بنية الجين

تُعرّف بنية الجين أو بنية المورثة بأنها تنظيم العناصر المتسلسلة الخاصة ضمن الجين. تحمل الجينات المعلومات الضروريةً للخلايا الحية لتستمر وتتكاثر،[1][2] وتتكون في أغلب الكائنات الحية من الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (الدنا)، إذ يحدد التسلسل الخاص للدنا وظيفة الجين. يُنسخ الجين من شريط الدنا إلى الحمض النووي الريبوزي (الرنا) الذي قد يكون غير مُشفِّر (رنا غير مشفر) يملك وظيفةً مباشرةً، أو يكون رسولًا وسيطًا (رنا رسول) يُترجم لاحقًا إلى بروتين. تُضبط كل خطوة مما سبق بعناصر أو مناطق محددة من التسلسل الجيني، وبالتالي يحتاج كل جين إلى عناصر متسلسلة متعددة ليصبح وظيفيًا،[2] وهذا يشمل التسلسل المشفر للبروتين الوظيفي أو الرنا غير المشفر أو مناطق التسلسل المنظم المتعددة. قد تكون هذه المناطق قصيرةً لا تتعدى القليل من الأزواج القاعدية، أو تمتد على طول الآلاف منها.

تتشابه بدائيات النوى وحقيقيات النوى في الكثير من الخصائص البنيوية الجينية، وتعود هذه العناصر المشتركة بينها أساسًا إلى السلف المشترك للحياة الخلوية في العضويات منذ ما يزيد على ملياري سنة.[3] تعكس الاختلافات الرئيسة بين بدائيات وحقيقيات النوى في البنية الجينية عملية النسخ وآلية الترجمة الجينية المتشعبة.[4][5] يُعد فهم البينة الجينية أساسيًا لفهم عملية تذييل الجين والتعبير عنه ووظيفته ضمن الخلية.[6]

الخصائص العامة

تشمل بنية المورثات في حقيقيات وبدائيات النوى عناصر متسلسلة متداخلة تملك كل منها وظيفةً محددة في عملية التعبير الجيني متعددة الخطوات. يتنوع طول العناصر وتسلسلها لكن أغلب الجينات تشترك في ذات الوظائف العامة.[2] يملك الدنا شريطين من الجزيئات، لكن أحدهما فقط يشفر المعلومات التي يقرؤها إنزيم رنا بوليميراز لينتج الرنا الرسول المشفر للبروتينات أو الرنا غير المشفر. يمتد هذا الشريط «المُشفِّر» أو «المُعبِّر» في الاتجاه 5' إلى 3'. تشير هذه الأرقام إلى ذرات الكربون المشكلة لأساس سكر الريبوز، وبالتالي يظهر قالب القراءة المفتوح (أو آر إف) للمورثة بشكل موجه يشير إلى جهة قراءة الشريط المعبر.[7]

تتوضع التسلسلات الجينية المنظمة على طرفي الجين، وقد تكون هذه المناطق المتسلسلة مجاورةً لمنطقة النسخ (منطقة التحفيز) أو تنفصل عنها بالكثير من الكيلوبازات (التي تشمل مناطق معززة وكاتمة).[8] يقع المحفز على الطرف 5' من الجين ويشمل تسلسلًا محفزًا أساسيًا وتسلسلًا محفزًا دانيًا. يمثل المحفز الأساسي بداية موقع النسخ حيث يرتبط إنزيم رنا بوليميراز والبروتينات الأخرى الضرورية لنسخ الدنا والرنا. ترتبط منطقة المحفز الدانية إلى عوامل النسخ التي تعدل ألفة المحفز الأساسي للرنا بوليميراز.[9][10] قد تُنظم الجينات بعدة تسلسلات تعزيز وكتم مورثي تعدل أيضًا نشاط المناطق المحفزة عبر ارتباطها ببروتينات التنشيط أو التثبيط.[11][12] قد تتوضع المعززات والكاتمات في أماكن بعيدة عن الجين يفصلها عنه آلاف الأزواج القاعدية، وبالتالي ينظم ارتباط عوامل النسخ المختلفة معدل بدء النسخ في تواقيت وخلايا مختلفة.[13]

قد تتداخل العناصر المنظمة مع بعضها، ويمكن أن يتفاعل أحد أقسام الدنا مع العديد من المنشطات والمثبطات المتنافسة ومع إنزيم رنا بوليميراز، ومثال ذلك ارتباط بعض البروتينات المثبطة مع المحفز الأساسي لمنع ارتباط إنزيم بوليميراز في موقعه.[14] يُعرف معدل النسخ بناتج جميع العناصر التي يحويها الجين في الجينات الحاملة لتسلسلات منظمة متعددة.[15] يسبب ربط المنشطات والمثبطات مع هذه التسلسلات المنظمة تأثيرًا تشاركيًا على بدء الانتساخ.[16]

رغم استخدام جميع العضويات كلا من منشطات ومثبطات الانتساخ، يمكننا القول أن حقيقيات النوى لا تستخدمها في الحالة الطبيعية (متوقفة افتراضيًا) على عكس بدائيات النوى (فعالة افتراضيًا). عادةً ما يحتاج المحفز الأساسي لجينات حقيقيات النوى إلى تنشيط إضافي عبر عناصر محفزة ليحدث التعبير المورثي، بينما يكتفي المحفز الأساسي في بدائيات النوى بعناصره الخاصة ليحدث تعبيرًا جينيًا قويًا في عملية تنظمها المثبطات المورثية.[5]

تحدث مرحلة أخرى من التنظيم تخص الجينات المشفرة للبروتينات بعد معالجة الرنا الرسول لتحضيره للترجمة إلى بروتين. تمثل المسافة الممتدة بين كودون البدء وكودون التوقف المنطقة الوحيدة المشفرة للناتج البروتيني النهائي.[17] تحوي المناطق غير المترجمة المجاورة (يو تي آر إس) تسلسلًا انتهائيًا يمثل نقطة انتهاء عملية الترجمة وتحرير رنا بوليميراز.[18] ترتبط هذه المنطقة في الجهة 5' مع خيط من الحموض الأمينية التي تنطوي لتشكل المنتج البروتيني النهائي. عندما يكون الجين خاصًا بالرنا غير المُشفِّر، لا يُترجم الرنا إلى بروتين بل ينطوي مباشرةً ليصبح وظيفيًا.[19][20]

حقيقيات النوى

تحمل بنية جينات حقيقيات النوى خصائص غير موجودة في بدائيات النوى. تتعلق أغلب هذه الميزات بتعديل الرنا الرسول الأولي التالي للانتساخ لإنتاج رنا رسول ناضج جاهز للترجمة إلى بروتين. تمتلك جينات حقيقيات النوى عناصر تنظيمية أكثر من بدائيات النوى لضبط التعبير الجيني،[5] وهذا ينطبق خصوصًا على حقيقيات النوى عديدات الخلايا مثل البشر، إذ يتنوع التعبير الجيني كثيرًا بين الأنسجة المختلفة.[11]

تحمل بنية جينات حقيقيات النوى ميزةً أساسيةً تتمثل بانقسام نسخها عادةً إلى إنترونات وإكسونات. تبقى مناطق الإكسونات في جزيئات الرنا الرسول الناضج النهائي، بينما تزول الإنترونات (تُقص) خلال المعالجة التالية للنسخ.[21] في الحقيقة، يمكن أن نعد مناطق الإنترونات الجينية أطول من الإكسونات، وعندما تتصل الإكسونات معًا تشكل منطقة تشفير بروتينية مستمرة مفردة دون أن تترك أثرًا لمنطقة الالتصاق بينها. خلال عملية المعالجة التالية للانتساخ، يُضاف نكليوتيد قبعة الطرف في الجهة 5' إلى بداية الرنا الرسول ويُضاف تذييل بعديد الأدينيلات إلى نهايته. تؤدي هذه الإضافات إلى استقرار الرنا الرسول وتوجه ناقله من النواة إلى السيتوبلازما، مع الإشارة إلى أن هاتين الميزتين غير مشفرتين في بنية الجين.[17]

بدائيات النوى

يختلف التنظيم الكلي لجينات بدائيات النوى كثيرًا عن حقيقيات النوى. إن الاختلاف الأوضح هنا تجمع قالب القراءة المفتوح الخاص ببدائيات النوى ضمن مشغل متعدد المقارين تضبطه مجموعة مشتركة من التسلسلات المنظمة. تُنسخ جميع هذه القوالب على ذات الرنا الرسول وبالتالي تخضع للتنظيم المشترك وتفيد في وظائف أخرى مرتبطة.[22][23]

يملك كل قالب قراءة مفتوح عادةً موقع ربط ريبوزومي خاصًا به، وبالتالي تترجم الريبوزومات هذه القوالب على ذات الرنا الرسول في ذات الوقت. تحمل بعض المشغلات أزواجًا خاصةً بالترجمة ترتبط فيها معدلات ترجمة القوالب المتعددة ضمن المشغل،[24] وقد يحدث هذا عند بقاء الريبوزوم متصلًا مع نهاية قالب القراءة المفتوح ويتغير موضعه ببساطة طوليًا نحو القالب التالي دون الحاجة إلى موقع ربط جديد.[25] يمكن ملاحظة الازدواج الخاص بالترجمة عندما يؤثر القالب على إمكانية الوصول إلى موقع الربط الريبوزومي التالي عبر تغيرات في البنية الثانوية لشريط الرنا.[26] لا يمكن الحصول على قوالب متعددة على رنا رسول واحد إلا في بدائيات النوى لأن انتساخها وترجمتها يحدثان في ذات الوقت وفي ذات الموقع داخل الخلوي.[27][22]

يُعد تسلسل المشغل المجاور للمحفز العنصر التنظيمي الأساسي في بدائيات النوى. ترتبط البروتينات المثبطة مع تسلسل المشغل فيزيائيًا مانعةً ارتباط رنا بوليميراز وبالتالي توقف عملية النسخ.[28][29] تمثل الريبوسويتشات عنصرًا منظمًا مهمًا آخر يوجد عادةً في المناطق غير المترجمة في جينات بدائيات النوى. يبدل هذا التسلسل بين البنى الثانوية البديلة في الرنا اعتمادًا على تركيز المستقلبات الأساسية. تحصر هذه البنى الثانوية مناطق التسلسل المهمة مثل موقع ربط الريبوزوم أو تكشفها. تُعد الإنترونات نادرة الوجود في مورثات بدائيات النوى وبالتالي لا تؤدي دورًا مهمًا في تنظيم عملها.[30]

مراجع
  1. Alberts, Bruce؛ Johnson, Alexander؛ Lewis, Julian؛ Raff, Martin؛ Roberts, Keith؛ Walter, Peter (2002)، "How Genetic Switches Work"، Molecular Biology of the Cell (ط. 4).
  2. Polyak, Kornelia؛ Meyerson, Matthew (2003)، "Overview: Gene Structure"، Cancer Medicine (ط. 6)، BC Decker.
  3. Werner, Finn؛ Grohmann, Dina (2011)، "Evolution of multisubunit RNA polymerases in the three domains of life"، Nature Reviews Microbiology، 9 (2): 85–98، doi:10.1038/nrmicro2507، ISSN 1740-1526، PMID 21233849، S2CID 30004345.
  4. Kozak, Marilyn (1999)، "Initiation of translation in prokaryotes and eukaryotes"، Gene، 234 (2): 187–208، doi:10.1016/S0378-1119(99)00210-3، ISSN 0378-1119، PMID 10395892.
  5. Struhl, Kevin (1999)، "Fundamentally Different Logic of Gene Regulation in Eukaryotes and Prokaryotes"، Cell، 98 (1): 1–4، doi:10.1016/S0092-8674(00)80599-1، ISSN 0092-8674، PMID 10412974، S2CID 12411218.
  6. Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2002)، Molecular Biology of the Cell (ط. Fourth)، New York: Garland Science، ISBN 978-0-8153-3218-3، مؤرشف من الأصل في 23 مايو 2021.
  7. Lu, G. (2004)، "Vector NTI, a balanced all-in-one sequence analysis suite"، Briefings in Bioinformatics، 5 (4): 378–88، doi:10.1093/bib/5.4.378، ISSN 1467-5463، PMID 15606974.
  8. Wiper-Bergeron, Nadine؛ Skerjanc, Ilona S. (2009)، Transcription and the Control of Gene Expression، Humana Press، ص. 33–49، doi:10.1007/978-1-59745-440-7_2، ISBN 978-1-59745-440-7.
  9. Thomas, Mary C.؛ Chiang, Cheng-Ming (2008)، "The General Transcription Machinery and General Cofactors"، Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology، 41 (3): 105–78، CiteSeerX 10.1.1.376.5724، doi:10.1080/10409230600648736، ISSN 1040-9238، PMID 16858867، S2CID 13073440.
  10. Juven-Gershon, Tamar؛ Hsu, Jer-Yuan؛ Theisen, Joshua WM؛ Kadonaga, James T (2008)، "The RNA polymerase II core promoter – the gateway to transcription"، Current Opinion in Cell Biology، 20 (3): 253–59، doi:10.1016/j.ceb.2008.03.003، ISSN 0955-0674، PMC 2586601، PMID 18436437.
  11. Maston, Glenn A.؛ Evans, Sara K.؛ Green, Michael R. (2006)، "Transcriptional Regulatory Elements in the Human Genome"، Annual Review of Genomics and Human Genetics، 7 (1): 29–59، doi:10.1146/annurev.genom.7.080505.115623، ISSN 1527-8204، PMID 16719718، S2CID 12346247.
  12. Pennacchio, L. A.؛ Bickmore, W.؛ Dean, A.؛ Nobrega, M. A.؛ Bejerano, G. (2013)، "Enhancers: Five essential questions"، Nature Reviews Genetics، 14 (4): 288–95، doi:10.1038/nrg3458، PMC 4445073، PMID 23503198.
  13. Maston, G. A.؛ Evans, S. K.؛ Green, M. R. (2006)، "Transcriptional Regulatory Elements in the Human Genome"، Annual Review of Genomics and Human Genetics، 7: 29–59، doi:10.1146/annurev.genom.7.080505.115623، PMID 16719718، S2CID 12346247.
  14. Ogbourne, Steven؛ Antalis, Toni M. (1998)، "Transcriptional control and the role of silencers in transcriptional regulation in eukaryotes"، Biochemical Journal، 331 (1): 1–14، doi:10.1042/bj3310001، ISSN 0264-6021، PMC 1219314، PMID 9512455.
  15. Buchler, N. E.؛ Gerland, U.؛ Hwa, T. (2003)، "On schemes of combinatorial transcription logic"، Proceedings of the National Academy of Sciences، 100 (9): 5136–41، Bibcode:2003PNAS..100.5136B، doi:10.1073/pnas.0930314100، ISSN 0027-8424، PMC 404558، PMID 12702751.
  16. Kazemian, M.؛ Pham, H.؛ Wolfe, S. A.؛ Brodsky, M. H.؛ Sinha, S. (11 يوليو 2013)، "Widespread evidence of cooperative DNA binding by transcription factors in Drosophila development"، Nucleic Acids Research، 41 (17): 8237–52، doi:10.1093/nar/gkt598، PMC 3783179، PMID 23847101.
  17. Guhaniyogi, Jayita؛ Brewer, Gary (2001)، "Regulation of mRNA stability in mammalian cells"، Gene، 265 (1–2): 11–23، doi:10.1016/S0378-1119(01)00350-X، ISSN 0378-1119، PMID 11255003.
  18. Kuehner, Jason N.؛ Pearson, Erika L.؛ Moore, Claire (2011)، "Unravelling the means to an end: RNA polymerase II transcription termination"، Nature Reviews Molecular Cell Biology، 12 (5): 283–94، doi:10.1038/nrm3098، ISSN 1471-0072، PMC 6995273، PMID 21487437.
  19. Mattick, J. S. (2006)، "Non-coding RNA"، Human Molecular Genetics، 15 (90001): R17–R29، doi:10.1093/hmg/ddl046، ISSN 0964-6906، PMID 16651366.
  20. Palazzo, Alexander F.؛ Lee, Eliza S. (2015)، "Non-coding RNA: what is functional and what is junk?"، Frontiers in Genetics، 6: 2، doi:10.3389/fgene.2015.00002، ISSN 1664-8021، PMC 4306305، PMID 25674102.
  21. Matera, A. Gregory؛ Wang, Zefeng (2014)، "A day in the life of the spliceosome"، Nature Reviews Molecular Cell Biology، 15 (2): 108–21، doi:10.1038/nrm3742، ISSN 1471-0072، PMC 4060434، PMID 24452469.
  22. Salgado, H.؛ Moreno-Hagelsieb, G.؛ Smith, T.؛ Collado-Vides, J. (2000)، "Operons in Escherichia coli: Genomic analyses and predictions"، Proceedings of the National Academy of Sciences، 97 (12): 6652–57، Bibcode:2000PNAS...97.6652S، doi:10.1073/pnas.110147297، PMC 18690، PMID 10823905.
  23. Jacob, F.؛ Monod, J. (01 يونيو 1961)، "Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins"، Journal of Molecular Biology، 3 (3): 318–56، doi:10.1016/s0022-2836(61)80072-7، ISSN 0022-2836، PMID 13718526.
  24. Tian, Tian؛ Salis, Howard M. (2015)، "A predictive biophysical model of translational coupling to coordinate and control protein expression in bacterial operons"، Nucleic Acids Research، 43 (14): 7137–51، doi:10.1093/nar/gkv635، ISSN 0305-1048، PMC 4538824، PMID 26117546.
  25. Schümperli, Daniel؛ McKenney, Keith؛ Sobieski, Donna A.؛ Rosenberg, Martin (1982)، "Translational coupling at an intercistronic boundary of the Escherichia coli galactose operon"، Cell، 30 (3): 865–71، doi:10.1016/0092-8674(82)90291-4، ISSN 0092-8674، PMID 6754091، S2CID 31496240.
  26. Levin-Karp, Ayelet؛ Barenholz, Uri؛ Bareia, Tasneem؛ Dayagi, Michal؛ Zelcbuch, Lior؛ Antonovsky, Niv؛ Noor, Elad؛ Milo, Ron (2013)، "Quantifying Translational Coupling in E. coli Synthetic Operons Using RBS Modulation and Fluorescent Reporters"، ACS Synthetic Biology، 2 (6): 327–36، doi:10.1021/sb400002n، ISSN 2161-5063، PMID 23654261، S2CID 63692.
  27. Lewis, Mitchell (يونيو 2005)، "The lac repressor"، Comptes Rendus Biologies، 328 (6): 521–48، doi:10.1016/j.crvi.2005.04.004، PMID 15950160.
  28. McClure, W R (1985)، "Mechanism and Control of Transcription Initiation in Prokaryotes"، Annual Review of Biochemistry، 54 (1): 171–204، doi:10.1146/annurev.bi.54.070185.001131، ISSN 0066-4154، PMID 3896120.
  29. Bell, Charles E؛ Lewis, Mitchell (2001)، "The Lac repressor: a second generation of structural and functional studies"، Current Opinion in Structural Biology، 11 (1): 19–25، doi:10.1016/S0959-440X(00)00180-9، ISSN 0959-440X، PMID 11179887.
  30. Rodríguez-Trelles, Francisco؛ Tarrío, Rosa؛ Ayala, Francisco J. (2006)، "Origins and Evolution of Spliceosomal Introns"، Annual Review of Genetics، 40 (1): 47–76، doi:10.1146/annurev.genet.40.110405.090625، ISSN 0066-4197، PMID 17094737.
  • بوابة علم الوراثة
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.