7.2 رونویسی و بیان ژن

مفاهیم

  • بیان ژن با پروتئین هایی که به توالی‌های خاصی از DNA متصل می‌شوند، تنظیم می­شود.
  • محیط یک سلول روی بیان ژن‌ تأثیر دارد.
  • نوکلئوزوم‌ها به تنظیم رونویسی در یوکاریوت‌ها کمک می‌کنند.
  • رونویسی در جهت 5′ به 3′ انجام می‌شود.
  • mRNA در سلول‌های یوکاریوتی، پس از رونویسی دچار تغییراتی می­شوند.
  • اسپلایسینگ mRNA، تعداد پروتئین‌هایی که یک ارگانیسم می‌تواند تولید کند را افزایش می‌دهد.

کاربرد علم

  • پروموترها مثالی از DNA های غیرکدکننده با عملکرد هستند.

مهارت آموزی

  • آنالیز تغییرات الگوی متیلاسیون DNA.

ماهیت علم

  • مشاهده الگو‌ها، روندها و تناقضات: شواهد بسیاری مبنی بر تأثیر محیط روی تغییرات وراثتی در فاکتورهای اپی‌ژنتیکی وجود دارد.

عملکرد پروموترها

پروموترها مثالی از DNA های غیرکدکننده با عملکرد هستند.

فقط تعدادی از توالی‌های DNA برای تولید پلی پپتیدها کدگذاری شده‌اند. به این توالی­‌ها، توالی‌های کدکننده می‌گویند. تعدادی از توالی‌­ها غیر کدکننده نیز در ژنوم یافت می­شوند. برخی از توالی­های غیر کدکننده عملکرد دارند، مانند توالی‌هایی که rRNA و tRNA تولید می‌کنند.

برخی از نواحی غیرکدکننده (مانند افزاینده و خاموش­کننده) نقش حیاتی در تنظیم بیان ژن دارند. پروموتر توالی است که در نزدیکی ژن قرار گرفته است. به پروموترها آنزیم RNA پلی­مراز، آنزیمی که برقراری پیوند کوالانسی بین نوکلئوتیدها را طی سنتز RNA کاتالیز می‌کند، متصل می‌شود. از روی پروموتر رونویسی انجام نمی‌شود ولی نقش مهمی در رونویسی دارد.

تنظیم بیان ژن توسط پروتئین‌ها

میزان بیان ژن با پروتئین­هایی که به توالی‌های خاصی از DNA متصل می‌شوند، تنظیم می­شود.

وجود برخی از پروتئین‌ها برای زنده ماندن ارگانیسم همواره لازم است بنابراین نیازی به تنظیم بیان آن­ها نیست (زیرا همواره باید بیان شوند). اما پروتئین‌هایی نیز در سلول وجود دارند که صرفاً در زمان‌های خاصی به آن­ها نیاز است در نتیجه بیان آن‌ها باید تنظیم شود.

بیان ژن در پروکاریوت‌ها در جواب به تغییرات فاکتورهای محیطی انجام می‌شود. برای مثال ژن‌های مسئول جذب و متابولیسم لاکتور در E.coli در حضور لاکتور بیان و در زمان عدم حضور آن در محیط، بیان نمی‌شوند. در این مورد، تجزیه لاکتوز منجر به تنظیم بیان ژن از طریق فیدبک منفی می‌شود. در زمان حضور لاکتوز در محیط، پروتئین مهار کننده رونویسی، غیر فعال است (شکل شماره 1). به محض اینکه لاکتوز تجزیه شد، پروتئین مهار کننده فعال می‌شود و شروع به مهار بیان ژن‌های متابولیسم لاکتوز می‌کند.

همانند پروکاریوت‌ها، ژن‌های یوکاریوتی نیز در پاسخ به تغییرات محیطی تنظیم می‌شوند. هر سلول یک موجود پرسلولی یوکاریوتی، فقط بخشی از ژن‌هایش را بیان می‌کند. همچنین تنظیم بیان ژن یوکاریوتی بخش مهمی از تمایز سلولی (به عنوان بخشی از فرآیند تکوین) است. این مسئله در چرخه زندگی یک حشره و یا تکوین جنینی انسان به خوبی دیده می‌شود.

پروتئین‌های متعددی با اتصال به DNA، رونویسی را تنظیم می‌کنند. این توالی‌ها به سه دسته افزاینده ها، خاموش­کننده­هاو عناصر نزدیک به پروموتر[1] تقسیم بندی می‌شوند. برخلاف توالی پروموتر، توالی‌های متصل شونده به فاکتورهای تنظیم کننده رونویسی، منحصربه‌فرد هستند.

به توالی‌های تنظیمی روی DNA که در زمان اتصال پروتئین‌های تنظیم کننده، نرخ بیان ژن را افزایش می‌دهند افزاینده گفته می­شود و در مقابل تولی های که در اثر اتصال پروتئین تنظیم کننده  نرخ رونویسی DNA را کاهش می‌دهند، توالی‌های خاموش­کننده. هستند. با وجود اینکه افزاینده­­ها و خاموش­کننده­ها نسبت به پروموتر می­توانند در فاصله دورتری قرار داشته باشند، مجموعه‌ای از توالی‌های تنظیمی دیگر به نام “عناصر نزدیک پروموتر”  در جوار  پروموتور قرار دارند که اتصال پروتئین‌ها به این‌ توالی­ها برای آغاز رونویسی ضروری است.

اثر محیط بر بیان ژن

محیط یک سلول روی بیان ژن‌ تأثیر دارد.

در تاریخ تفکرات غرب، بحث‌های بسیاری درباره مقوله “ذات-تربیت”  انجام شده است. این مسئله در حقیقت مشخص می­کند که بروز یک رفتار مشخص انسانی و یا یک فنوتیپ خاص، به محیط مرتبط است یا به وراثت فرد. تلاش‌های بسیاری برای پاسخ دادن به این سوال از طریق مطالعه دو قلو‌ها خصوصاً دو قلوهای جدا شده از یکدیگر (در زمان تولد) انجام شده است.

طرح سوال مبتنی بر داده: مطالعه روی دوقلوهای یکسان

مطالعات بسیاری روی دوقلوهای یکسان برای کشف اثر فاکتورهای ژنتیکی و یا عوامل محیطی بر رفتارها و ویژگی‌های انسان مانند بروز و ظهور بیماری‌های خاص، انجام شده است. (شکل شماره 2) DNA دوقلوهای یکسان 100% نسبت به هم شباهت دارند در حالی‌که DNA دوقلوهای غیر یکسان حدود 50% مشابه با یکدیگر هستند.


سوالات

  • چند درصد از دوقلوهای یکسان هر دو دیابت دارند ؟
  • چرا وجود درصد بالایی از دو قلوهای یکسانی که هر دو یک صفت خاص را دارند، بیان کننده نقش اصلی ترکیبات ژنتیکی در بروز آن صفت است؟
  • با توجه به هر کدام از چهار وضعیت، نقش ژنتیک و محیط را در بروز آن وضعیت توضیح دهید

اثر محیط روی بیان ژن‌ها در برخی از صفات کاملا اثبات شده است. فاکتورهای محیطی روی بیان ژن تأثیر دارند؛ مانند تولید رنگدانه­های پوست انسان طی قرار گرفتن در معرض تابش نور آفتاب.

در رشد جنین، توزیع نامتوازن ترکیبات شیمیایی به نام مورفوژن‌ها در جنین دیده می­شود. غلظت مورفوژن‌ها روی بیان ژن اثرگذار است و این مسئله باعث بروز الگوهای متفاوتی از بیان ژن در نقاط مختلف پیکر جنین و در نهایت سرنوشت متفاوت سلول‌های جنینی نسبت به یکدیگر (با توجه به جایگاهشان در جنین) می‌شود.

ژن C در گربه اطلاعات لازم برای تولید آنزیم تایروزین را که اولین مرحله در تولید پیگمان‌های پوست گربه است، کد می‌کند. الل جهش یافته ژن”cs، تنها در دماهای زیر دمای بدن رگدانه­های طبیعی تولید می­کند. این جهش طی زادگیری انتخابی گربه‌های سیامی[2] انتخاب شد. در دماهای بالاتر، محصول پروتئینی غیر فعال یا کم فعال می‌شود که در نتیجه رنگدانه کمتری نسبت به قبل تولید می‌شود.

 نوکلئوزوم رونویسی را تنظیم می‌کند.

نوکلئوزوم‌ها به تنظیم رونویسی در یوکاریوت‌ها کمک می‌کنند.

DNA یوکاریوت‌ها به هیستون‌ها متصل است. تغییرات شیمیایی در دنباله هیستون‌ها، عامل بسیار مهمی در بیان ژن است. تغییرات شیمیایی مانند اضافه شدن گروه استیل، متیل یا فسفات می­تواند روی دنباله هیستون­ها ایجاد شود. برای مثال حضور اسیدآمینه لایزین در دنباله هیستونی باعث اضافه یا حذف شدن گروه‌های استیلی می­شود. به طور طبیعی باقیمانده­های آمینواسیدی  لایزینی باعث ایجادبار مثبت در دنباله هیستوی می شوند و به این دلیل با اتصال به مولکول DNA که بار منفی ای دارد باعث ایجاد یک ساختار متراکم شده و در ادامه از رونویسی جلوگیری می­کنند. استیله شدن هیستون باعث خنثی شدن، بارهای مثبت آن و در نتیجه کاهش تراکم در ساختار نوکلئوزوم و افزایش امکان رونویسی می شود. تغییرات شیمیایی دم‌های هیستونی باعث افزایش یا کاهش رونویسی و در نتیجه فعال و یا غیرفعال شدن ژن‌ها می­شود.

فعالیت

الگوی رنگ بدن گربه‌های سیامی را توضیح دهید

 

آنالیز الگوهای متیلاسیون

آنالیز تغییرات الگوی متیلاسیون DNA

اضافه شدن مستقیم گروه‌های متیل روی DNA، نقش مهمی در بیان ژن دارد. متیلاسیون هیستون‌ها می‌تواند  هم باعث مهار و هم القای رونویسی از مولکول DNA گردد در حالیکه  متیلاسیون DNA منجر به کاهش بیان ژن می‌شود. میزان متیلاسیون DNA در طول عمر ارگانیسم و به خاطر اثر فاکتورهای محیطی، متفاوت است.

طرح سوال مبتنی بر داده: تغییر در الگوی متیلاسیون با افزایش سن در دوقلوهای یکسان

در مطالعه‌ای الگوی متیلاسیون یک جفت دو قلوی همسان 3 ساله با یک جفت دو قلوی همسان 50 ساله مقایسه شد. الگوی متیلاسیون کروموزوم یک جفت دوقلو به رنگ قرمز و برای جفت دیگر برای همان کروموزوم به رنگ سبز رنگ آمیزی شد. جفت کروموزوم‌ها در هر کدام از دوقلوها به شکل واضحی به نمایش درآمده‌اند. اگر الگوها یکسان باشد، نتیجه به صورت رنگ زرد نشان داده می‌شود. تفاوت‌ در الگوی متیلاسیون دو کروموزوم به شکل الگوی مخلوطی از رنگ‌های سبز و قرمز قابل مشاهده است. این کار برای چهارکروموزوم از 23 جفت کروموزوم ژنوم انجام شد.

  • دلیل مشاهده رنگ زرد در صورت مشابه بودن الگوی متیلاسیون در دو جفت دوقلو را بیان کنید.
  • کروموزوم‌ با کمترین تغییرات نسبت به سن دوقلوها را معین کنید.[3]
  • کروموزوم‌ با بیشترین تغییرات نسبت به سن دوقلوها را مشخص کنید. [1]
  • دلیل این تفاوت­ها چیست؟[1]
  • آیا با افزایش سن، دو قلوهای یکسان به یکدیگر شبیه‌تر می‌شوند و یا متفاوت‌تر؟ دلیل بیاورید.[3]

اپی ژنتیک

مشاهده الگو‌ها، روندها و تناقضات: شواهد بسیاری مبنی بر تأثیر محیط روی تغییرات وراثتی در فاکتورهای اپی‌ژنتیکی وجود دارد.

تغییرات شیمیایی کروماتین مثل استیلاسیون، متیلاسیون و فسفریلاسیون دنباله­های آمینواسیدی هیستون (شکل شماره 5) همگی مانند متیلاسیون مستقیم DNA (شکل شماره6)  روی بیان ژن اثر گذار هستند و این اثرات در نهایت باعث بروز ویژگی‌های قابل مشاهده در یک فرد می‌شود (شکل شماره7). به این تغییرات شیمیایی، پلاک‌های (تگ‌های) اپی‌ژنتیکی گفته می­شود. شواهد بسیاری وجود دارد که نشان می‌دهد تغییرات شیمیایی رخ داده در عناصر ژنتیکی در یک نسل، چه در سطح سلولی و چه در سطح ارگانیسم، در شرایط خاص، قابل به ارث رسیدن به نسل بعد هستند.  به مجموعه این تگ­های اپی‌ژنتیکی، اپی‌ژنوم گفته می­شود.

سلول‌های مختلف الگو‌های متیلاسیون مختلفی دارند، بنابراین هر سلول برای انجام وظایف منحصر به فرد خود مجموعه‌ای منحصر به فرد از پروتئین‌ها را می‌سازد. طی تقسیم سلولی، الگوی متیلاسیون به سلول دختری منتقل می‌شود. به عبارت دیگر، محیط روی وراثت تأثیر می‌گذارد.اسپرم‌ها و تخمک­ها از سلول‌های دارای تگ‌های اپی‌ژنتیکی ساخته می‌شوند. هنگام لقاح، اپی‌ژنوم طی فرآیندی به نام “برنامه‌ریزی مجدد[3]“، پاک می‌شود.حدود یک درصد از اپی‌ژنوم پاک نمی‌شود که باعث “نقش پذیری ژنی[4]” می‌شود. برای مثال زمانی که مادر یک پستاندار مبتلا به بیماری دیابت حاملگی است. بالا بودن سطح گلوکز در بدن جنین، باعث فعال شدن تغییرات اپی ژنتیکی روی DNA دختر می گردد که این مسئله  باعث افزایش استعداد ابتلا به دیابت بارداری در نوزاد دختر می­شود.

جهت رونویسی

رونویسی در جهت 5′ به3′ انجام می‌شود.

سنتز mRNA طی سه مرحله انجام می­گیرد: مرحله آغاز، مرحله طویل سازی و مرحله پایان. رونویسی در نزدیکی محلی در DNA به نام پروموتر آغاز می‌شود. به محض اینکه RNA پلیمراز متصل شد، دو رشته DNA توسط این آنزیم باز شده و یک کمپلکس باز تشکیل می‌شود. RNA پلیمراز در امتداد DNA حرکت کرده و RNA تک‌رشته­ای می‌سازد.

تغییرات پس از رونویسی

در سلول‌های یوکاریوتی ، mRNA پس از رونویسی دچار تغییراتی می‌شود.

تنظیم بیان ژن می‌تواند در سطوح مختلفی رخ دهد. رونویسی، ترجمه و تنظیمات پس از ترجمه هم در یوکاریوت‌ها و هم در پروکاریوت‌ها انجام می‌پذیرد. بسیاری از تنظیمات بیان ژن‌های پروکاریوتی در زمان رونویسی انجام می‌شود. به علاوه، تغییرات پس از رونویسی بر روی RNA نوعی تنظیم بیان ژن است که در پروکاریوت‌ها رخ نمی‌دهد.

یکی از تفاوت‌های قابل توجه بین یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها، عدم وجود غشای هسته اطراف ماده ژنتیکی در پروکاریوت‌ها است. این مسئله باعث می­شود که رونویسی و ترجمه هر دو همزمان در پروکاریوت‌ها انجام ‌شوند.

جدا بودن محل رونویسی و ترجمه در یوکاریوت‌ها امکان انجام تغییرات گسترده پس از رونویسی روی RNA را پیش از خروج  RNA بالغ از هسته فراهم می‌کند برای مثال حذف توالی‌های اینترون از رونوشت RNA یکی از این تغییرات است، اما پروکاریوت‌ها اینترون ندارند.

نظریه علمی
چگونه معیارهای متفاوت در نهایت باعث نتیجه‌گیری‌های مختلفی از داده‌های مشابه می‌شود؟

برآورد تعداد ژن‌های یافت شده در ژنوم انسان در خلال سال‌های 200 تا 2007 بسیار متنوع و متفاوت بود. گزارش‌ها در سال 2000 حاکی از وجود 120000 ژن در ژنوم انسان بود در حالی که امروز همه اتفاق نظر دارند که حدود 20500 ژن در ژنوم انسان وجود دارد. دلیل این عدم قطعیت معیارهای متفاوت استفاده شده در برنامه‌های کشف ژن بود.

تعریف یک معیار واحد به دلایل زیر مشکل بود:

·                     دشواری شناسایی ژن‌های کوچک.

·                     به واسطه RNA اسپلایسینگ، یک ژن می‌تواند تعداد زیادی محصول پروتئینی را کد کند.

·                     برخی از ژن‌ها، رمزگذار پروتئین نیستند و همچنین دو ژن می‌توانند با یکدیگر همپوشانی داشته باشند.

 

در یوکاریوت‌ها، به mRNA تولید شده پس از رونویسی، pre-mRNA گفته می­شود؛ زیرا بعد از رونویسی روی  pre-mRNA تغییراتی صورت می­گیرد و تبدیل به mRNA بالغ می‌شود و پس از آن اجازه خروج از هسته را دارد.

یکی از این مراحل، پروسه پیرایش RNA یا اسپلایسینگ است که در شکل شماره 10 قسمت ب نشان داده شده است.

توالی‌های اینترون که در سرتاسر mRNA پخش شده‌اند، کدکننده پروتئین نیستند و پس از رونویسی حذف می­شوند. به بخش‌های باقیمانده mRNA که کدکننده پروتئین‌ها هستند، اگزون می‌گویند. این نواحی به یکدیگر متصل (spliced)  می‌شوند و  mRNA بالغ را می‌سازند.

اسپلایسینگ mRNA

اسپلایسینگ mRNA، تعداد پروتئین‌هایی که یک ارگانیسم از روی یک توالی می‌تواند تولید کند را افزایش می‌دهد.

اسپلایسینگ متناوب ( Alternative splicing) فرآیندی است که محصولات متعدد پروتئینی فقط با رونوشت برداری از یک ژن تولید می­شود. این اتفاق در ژن‌هایی با اگزون‌های متعدد رخ می‌دهد. در این پروسه یک اگزون ممکن است در نسخه نهایی mRNA حضور داشته باشد یا حذف شود. در نتیجه پس از  اسپلایسینگ متناوب، پروتئین‌های ترجمه شده از روی RNAهای متنوع، در توالی آمینواسیدی و احتمالاً در عملکردهای زیستی با یکدیگر متفاوت خواهند بود.

در پستانداران، پروتئین ترومپومیوزین توسط ژنی کد می­شود که 11 اگزون دارد. mRNA نابالغ ترومپومیوزین، در بافت‌های متفاوت به شکل­های مختلفی پیرایش می‌شود که این مسئله منجر به تولید 5 ایزوفرم مختلف پروتئین از روی این ژن می­شود. برای مثال در ماهیچه اسکلتی، اگزون 2 و در ماهیچه صاف اگزون‌های 3 و 10 در نسخه نهایی mRNA حذف شده اند.

در مگس سرکه، پروتئین Descam  در هدایت سلول‌های عصبی درحال رشد به سمت اهدافشان نقش دارد. تحقیقات نشان می‌دهد که به طور بالقوه 38000، mRNA مختلف بر اساس شماره متفاوت اینترون‌ها در ژن وجود دارد که می‌توانند تحت اسپلایسنگ متناوب قرار بگیرند.

[1]promoter-proximal elements

[2] Siamese cats

[3] reprogramming

[4] imprinting

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید