16.1: تنظيم التعبير الجيني

Last updated
Save as PDF

Page ID: 196603

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

مهارات التطوير

ناقش لماذا لا تعبر كل خلية عن جميع جيناتها
وصف كيفية حدوث تنظيم الجينات بدائية النواة على مستوى النسخ
ناقش كيفية تنظيم الجينات حقيقية النواة على المستويات اللاجينية والنسخية وما بعد النسخ والانتقالية وما بعد الترجمة

لكي تعمل الخلية بشكل صحيح، يجب تصنيع البروتينات الضرورية في الوقت المناسب. تتحكم جميع الخلايا أو تنظم تخليق البروتينات من المعلومات المشفرة في الحمض النووي الخاص بها. تسمى عملية تشغيل الجين لإنتاج الحمض النووي الريبي والبروتين بالتعبير الجيني. سواء في كائن أحادي الخلية بسيط أو كائن معقد متعدد الخلايا، تتحكم كل خلية في وقت وكيفية التعبير عن جيناتها. لكي يحدث هذا، يجب أن تكون هناك آلية للتحكم في وقت التعبير عن الجين لصنع الحمض النووي الريبي والبروتين، وكمية البروتين الذي يتم إنتاجه، ومتى يحين الوقت للتوقف عن صنع هذا البروتين لأنه لم تعد هناك حاجة إليه.

يحافظ تنظيم التعبير الجيني على الطاقة والفضاء. قد يتطلب الأمر قدرًا كبيرًا من الطاقة للكائن الحي للتعبير عن كل جين في جميع الأوقات، لذلك يكون تشغيل الجينات فقط عند الحاجة إليها أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، فإن التعبير عن مجموعة فرعية فقط من الجينات في كل خلية يوفر المساحة لأنه يجب فك الحمض النووي من هيكله الملفوف بإحكام لنسخ الحمض النووي وترجمته. يجب أن تكون الخلايا هائلة إذا تم التعبير عن كل بروتين في كل خلية طوال الوقت.

التحكم في التعبير الجيني معقد للغاية. إن الأعطال في هذه العملية تضر بالخلية ويمكن أن تؤدي إلى تطور العديد من الأمراض، بما في ذلك السرطان.

التعبير الجيني الأولي مقابل الجين حقيقي النواة

لفهم كيفية تنظيم التعبير الجيني، يجب أن نفهم أولاً كيف يرمز الجين للبروتين الوظيفي في الخلية. تحدث هذه العملية في كل من الخلايا بدائية النواة وخلايا حقيقية النواة، فقط بطرق مختلفة قليلاً.

الكائنات بدائية النواة هي كائنات أحادية الخلية تفتقر إلى نواة الخلية، وبالتالي يطفو الحمض النووي الخاص بها بحرية في السيتوبلازم الخلوي. لتجميع البروتين، تحدث عمليات النسخ والترجمة في وقت واحد تقريبًا. عندما لا تكون هناك حاجة إلى البروتين الناتج، يتوقف النسخ. ونتيجة لذلك، فإن الطريقة الأساسية للتحكم في نوع البروتين ومقدار كل بروتين يتم التعبير عنه في الخلية بدائية النواة هي تنظيم نسخ الحمض النووي. كل الخطوات اللاحقة تحدث تلقائيًا. عند الحاجة إلى المزيد من البروتين، يحدث المزيد من النسخ. لذلك، في الخلايا بدائية النواة، يكون التحكم في التعبير الجيني في الغالب على مستوى النسخ.

في المقابل، تحتوي الخلايا حقيقية النواة على عضيات داخل الخلايا تزيد من تعقيدها. في الخلايا حقيقية النواة، يوجد الحمض النووي داخل نواة الخلية وهناك يتم نسخه إلى RNA. ثم يتم نقل الحمض النووي الريبي المركب حديثًا من النواة إلى السيتوبلازم، حيث تترجم الريبوسومات الحمض النووي الريبي إلى بروتين. يتم فصل عمليات النسخ والترجمة ماديًا بواسطة الغشاء النووي؛ يحدث النسخ فقط داخل النواة، وتحدث الترجمة فقط خارج النواة في السيتوبلازم. يمكن أن يحدث تنظيم التعبير الجيني في جميع مراحل العملية (الشكل\(\PageIndex{1}\)). قد يحدث التنظيم عندما يتم فك الحمض النووي وتفكيكه من النيوكليوسومات لربط عوامل النسخ (المستوى فوق الجيني)، عندما يتم نسخ الحمض النووي الريبي (مستوى النسخ)، عندما تتم معالجة الحمض النووي الريبي وتصديره إلى السيتوبلازم بعد نسخه (مستوى ما بعد النسخ) )، عندما تتم ترجمة الحمض النووي الريبي إلى بروتين (المستوى الانتقالي)، أو بعد إنتاج البروتين (مستوى ما بعد الترجمة).

لا تحتوي الخلايا بدائية النواة على نواة، ويقع الحمض النووي في السيتوبلازم. ترتبط الريبوسومات بـ mRNA حيث يتم نسخها من الحمض النووي. وبالتالي، يحدث النسخ والترجمة في وقت واحد. في الخلايا حقيقية النواة، يوجد الحمض النووي في النواة، وتقع الريبوسومات في السيتوبلازم. بعد النسخ، تتم معالجة الحمض النووي الريبي المسبق في النواة لصنع الحمض النووي الريبي الناضج، والذي يتم تصديره بعد ذلك إلى السيتوبلازم حيث ترتبط الريبوسومات به وتبدأ الترجمة. — الشكل\(\PageIndex{1}\): يحدث النسخ الأولي والترجمة في وقت واحد في السيتوبلازم، ويحدث التنظيم على مستوى النسخ. يتم تنظيم التعبير الجيني حقيقي النواة أثناء النسخ ومعالجة الحمض النووي الريبي، والتي تحدث في النواة، وأثناء ترجمة البروتين، والتي تحدث في السيتوبلازم. قد يحدث مزيد من التنظيم من خلال التعديلات اللاحقة للترجمة للبروتينات.

فيما يلي تلخيص للاختلافات في تنظيم التعبير الجيني بين بدائيات النواة وحقيقيات النوى. تمت مناقشة تنظيم التعبير الجيني بالتفصيل في الوحدات اللاحقة.

الجدول\(\PageIndex{1}\): الاختلافات في تنظيم التعبير الجيني للكائنات بدائية النواة والكائنات حقيقية النواة

كائنات بدائية النواة	كائنات حقيقية النواة
نقص النواة	تحتوي على نواة
تم العثور على الحمض النووي في السيتوبلازم	يقتصر الحمض النووي على المقصورة النووية
يحدث نسخ الحمض النووي الريبي وتكوين البروتين في وقت واحد تقريبًا	يحدث نسخ الحمض النووي الريبي قبل تكوين البروتين، ويحدث في النواة. تحدث ترجمة الحمض النووي الريبي إلى البروتين في السيتوبلازم.
يتم تنظيم التعبير الجيني بشكل أساسي على مستوى النسخ.	يتم تنظيم التعبير الجيني على العديد من المستويات (اللاجيني، والنسخ، والنقل النووي، وما بعد النسخ، والترجمة، وما بعد الترجمة)

اتصال التطور: تطور تنظيم الجينات

يمكن للخلايا بدائية النواة تنظيم التعبير الجيني فقط من خلال التحكم في كمية النسخ. مع تطور الخلايا حقيقية النواة، زاد تعقيد التحكم في التعبير الجيني. على سبيل المثال، مع تطور الخلايا حقيقية النواة جاء تقسيم المكونات الخلوية الهامة والعمليات الخلوية. تم تشكيل منطقة نووية تحتوي على الحمض النووي. تم فصل النسخ والترجمة فعليًا إلى قسمين خلويين مختلفين. لذلك أصبح من الممكن التحكم في التعبير الجيني من خلال تنظيم النسخ في النواة، وكذلك من خلال التحكم في مستويات الحمض النووي الريبي وترجمة البروتين الموجودة خارج النواة.

نشأت بعض العمليات الخلوية من حاجة الكائن الحي للدفاع عن نفسه. تم تطوير العمليات الخلوية مثل إسكات الجينات لحماية الخلية من العدوى الفيروسية أو الطفيلية. إذا تمكنت الخلية من إيقاف التعبير الجيني بسرعة لفترة قصيرة من الزمن، فستكون قادرة على النجاة من العدوى عندما لا تتمكن الكائنات الحية الأخرى من ذلك. لذلك، طور الكائن الحي عملية جديدة ساعدته على البقاء، وتمكن من تمرير هذا التطور الجديد إلى النسل.

ملخص

في حين أن جميع الخلايا الجسدية داخل الكائن الحي تحتوي على نفس الحمض النووي، لا تعبر جميع الخلايا داخل هذا الكائن الحي عن نفس البروتينات. تعبر الكائنات بدائية النواة عن الحمض النووي الكامل الذي تقوم بترميزه في كل خلية، ولكن ليس بالضرورة جميعًا في نفس الوقت. يتم التعبير عن البروتينات فقط عند الحاجة إليها. تعبر الكائنات حقيقية النواة عن مجموعة فرعية من الحمض النووي المشفر في أي خلية معينة. في كل نوع من أنواع الخلايا، يتم تنظيم نوع وكمية البروتين من خلال التحكم في التعبير الجيني. للتعبير عن البروتين، يتم نسخ الحمض النووي أولاً إلى RNA، والذي يتم ترجمته بعد ذلك إلى بروتينات. في الخلايا بدائية النواة، تحدث هذه العمليات في وقت واحد تقريبًا. في الخلايا حقيقية النواة، يحدث النسخ في النواة وهو منفصل عن الترجمة التي تحدث في السيتوبلازم. يتم تنظيم التعبير الجيني في بدائيات النواة فقط على المستوى النسخي، بينما في الخلايا حقيقية النواة، يتم تنظيم التعبير الجيني على المستويات اللاجينية والنسخية وما بعد النسخ والانتقالية وما بعد الترجمة.

مسرد المصطلحات

علم الوراثة اللاجيني: التغييرات القابلة للتوريث التي لا تتضمن تغييرات في تسلسل الحمض النووي

التعبير الجيني: العمليات التي تتحكم في تشغيل الجين أو إيقاف تشغيله

ما بعد النسخ: التحكم في التعبير الجيني بعد إنشاء جزيء RNA ولكن قبل ترجمته إلى بروتين

ما بعد الترجمة: التحكم في التعبير الجيني بعد إنشاء البروتين