تنظیم بیان ژن زیست دوازدهم
رونویسی تنظیم بیان ژن در پروکاریوتها و یوکاریوتها متفاوت است. در پروکاریوتها، تنظیم بیان ژن به صورت منفی و مثبت رخ میدهد. اما در یوکاریوتها، این تنظیم در مراحل رونویسی و غیر رونویسی متفاوت است. قصد داریم این مفاهیم را در لب کلام با یکدیگر مطالعه کنیم.
تنظیم بیان ژن
همهی سلولهای بدن از تقسیم رشتمان (میتوز) یاخته تخم مشترکی منشا میگیرند. یاختههای حاصل از این تقسیم، از نظر فامیل و ژنتیک یکسان هستند. با ادامه تقسیمات و رشد جنین، یاختههای متفاوتی ایجاد میشوند که وظایف مختلفی در بدن انجام میدهند. به عنوان مثال، یاختههای عصبی و ماهیچهای بدن یک فرد، ژنهای یکسانی دارند، اما دارای عملکرد و شکل متفاوتی هستند.
در هر یاخته، تنها ژنهای معینی فعال هستند و سایر ژنها غیرفعال میمانند. زمانی که یک ژن در یک یاخته بیان میشود، به آن ژن بیانشده یا روشن گفته میشود؛ و اگر ژن مورد استفاده نباشد، به آن ژن خاموش یا بیاننشده گفته میشود. میزان و زمان استفاده از هر ژن در یاختههای مختلف ممکن است متفاوت باشد و حتی در یک یاخته، بسته به نیازهای زیستی، متغیر باشد.
فرآیندهای مرتبط با تعیین زمان، میزان، و ژنهایی که باید بیان شوند یا بیان نشوند، به نام فرایندهای تنظیم بیان ژن معروف هستند. این فرآیند پیچیده و دقیق است و تحت تأثیر عوامل متعددی قرار میگیرد. تنظیم بیان ژن امکان میدهد که جانداران به تغییرات محیطی پاسخ دهند. به عنوان مثال، در گیاهان، نور میتواند فعالیت ژن سازنده آنزیمهای مشارکت کننده در فتوسنتز را افزایش دهد. در عدم نور، این ژن بیان نمیشود. تنظیم بیان ژن میتواند منجر به ایجاد یاختههای مختلفی از یک یاخته شود. به عنوان مثال، یاختههای مختلفی که از یاختههای بنیادی مغز استخوان ایجاد میشوند، نمونهای از این تنوع هستند.
تنظیم بیان ژن زیست دوازدهم
بیایید این موضوعات را به صورت گستردهتر مورد بررسی قرار دهیم:
تنظیم بیان ژن در پروکاریوتها:
1. تنظیم منفی:
- در پروکاریوتها، عناصر تنظیم منفی همچون عوامل آنتی-ترانسکریپتوری (anti-transcription factors) و RNA پوششی (antisense RNA) باعث مهار رونویسی میشوند.
- مثلاً در عملکرد عناصر مثبت (مثل عوامل ترانسکریپتوری) در مسیر رونویسی مهار میشود.
2. تنظیم مثبت:
- در تنظیم مثبت، عوامل تنظیمی (مانند عوامل ترانسکریپتوری) باعث افزایش فعالیت رونویسی میشوند.
- این مثبت تنظیمها از طریق اتصال به نواحی خاصی از DNA، به نام عناصر افزایشدهنده (enhancer elements)، انجام میشوند.
تنظیم بیان ژن در یوکاریوتها:
1. تنظیم در مرحله رونویسی:
- در یوکاریوتها، عناصر تنظیمی مانند عوامل ترانسکریپتوری، کمک به ایجاد یا مهار رونویسی میکنند.
- عناصر تنظیمی مختلف از جمله عناصر افزایشدهنده، عناصر مهارکننده (silencer elements)، و عناصر محدودکننده (restrictive elements) وجود دارد.
2. تنظیم در مراحل غیر رونویسی:
- مراحل غیر رونویسی شامل مراحل پیش-پردازش RNA و پس-پردازش RNA میشود.
- عناصر تنظیمی مثل عوامل اسپلایسینگ (splicing factors) در تنظیم پردازش RNA نقش دارند.
3. مکانیسمهای میتوزی:
- در یوکاریوتها، مکانیسمهای مختلفی همچون کروماتین کنندهها و میتوز نیز در تنظیم بیان ژنها دخیل هستند.
تجمیع مفاهیم:
- در هر دو پروکاریوتها و یوکاریوتها، تنظیم بیان ژن یک پروسه پیچیده است که توسط عناصر تنظیمی در مراحل مختلف انجام میشود.
- در یوکاریوتها به علت پیچیدگی بیشتر ساختار واحدهای ژنتیکی و مراحل پردازش RNA، تنظیم بیان ژن نیاز به مکانیسمهای پیشرفتهتری دارد.
با درک این مفاهیم، میتوانید تفاوتها و تشابههای تنظیم بیان ژن در دو دستهی پروکاریوت و یوکاریوت را به خوبی درک کنید. در ادامه هرکدام را مفصل تر توضیح میدهیم.
تنظیم بیان ژن در پروکاریوتها
محصول ژن، رنا و پروتئین است، بنابراین، تغییرات در فعالیت ژنها میتواند بر ساخت این محصولات تأثیرگذار باشد. تنظیم بیان ژن در پروکاریوتها قادر است در هر یک از مراحل ساخت رنا و پروتئین تأثیر بگذارد. اگرچه به طور معمول این فرایند در مرحله رونویسی اتفاق میافتد، اما در برخی موارد، یاخته ممکن است با تغییر در پایداری (طول عمر) رنا یا پروتئین، فعالیت آن را تنظیم نماید.
تنظیم رونویسی در پروکاریوتها
در این نوع تنظیم، عواملی نقش مییابند که به پیوستن رنابسپاراز به توالی DNA کمک یا مانع حرکت این آنزیم میشوند. به این ترتیب، فرایند رونویسی ژن میتواند تسهیل یا ممانعت یابد. به عنوان مثال، با اتصال پروتئینهای خاصی به بخشی از دیانای که سر راه رنابسپاراز قرار دارد، از انجام رونویسی جلوگیری میشود.
یک نمونه از این نوع تنظیم در باکتریهایی مانند اشرشیاکلای معروف است. این باکتری ترجیحاً از گلوکز به عنوان منبع قند استفاده میکند. اگر گلوکز در محیط موجود نباشد ولی قند دیگری مانند لاکتوز در دسترس باشد، باکتری قادر به استفاده از لاکتوز میشود. زیرا این قند با گلوکز تفاوت دارد و آنزیمهای مورد نیاز برای متابولیسم آن نیز متفاوت هستند. وقتی لاکتوز در محیط حضور داشته باشد، باکتری باید آنزیمهای تجزیهکننده لاکتوز را تولید کند. در صورت عدم حضور یا کاهش میزان لاکتوز، تولید این آنزیمها متوقف یا کاهش مییابد.
پروکاریوتها از دو روش تنظیم ژن، یعنی منفی و مثبت، برای تشخیص این عوامل و ایجاد تغییرات در بیان ژنها استفاده میکنند.
تنظیم منفی رونویسی
رونویسی با چسباندن رنابسپاراز به راهانداز مربوط به ژن آغاز میشود و اگر مانعی در مسیر رنابسپاراز وجود داشته باشد، رونویسی انجام نمیشود؛ این نوع تنظیم را تنظیم منفی رونویسی مینامند.
مهارکننده، یک پروتئین مهم است که مانع جلوی حرکت رنابسپاراز قرار میگیرد و به توالی خاصی از DNA به نام اپراتور متصل میشود. این ارتباط باعث جلوگیری از حرکت رنابسپاراز میشود.
در باکتریها، هنگام ورود لاکتوز، این قند با مهارکننده ترکیب شده و شکل آن تغییر میکند. این تغییر شکل باعث جدا شدن مهارکننده از اپراتور میشود و همچنین از اتصال مهارکننده به اپراتور جلوگیری میکند.
پس از حذف مانع، رنابسپاراز قادر به رونویسی ژنها میشود و محصولات این ژنها قابلیت تجزیه لاکتوز را دارند.
تنظیم مثبت رونویسی
تنظیم مثبت رونویسی در این نوع تنظیم، با استفاده از پروتئینهای خاص، رنابسپاراز را کمک میکند تا به راهانداز مرتبط با ژن متصل شده و فرآیند رونویسی را آغاز کند. یک نمونه از این نوع تنظیم در باکتری اشرشیاکلای قابل مشاهده است. در صورت حضور مالتوز درون باکتری، آنزیمهای مخصوصی تولید میشوند که در تجزیه مالتوز نقش دارند. در عدم حضور مالتوز، این آنزیمها ساخته نمیشوند زیرا باکتری به آنها نیازی ندارد.
تنظیم مثبت رونویسی در این ژنها به این صورت اتفاق میافتد که در حضور مالتوز، پروتئینهای خاص به نام فعالکننده، به توالیهای خاصی از DNA به نام جایگاه اتصال فعالکننده متصل میشوند. مالتوز به عنوان یک عامل، باعث متصل شدن فعالکننده به جایگاه اتصال فعالکننده میشود. این پروتئین پس از اتصال به رنابسپاراز، به این آنزیم کمک میکند تا به راهانداز متصل شود و فرآیند رونویسی ژنها را آغاز کند. به این ترتیب، مالتوز به عنوان یک عامل موجب متصل شدن فعالکننده به جایگاه اتصال فعالکننده میشود.
تنظیم بیان ژن در یوکاریوتها
تنظیم بیان ژن در یوکاریوتها پیچیدهتر از پروکاریوتها است و میتواند در مراحل بیشتری اتفاق بیافتد. یاختههای یوکاریوتی به وسیله غشاها به بخشهای مختلفی تقسیم شدهاند. برای اینکه یاخته نسبت به یک ماده واکنش نشان دهد، آن ماده باید به طریقی از غشاها عبور کند. سپس، باید توانایی تحت تأثیر قرار دادن ژنها را داشته باشد.
در یاختههای یوکاریوتی، بیشتر ژنها در هسته و برخی در راکیزهها و دیسهها واقع شدهاند. در هر یک از این محلها، یاخته میتواند نظارت بر بیان ژن را برعهده بگیرد. به عبارت دیگر، تنظیم بیان ژن میتواند در مراحل مختلف و متعدد این اجزاء انجام شود.
تنظیم بیان ژن در مرحله رونویسی
در یوکاریوتها، همانند پروکاریوتها، فرآیند رونویسی با پیوستن رنابسپاراز به راهانداز آغاز میشود. با این حال، رنابسپاراز در یوکاریوتها به تنهایی قادر به شناسایی راهانداز نمیباشد. به همین دلیل برای پیوستن به راهانداز، نیازمند پروتئینهایی به نام عوامل رونویسی است. گروهی از این پروتئینها با اتصال به نواحی خاصی از راهانداز، رنابسپاراز را به محل راهانداز هدایت میکنند. اگر تمایل این پروتئینها به پیوستن به راهانداز به دلیل تغییراتی در اثر عوامل مختلف تغییر کند، میزان رونویسی ژن نیز تغییر خواهد کرد.
در یوکاریوتها، ممکن است عوامل رونویسی به توالیهای افزایندهای از دنا متصل شوند. با پیوستن این پروتئینها به توالیهای افزاینده و ایجاد خمیدگی در دنا، عوامل رونویسی در نزدیکی یکدیگر قرار میگیرند. این همگرایی اجزای مختلف، سرعت و مقدار رونویسی ژن را افزایش میدهد. توالیهای افزاینده معمولاً از راهانداز متفاوتی بوده و ممکن است در فواصلی از ژن واقع شوند. اتصال این پروتئینها به توالیهای افزاینده موثر بر سرعت و میزان رونویسی ژن است.
تنظیم بیان ژن در مراحل غیر رونویسی
در یوکاریوتها، تنظیم بیان ژن میتواند به دو صورت پیش از رونویسی یا پس از آن انجام شود. یکی از روشهای تنظیم بیان ژن پس از رونویسی، اتصال رناهای کوچک مکمل به رنای پیک است. این اتصال باعث مهار رناتن میشود، که در نتیجه، عمل ترجمه متوقف شده و رنای ساختهشده پس از مدتی تجزیه میشود.
یک روش دیگر در تنظیم بیان ژن، تنظیم در سطح فامتنی است. بخشهای فشرده فامتن عمدتاً در دسترس کمتری از رنابسپارازها قرار دارند. با تغییر در میزان فشردگی فامتن در بخش موردنظر، یاخته میتواند دسترسی رنابسپاراز به ژن موردنظر را تنظیم کند.
روشهای دیگر تنظیم بیان ژن شامل تغییر در طول عمر رنای پیک هستند. افزایش طول عمر رنای پیک منجر به افزایش میزان محصول میشود و این فرآیندها در میزان پروتئینسازی تأثیرگذار هستند. علاوه بر این، شیوههای دیگری نیز برای تنظیم بیان ژن وجود دارند که نحوه عملکرد دقیق آنها هنوز بهطور کامل مشخص نشده است.
دیدگاهتان را بنویسید