14.5: تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى

Last updated
Save as PDF

Page ID: 196575

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

المهارات اللازمة للتطوير

ناقش أوجه التشابه والاختلاف بين تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى وبدائيات النواة
اذكر دور التيلوميراز في تكرار الحمض النووي

تعتبر الجينومات حقيقية النواة أكثر تعقيدًا وأكبر حجمًا من الجينومات بدائية النواة. يحتوي الجينوم البشري على ثلاثة مليارات زوج أساسي لكل مجموعة أحادية الصبغيات من الكروموسومات، ويتم تكرار 6 مليارات زوج أساسي خلال المرحلة S من دورة الخلية. هناك أصول متعددة للتكرار على الكروموسوم حقيقي النواة؛ يمكن أن يكون لدى البشر ما يصل إلى 100000 أصل من النسخ المتماثل. يبلغ معدل النسخ المتماثل حوالي 100 نيوكليوتيدات في الثانية، وهو أبطأ بكثير من النسخ الأولي للنواة. في الخميرة، وهي حقيقيات النواة، توجد تسلسلات خاصة تعرف باسم التسلسلات المكررة ذاتيًا (ARS) على الكروموسومات. هذه تعادل أصل النسخ المتماثل في E. coli.

عدد بوليميرات الحمض النووي في حقيقيات النوى هو أكثر بكثير من بدائيات النواة: 14 منها معروفة، ومن المعروف أن خمسة منها لها أدوار رئيسية أثناء النسخ وقد تمت دراستها جيدًا. وهي معروفة باسم بول ألفا، وبول بيتا، وبول غيا، وبول، وبول.

الخطوات الأساسية للنسخ المتماثل هي نفسها كما في بدائيات النواة. قبل أن يبدأ النسخ المتماثل، يجب إتاحة الحمض النووي كنموذج. يرتبط الحمض النووي حقيقي النواة بالبروتينات الأساسية المعروفة باسم الهستونات لتشكيل هياكل تسمى النيوكليوسومات. قد يخضع الكروماتين (المركب بين الحمض النووي والبروتينات) لبعض التعديلات الكيميائية، بحيث يمكن للحمض النووي أن ينزلق من البروتينات أو يكون في متناول إنزيمات آلية تكرار الحمض النووي. في أصل النسخ المتماثل، يتم إنشاء مجمع النسخ المسبق مع بروتينات البادئ الأخرى. ثم يتم تعيين بروتينات أخرى لبدء عملية النسخ المتماثل (الجدول\(\PageIndex{1}\)).

تعمل الهليكوز التي تستخدم الطاقة من التحلل المائي ATP على فتح حلزون الحمض النووي. يتم تشكيل شوكات النسخ المتماثل عند كل أصل نسخ أثناء فك الحمض النووي. يؤدي فتح اللولب المزدوج إلى حدوث لف مفرط أو لف فائق في الحمض النووي قبل شوكة النسخ المتماثل. يتم حلها من خلال عمل توبويزوميراس. تتكون المواد الأولية من إنزيم بريماز، وباستخدام البرايمر، يمكن أن يبدأ بول الحمض النووي في التركيب. بينما يتم تصنيع الخصلة الرائدة باستمرار بواسطة إنزيم pol، يتم تصنيع الخيط المتخلف بواسطة pol. يقوم بروتين المشبك المنزلق المعروف باسم PCNA (المستضد النووي للخلايا المتكاثرة) بتثبيت عمود الحمض النووي في مكانه بحيث لا ينزلق من الحمض النووي. يزيل RNase H برايمر RNA، والذي يتم استبداله بعد ذلك بنيوكليوتيدات الحمض النووي. يتم ربط شظايا Okazaki الموجودة في الخيط المتخلف معًا بعد استبدال بادئات RNA بالحمض النووي. يتم سد الفجوات المتبقية بواسطة ليغاز الحمض النووي، الذي يشكل رابطة الفسفوديستر.

تكرار التيلومير

على عكس الكروموسومات بدائية النواة، تكون الكروموسومات حقيقية النواة خطية. كما تعلمت، يمكن لإنزيم DNA pol إضافة النيوكليوتيدات فقط في اتجاه 5 إلى 3 بوصات. في الخيط الرئيسي، يستمر التوليف حتى الوصول إلى نهاية الكروموسوم. على الخيط المتخلف، يتم تصنيع الحمض النووي في فترات قصيرة، يتم بدء كل منها بواسطة برايمر منفصل. عندما تصل شوكة النسخ المتماثل إلى نهاية الكروموسوم الخطي، لا يوجد مكان لعمل كتاب تمهيدي لنسخ جزء الحمض النووي في نهاية الكروموسوم. وبالتالي تظل هذه الأطراف غير مزدوجة، ومع مرور الوقت قد تصبح هذه الأطراف أقصر تدريجيًا مع استمرار انقسام الخلايا.

تُعرف نهايات الكروموسومات الخطية باسم التيلوميرات، والتي لها تسلسلات متكررة لا ترمز إلى أي جين معين. بطريقة ما، تحمي هذه التيلوميرات الجينات من الحذف مع استمرار انقسام الخلايا. في البشر، يتم تكرار تسلسل الأزواج الستة الأساسيين، TTAGGG، من 100 إلى 1000 مرة. ساعد اكتشاف إنزيم التيلوميراز (الشكل\(\PageIndex{1}\)) في فهم كيفية الحفاظ على نهايات الكروموسومات. يحتوي إنزيم التيلوميراز على جزء تحفيزي وقالب RNA مدمج. يتم توصيله بنهاية الكروموسوم، وتتم إضافة القواعد التكميلية لقالب الحمض النووي الريبي على الطرف الثالث من خيط الحمض النووي. بمجرد أن يكون الطرف الثالث من قالب الخيط المتخلف ممدودًا بدرجة كافية، يمكن لبوليميراز الحمض النووي إضافة النيوكليوتيدات المكملة لنهايات الكروموسومات. وبالتالي، يتم تكرار نهايات الكروموسومات.

يحتوي التيلوميراز على الحمض النووي الريبي المرتبط الذي يكمل تراكم 5 بوصات في نهاية الكروموسوم. يتم استخدام قالب RNA لتجميع الشريط التكميلي. ثم ينتقل التيلوميراز، وتتكرر العملية. بعد ذلك، يقوم كل من Primase و DNA Polymerase بتجميع بقية الخيط التكميلي. — الشكل\(\PageIndex{1}\): يتم الحفاظ على نهايات الكروموسومات الخطية من خلال عمل إنزيم التيلوميراز.

ينشط التيلوميراز عادةً في الخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية البالغة. لا ينشط في الخلايا الجسدية للبالغين. لاكتشافها للتيلوميراز وعمله، حصلت إليزابيث بلاكبيرن (الشكل\(\PageIndex{2}\)) على جائزة نوبل للطب وعلم وظائف الأعضاء في عام 2009.

صورة إليزابيث بلاكبيرن. — الشكل\(\PageIndex{2}\): إليزابيث بلاكبيرن، الحائزة على جائزة نوبل لعام 2009، هي العالمة التي اكتشفت كيفية عمل التيلوميراز. (مصدر: سفارة الولايات المتحدة في السويد)

التيلوميراز والشيخوخة

تستمر الخلايا التي تخضع لانقسام الخلايا في تقصير التيلوميرات لأن معظم الخلايا الجسدية لا تصنع التيلوميراز. هذا يعني بشكل أساسي أن تقصير التيلومير مرتبط بالشيخوخة. مع ظهور الطب الحديث والرعاية الصحية الوقائية وأنماط الحياة الصحية، زاد عمر الإنسان، وهناك طلب متزايد على الناس لتبدو أصغر سنًا وتتمتع بنوعية حياة أفضل مع تقدمهم في السن.

في عام 2010، وجد العلماء أن التيلوميراز يمكن أن يعكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران. قد يكون لهذا إمكانات في الطب التجديدي. ^¹ تم استخدام الفئران التي تعاني من نقص التيلوميراز في هذه الدراسات؛ تعاني هذه الفئران من ضمور الأنسجة ونضوب الخلايا الجذعية وفشل جهاز الأعضاء وضعف استجابات إصابات الأنسجة. تسببت إعادة تنشيط التيلوميراز في هذه الفئران في تمديد التيلوميرات وتقليل تلف الحمض النووي وعكس التنخر العصبي وتحسين وظيفة الخصيتين والطحال والأمعاء. وبالتالي، قد يكون لإعادة تنشيط التيلومير إمكانية علاج الأمراض المرتبطة بالعمر لدى البشر.

يتميز السرطان بالانقسام الخلوي غير المنضبط للخلايا غير الطبيعية. تتراكم الخلايا الطفرات وتتكاثر بشكل لا يمكن السيطرة عليه ويمكن أن تهاجر إلى أجزاء مختلفة من الجسم من خلال عملية تسمى الانبثاث. لاحظ العلماء أن الخلايا السرطانية تقصر التيلوميرات بشكل كبير وأن التيلوميراز نشط في هذه الخلايا. ومن المثير للاهتمام أنه فقط بعد اختصار التيلوميرات في الخلايا السرطانية أصبح التيلوميراز نشطًا. إذا كان من الممكن منع عمل التيلوميراز في هذه الخلايا عن طريق الأدوية أثناء علاج السرطان، فمن المحتمل أن يتم إيقاف الخلايا السرطانية من الانقسام الإضافي.

جدول\(\PageIndex{1}\): الفرق بين النسخ الأولي والنسخ حقيقي النواة
الملكية	بدائيات النواة	حقيقيات النوى
أصل النسخ المتماثل	مفرد	متعددة
معدل النسخ	1000 نيوكليوتيدات في الثانية	50 إلى 100 نيوكليوتيدات في الثانية
أنواع بوليميراز الحمض النووي	5	14
تيلوميراز	غير موجود	الحاضر
إزالة الحمض النووي الريبي	عينة الحمض النووي الأولى	رانيس إتش
استطالة ستراند	مجموعة الحمض النووي 3	بول، بول
مشبك منزلق	مشبك منزلق	PCNA

ملخص

يبدأ النسخ المتماثل في حقيقيات النوى من أصول متعددة للنسخ المتماثل. الآلية تشبه إلى حد كبير بدائيات النواة. يلزم استخدام مادة أولية لبدء عملية التخليق، والتي يتم تمديدها بعد ذلك بواسطة بوليميراز الحمض النووي حيث تضيف النيوكليوتيدات واحدة تلو الأخرى إلى سلسلة النمو. يتم تصنيع الخيط الرئيسي بشكل مستمر، بينما يتم تصنيع الشريط المتخلف في امتدادات قصيرة تسمى شظايا أوكازاكي. يتم استبدال بادئات الحمض النووي الريبي بنيوكليوتيدات الحمض النووي؛ يظل الحمض النووي خيطًا واحدًا مستمرًا عن طريق ربط أجزاء الحمض النووي مع ليغاز الحمض النووي. تشكل نهايات الكروموسومات مشكلة لأن البوليميراز غير قادر على تمديدها بدون برايمر. يعمل التيلوميراز، وهو إنزيم يحتوي على قالب RNA يحمل في ثناياه عوامل، على تمديد الأطراف عن طريق نسخ قالب RNA وتوسيع أحد طرفي الكروموسوم. يمكن لبوليميراز الحمض النووي بعد ذلك توسيع الحمض النووي باستخدام البرايمر. بهذه الطريقة، تتم حماية أطراف الكروموسومات.

الحواشي

1 جاسكليوف وآخرون، «إعادة تنشيط التيلوميراز تعكس تدهور الأنسجة في الفئران المسنة التي تعاني من نقص التيلوميراز»، الطبيعة 469 (2011): 102-7.

مسرد المصطلحات

تيلوميراز: إنزيم يحتوي على جزء تحفيزي ونموذج RNA مدمج؛ يعمل على الحفاظ على التيلوميرات في نهايات الكروموسومات

التيلومير: الحمض النووي في نهاية الكروموسومات الخطية