Skip to main content
Global

16.3: تنظيم الجينات اللاجينية حقيقية النواة

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196590

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

    المهارات اللازمة للتطوير

    • شرح عملية التنظيم اللاجيني
    • وصف كيفية التحكم في الوصول إلى الحمض النووي عن طريق تعديل هيستون

    يعد التعبير الجيني حقيقي النواة أكثر تعقيدًا من التعبير الجيني الأولي لأن عمليات النسخ والترجمة منفصلة ماديًا. على عكس الخلايا بدائية النواة، يمكن للخلايا حقيقية النواة تنظيم التعبير الجيني على العديد من المستويات المختلفة. يبدأ التعبير الجيني حقيقي النواة بالتحكم في الوصول إلى الحمض النووي. يحدث هذا الشكل من التنظيم، المسمى التنظيم اللاجيني، حتى قبل بدء النسخ.

    التحكم اللاجيني: تنظيم الوصول إلى الجينات داخل الكروموسوم

    يشفر الجينوم البشري أكثر من 20,000 جين؛ كل زوج من أزواج الكروموسومات البشرية الـ 23 يشفر آلاف الجينات. يتم لف الحمض النووي الموجود في النواة بدقة وطيه وضغطه في الكروموسومات بحيث يتناسب مع النواة. يتم تنظيمه أيضًا بحيث يمكن الوصول إلى شرائح محددة حسب الحاجة من خلال نوع خلية معين.

    المستوى الأول من التنظيم، أو التعبئة، هو لف خيوط الحمض النووي حول بروتينات الهستون. يقوم هيستونز بتجميع وترتيب الحمض النووي في وحدات هيكلية تسمى مجمعات النيوكليوزوم، والتي يمكنها التحكم في وصول البروتينات إلى مناطق الحمض النووي (الشكل\(\PageIndex{1}\) أ). تحت المجهر الإلكتروني، يبدو لف الحمض النووي هذا حول بروتينات الهستون لتشكيل النيوكليوزومات وكأنه حبات صغيرة على خيط (الشكل\(\PageIndex{1}\) ب). يمكن لهذه الحبيبات (بروتينات الهيستون) التحرك على طول السلسلة (DNA) وتغيير بنية الجزيء.

    يصور الجزء أ نيوكليوسوم يتكون من بروتينات هيستون كروية تندمج معًا. يلتف حلزون الحمض النووي المزدوج حول النيوكليوسوم مرتين. يمتد الحمض النووي الحر من أي من طرفي النيوكليوسوم. الجزء B عبارة عن صورة مجهرية إلكترونية للحمض النووي المرتبط بالنوكليوزومات. كل نيوكليوسوم يشبه حبة. يتم توصيل الخرز معًا بواسطة الحمض النووي الحر. تسع حبات معلقة معًا يبلغ عرضها حوالي 150 نانومتر.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): يتم طي الحمض النووي حول بروتينات الهستون لإنشاء (أ) مجمعات نيوكليوسوم. تتحكم هذه النيوكليوسومات في وصول البروتينات إلى الحمض النووي الأساسي. عند النظر إليها من خلال المجهر الإلكتروني (ب)، تبدو النيوكليوسومات مثل الخرز على الخيط. (اعتماد «ميكروغراف»: تعديل عمل كريس وودكوك)

    إذا كان من المقرر نسخ الحمض النووي الذي يقوم بترميز جين معين إلى الحمض النووي الريبي، فإن النيوكليوسومات المحيطة بتلك المنطقة من الحمض النووي يمكن أن تنزلق إلى أسفل الحمض النووي لفتح تلك المنطقة الكروموسومية المحددة والسماح لآلية النسخ (بوليميراز الحمض النووي الريبي) ببدء النسخ (الشكل\(\PageIndex{2}\)). يمكن أن تتحرك النيوكليوسومات لفتح بنية الكروموسوم للكشف عن جزء من الحمض النووي، ولكنها تفعل ذلك بطريقة مضبوطة للغاية.

    آرت كونيكشن

    يتم تصوير النيوكليوزومات على أنها هياكل تشبه العجلات. تتكون النيوكليوسومات من هيستونات، ولها حمض نووي ملفوف حول الخارج. كل هيستون له ذيل يبرز من العجلة. عندما يتم ميثيل الحمض النووي وذيول الهستون، تتجمع النيوكليوزومات معًا بإحكام حتى لا يكون هناك حمض نووي حر. لا يمكن ربط عوامل النسخ، ولا يتم التعبير عن الجينات. يؤدي تثبيت ذيول الهستون إلى تعبئة أكثر مرونة للنيوكليوسومات. يتم الكشف عن الحمض النووي الحر بين النيوكليوسومات، وعوامل النسخ قادرة على ربط الجينات على هذا الحمض النووي المكشوف.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): يمكن أن تنزلق النيوكليوسومات على طول الحمض النووي. عندما يتم تباعد النيوكليوزومات معًا بشكل وثيق (أعلى)، لا يمكن ربط عوامل النسخ وإيقاف التعبير الجيني. عندما تكون النيوكليوزومات متباعدة (في الأسفل)، يكون الحمض النووي مكشوفًا. يمكن أن ترتبط عوامل النسخ، مما يسمح بحدوث التعبير الجيني. تؤثر التعديلات على الهستونات والحمض النووي على تباعد النيوكليوزوم.

    في الإناث، يتم تعطيل أحد الكروموسومات X أثناء التطور الجنيني بسبب التغيرات اللاجينية في الكروماتين. ما هو التأثير الذي تعتقد أن هذه التغييرات ستحدثه على تعبئة النيوكليوزوم؟

    تعتمد كيفية تحرك بروتينات الهستون على الإشارات الموجودة في كل من بروتينات الهستون والحمض النووي. هذه الإشارات هي علامات مضافة إلى بروتينات الهستون والحمض النووي التي تخبر الهستونات بما إذا كانت منطقة الكروموسومات يجب أن تكون مفتوحة أو مغلقة (الشكل\(\PageIndex{3}\)) يصور التعديلات على بروتينات الهستون والحمض النووي). هذه العلامات ليست دائمة، ولكن يمكن إضافتها أو إزالتها حسب الحاجة. إنها تعديلات كيميائية (مجموعات الفوسفات أو الميثيل أو الأسيتيل) مرتبطة بأحماض أمينية معينة في البروتين أو بنيوكليوتيدات الحمض النووي. لا تغير العلامات تسلسل قاعدة الحمض النووي، لكنها تغير مدى إحكام الحمض النووي حول بروتينات الهستون. الحمض النووي هو جزيء سالب الشحنة؛ لذلك، فإن التغييرات في شحنة الهستون ستغير مدى إحكام جرح جزيء الحمض النووي. عند عدم التعديل، تكون لبروتينات الهستون شحنة موجبة كبيرة؛ بإضافة تعديلات كيميائية مثل مجموعات الأسيتيل، تصبح الشحنة أقل إيجابية.

    يمكن أيضًا تعديل جزيء الحمض النووي نفسه. يحدث هذا في مناطق محددة جدًا تسمى جزر CpG. وهي عبارة عن امتدادات ذات تردد عالٍ من أزواج الحمض النووي السيتوزين والجانين ثنائي النوكليوتيد (CG) الموجودة في المناطق المروجة للجينات. عند وجود هذا التكوين، يمكن ميثيل عضو السيتوزين في الزوج (تتم إضافة مجموعة ميثيل). يغير هذا التعديل كيفية تفاعل الحمض النووي مع البروتينات، بما في ذلك بروتينات الهستون التي تتحكم في الوصول إلى المنطقة. تكون مناطق الحمض النووي عالية الميثيلية (شديدة الميثيلية) ذات الهستونات منزوعة الأسيتيل ملفوفة بإحكام وغير نشطة نسخياً.

    يُظهر الرسم التوضيحي كروموسوم مفكك ومكبر جزئيًا، مما يكشف عن بروتينات هيستون الملفوفة حول اللولب المزدوج للحمض النووي. الهستونات عبارة عن بروتينات يلتف حولها الحمض النووي للضغط وتنظيم الجينات. تُعرف مثيلة الحمض النووي والتعديل الكيميائي لذيول الهستون بالتغيرات اللاجينية. تعمل التغييرات اللاجينية على تغيير تباعد النيوكليوسومات وتغيير التعبير الجيني. قد تنجم التغيرات اللاجينية عن التطور، سواء في الرحم أو في مرحلة الطفولة، أو المواد الكيميائية البيئية أو الأدوية أو الشيخوخة أو النظام الغذائي. قد تؤدي التغيرات اللاجينية إلى السرطان وأمراض المناعة الذاتية والاضطرابات النفسية والسكري.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): يمكن تعديل بروتينات الهستون ونوكليوتيدات الحمض النووي كيميائيًا. تؤثر التعديلات على تباعد النوكليوزوم والتعبير الجيني. (الائتمان: تعديل العمل من قبل NIH)

    هذا النوع من التنظيم الجيني يسمى التنظيم اللاجيني. علم الوراثة اللاجيني يعني «حول علم الوراثة». التغييرات التي تحدث لبروتينات الهستون والحمض النووي لا تغير تسلسل النيوكليوتيد وليست دائمة. بدلاً من ذلك، تكون هذه التغييرات مؤقتة (على الرغم من أنها غالبًا ما تستمر خلال جولات متعددة من انقسام الخلايا) وتغير بنية الكروموسومات (مفتوحة أو مغلقة) حسب الحاجة. يمكن تشغيل الجين أو إيقاف تشغيله اعتمادًا على الموقع والتعديلات على بروتينات الهستون والحمض النووي. إذا كان سيتم نسخ الجين، يتم تعديل بروتينات الهستون والحمض النووي المحيطة بالمنطقة الكروموسومية التي تقوم بترميز هذا الجين. يؤدي ذلك إلى فتح منطقة الكروموسومات للسماح بالوصول إلى بوليميراز الحمض النووي الريبي والبروتينات الأخرى، التي تسمى عوامل النسخ، للربط بالمنطقة المعززة، الواقعة في الجزء العلوي من الجين مباشرة، وبدء النسخ. إذا كان الجين سيظل مغلقًا أو صامتًا، فإن بروتينات الهستون والحمض النووي لها تعديلات مختلفة تشير إلى تكوين كروموسومي مغلق. في هذا التكوين المغلق، لا يمكن لبوليميراز الحمض النووي الريبي وعوامل النسخ الوصول إلى الحمض النووي ولا يمكن أن يحدث النسخ (الشكل\(\PageIndex{3}\)).

    رابط إلى التعلم

    شاهد هذا الفيديو الذي يصف كيف يتحكم التنظيم اللاجيني في التعبير الجيني.

    ملخص

    في الخلايا حقيقية النواة، تحدث المرحلة الأولى من التحكم في التعبير الجيني على المستوى اللاجيني. تتحكم الآليات اللاجينية في الوصول إلى منطقة الكروموسومات للسماح بتشغيل الجينات أو إيقاف تشغيلها. تتحكم هذه الآليات في كيفية تعبئة الحمض النووي في النواة من خلال تنظيم مدى إحكام لف الحمض النووي حول بروتينات الهستون. إضافة أو إزالة التعديلات الكيميائية (أو العلامات) لبروتينات الهستون أو إشارات الحمض النووي إلى الخلية لفتح أو إغلاق منطقة الكروموسومات. لذلك، يمكن للخلايا حقيقية النواة التحكم فيما إذا كان يتم التعبير عن الجين من خلال التحكم في إمكانية الوصول إلى عوامل النسخ وربط بوليميراز الحمض النووي الريبي لبدء النسخ.

    اتصالات فنية

    الشكل\(\PageIndex{2}\): في الإناث، يتم تعطيل أحد الكروموسومات X أثناء التطور الجنيني بسبب التغيرات اللاجينية في الكروماتين. ما هو التأثير الذي تعتقد أن هذه التغييرات ستحدثه على تعبئة النيوكليوزوم؟

    إجابة

    سوف تتجمع النيوكليوسومات معًا بشكل أكثر إحكامًا.

    مسرد المصطلحات

    عامل النسخ
    البروتين الذي يرتبط بالحمض النووي في منطقة المروج أو المحسن والذي يؤثر على نسخ الجين