Skip to main content
Global

15.4: معالجة الحمض النووي الريبي في حقيقيات النوى

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196614

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

    المهارات اللازمة للتطوير

    • وصف الخطوات المختلفة في معالجة RNA
    • فهم أهمية الإكسونات والنيترونات والربط
    • شرح كيفية معالجة الحمض النووي الريبي وRNAs

    بعد النسخ، يجب أن تخضع حقيقيات النواة السابقة لـ mRNAs لعدة خطوات معالجة قبل ترجمتها. تخضع الحمض النووي الريبي حقيقي النواة (وبدائي النواة) أيضًا للمعالجة قبل أن تتمكن من العمل كمكونات في آلية تخليق البروتين.

    معالجة الحمض النووي الريبي

    يخضع الحمض النووي الريبوطي قبل mRNA لعملية معالجة مكثفة قبل أن يصبح جاهزًا للترجمة. تؤدي الخطوات الإضافية التي ينطوي عليها نضج mRNA حقيقي النواة إلى إنشاء جزيء بعمر نصف أطول بكثير من الحمض النووي الريبوزي أحادي النواة. يستمر الحمض النووي الريبوزي أحادي النواة الحقيقي النواة لعدة ساعات، في حين أن الحمض النووي الريبوزي القولوني النموذجي لا يدوم أكثر من خمس ثوانٍ.

    يتم طلاء ما قبل mRNAs أولاً ببروتينات تثبيت الحمض النووي الريبي؛ هذه تحمي الحمض النووي الريبي المسبق من التحلل أثناء معالجته وتصديره خارج النواة. تتمثل الخطوات الثلاث الأكثر أهمية في المعالجة السابقة لـ mRNA في إضافة عوامل التثبيت والإشارة عند طرفي 5 و 3 من الجزيء، وإزالة التسلسلات المتداخلة التي لا تحدد الأحماض الأمينية المناسبة. في حالات نادرة، يمكن «تحرير» نسخة mRNA بعد نسخها.

    اتصال التطور: تحرير الحمض النووي الريبي في المثقبيات

    المثقبيات هي مجموعة من البروتوزوا التي تشمل العامل الممرض Trypanosoma brucei، الذي يسبب مرض النوم لدى البشر (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تحتوي المثقبيات، وجميع حقيقيات النوى الأخرى تقريبًا، على عضيات تسمى الميتوكوندريا التي تزود الخلية بالطاقة الكيميائية. الميتوكوندريا هي عضيات تعبر عن الحمض النووي الخاص بها ويعتقد أنها بقايا علاقة تكافلية بين حقيقيات النواة وبدائل النواة المغمورة. يُظهر الحمض النووي للميتوكوندريا الخاص بالمثقبيات استثناءً مثيرًا للاهتمام لـ The Central Dogma: لا يحتوي الحمض النووي قبل mRNAs على المعلومات الصحيحة لتحديد البروتين الوظيفي. عادة ما يكون هذا بسبب افتقار mRNA للعديد من نيوكليوتيدات U. تقوم الخلية بخطوة معالجة RNA إضافية تسمى تحرير RNA لعلاج ذلك.

    يُظهر التصوير المجهري T. brucei، الذي يحتوي على جسم خلوي على شكل حرف U وذيل طويل.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): المثقبية البروسية هي العامل المسبب لمرض النوم لدى البشر. يجب تعديل mRNAs لهذا العامل الممرض عن طريق إضافة النيوكليوتيدات قبل أن يحدث تخليق البروتين. (الائتمان: تعديل العمل من قبل تورستن أوشسينرايتر)

    تقوم الجينات الأخرى في جينوم الميتوكوندريا بترميز الحمض النووي الريبي الموجه من 40 إلى 80 نيوكليوتيد. يتفاعل واحد أو أكثر من هذه الجزيئات عن طريق الاقتران الأساسي التكميلي مع بعض النيوكليوتيدات في نسخة ما قبل mRNA. ومع ذلك، فإن الحمض النووي الريبي الموجه يحتوي على المزيد من النيوكليوتيدات A مقارنة بـ mRNA الذي كان يحتوي على نيوكليوتيدات U للربط بها. في هذه المناطق، يخرج الحمض النووي الريبي الإرشادي. تحتوي الأطراف الثلاثة من RNAs الإرشادية على ذيل طويل من Poly-u، ويتم إدراج قواعد U هذه في مناطق نسخة ما قبل mRNA حيث يتم وضع RNAs الإرشادية. يتم التوسط في هذه العملية بالكامل بواسطة جزيئات RNA. أي أن الحمض النووي الريبي الموجه - بدلاً من البروتينات - يعمل كمحفزات في تحرير الحمض النووي الريبي.

    تحرير الحمض النووي الريبي ليس مجرد ظاهرة من التريبانوزومات. في الميتوكوندريا لبعض النباتات، يتم تحرير جميع أنواع ما قبل mRNAs تقريبًا. كما تم تحديد تحرير الحمض النووي الريبي في الثدييات مثل الجرذان والأرانب وحتى البشر. ماذا يمكن أن يكون السبب التطوري لهذه الخطوة الإضافية في معالجة ما قبل mRNA؟ أحد الاحتمالات هو أن الميتوكوندريا، كونها بقايا بدائيات النواة القديمة، لديها طريقة قديمة بنفس القدر تعتمد على الحمض النووي الريبي لتنظيم التعبير الجيني. ودعمًا لهذه الفرضية، تختلف التعديلات التي أجريت على mRNAs السابقة اعتمادًا على الظروف الخلوية. على الرغم من التخمين، فإن عملية تحرير الحمض النووي الريبي قد تكون عائقًا من وقت بدائي عندما كانت جزيئات الحمض النووي الريبي، بدلاً من البروتينات، مسؤولة عن تحفيز التفاعلات.

    غطاء بطول 5 أقدام

    في حين لا يزال يتم تصنيع الحمض النووي الريبوزي المنبعث مسبقًا، تتم إضافة غطاء مكون من 7 ميثيل جوانزين إلى الطرف الخامس من النسخة المتنامية عن طريق وصلة الفوسفات. تحمي هذه المجموعة (المجموعة الوظيفية) الحمض النووي الريبي الناشئ من التدهور. بالإضافة إلى ذلك، فإن العوامل المشاركة في تخليق البروتين تتعرف على الغطاء للمساعدة في بدء الترجمة بواسطة الريبوسومات.

    ذيل بولي إيه بطول 3 بوصة

    بمجرد اكتمال الاستطالة، يتم شق ما قبل mRNA بواسطة كريات الدم البيضاء الداخلية بين تسلسل إجماع AAUAAA وتسلسل غني بـ GU-U، تاركًا تسلسل AAUAAA على ما قبل mRNA. ثم يضيف إنزيم يسمى بوليميراز بولي أ سلسلة من بقايا 200 A تقريبًا، تسمى ذيل Poly-a. يحمي هذا التعديل أيضًا الحمض النووي الريبي المسبق من التدهور ويشير إلى تصدير العوامل الخلوية التي يحتاجها النص إلى السيتوبلازم.

    الربط قبل الرنا

    تتكون الجينات حقيقية النواة من إكسونات، والتي تتوافق مع تسلسلات ترميز البروتين (يشير النوع الأول إلى أنها مضغوطة مسبقًا)، وتسلسلات داخلية تسمى النترونات (يشير إن-رون إلى دورها في التمثيل)، والتي قد تشارك في تنظيم الجينات ولكن تتم إزالتها من قبل mRNA أثناء المعالجة. لا تقوم تسلسلات الإنترون في mRNA بترميز البروتينات الوظيفية.

    كان اكتشاف النترونات بمثابة مفاجأة للباحثين في السبعينيات الذين توقعوا أن ما قبل mRNAs ستحدد تسلسلات البروتين دون مزيد من المعالجة، كما لاحظوا في بدائيات النواة. غالبًا ما تحتوي جينات حقيقيات النوى العليا على واحد أو أكثر من إنترونات. قد تتوافق هذه المناطق مع التسلسلات التنظيمية؛ ومع ذلك، فإن الأهمية البيولوجية لوجود العديد من الإنترونات أو وجود إنترونات طويلة جدًا في الجين غير واضحة. من الممكن أن تعمل النترونات على إبطاء التعبير الجيني لأن نسخ ما قبل mRNAs يستغرق وقتًا أطول مع الكثير من النترونات. بدلاً من ذلك، قد تكون الإنترونات بقايا تسلسل غير وظيفية متبقية من اندماج الجينات القديمة طوال التطور. ويدعم ذلك حقيقة أن الإكسونات المنفصلة غالبًا ما تقوم بتشفير وحدات فرعية أو مجالات بروتينية منفصلة. بالنسبة للجزء الأكبر، يمكن تحوير تسلسلات النترونات دون التأثير في النهاية على منتج البروتين.

    يجب إزالة جميع إنترونات ما قبل mRNA بشكل كامل ودقيق قبل تخليق البروتين. إذا حدث خطأ في العملية حتى بمقدار نيوكليوتيد واحد، فسيتغير إطار قراءة الإكسونات الملتصقة، وسيصبح البروتين الناتج غير فعال. تسمى عملية إزالة الإنترونات وإعادة توصيل الإكسونات بالربط (الشكل\(\PageIndex{2}\)). تتم إزالة الإنترونات وتحللها بينما لا يزال الحمض النووي الريبي المسبق في النواة. يحدث الربط بواسطة آلية خاصة بالتسلسل تضمن إزالة الإنترونات وإعادة ربط الإكسونات بدقة ودقة نيوكليوتيد واحد. يتم إجراء عملية ربط ما قبل mRNAs بواسطة مجمعات من البروتينات وجزيئات الحمض النووي الريبي تسمى الجليسيوزومات.

    آرت كونيكشن

    يُظهر الرسم التوضيحي وصلة مرتبطة بـ mRNA. يتم لف إنترون حول SNRNPs المرتبطة بالجسيم. عند اكتمال عملية الربط، يتم دمج الإكسونات الموجودة على جانبي الإنترون معًا، ويشكل الإنترون بنية دائرية.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): يتضمن الربط قبل mRNA الإزالة الدقيقة للأنترونات من نسخة RNA الأولية. يتم تحفيز عملية الربط بواسطة مجمعات بروتينية تسمى الوصلات التي تتكون من البروتينات وجزيئات الحمض النووي الريبي التي تسمى SNRNAs. تتعرف الوصلات الوسيمية على التسلسلات في نهاية 5 و 3 بوصات من الإنترون.

    تتسبب الأخطاء في الربط في السرطانات والأمراض البشرية الأخرى. ما أنواع الطفرات التي قد تؤدي إلى أخطاء الربط؟ فكر في النتائج المحتملة المختلفة في حالة حدوث أخطاء الربط.

    لاحظ أنه يمكن وجود أكثر من 70 نيترونًا فرديًا، ويجب أن يخضع كل منها لعملية الربط - بالإضافة إلى تغطية 5 بوصات وإضافة ذيل متعدد - A - فقط لتوليد جزيء mRNA واحد قابل للترجمة.

    رابط إلى التعلم

    شاهد كيف تتم إزالة النترونات أثناء ربط الحمض النووي الريبي على هذا الموقع.

    معالجة الحمض النووي الريبي وRNAs

    إن الحمض النووي الريبي (TRNAs) و RNAs عبارة عن جزيئات هيكلية لها أدوار في تخليق البروتين؛ ومع ذلك، لا تتم ترجمة هذه الحمض النووي الريبوزي يتم نسخ RRNAs المسبقة ومعالجتها وتجميعها في ريبوسومات في النواة. يتم نسخ الحمض النووي الريبي المسبق ومعالجته في النواة ثم إطلاقه في السيتوبلازم حيث يتم ربطه بالأحماض الأمينية الحرة لتخليق البروتين.

    يتم نسخ معظم الحمض النووي الريبي (trNAs) و rNAs في حقيقيات النواة وبدائيات النواة أولاً كجزيء سلائف طويل يمتد عبر العديد من الحمض الريبي النووي الريبي أو الحمض النووي الريبي. تقوم الإنزيمات بعد ذلك بشد السلائف إلى وحدات فرعية تقابل كل RNA هيكلي. يتم ميثيل بعض قواعد RNAs السابقة؛ أي يتم إضافة جزء -CH 3 (مجموعة الميثيل الوظيفية) لتحقيق الاستقرار. تخضع جزيئات ما قبل الحمض النووي الريبي أيضًا لعملية الميثيل. كما هو الحال مع الحمض النووي الريبوزي قبل الحمض النووي الريبي، يحدث استئصال الوحدة الفرعية في الحمض النووي الريبي الحقيقي قبل الحمض النووي الريبي المُقدر أن يصبح الحمض النووي الريبي

    تشكل RNAs الناضجة حوالي 50 بالمائة من كل ريبوسوم. بعض جزيئات الحمض النووي الريبي في الريبوسوم هيكلية بحتة، في حين أن البعض الآخر له أنشطة تحفيزية أو ملزمة. تأخذ الحمض النووي الريبي الناضج هيكلًا ثلاثي الأبعاد من خلال الترابط الهيدروجيني داخل الجزيء لوضع موقع ربط الأحماض الأمينية في أحد الطرفين ومضاد الكودون في الطرف الآخر (الشكل\(\PageIndex{3}\)). مضاد الكودون عبارة عن تسلسل ثلاثي النوكليوتيد في الحمض النووي الريبي يتفاعل مع كودون mRNA من خلال الاقتران الأساسي التكميلي.

    النموذج الجزيئي لـ rNA من الفينيل ألانين هو على شكل حرف L. في أحد طرفيه يوجد أنتيكودون AAG. في الطرف الآخر يوجد موقع التعلق بالحمض الأميني فينيل ألانين
    الشكل\(\PageIndex{3}\): هذا نموذج يملأ الفراغ لجزيء الحمض النووي الريبي الذي يضيف الحمض الأميني فينيل ألانين إلى سلسلة بولي ببتيد متنامية. يقوم مضاد الأكسدة AAG بربط Codon UUC على mRNA. يتم ربط الحمض الأميني فينيل ألانين بالطرف الآخر من الحمض النووي الريبي.

    ملخص

    يتم تعديل الحمض النووي الريبوزي أحادي النواة المسبق باستخدام غطاء ميثيلغوانوسين مقاس 5 بوصات وذيل بولي أ. تحمي هذه الهياكل الحمض النووي الريبوزي الناضج من التحلل وتساعد على تصديره من النواة. يخضع ما قبل mRNAs أيضًا لعملية الربط، حيث تتم إزالة النيترونات وإعادة توصيل الإكسونات بدقة أحادية النوكليوتيد. يتم تصدير الحمض النووي الريبوزي النهائي فقط الذي خضع لعملية تغطية بطول 5 بوصات وبولي أدينيل 3 بوصات والربط الداخلي من النواة إلى السيتوبلازم. يمكن معالجة الحمض الريبي الريبي المسبق وما قبل الحمض النووي الريبي عن طريق الانقسام الجزيئي، والربط، والميثلة، والتحويل الكيميائي للنيوكليوتيدات. نادرًا ما يتم إجراء تحرير RNA أيضًا لإدراج القواعد المفقودة بعد تصنيع mRNA.

    اتصالات فنية

    الشكل\(\PageIndex{2}\): الأخطاء في الربط متورطة في السرطانات والأمراض البشرية الأخرى. ما أنواع الطفرات التي قد تؤدي إلى أخطاء الربط؟ فكر في النتائج المحتملة المختلفة في حالة حدوث أخطاء الربط.

    إجابة

    قد تؤدي الطفرات في تسلسل التعرف على الجبليوزوم في كل طرف من طرفي الإنترون، أو في البروتينات والحمض النووي الريبي (RNAs) التي تشكل البروليسيوزوم، إلى إعاقة الربط. قد تضيف الطفرات أيضًا مواقع جديدة للتعرف على الروابط. يمكن أن تؤدي أخطاء الربط إلى الاحتفاظ بالنترونات في الحمض النووي الريبي المنقسم أو إزالة الإكسونات أو التغييرات في موقع موقع الربط.

    مسرد المصطلحات

    غطاء 7-ميثيل جوانزين
    تمت إضافة التعديل إلى الطرف الخامس من الإصدار السابق لـ mRNA لحماية mRNA من التدهور والمساعدة في الترجمة
    أنتيكودون
    تسلسل ثلاثي النوكليوتيد في جزيء الحمض النووي الريبي الذي يتوافق مع كودون mRNA
    إكسون
    التسلسل موجود في mRNA بترميز البروتين بعد الانتهاء من الربط قبل mRNA
    إنترون
    تسلسلات متداخلة غير مشفرة للبروتين يتم فصلها عن mRNA أثناء المعالجة
    ذيل بولي أ
    تمت إضافة التعديل إلى الطرف الثالث من ما قبل mRNAs لحماية mRNA من التدهور والمساعدة في تصدير mRNA من النواة
    تحرير الحمض النووي
    تغيير مباشر لواحد أو أكثر من النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبوزي الذي تم تصنيعه بالفعل
    الربط
    عملية إزالة المكترونات وإعادة توصيل الإكسونات في جهاز mRNA المسبق