات التالية كمشكلات فرعية لتحدي التصميم للتنظيم الجيني. إذا لم يكن هناك شيء آخر ،

تبدأ في

نقدر الرقص الجزيئي المنسق للغاية الذي يجب أن يحدث للتعبير عن الجين وكيف أن هذا جزء مذهل من الهندسة التطورية.

5 'وضع حد أقصى

كما هو الحال في الأنظمة البكتيرية ، يجب على الأنظمة حقيقية النواة تجميع معقد ما قبل البدء في وحول تسلسل المحفز لبدء النسخ. تخدم المجمعات التي تتجمع في حقيقيات النوى العديد من الوظائف نفسها التي تؤديها تلك الموجودة في الأنظمة البكتيرية ، لكنها أكثر تعقيدًا بشكل ملحوظ ، حيث تشتمل على العديد من البروتينات المنظمة. يسمح هذا التعقيد الإضافي بتنظيم أكبر وتجميع البروتينات ذات الوظائف التي تحدث في الغالب في الأنظمة حقيقية النواة. إحدى هذه الوظائف الإضافية هي "تغطية" النصوص الوليدة.

في جينات ترميز البروتينات حقيقية النواة ، يتم إنتاج الحمض النووي الريبي لأول مرة

يسمى

قبل

مرنا

. تشير البادئة "pre" إلى أن هذا ليس mRNA الناضج الكامل الذي سيفعل

يمكن ترجمتها

وأنه يتطلب أولاً بعض المعالجة. يحدث التعديل المعروف باسم 5'-capping بعد

مرنا

حوالي 20-30 نيوكليوتيدات طويلة. في هذه المرحلة ، يتلقى ما قبل الحمض النووي الريبي عادةً أول تعديل له بعد النسخ ، وهو 5'-cap. "الغطاء" هو تعديل كيميائي - أ 7-

ميثيل جوانوزين

- التي يتم تحفيز إنزيمي لإضافتها إلى نهاية النسخة 5 بوصات بواسطة إنزيمات متعددة تسمى مجمع إنزيم السد (CEC) وهي مجموعة من الإنزيمات المتعددة التي تنفذ خطوات متسلسلة تشارك في إضافة غطاء 5 بوصات. يرتبط CEC ببوليميراز RNA في وقت مبكر جدًا من النسخ وينفذ تعديلًا لـ 5 'ثلاثي الفوسفات ، النقل اللاحق لـ GTP

لهذة النهاية

(توصيل النيوكليوتيدات باستخدام رابط فريد من 5'-to-5 ') ، ومثيلة الغوانين المنقولة حديثًا ، وفي بعض النسخ ، التعديلات الإضافية على النيوكليوتيدات القليلة الأولى. يبدو أن غطاء 5 هذا يعمل عن طريق حماية النسخة الناشئة من التدهور و

بسرعة ملزمة

بواسطة بروتينات ربط الحمض النووي الريبي المعروفة باسم مجمع ربط الغطاء (CBC). هناك بعض الأدلة على أن هذا التعديل والبروتينات المرتبطة به يلعبان دورًا في استهداف النسخة للتصدير من النواة. إن حماية الحمض النووي الريبي الناشئ من التدهور ليس مهمًا فقط للحفاظ على الطاقة المستثمرة في تكوين

نسخة طبق الأصل

لكن

من الواضح أنه متورط

في تنظيم وفرة

تعمل بكامل طاقتها

نسخ ذلك

ويتم إنتاج

.

وعلاوة على ذلك، فإن

دور الـ 5'-cap في توجيه النص للتصدير سيساعد بشكل مباشر ليس فقط في تنظيم كمية النسخة التي

مصنوع

لكن ربما

أكثر أهمية،

مقدار النص ذلك

يتم تصديره

إلى السيتوبلازم الذي لديه القدرة على

يمكن ترجمتها

.

هيكل نموذجي 7-ميثيلجوانيلاتقبعة. الإسناد:مارك ت. Facciotti (العمل الخاص)

الربط النصي

يجب أن تعالج الخلايا النسخ الوليدة إلى RNAs ناضجة عن طريق الانضمام إلى exons وإزالة الإنترونات المتداخلة. أنهم

أنجز هذا

باستخدام مركب متعدد المكونات من الحمض النووي الريبي والبروتينات تسمى spliceosome. يتجمع مجمع spliceosome في النسخة الوليدة ، وفي أغلب الأحيان يتخذ قرارات بشأن الإنترونات التي يجب دمجها في نسخة ناضجة

مصنوعة

عند هذه النقطة. كيف هذه القرارات

مصنوعةلا يزال غير مفهوم تماما

ولكنه ينطوي على التعرف على تسلسل الحمض النووي المحدد في مواقع لصق بواسطة الحمض النووي الريبي وأنواع البروتين والعديد من الأحداث التحفيزية. من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن الجزء التحفيزي من spliceosome

مصنوع

من الحمض النووي الريبي بدلاً من البروتين. تذكر أن الريبوسوم هو مثال آخر على

رنا

-مركب البروتين حيث يعمل الحمض النووي الريبي كمكون تحفيزي أولي. يعد اختيار أي متغير لصق يتم إجراؤه شكلاً من أشكال تنظيم التعبير الجيني.

في هذه الحالة

بدلاً من التأثير على وفرة النص ، يسمح التضفير البديل للخلية بتحديد أيهما

شكل النص الذي يصنعه

.

تُعرف أشكال لصق الجينات البديلة التي ينتج عنها منتجات بروتينية ذات بنية مرتبطة ولكن ذات وظائف مختلفة

كما الأشكال الإسوية. إنشاء الأشكال الإسوية شائع في أنظمة حقيقية النواة و

معروف

لتكون مهمًا في مراحل مختلفة من التطور في الكائنات متعددة الخلايا وفي تحديد وظائف أنواع الخلايا المختلفة.

بواسطة

ترميز متعددة

المستطاع

منتجات جينية من جين واحد يبدأ نسخه

مشفر

من موقع تنظيمي نصي واحد (بواسطة

اتخاذ القرار

المنتج النهائي الذي سيتم إنتاجه بعد النسخ) يغني عن الحاجة إلى إنشاء نسخ مستقلة من كل جين والاحتفاظ بها في أجزاء مختلفة من الجينوم وتطوير مواقع تنظيمية مستقلة. لذلك ، فإن القدرة على تكوين العديد من الأشكال الإسوية من منطقة تشفير واحدة يمكن أن تكون تطورية

مفيد

لأنه يتيح بعض الكفاءة في تشفير الحمض النووي ، ويقلل من التعقيد التنظيمي للنسخ ، وقد يقلل من عبء الطاقة للحفاظ على المزيد من الحمض النووي وحمايته من الطفرات. بعض الأمثلة على

المستطاع

يمكن أن تشمل نتائج التضفير البديل: توليد متغيرات إنزيمية ذات ألفة تفاضلية للركيزة أو معدلات تحفيزية ؛

يمكن تغيير تسلسل الإشارات التي تستهدف البروتينات إلى مختلف الأجزاء الخلوية الفرعية

؛ وظائف جديدة تماما ، عن طريق مبادلة مجالات البروتين يمكن

سيتم إنشاء

. هذه فقط أمثلة قليلة.

إحدى النتائج الإضافية المثيرة للاهتمام للربط البديل هي إدخال أكواد الإيقاف التي يمكن ، من خلال آلية يبدو أنها تتطلب الترجمة ، أن تؤدي إلى الانحلال المستهدف للنسخة. هذا يعني أنه إلى جانب التحكم في بدء النسخ والسد 5'، يمكننا أيضًا اعتبار التضفير البديل كواحد من الآليات التنظيمية التي قد تؤثر على وفرة النسخ. وبالتالي ، فإن تأثيرات التضفير البديل واسعة النطاق - من الخسارة الكاملة للوظيفة إلى وظيفة جديدة ومتنوعة إلى التأثيرات التنظيمية.

شكل يصور بعض الأنماط المختلفة للربط البديل يوضح كيف يمكن أن تؤدي متغيرات لصق مختلفة إلى أشكال بروتينية مختلفة.
الإسناد:مارك ت. Facciotti (العمل الخاص)

3 انشطار نهاية وبولي أدينيل

تم إجراء تعديل نهائي واحدإلى الوليدة قبلمرناسقبل مغادرتهم النواة - انشقاق الطرف 3 وعديد الأدينيل الخاص به.يتم تحفيز هذه العملية المكونة من خطوتينبواسطة إنزيمين مختلفين (كما هو موضح أدناه) وقد يزين الطرف الثالث للنصوص بما يصل إلى 200 نيوكليوتيد تقريبًا. هذا التعديل يعزز ثبات النص.بشكل عام ، فإنأكثركمافي علامة polyA ، فإن العمر الأطول لهذا النص. يبدو أن علامة polyA تلعب أيضًا دورًا في تنسيقتصدير النسخةمن النواة. لذلك ، تلعب علامة polyA 3 دورًا في التعبير الجيني عن طريق تنظيم وفرة النسخ الوظيفية وكم يتم تصديرهامن نواة الترجمة.

يتم تضمين عملية من خطوتينفيالتعديل3 نهايات النصوص السابقة للتصدير النووي. يتضمن ذلك نسخ النصوص فقط في اتجاه المصب من تسلسل محفوظ (AAUAAA) ونقل مجموعات adenylate. يتم تحفيز كلتا العمليتين إنزيميًا.
الإسناد:مارك ت. Facciotti (العمل الخاص)

MicroRNAs

استقرار RNA و microRNAs

إلى جانب تعديلات ما قبل الحمض النووي الريبي الموصوفة أعلاه والبروتينات المرتبطة بها والتي ترتبط بالنصوص والناشئة ، هناك عوامل أخرى يمكن أن تؤثر على استقرار الحمض النووي الريبي في الخلية. أحد الأمثلة على ذلك هو عناصر تسمى microRNAs. الجسيمات الدقيقة ، أو الجزيئات الدقيقة ، هي جزيئات قصيرة من الحمض النووي الريبي تتكون من 21-24 نيوكليوتيد فقطفي الطول. يتم نسخ miRNAs في النواة لفترة أطول قبل-ميرناس. هذه قبلميرناسيتم تقطيعها لاحقًاإلى miRNAs ناضجة بواسطة بروتين يسمى المقامر. تتعرف هذه الجزيئات المجهرية الناضجة على تسلسل معين من الحمض النووي الريبي المستهدف من خلال الاقتران الأساسي التكميلي. ومع ذلك ، ترتبط miRNA أيضًا بمركب بروتين نووي يسمى مجمع الإسكات الناجم عن الحمض النووي الريبي (RISC). RISC يربط mRNA الهدف ، جنبا إلى جنب مع ميرنا ، لتحطيم mRNA الهدف. معًا ، تقوم miRNAs ومجمع RISC بتدمير جزيء RNA بسرعة. كما قد يتوقع المرء ، فإن نسخ ما قبلميرناسومعالجتها اللاحقةهي أيضا منظمة بإحكام.

التصدير النووي

التصدير النووي

معالجة كاملة وناضجةالنصوص ،يجبيتم تصديرهامن خلال النواة.ليس من المستغرب هذاتتضمن العملية التنسيق بين أنواع الحمض النووي الريبي الناضجةملزمةالعديد من البروتينات الملحقة - وبعضها يحتوي علىتشارك بشكل وثيقفي التعديلات التي نوقشت أعلاه - ومركب بروتين يسمى مجمع المسام النووي (NPC). يسمح النقل عبر NPCتدفقمن البروتينات وأنواع الحمض النووي الريبي للتحرك في كلا الاتجاهين ووتوسطتبواسطةعدد منالبروتينات.يمكن استخدام هذه العمليةلتنظيم نقل النصوص المختلفة بشكل انتقائي اعتمادًا على البروتينات المرتبطة بالنسخة المعنية. هذا يعني أنه ليس كل النصوصتمت معالجتهمبالتساوي عن طريق NPC - اعتمادًا على حالة التعديل والبروتينات التي ارتبطت بأنواع معينة من RNAتحركأكثر أو أقل كفاءة عبر الغشاء النووي.حيثسيؤثر معدل الحركة عبر المسام على وفرة النسخة الناضجةيتم تصديرهفي العصارة الخلوية للتحكم في تصدير الترجمة هو مثال آخر على خطوة في عملية تنظيم الجينات التي يمكنيمكن تعديلها. بالإضافة إلى ذلك ، أشارت الأبحاث الحديثة إلى وجود تفاعلات بين عوامل NPC وعوامل النسخ فيتنظيمبدء النسخ ، على الأرجح من خلال آلية معينة حيث تربط عوامل النسخ نفسها بالنواةالمسام. هذا المثال الأخيريوضحمدى الترابط بين تنظيم التعبير الجيني عبر الخطوات المتعددة لهذه العملية المعقدة.

نحن نعلم الكثير من التفاصيل الإضافية للعمليات الموضحة أعلاه إلى مستوى معين من التفاصيل ، ولكن لا يزال هناك الكثير من الأسئلة

يتم الرد عليها

. من أجل Bis2a عليه

كافي

لتشكيل نموذج للخطوات التي تحدث في إنتاج نسخة ناضجة في الكائنات حقيقية النواة. لقد رسمنا صورة بضربات عريضة جدًا ، في محاولة لتقديم مشهد يعكس ما يحدث

عموما

في جميع حقيقيات النوى. إلى جانب تعلم السمات المميزة الرئيسية لتنظيم الجينات حقيقية النواة ، نود أيضًا أن يفكر طلاب Bis2a في كل خطوة من هذه الخطوات كفرصة للطبيعة لتنظيم التعبير الجيني

بطريقة ما

ولتبرير كيفية تأثير أوجه القصور أو التغييرات في هذه المسارات - التي يُحتمل تقديمها من خلال الطفرات - على التعبير الجيني.

بينما لم نطرح تحدي التصميم أو قصة الطاقة بشكل صريح

هنا

هذه الشكليات بارعة بنفس القدر في مساعدتك على فهم ما يتم وصفه. نحن نشجعك على محاولة إنشاء قصة طاقة لعمليات مختلفة. نشجعك أيضًا على استخدام نموذج تقييم تحدي التصميم لإعادة فحص القصص أعلاه: تحديد المشكلات التي تحتاج إلى حل ؛ افترض الحلول الممكنة ومعايير النجاح. استخدم الشكليات للتعمق أكثر وطرح أسئلة جديدة / تحديد المشاكل أو الأشياء الجديدة التي لا تعرفها عن العمليات هو ما يفعله الخبراء. من المحتمل أن يؤدي القيام بهذا التمرين المقترح إلى تحديد اتجاه البحث الذي اتبعه شخص ما بالفعل (ستشعر بذلك

جميلة

ذكي في ذلك!). بدلاً من ذلك ، يمكنك طرح سؤال جديد تمامًا لم يفكر فيه أحد بعد.

السيطرة على وفرة البروتين

بعد أن تم نقل mRNA إلى السيتوبلازم ،يتم ترجمتهفي البروتين. السيطرة على هذه العمليةيعتمد إلى حد كبيرعلى جزيء الحمض النووي الريبي. كما تمت مناقشته سابقًا ، سيكون لاستقرار الحمض النووي الريبي تأثير كبير على تحويله إلى بروتين. مع تغير الاستقرار ، فإنكميةكما يتغير الوقت المتاح للترجمة.

مجمع البدء ومعدل الترجمة

مثل النسخ ،يتم التحكم في الترجمة بواسطة البروتيناتمعقدات البروتينات والأحماض النووية التي يجب أن ترتبط بهاالشروع فيالعملية. في الترجمة،يشار إلى أحد المجمعات الأولى التي يجب تجميعها لبدء العمليةكمجمع البدء. أول بروتين يرتبط بـ mRNA يساعدالشروع فيترجمةيسمىعامل بدء حقيقيات النوى -2 (eIF-2). يتم التحكم في نشاط بروتين eIF-2 بواسطة عوامل متعددة. الأول هوسواء ذلك اوهو - هيغير ملزمةلجزيء GTP. عندماeIF-2غير ملزمةإلى GTPانه معتبرأن تكونفي شكل نشط. الeIF-2 البروتين المرتبط بـ GTP يمكن أن يرتبط بالوحدة الفرعية الريبوسومية 40S الصغيرة. عندما تكون ملزمة ، فإنeIF-2 / 40S مركب ريبوسوم ، يجلب معه mRNA إلىيمكن ترجمتها، يجند أيضًا شركاء الحمض النووي الريبي (tRNA) البادئ المثيونين.في هذه المرحلة ، متىمجمع البادئيتم تجميعها، يتم تحلل GTP في الناتج المحلي الإجمالي مما يخلق"شكل غير نشط منeIF-2 ذلكاطلق سراحه، جنبا إلى جنب مع الفوسفات غير العضوي ، من المجمع. هذه الخطوة، بالمقابل،يسمح للوحدة الفرعية الريبوسومية 60S الكبيرة بالارتباط وتبدأ الترجمةالحمض النووي الريبي. تجليدeIF-2 إلى الحمض النووي الريبي (RNA) الذي يتم التحكم فيه عن طريق فسفرة البروتين. متيeIF-2 يتم فسفرته ، ويخضع لتغيير تكويني ولا يمكنه ذلكربطإلى GTP وبالتالي تثبيط مجمع البدء من التكوين - وبالتالي يتم منع الترجمة (انظر الشكل أدناه). في مزوَّد الفسفرةحالةeIF-2 يمكنه ربط GTP والسماح بتجميع مجمع بدء الترجمة كما هو موضح أعلاه. وبالتالي ، فإن قدرة الخلية على ضبط تجميع مجمع دعوة الترجمة عن طريق تعديل كيميائي قابل للعكس (الفسفرة) إلى بروتين منظم هو مثال آخر على كيفية استفادة الطبيعة من هذا.على ما يبدوخطوة بسيطة لضبط التعبير الجيني.

زيادة في مستويات الفسفرةeIF-2 لديهلوحظفي المرضى الذين يعانون من أمراض التنكس العصبي مثل مرض الزهايمر وباركنسون وهنتنغتون. ما هو التأثير الذي تعتقد أن هذا قد يكون له على تخليق البروتين؟

التعديلات الكيميائية ونشاط البروتين وطول العمر

لا

يتفوق عليها

بواسطة الأحماض النووية ، يمكن للبروتينات أيضًا

يتم تعديلها كيميائيا

مع إضافة مجموعات تشمل مجموعات الميثيل والفوسفات والأسيتيل واليوبيكويتين. يمكن أن تؤدي إضافة أو إزالة هذه المجموعات من البروتينات إلى تنظيم نشاطها أو تنظيم

طول

وقت وجودهم في الخلية. في بعض الأحيان يمكن أن تنظم هذه التعديلات مكان وجود البروتين

وجد

في الخلية - على سبيل المثال ، في النواة ، السيتوبلازم ، أو متصلة بغشاء البلازما.

يمكن أن تحدث التعديلات الكيميائية استجابة للمنبهات الخارجية مثل الإجهاد أو نقص المغذيات أو الحرارة أو التعرض للأشعة فوق البنفسجية.

بالإضافة إلى

تنظيم وظيفة البروتينات نفسها ، إذا حدثت هذه التغييرات على بروتينات معينة ، فيمكنها تغيير إمكانية الوصول اللاجيني (

في حالة

تعديل هيستون) ، النسخ (عوامل النسخ) ، استقرار mRNA (بروتينات ربط RNA) ، أو الترجمة (

eIF

-2) وبالتالي تغذي وتنظم أجزاء مختلفة من عملية التعبير الجيني.

في حالة

تعديل البروتينات التنظيمية ، يمكن أن يكون هذا وسيلة فعالة للخلية

للتغيير بسرعة

مستويات بروتينات معينة استجابة للبيئة من خلال تنظيم مختلف الخطوات

في العمليه

.

إن إضافة مجموعة اليوبيكويتين لها وظيفة أخرى - فهي تحدد هذا البروتين للتحلل. Ubiquitin هو جزيء صغير يعمل مثل العلم

تشير

أن البروتينات الموسومة يجب أن

تكون مستهدفة

لعضية تسمى البروتيازوم. هذه العضية عبارة عن مركب كبير متعدد البروتينات يعمل على شطر البروتينات إلى قطع أصغر يمكنها بعد ذلك

يمكن إعادة تدويرها

. يساعد التواجد في كل مكان (إضافة علامة يوبيكويتين) على التحكم في التعبير الجيني عن طريق تغيير العمر الوظيفي لمنتج البروتين.

يتم تمييز البروتينات التي تحمل علامات يوبيكويتين للتحلل داخل البروتيازوم.

في الختام ، نرى أن تنظيم الجينات معقد وذاكيمكن تعديلهافي كل خطوةعمليةالتعبير عن منتج جيني وظيفي.وعلاوة على ذلك، فإنيمكن أن تعمل العناصر التنظيمية التي تحدث في كل خطوة على التأثير في الخطوات التنظيمية الأخرى في وقت مبكر وفي وقت لاحق في عملية التعبير الجيني (أي أن عملية التغيير الكيميائي لعامل النسخ يمكن أن تؤثر على تنظيم النسخ الخاص به في العديد من الخطوات السابقة في العملية). تتشكل هذه المجموعات المعقدة من التفاعلاتما يعرف بشبكات تنظيم الجينات. يعد فهم بنية وديناميكيات هذه الشبكات أمرًا بالغ الأهمية لفهم كيفية عمل الخلايا المختلفة ، وأساسهاكثيرالأمراض والعمليات التنموية وكيف الخلاياصنع القراراتحول كيفية التعامل مع العديد من العواملالذي - التيفي حالة تدفق مستمر من الداخل والخارج.