Skip to main content
Global

15.3: النسخ حقيقي النواة

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196623

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    المهارات اللازمة للتطوير

    • ضع قائمة بالخطوات في النسخ حقيقي النواة
    • ناقش دور بوليميرات الحمض النووي الريبي في النسخ
    • قارن وقارن بين بوليميرات الحمض النووي الريبي الثلاثة
    • شرح أهمية عوامل النسخ

    تؤدي بدائيات النواة وحقيقيات النوى بشكل أساسي نفس عملية النسخ، مع بعض الاختلافات الرئيسية. الفرق الأكثر أهمية بين بدائيات النواة وحقيقيات النوى هو النواة والعضيات المرتبطة بالغشاء للأخير. مع ارتباط الجينات في النواة، يجب أن تكون الخلية حقيقية النواة قادرة على نقل الحمض النووي الريبي إلى السيتوبلازم ويجب أن تحمي الحمض النووي الريبي من التحلل قبل ترجمته. تستخدم حقيقيات النوى أيضًا ثلاثة بوليميرات مختلفة تنسخ كل منها مجموعة فرعية مختلفة من الجينات. عادةً ما يكون الحمض النووي الريبوزي أحادي النواة أحادي الجين، مما يعني أنه يحدد بروتينًا واحدًا.

    بدء النسخ في حقيقيات النوى

    على عكس البوليميراز الأولي الذي يمكن أن يرتبط بنموذج الحمض النووي من تلقاء نفسه، تتطلب حقيقيات النوى العديد من البروتينات الأخرى، تسمى عوامل النسخ، للارتباط أولاً بمنطقة المروج ثم المساعدة في تجنيد البوليميراز المناسب.

    بوليميرات الحمض النووي الريبي الثلاثة حقيقية النواة

    تعتبر ميزات تخليق الحمض النووي الريبوزي أحادي النواة أكثر تعقيدًا بشكل ملحوظ من خصائص بدائيات النواة. بدلاً من بوليميراز واحد يتكون من خمس وحدات فرعية، تحتوي حقيقيات النوى على ثلاث بوليميرات تتكون كل منها من 10 وحدات فرعية أو أكثر. يتطلب كل بوليميراز حقيقي النواة أيضًا مجموعة مميزة من عوامل النسخ لإحضاره إلى قالب الحمض النووي.

    يقع بوليميراز الحمض النووي الريبي الأول في النواة، وهي بنية تحتية نووية متخصصة يتم فيها نسخ RNA الريبوسومي (rRNA) ومعالجته وتجميعه في ريبوسومات (الجدول\(\PageIndex{1}\)). تعتبر جزيئات الرنا الرينا البنيوية لأنها تلعب دورًا خلوية ولكنها لا تُترجم إلى بروتين. RNAs هي مكونات الريبوسوم وهي ضرورية لعملية الترجمة. يقوم بوليميراز الحمض النووي الريبي الأول بتجميع جميع الحمض النووي الريبي باستثناء جزيء 5S rRNA. تنطبق التسمية «S» على وحدات «Svedberg»، وهي قيمة غير مضافة تميز السرعة التي يترسب بها الجسيم أثناء الطرد المركزي.

    الجدول\(\PageIndex{1}\): مواقع ومنتجات وحساسيات بوليميرات الحمض النووي الريبي الثلاثة حقيقية النواة

    بوليميراز رنا مقصورة خلوية منتج النسخ حساسية ألفا أمانيتين
    أنا نيوكليولوس جميع RNAs باستثناء RNA 5S غير حساس
    ثانيا نواة جميع الأحماض النووية التي تحتوي على ترميز البروتين قبل MRNAs حساس للغاية
    ثالثا نواة RNA 5S و TRNAs و RNAs النووية الصغيرة حساس بشكل معتدل

    يقع بوليميراز الحمض النووي الريبي الثاني في النواة ويقوم بتجميع جميع الأحماض النووية قبل mRNAs التي تعمل بترميز البروتين. تخضع تقنية ما قبل mRNAs حقيقية النواة لمعالجة مكثفة بعد النسخ ولكن قبل الترجمة. للتوضيح، ستستخدم مناقشة هذه الوحدة للنسخ والترجمة في حقيقيات النوى مصطلح «mRNAs» لوصف الجزيئات الناضجة والمعالجة الجاهزة للترجمة فقط. إن بوليميراز الحمض النووي الريبي الثاني مسؤول عن نسخ الغالبية العظمى من الجينات حقيقية النواة.

    يوجد بوليميراز RNA III أيضًا في النواة. يقوم هذا البوليميراز بنسخ مجموعة متنوعة من الحمض النووي الريبي الهيكلي الذي يتضمن RNA قبل 5S، ونقل الحمض النووي الريبي المسبق (قبل TRNAs)، والحمض النووي الريبي النووي الصغير المسبق. تلعب TRNAs دورًا مهمًا في الترجمة؛ فهي بمثابة جزيئات المحول بين قالب mRNA وسلسلة البولي ببتيد المتنامية. تتمتع الرنا النووية الصغيرة بمجموعة متنوعة من الوظائف، بما في ذلك «الربط» قبل mRNAs وتنظيم عوامل النسخ.

    يمكن لعالم يصف جينًا جديدًا تحديد البوليميراز الذي ينسخه عن طريق اختبار ما إذا كان يتم التعبير عن الجين في وجود سم فطر معين، ألفا أمانيتين (الجدول أعلاه). ومن المثير للاهتمام أن ألفا أمانيتين التي تنتجها أمانيتا فالويدات، فطر Death Cap، يؤثر على البوليميرات الثلاثة بشكل مختلف تمامًا. بوليميراز الحمض النووي الريبي 1 غير حساس تمامًا لـ ألفا أمانيتين، مما يعني أن البوليميراز يمكنه نسخ الحمض النووي في المختبر في وجود هذا السم. في المقابل، فإن بوليميراز الحمض النووي الريبي الثاني حساس للغاية لـ ألفا أمانيتين، وبوليميراز الحمض النووي الريبي الثالث حساس بشكل معتدل. يمكن أن تؤدي معرفة البوليميراز المنسخ إلى توجيه الباحث إلى الوظيفة العامة للجين الذي تتم دراسته. نظرًا لأن بوليميراز الحمض النووي الريبي الثاني ينسخ الغالبية العظمى من الجينات، فسوف نركز على هذا البوليميراز في مناقشاتنا اللاحقة حول عوامل النسخ حقيقية النواة والمروجين.

    هيكل مروج بوليميراز الحمض النووي الريبي الثاني

    تعتبر محفزات حقيقيات النواة أكبر بكثير وأكثر تعقيدًا من المحفزات بدائية النواة، ولكن كلاهما يحتوي على صندوق TATA. على سبيل المثال، في جين كيناز ثيميدين للماوس، يقع صندوق TATA في حوالي -30 نسبة إلى موقع البدء (+1) (الشكل\(\PageIndex{1}\)). بالنسبة لهذا الجين، فإن التسلسل الدقيق لصندوق TATA هو TATAAAA، كما يُقرأ في الاتجاه من 5 إلى 3 على الخصلة غير النمطية. لا يتطابق هذا التسلسل مع صندوق E. coli TATA، ولكنه يحفظ العنصر الغني بـ A-T. إن الثبات الحراري لروابط A-T منخفض وهذا يساعد قالب الحمض النووي على الاسترخاء محليًا استعدادًا للنسخ.

    يُظهر الرسم التوضيحي سلسلة من عوامل النسخ المرتبطة بالمروج، وهو الجزء العلوي من الجين. بعد ربط جميع عوامل النسخ، يرتبط بوليميراز الحمض النووي الريبي أيضًا.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): يظهر محفز عام لجين تم نسخه بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي II. تتعرف عوامل النسخ على المروج. ثم يربط بوليميراز الحمض النووي الريبي II ويشكل مجمع بدء النسخ.

    آرت كونيكشن

    يوضح الرسم التوضيحي أنه قبل معالجة الحمض النووي الريبي، هناك نسخة أولية من الحمض النووي الريبي بما في ذلك خمسة مربعات مصنفة، من اليسار إلى اليمين، مثل إكسون 1، إنترون، إكسون 2، إنترون، إكسون 3. بعد معالجة الحمض النووي الريبي، يوجد الحمض النووي الريبي المنقسم بهذه الأجزاء، من اليسار إلى اليمين: غطاء 5 بوصة، ومنطقة غير مترجمة بطول 5 بوصات، وإكسون 1، وإكسون 2، وإكسون 3، ومنطقة غير مترجمة مقاس 3 بوصات، وذيل متعدد.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): يحتوي mRNA حقيقي النواة على نيترونات يجب تقطيعها. تمت إضافة قبعة بطول 5 بوصات وذيل بولي أ بطول 3 بوصات.

    يقوم أحد العلماء بلصق محفز حقيقي النواة أمام جين بكتيري وإدخال الجين في كروموسوم بكتيري. هل تتوقع أن تقوم البكتيريا بنسخ الجين؟

    يتضمن جينوم الفأر جينًا واحدًا واثنين من الجينات الزائفة لكيناز ثيميدين السيتوبلازمي. الجينات الزائفة هي جينات فقدت قدرتها على ترميز البروتين أو لم تعد الخلية تعبر عنها. يتم نسخ هذه الجينات الزائفة من mRNA ودمجها في الكروموسوم. على سبيل المثال، يحتوي مروج كيناز ثيميدين للماوس أيضًا على صندوق CAAT محفوظ (GGCCAATCT) عند -80 تقريبًا. هذا التسلسل ضروري ويشارك في عوامل النسخ الملزمة. علاوة على ذلك، في الجزء العلوي من صندوق TATA، قد تحتوي المروجات حقيقية النواة أيضًا على صندوق أو أكثر من الصناديق الغنية بـ GC (GGCG) أو صناديق أوكتامر (ATTTGCAT). تربط هذه العناصر العوامل الخلوية التي تزيد من كفاءة بدء النسخ وغالبًا ما يتم تحديدها في الجينات «النشطة» التي تعبر عنها الخلية باستمرار.

    عوامل النسخ لـ RNA Polymerase II

    لا ينتهي تعقيد النسخ حقيقي النواة بالبوليميرات والمروجين. يساعد جيش من عوامل النسخ القاعدية والمحسنات وكاتم الصوت أيضًا على تنظيم التردد الذي يتم به تصنيع الحمض النووي الريبي المسبق من الجين. تؤثر المعززات وكواتم الصوت على كفاءة النسخ ولكنها ليست ضرورية للمضي قدمًا في النسخ. تعتبر عوامل النسخ القاعدية أمرًا بالغ الأهمية في تكوين مجمع البدء المسبق على قالب الحمض النووي الذي يقوم لاحقًا بتجنيد بوليميراز RNA II لبدء النسخ.

    تبدأ أسماء عوامل النسخ القاعدية بـ «TFII» (هذا هو عامل النسخ لبوليميراز الحمض النووي الريبي II) ويتم تحديدها بالحروف A-J. تقع عوامل النسخ بشكل منهجي في مكانها على قالب الحمض النووي، حيث يعمل كل منها على تثبيت مركب ما قبل البدء والمساهمة فيه لتوظيف بوليميراز الحمض النووي الريبي الثاني.

    تتضمن عمليات جلب بوليميرات الحمض النووي الريبي الأول والثالث إلى قالب الحمض النووي مجموعات أقل تعقيدًا قليلاً من عوامل النسخ، ولكن الموضوع العام هو نفسه. النسخ حقيقي النواة هو عملية منظمة بإحكام تتطلب مجموعة متنوعة من البروتينات للتفاعل مع بعضها البعض ومع خيط الحمض النووي. على الرغم من أن عملية النسخ في حقيقيات النوى تنطوي على استثمار استقلابي أكبر من بدائيات النواة، إلا أنها تضمن أن الخلية تنسخ بدقة ما قبل mRNAs التي تحتاجها لتخليق البروتين.

    اتصال التطور: تطور المروجين

    قد يكون تطور الجينات مفهومًا مألوفًا. يمكن أن تحدث الطفرات في الجينات أثناء تكرار الحمض النووي، وقد تكون النتيجة مفيدة أو لا تكون مفيدة للخلية. من خلال تغيير الإنزيم أو البروتين الهيكلي أو أي عامل آخر، يمكن أن تؤدي عملية الطفرة إلى تغيير الوظائف أو الميزات الفيزيائية. ومع ذلك، قد تتطور أيضًا محفزات حقيقية النواة وغيرها من التسلسلات التنظيمية الجينية. على سبيل المثال، ضع في اعتبارك الجين الذي يصبح، على مدى أجيال عديدة، أكثر قيمة للخلية. ربما يقوم الجين بتشفير البروتين الهيكلي الذي تحتاجه الخلية لتوليفه بكثرة لوظيفة معينة. إذا كان هذا هو الحال، فسيكون من المفيد للخلية أن يقوم مروج هذا الجين بتجنيد عوامل النسخ بشكل أكثر كفاءة وزيادة التعبير الجيني.

    أبلغ العلماء الذين يدرسون تطور تسلسلات المروج عن نتائج متفاوتة. ويرجع ذلك جزئيًا إلى صعوبة الاستنتاج بالضبط من أين يبدأ وينتهي المروج حقيقي النواة. تحدث بعض المحفزات داخل الجينات؛ بينما يقع البعض الآخر بعيدًا جدًا في أعلى، أو حتى أسفل، الجينات التي تنظمها. ومع ذلك، عندما قصر الباحثون فحصهم على تسلسلات محفز النواة البشرية التي تم تعريفها تجريبيًا على أنها تسلسلات تربط مجمع البدء المسبق، وجدوا أن المحفزات تتطور بشكل أسرع من جينات ترميز البروتين.

    لا يزال من غير الواضح كيف يمكن أن يتوافق تطور المروج مع تطور البشر أو الكائنات الحية العليا الأخرى. ومع ذلك، فإن تطور المروج لصنع أكثر أو أقل من منتج جيني معين بشكل فعال هو بديل مثير للاهتمام لتطور الجينات نفسها. 1

    الهياكل المروجة لبوليميراز الحمض النووي الريبي الأول والثالث

    في حقيقيات النوى، تختلف العناصر المعززة المحفوظة للجينات المنسوخة بواسطة بوليميرات الحمض النووي الريبي الأول والثاني والثالث. يقوم بوليميراز الحمض النووي الريبي 1 بنسخ الجينات التي لها تسلسلان محفزان غنيان بـ GC في منطقة -45 إلى +20. هذه التسلسلات وحدها كافية لبدء النسخ، لكن المروجين الذين لديهم تسلسلات إضافية في المنطقة من -180 إلى -105 في الجزء العلوي من موقع البدء سيعززون عملية البدء. تحتوي الجينات التي يتم نسخها بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي الثالث على محفزات أو محفزات أولية تحدث داخل الجينات نفسها.

    الاستطالة والإنهاء حقيقيات النواة

    بعد تكوين مركب ما قبل البدء، يتم تحرير البوليميراز من عوامل النسخ الأخرى، ويُسمح بالاستطالة كما يحدث في بدائيات النواة مع تخليق البوليميراز قبل mRNA في الاتجاه من 5 إلى 3. كما تمت مناقشته سابقًا، ينسخ بوليميراز RNA II الحصة الرئيسية من الجينات حقيقية النواة، لذلك سيركز هذا القسم على كيفية تحقيق هذا البوليميراز للاستطالة والإنهاء.

    على الرغم من أن عملية الاستطالة الأنزيمية هي نفسها بشكل أساسي في حقيقيات النوى وبدائيات النواة، إلا أن قالب الحمض النووي أكثر تعقيدًا. عندما لا تنقسم الخلايا حقيقية النواة، توجد جيناتها ككتلة منتشرة من الحمض النووي والبروتينات تسمى الكروماتين. يتم تعبئة الحمض النووي بإحكام حول بروتينات الهستون المشحونة على فترات متكررة. يتم تباعد مجمعات الحمض النووي والهيستون هذه، والتي تسمى مجتمعة النيوكليوسومات، بانتظام وتشمل 146 نيوكليوتيدات من الحمض النووي ملفوفة حول ثمانية هيستونات مثل الخيط حول بكرة.

    لكي يحدث تخليق البولينيوكليوتيد، تحتاج آلية النسخ إلى تحريك الهستونات بعيدًا عن الطريق في كل مرة تواجه فيها نيوكليوسوم. يتم تحقيق ذلك من خلال مركب بروتيني خاص يسمى FACT، والذي يرمز إلى «تسهيل نسخ الكروماتين». يسحب هذا المركب الهستونات بعيدًا عن قالب الحمض النووي بينما يتحرك البوليميراز على طوله. بمجرد تصنيع الحمض النووي الريبي الريبي المسبق، يحل مركب FACT محل الهستونات لإعادة إنشاء النيوكليوزومات.

    يختلف إنهاء النسخ بالنسبة للبوليميرات المختلفة. على عكس بدائيات النواة، يحدث الاستطالة بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي الثاني في حقيقيات النوى من 1000 إلى 2000 نيوكليوتيدات بعد نهاية الجين الذي يتم نسخه. تتم إزالة ذيل ما قبل mRNA هذا لاحقًا عن طريق الانقسام أثناء معالجة mRNA. من ناحية أخرى، تتطلب بوليميرات RNA I و III إشارات إنهاء. تحتوي الجينات المنسوخة بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي I على تسلسل محدد من 18 نوكليوتيد يتم التعرف عليه بواسطة بروتين الإنهاء. تتضمن عملية الإنهاء في بوليميراز الحمض النووي الريبي الثالث دبوس شعر mRNA يشبه الإنهاء المستقل للنسخ في بدائيات النواة.

    ملخص

    يتضمن النسخ في حقيقيات النوى واحدًا من ثلاثة أنواع من البوليميرات، اعتمادًا على الجين الذي يتم نسخه. ينسخ بوليميراز الحمض النووي الريبي الثاني جميع جينات ترميز البروتين، بينما ينسخ بوليميراز الحمض النووي الريبي الأول جينات الرنا، وينسخ بوليميراز الحمض النووي الريبي الثالث الحمض النووي الريبي الريبي والجينات الرنا الريبوزية الصغيرة. يتضمن بدء النسخ في حقيقيات النوى ربط العديد من عوامل النسخ بتسلسلات المروج المعقدة التي توجد عادةً في الجزء العلوي من الجين الذي يتم نسخه. يتم تصنيع mRNA في اتجاه 5 إلى 3 بوصات، ويقوم مركب FACT بتحريك وإعادة تجميع النيوكليوسومات أثناء مرور البوليميراز. في حين أن بوليميراز الحمض النووي الريبي الأول والثالث ينهي النسخ بالطرق المعتمدة على دبوس الشعر بالبروتين أو الحمض النووي الريبي، فإن بوليميراز الحمض النووي الريبي الثاني ينسخ 1000 أو أكثر من النيوكليوتيدات خارج القالب الجيني ويشق الفائض أثناء المعالجة قبل الحمض النووي الريبي.

    اتصالات فنية

    الشكل\(\PageIndex{2}\): يقوم أحد العلماء بلصق محفز حقيقي النواة أمام جين بكتيري وإدراج الجين في كروموسوم بكتيري. هل تتوقع أن تقوم البكتيريا بنسخ الجين؟

    إجابة

    لا. تستخدم بدائيات النواة محفزات مختلفة عن حقيقيات النوى.

    الحواشي

    1. 1 H Liang وآخرون.، «التطور السريع للمحفزات الأساسية في جينومات الرئيسيات»، البيولوجيا الجزيئية والتطور 25 (2008): 1239-44.

    مسرد المصطلحات

    صندوق كات
    (GGCCAATCT) تسلسل محفز حقيقيات النواة الأساسي المتضمن في عوامل النسخ الملزمة
    حقيقة
    مركب «يسهل نسخ الكروماتين» عن طريق تفكيك النيوكليوزومات قبل نسخ بوليميراز الحمض النووي الريبي II وإعادة تجميعها بعد مرور البوليميراز
    صندوق غني بدول مجلس التعاون
    (GGCG): تسلسل محفز حقيقيات النواة غير الأساسي الذي يربط العوامل الخلوية لزيادة كفاءة النسخ؛ قد يكون موجودًا عدة مرات في المروج
    علبة أوكتامر
    (ATTTGCAT): تسلسل محفز حقيقيات النواة غير الأساسي الذي يربط العوامل الخلوية لزيادة كفاءة النسخ؛ قد يكون موجودًا عدة مرات في المروج
    مجمع ما قبل التهيئة
    مجموعة من عوامل النسخ والبروتينات الأخرى التي تجند بوليميراز الحمض النووي الريبي II لنسخ قالب الحمض النووي
    الحمض النووي الريبي الصغير
    الجزيئات التي يتم تصنيعها بواسطة بوليميراز RNA III والتي لها مجموعة متنوعة من الوظائف، بما في ذلك الربط المسبق لـ mRNAs وتنظيم عوامل النسخ