کانون آموزش زیست شناسی گرگان

چکیده

    بیان ژن فرآیندی مرکب از رونویسی     (transcription)     یک ژن به mRNA    ، پردازش آن و ترجمه (translation)به پروتئین (در مورد ژنهای کدکننده پروتئین) می باشد. تجلی اثر ژن به کمک توالی افزاینده( enhancer ) و توالی خاموش کننده silencer)) و پروتئین­های عوامل رونویسی و استیلاسیون و دِاستیلاسیون هیستونها صورت می­گیرد و معمولا شامل شش گام عمده است : 

1) بازشدن پیچش نوکلئوزوم ها  

2) نسخه برداری از DNAبه RNA 

3) پردازش RNA هسته ای 

 4) انتقال mRNA از هسته به سیتوپلاسم  

 5) ترجمه mRNA به زنجیره پلی پپتیدی 

 6) پردازش زنجیره پلی پپتیدی و تبدیل آن به پروتئین فعال . 

   هر یک از این گام ها نماینده نقطه بالقوه ای است که در آن اثر ژن یوکاریوتی ممکن است متجلی یا منع شود.  این مقاله به بررسی مختصرراههای عمده تنظیم بروز ژن در یوکاریوتها می پردازد.

توالی تنظیم کننده مجاور به راه انداز

  این توالی ها بدون فاصله در مجاورت ژن قرار گرفته اند و توالی نزدیک(2) نامیده می شوند. این توالی ها کم و بیش متعدد هستند و از یکدیگر توسط ترتیب های بینابینی جدا شده اند. توالی نزدیک به جعبه CAAT  و جعبه های CG  می چسبند و با محل تثبیت پروتئینهای متقارنی که عوامل دور(3) نام دارند مطابقت می کنند. عوامل دور ممکن است نقش تنظیمی مثبت یا منفی داشته باشند این عوامل با واسطه عامل پروتئینی TFIID  وارد عمل می شوند و کمپلکس پیش آغاز رونویسی را تحریک یا مهار می کنند.

توالی تنظیم کننده دور از راه انداز

   این توالی عمدتا توالی افزاینده (4) هستند که به مقدار قابل توجهی رونویسی ژنهایی که به آنها وابستگی دارند را افزایش می دهند، اما برخی از این توالی های تنظیم کننده، نقش کاهش دهنده یا خاموش کننده (5) دارند. آنها می توانند در فاصله چند صد تا چند هزار نوکلئوتید از ژنی که آن را کنترل می کنند قرار گرفته باشند. مهار کننده های یوکاریوتی با اتصال به توالی های خاموش کننده با مکانیسم های متفاوتی در تنظیم بیان ژن شرکت دارند که در اینجا به مواردی از آنها اشاره می شود:

شکل (1)

1)   ممکن است توالی افزاینده و توالی خاموش کننده با هم همپوشانی داشته باشند، در نتیجه اتصال مهار کننده به توالی خاموش کننده، از اتصال پروتئین های فعال کننده به افزاینده جلوگیری به عمل می آورد در نتیجه مانع بیان ژن می گردد.

2)   فعال کننده و مهار کننده به توالی ویژه متصل می شوند اما مهار کننده با پوشاندن سطح فعال پروتئین فعال کننده از فعالیت آن جلوگیری می  کند.

پروتئین مهار کننده به عوامل رونویسی TFIID  در جعبه TATA  متصل شده و مانع از قرار گرفتن عوامل رونویسی در محل راه انداز و تشکیل کمپلکس آغاز رونویسی می شود.

اثر تشدید کننده ها بر رونویسی

   تشدید کننده ها خودشان فعالیت پروموتوری ندارند ولی فعالیت بسیاری از پروموتورهای یوکاریوتی را حتی هنگامی که در فاصله چند هزار جفت بازی از ژن بیان شونده قرار دارند، به شدت افزایش می دهند. تشدید کننده ها عملکرد خود را از طریق فراهم آوردن جایگاه های اتصال برای پروتئین های تنظیم کننده اختصاصی به انجام می رسانند.

   شکل زیر جایگاهای اتصال تشدید کننده را نشان می دهد : ساختار شماتیک منطقه kb  1 در بالا دست جایگاه شروع ژن کرآتین­ کیناز عضله.

یک جایگاه اتصال 3 -CAGCTG  - 5  نزدیک جعبه TATA  وجود دارد منطقه تشدید کننده دورتری در بالا دست ژن دارای دو جایگاه اتصال برای یک پروتئین و دو جایگاه اتصال دیگر برای سایر پروتئینها می باشد.

                                     Start site 

                                                       TATA

 CAGCTG                                               

              شکل 2

                                                     CAGCTG

                                                                         Enhancer               CAGCTG

  Regin        TATAATTAA                                                 

CCATGTAAGG                                                

 متیلاسیون DNA  می تواند الگوهای بیان ژن را تغییر دهد.

علاوه بر بسته بندی DNA  توسط هیستونها، میزان متیله شدن DNA  نیز مکانیسم دیگری برای جلوگیری از بیان نامناسب ژنها در انواع خاصی از سلولها محسوب می شود. تقریبا 70 درصد ترادف های   ژنوم پستانداران در موقعیت کربن 5 سیتوزین به وسیله متیل ترانسفرازهای اختصاصی متیله می شود. اما توزیع این سیتوزینهای متیله بسته به نوع سلول متفاوت است. گروه متیل به درون شیار بزرگ DNA  بیرون می زند که در آنجا می تواند به راحتی در اتصال پروتئین های تحریک کننده رونویسی اختلال ایجاد کند با این وجود متیله شدن یک وسیله تنظیمی فراگیر حتی در یوکاریوتهای  پرسلولی نمی باشد، به عنوان مثال، DNA  مگس سرکه اصلا متیله نیست.

نوآوری ژنها موجب تنوع مولکولهای ایمونوگلوبین ها می گردد.

    پستانداری مانند موش یا انسان قادر است مقادیر زیادی پادتن اختصاصی علیه هر شاخص بیگانه طی یک روز برخورد با آن ایجاد کند. ویژگی پادتن توسط ترادف های آمینو اسیدی نواحی متغیر زنجیره سبک و سنگین تعیین می شود، که این امر باعث طرح یک سوال می شود: ترادف های متفاوت نواحی متغیر چگونه تولید می شوند؟ 

  زنجیره سبک توسط سه قسمت مشخص کد می شود، یعنی اجزاء متغیر(   ) ، اتصالی (   ) ثابت (   ) .   DNA  هاپلوئید پستانداران حاوی بیش از 500 قطعه   ، پنج یا شش قطعه   ، و شاید ده یا بیست قطعه   می باشد  در هنگام تمایز یک سلول لنفوئید B  ، یک قطعه   از محلی دورتر روی همان کروموزوم به محلی نزدیک به منطقه ژنی حاوی قطعات   و   آورده می شود.پس از چنین باز آرایی در DNA  ، رونویسی   و   و   بصورت یک mRNA  اولیه و سپس تکمیل و تغییر آن بصورت mRNA  ، یک زنجیر سبک آنتی بادی ممکن می شود. با باز آرایی قطعات مختلف در ماده توارثی، سیستم دفاعی می تواند مولکولهای بسیار زیاد ایمونوگلوبین اختصاصی متفاوت نسبت به آنتی ژن تولید کند. ژنهای J   سهم مهمی در تنوع پادتن ها دارند، چرا که آنها بخشی از آخرین قطعه بسیار متغیر (   را رمز گردانی می کنند.

نقش علامت های درونزاد در تنظیم بیان ژن

   در یوکاریوتها معروف ترین تنظیم کننده های درونزاد فعالیت ژن، هورمونها هستند. تاثیر متقابل هورمون – گیرنده، سرانجام سبب ارسال علامتی به یک یا چند جایگاه ویژه DNA  می شود که یک ژن یا مجموعه ژنهای مناسبی را تحریک می کند.

هورمونهای استروئیدی

   هورمونهای استروئیدی نظیر استروژن آب گریز هستند در نتیجه به آسانی از عرض غشاء های سلول نفوذ می کنند. استروژن درون سلول به پروتئین های گیرنده بسیار اختصاصی و محلول اتصال می یابد. با اتصال مولکول سیگنال (عموما موسوم به لیگاند) ، کمپلکس گیرنده لیگاند، بیان ژنهای خاصی را با اتصال به عناصر کنترل DNA  تغییر می دهد. ژنوم انسان حدود 50 عضو از این خانواده را کد می کند که اغلب به عنوان گیرنده های هسته ای هورمون اشاره می شوند.

مقایسه ترادف های آمینو اسیدی اعضای این خانواده از گیرنده های هسته ای، دو بخش به شدت حفاظت شده را آشکار می سازد: یک دمین منصل شونده به DNA  و یک دمین متصل شونده به لیگاند.

  دمین متصل شونده به DNA  به سمت مرکز مولکول قرار گرفته و حاوی 9 واحد سیستئین حفاظت شده می باشد. این دمین برای گیرنده ها، فعالیت اختصاصی ترادف DNA  را فراهم می آورد.

  هشت آمینواسید سیستئین به دلیل نقش انها در اتصال به یونهای روی (Zn) حفظ شده اند. چهار سیستئین به بک یون و چهار سیستئین دوم به یون دیگر روی متصل می شوند. یونهای روی ساختار این بخش کوچک را پایدار می سازند و بدون یونهای روی اتصال یافته ، این دمینها باز می گردند. ساختار منطقه متصل شونده به روی یک گیرنده استروئیدی ، شامل یک مارپیچ آلفا می باشد. این مارپیچ در کمپلکس های اختصاصی DNA با گیرنده های استروژنی تشکیل می گردد در شیار بزرگ قرار می گیرد و به ترادف های اختصاصی DNA اتصال می یابد. اتصال لیگاند به نو آرایی های ساختاری مهمی منجر می گردد. به ویژه آخرین مارپیچ که حاوی واحدهای آب گریز است، و وجهی از گیرنده را می پوشاند ولی در حالت بدون لیگاند از گیرنده بیرون می زند. اتصال به لیگاند چگونه به تغییر در بیان ژن منجر می شود؟ ساده ترین مدل آن است که اتصال لیگاند، خواص اتصال به DNA را در گیرنده تغییر می دهد.

کمک فعال کننده coactivator و تنظیم رونویسی

دومین ناحیه  بسیار حفظ شده پروتئین گیرنده هسته ای ، نزدیک انتهای کربوکسیل قرار دارد و جایگاه اتصال به لیگاند می باشد. اتصال گیرنده به لیگاند توانایی گیرنده های هسته ای هورمون برای متصل شدن به DNA را تغییر نمی دهد بلکه پروتئین های خاصی به نام کمک فعال کننده تنها در حضور لیگاند به گیرنده هسته ای هورمون متصل می شوند. برخی از کمک فعال کننده ها و همچنین پروتئینهایی که به کار گرفته می شوند، انتقال گروههای استیل از استیل CoA به واحدهای لیزین اختصاصی در دمهای انتهای آمین هیستون را کاتالیز می کند. با استیله شدن لیزین تمایل دم هیستون به DNA به مقدار زیادی کاهش داده و باعث شل شدن کمپلکس هیستون از DNA می شود.

استیله شدن هیستون می تواند به واسطه ترکیبی از سه مکانیسم، رونویسی را فعال کند:

1-     کاهش تمایل هیستونها به DNA ،

2-    به کارگیری سایر اجزاء ماشین رونویسی و 

3-    آغاز سازمان دهی مجدد و فعالانه ساختار کروماتین.

  از طرف دیگر برخی مهارکننده ها موجب د استیلاسیون هیستون شده و تمایل عامل TFIID به جعبه TATA کاهش یافته و کمپلکس لازم برای رونویسی شکل نمی گیرد.

 تهیه­کننده: بلقیس فلاحتگر کارشناس ارشدزیست شناسی شهرستان بهشهر استان مازندران