Skip to main content
Global

16.5: تنظيم الجينات حقيقية النواة بعد النسخ

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196574

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

    المهارات اللازمة للتطوير

    • فهم ربط الحمض النووي الريبي وشرح دوره في تنظيم التعبير الجيني
    • وصف أهمية استقرار الحمض النووي الريبي في تنظيم الجينات

    يتم نسخ RNA، ولكن يجب معالجته في شكل ناضج قبل بدء الترجمة. هذه المعالجة بعد نسخ جزيء الحمض النووي الريبي، ولكن قبل ترجمته إلى بروتين، تسمى التعديل بعد النسخ. كما هو الحال مع مراحل المعالجة اللاجينية والنسخية، يمكن أيضًا تنظيم خطوة ما بعد النسخ للتحكم في التعبير الجيني في الخلية. إذا لم تتم معالجة الحمض النووي الريبي أو نقله أو ترجمته، فلن يتم تصنيع أي بروتين.

    ربط الحمض النووي الريبي، المرحلة الأولى من التحكم بعد النسخ

    في الخلايا حقيقية النواة، غالبًا ما تحتوي نسخة الحمض النووي الريبي على مناطق تسمى الإنترونات، تتم إزالتها قبل الترجمة. تسمى مناطق الحمض النووي الريبي التي ترمز للبروتين بالإكسونات (الشكل\(\PageIndex{1}\)). بعد نسخ جزيء الحمض النووي الريبي، ولكن قبل خروجه من النواة المراد ترجمتها، تتم معالجة الحمض النووي الريبي وإزالة الإنترونات عن طريق الربط.

    يحتوي الحمض النووي الريبي المسبق على أربعة إكسونات مفصولة بثلاثة أنترونات. يمكن تقسيم ما قبل mRNA بدلاً من ذلك لإنشاء بروتينين مختلفين، لكل منهما ثلاثة إكسونات. يحتوي بروتين واحد على إكسون واحد واثنين وثلاثة. يحتوي البروتين الآخر على إكسونات واحد وثلاثة وأربعة.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): يمكن تقسيم ما قبل mRNA بدلاً من ذلك لإنشاء بروتينات مختلفة.

    اتصال التطور: الربط البديل للحمض النووي الريبي

    في السبعينيات، لوحظت الجينات لأول مرة التي أظهرت الربط البديل للحمض النووي الريبي. الربط البديل للحمض النووي الريبي هو آلية تسمح بإنتاج منتجات بروتينية مختلفة من جين واحد عند إزالة مجموعات مختلفة من الإنترونات، وأحيانًا إكسونات، من النص (الشكل\(\PageIndex{2}\)). يمكن أن يكون هذا الربط البديل عشوائيًا، ولكن في كثير من الأحيان يتم التحكم فيه ويعمل كآلية لتنظيم الجينات، مع تكرار بدائل الربط المختلفة التي تتحكم فيها الخلية كوسيلة للتحكم في إنتاج منتجات البروتين المختلفة في خلايا مختلفة أو في مراحل مختلفة من تطوير. يُفهم الربط البديل الآن على أنه آلية شائعة لتنظيم الجينات في حقيقيات النوى؛ وفقًا لأحد التقديرات، يتم التعبير عن 70 بالمائة من الجينات في البشر كبروتينات متعددة من خلال الربط البديل.

    يوضح الرسم التخطيطي خمس طرق للربط البديل لـ mRNA المسبق. عند حدوث تخطي إكسون، يتم تقسيم إكسون في أحد منتجات mRNA الناضج والاحتفاظ به في منتج آخر. عند وجود إكسونات حصرية متبادلة في عصر ما قبل mRNA، يتم الاحتفاظ بواحد فقط في mRNA الناضج. عند وجود موقع بديل للجهات المانحة مقاس 5 بوصات، يكون موقع موقع لصق 5 بوصات متغيرًا. عند وجود موقع متقبل بديل لـ 3 بوصات، يكون موقع موقع لصق 3 بوصات متغيرًا. يؤدي احتباس الإنترون إلى الاحتفاظ بالنترون في الحمض النووي الريبوزي الناضج وتقسيمه في جهاز آخر.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): هناك خمس طرق أساسية للربط البديل.

    كيف يمكن أن تتطور عملية الربط البديلة؟ يحتوي الإنترونات على تسلسل التعرف على البداية والنهاية؛ فمن السهل تخيل فشل آلية الربط في تحديد نهاية الإنترون والعثور بدلاً من ذلك على نهاية الإنترون التالي، وبالتالي إزالة إنترونين والإكسون المتداخل. في الواقع، هناك آليات لمنع مثل هذا التخطي الداخلي، ولكن من المحتمل أن تؤدي الطفرات إلى فشلها. من المرجح أن تنتج مثل هذه «الأخطاء» بروتينًا غير وظيفي. في الواقع، سبب العديد من الأمراض الوراثية هو الربط البديل بدلاً من الطفرات في التسلسل. ومع ذلك، فإن الربط البديل سيخلق نوعًا من البروتين دون فقدان البروتين الأصلي، مما يفتح إمكانيات تكييف البديل الجديد مع الوظائف الجديدة. لعبت الازدواجية الجينية دورًا مهمًا في تطور الوظائف الجديدة بطريقة مماثلة من خلال توفير الجينات التي قد تتطور دون القضاء على البروتين الوظيفي الأصلي.

    رابط إلى التعلم

    تخيل كيف يحدث ربط mRNA من خلال مشاهدة العملية قيد التنفيذ في هذا الفيديو. الرسوم المتحركة لمشروع الرسوم المتحركة للخلايا الافتراضية NDSU «ربط mRNA».

    التحكم في استقرار RNA

    قبل أن يغادر الحمض النووي الريبي النواة، يتم إعطاؤه «غطاءين» واقيين يمنعان نهاية الخصلة من التحلل أثناء رحلتها. عادة ما يتكون الغطاء الذي يبلغ طوله 5 بوصات، والذي يتم وضعه على طرف 5 بوصات من mRNA، من جزيء ثلاثي الفوسفات الغوانوزين الميثيلي (GTP). عادة ما يتكون ذيل Poly-a، المرتبط بنهاية 3'، من سلسلة من نيوكليوتيدات الأدينين. بمجرد نقل الحمض النووي الريبي إلى السيتوبلازم، يمكن التحكم في طول الفترة الزمنية التي يتواجد فيها الحمض النووي الريبي هناك. كل جزيء RNA له عمر محدد ويتحلل بمعدل معين. يمكن أن يؤثر معدل التحلل هذا على كمية البروتين الموجودة في الخلية. في حالة زيادة معدل التحلل، لن يكون الحمض النووي الريبي موجودًا في السيتوبلازم لفترة طويلة، مما يقلل من وقت حدوث الترجمة. على العكس من ذلك، إذا انخفض معدل التحلل، فسيظل جزيء الحمض النووي الريبي في السيتوبلازم لفترة أطول ويمكن ترجمة المزيد من البروتين. يشار إلى معدل التحلل هذا باستقرار الحمض النووي الريبي. إذا كان الحمض النووي الريبي مستقرًا، فسيتم اكتشافه لفترات أطول في السيتوبلازم.

    يمكن أن يؤثر ربط البروتينات بالحمض النووي الريبي على استقراره. يمكن أن ترتبط البروتينات، التي تسمى بروتينات ربط الحمض النووي الريبي، أو rBPs، بمناطق الحمض النووي الريبي مباشرة في أعلى أو أسفل منطقة ترميز البروتين. هذه المناطق في الحمض النووي الريبي التي لم تتم ترجمتها إلى بروتين تسمى المناطق غير المترجمة أو UTRs. إنها ليست إنترونات (تمت إزالتها في النواة). بدلاً من ذلك، هذه هي المناطق التي تنظم توطين mRNA واستقراره وترجمة البروتين. تسمى المنطقة التي تسبق منطقة ترميز البروتين بـ 5 «UTR»، بينما تسمى المنطقة التي تلي منطقة الترميز بـ 3' UTR (الشكل\(\PageIndex{3}\)). يمكن أن يؤدي ربط rBPs بهذه المناطق إلى زيادة أو تقليل استقرار جزيء RNA، اعتمادًا على RBP المحدد الذي يرتبط.

    في جزيء الحمض النووي الريبي الناضج، يتم تقسيم الإكسونات معًا بين المناطق غير المترجمة مقاس 5 و 3 بوصات. يتم إرفاق غطاء بطول 5 بوصات بالمنطقة غير المترجمة بطول 5 بوصات، وذيل Poly-A متصل بالمنطقة غير المترجمة مقاس 3 بوصات. ترتبط بروتينات ربط الحمض النووي الريبي بالمناطق غير المترجمة مقاس 5 و 3 بوصات.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): منطقة ترميز البروتين في mRNA محاطة بمناطق غير مترجمة بطول 5 و 3 بوصات (UTRs). يؤثر وجود بروتينات ربط الحمض النووي الريبي في UTR 5' أو 3' على استقرار جزيء RNA.

    استقرار الحمض النووي الريبي و microRNA

    بالإضافة إلى RBPs التي ترتبط وتتحكم في استقرار الحمض النووي الريبي (تزيد أو تنقص)، يمكن لعناصر أخرى تسمى microRNAS أن ترتبط بجزيء الحمض النووي الريبي. هذه microRNAs، أو miRNAs، عبارة عن جزيئات RNA قصيرة يبلغ طولها 21-24 نيوكليوتيدات فقط. يتم تصنيع miRNAs في النواة لفترة أطول قبل MirNAs. يتم تقطيع هذه المايرنا المسبقة إلى ميرنا ناضجة بواسطة بروتين يسمى الدايسر. مثل عوامل النسخ و rBPs، تتعرف miRNAs الناضجة على تسلسل معين وترتبط بالحمض النووي الريبي؛ ومع ذلك، ترتبط miRNAs أيضًا بمركب ريبونوكليوبروتين يسمى مجمع إسكات الحمض النووي الريبي (RISC). يرتبط RISC جنبًا إلى جنب مع mIRNA لتحطيم الحمض النووي الريبي المستهدف. معًا، يقوم miRNAs ومجمع RISC بتدمير جزيء RNA بسرعة.

    ملخص

    يمكن أن يحدث التحكم بعد النسخ في أي مرحلة بعد النسخ، بما في ذلك ربط الحمض النووي الريبي، والنقل النووي، واستقرار الحمض النووي الريبي. بمجرد نسخ RNA، يجب معالجته لإنشاء RNA ناضج جاهز للترجمة. يتضمن ذلك إزالة النترونات التي لا ترمز للبروتين. ترتبط الوصلات بالإشارات التي تحدد حدود الإكسون/الإنترون لإزالة الإنترونات وربط الإكسونات معًا. بمجرد حدوث ذلك، يصبح الحمض النووي الريبي ناضجًا ويمكن ترجمته. يتم إنشاء الحمض النووي الريبي وتثبيته في النواة، ولكن يجب نقله إلى السيتوبلازم ليتم ترجمته. يتم نقل الحمض النووي الريبي إلى السيتوبلازم من خلال مجمع المسام النووية. بمجرد وجود الحمض النووي الريبي في السيتوبلازم، يمكن أيضًا تغيير طول الفترة الزمنية التي يتواجد فيها هناك قبل أن يتحلل، والتي تسمى استقرار الحمض النووي الريبي، للتحكم في الكمية الإجمالية للبروتين الذي يتم تصنيعه. يمكن زيادة استقرار الحمض النووي الريبي، مما يؤدي إلى إطالة فترة الإقامة في السيتوبلازم، أو تقليله، مما يؤدي إلى تقصير الوقت وتقليل تخليق البروتين. يتم التحكم في استقرار الحمض النووي الريبي بواسطة بروتينات ربط الحمض النووي الريبي (RBBs) و microRNAs (mIRNAs) ترتبط هذه RBBs و miRNAs بـ UTR 5 أو UTR 3 من RNA لزيادة أو تقليل استقرار الحمض النووي الريبي. اعتمادًا على RBP، يمكن زيادة الاستقرار أو تقليله بشكل كبير؛ ومع ذلك، تعمل miRNAs دائمًا على تقليل الاستقرار وتعزيز التسوس.

    مسرد المصطلحات

    كلمة مرور 3'
    3 'منطقة غير مترجمة؛ منطقة أسفل منطقة ترميز البروتين في جزيء الحمض النووي الريبي غير المترجم
    قبعة بطول 5 إنش
    جزيء ثلاثي فوسفات الغوانوسين الميثيلي (GTP) المرتبط بنهاية 5 بوصات من الحمض النووي الريبي المرسل لحماية الطرف من التحلل
    حرف 5'
    منطقة 5' غير مترجمة؛ المنطقة الواقعة في أعلى منطقة ترميز البروتين في جزيء الحمض النووي الريبي غير المترجم
    دايسر
    الإنزيم الذي يقطع ما قبل ميرنا إلى الشكل الناضج للميرنا
    ميكرورنا (ميرنا)
    جزيئات RNA الصغيرة (حوالي 21 نيوكليوتيدات في الطول) ترتبط بجزيئات الحمض النووي الريبي لتحللها
    ذيل بولي أ
    سلسلة من نيوكليوتيدات الأدينين المرتبطة بالنهاية الثالثة من mRNA لحماية النهاية من التدهور
    بروتين ربط الحمض النووي الريبي (RBP)
    البروتين الذي يرتبط بـ UTR 3 أو 5 بوصة لزيادة أو تقليل استقرار الحمض النووي الريبي
    استقرار الرنا
    إلى متى سيبقى جزيء RNA سليمًا في السيتوبلازم
    منطقة غير مترجمة
    جزء من جزيء RNA الذي لم يتم ترجمته إلى بروتين. تقع هذه المناطق قبل (المنبع أو 5 بوصات) وبعد (المصب أو 3 بوصات) منطقة ترميز البروتين
    المخاطر
    مركب البروتين الذي يرتبط مع miRNA بالحمض النووي الريبي لتحلله