عملية التعبير الجيني

التعبير الجيني

• التعبير الجيني هو عملية تحويل المعلومات المحمولة بواسطة جزيء الحمض النووي DNA إلى جزيئات البروتين.
• تبدأ هذه العملية بجين، وتنتقل إلى الحمض النووي الريبوزي الرسول mRNA، ثم إلى البروتين.

العقيدة المركزية

• التعبير الجيني: يتم نقل المعلومات الوراثية المخزنة في الحمض النووي DNA إلى الحمض النووي RNA ثم البروتين.
• RNA الرسول (mRNA) ينقل التعليمات من الحمض النووي DNA إلى الريبوسوم.
• RNA النقال (tRNA) يجلب تسلسل mRNA إلى حمض أميني.
• RNA الريبوزومي (rRNA) هو RNA محفز وبنيوي.
• التضاعف هو نسخ DNA.
• النسخ هو تخليق mRNA من DNA.
• الترجمة هي تخليق البروتين من mRNA، وتحدث في الريبوسومات.

تركيب الحمض النووي الريبوزي RNA : النسخ

• النسخ هو عملية تصنيع جزيئات الحمض النووي الريبوزي RNA باستخدام قالب الحمض النووي DNA، لإنتاج أنواع RNA مختلفة مثل mRNA، tRNA، و rRNA.
• هناك اختلافان رئيسيان في كيمياء الحمض النووي RNA والحمض النووي DNA: - يحتوي الحمض النووي RNA على ريبوز بدلاً من ديوكسيريبوز. - يحتوي الحمض النووي RNA على يوراسيل بدلاً من الثايمين.
• يأخذ الحمض النووي RNA بنية ثانوية بالطي.
• باستثناء بعض الفيروسات التي تحتوي على الحمض النووي RNA، فإنه عادة ما يكون ذو بنية مفردة السلسلة.

الأحماض النووية

• يتكون الحمض النووي DNA من ديوكسيريبوز، وقواعد الأدينين (A)، والثايمين (T)، والجوانين (G))، والسيتوزين (C).
• يتكون الحمض النووي RNA من ريبوز، وقواعد الأدينين (A)، واليوراسيل (U)، والجوانين (G))، والسيتوزين (C).

أنواع الحمض النووي الريبوزي RNA

• جزيئات RNA المشفرة: mRNA.
• جزيئات RNA غير المشفرة: tRNA و rRNA.
• RNAs الصغيرة لها وظائف في: - تضفير mRNA. - معالجة rRNA. - تنظيم التعبير الجيني.

mRNA

• mRNA هو جزيء RNA يقوم بنسخ التعليمات الوراثية من الحمض النووي DNA ونقلها إلى الريبوسومات لإنتاج البروتينات.

tRNA

• tRNA (الحمض النووي الريبوزي الناقل) ينقل الأحماض الأمينية إلى الريبوسوم أثناء الترجمة لتكوين سلسلة البولي ببتيد.

rRNA

• rRNA (الحمض النووي الريبوزي الريبوزومي) هو مكون أساسي من الريبوسومات، ويشارك في تجميع البروتينات.
• تتكون ريبوسومات حقيقيات النوى 80S من وحدة فرعية 60S تحتوي على 5S RNA و 5.8S RNA و 28S RNA، ووحدة فرعية 40S تحتوي على 18S RNA.

استقرار RNA الرسول

• يوجد الحمض النووي RNA الرسول غير المطوي في البكتيريا والعتائق، ويتم تحليله بعد بضع دقائق بواسطة إنزيمات تسمى ribonucleases.
• الأحماض النووية RNAs المستقرة هي rRNA و tRNA، وتدوم لفترة أطول بفضل بنيتها الثانوية التي تمنع هجوم ribonucleases.
• الدوران السريع للـ mRNA في البكتيريا والعتائق يسمح لها بالتكيف بسرعة مع الظروف البيئية المتغيرة، وإيقاف ترجمة mRNAs التي لم تعد هناك حاجة إليها.

مراحل تصنيع الحمض النووي RNA

• ارتباط بوليميراز الحمض النووي RNA بتسلسلات المحفز لقالب الحمض النووي DNA.
• بدء تصنيع الحمض النووي RNA.
• استطالة سلسلة polynucleotide.
• إنهاء التصنيع.

بوليميراز الحمض النووي RNA والنسخ

• الإنزيم هو بوليميراز الحمض النووي RNA.
• يحفز بلمرة ثلاثي فوسفات ريبونوكليوزيد (NTPs) عن طريق تكوين روابط فوسفات ثنائية الإستر.
• يحفز بوليميراز الحمض النووي RNA تخليق سلسلة الحمض النووي RNA في اتجاه 5'3.
• سلسلة الحمض النووي RNA المصنعة وقالب سلسلة الحمض النووي DNA متوازيان عكسياً لبعضهما البعض.
• في الكائنات الحية بدائية النوى، يقوم بوليميراز الحمض النووي RNA واحد فقط بهذا الدور.

بوليميراز الحمض النووي RNA

• بوليميراز الحمض النووي RNA بدائي النواة هو مركب إنزيم يتكون من ستة ببتيدات متعددة.
• يتكون بوليميراز الحمض النووي RNA البكتيري من 2α، β، β'، ω ووحدات فرعية σ.
• بوليميراز الحمض النووي RNA الأساسي يتكون من 2 a، 1 β، 1 β' و 1 ω (بدون سيجما).
• يحدث البلمرة.
• الوحدة الفرعية سيجما (σ) تتعرف على تسلسلات المحفز الخاصة على الحمض النووي DNA.
• عندما يصل الحمض النووي RNA المصنع حديثًا إلى بضعة نيوكليوتيدات في الطول، تنفصل الوحدة الفرعية سيجما σ عن الوحدات الفرعية الأخرى.

النسخ في البكتيريا

• يتم تحفيز النسخ بواسطة إنزيم بوليميراز الحمض النووي RNA.
• يتم تشغيل البلمرة بواسطة الطاقة المنبعثة من تحلل رابطتين فوسفاتيتين غنيتين بالطاقة في ثلاثي فوسفات ريبونوكليوزيد القادم.
• لا يوجد تحفيز أولي.
• يتم إضافة ثلاثي فوسفات ريبونوكليوزيد إلى 3'-OH للريبوز الخاص بالنيوكليوتيد السابق.
• نمو السلسلة من 5' إلى 3' تماماً كما في تصنيع الحمض النووي DNA.
• يعمل الشريط المصنع حديثاً من الحمض النووي RNA بشكل مضاد للتوازي مع قالب شريط الحمض النووي DNA.
• يستمر النسخ حتى يتم الوصول إلى تسلسلات محددة تسمى منشطات النسخ.
• على عكس تضاعف الحمض النووي DNA، يحدث النسخ على وحدات أصغر بكثير من الحمض النووي DNA، غالباً جين واحد.
• تختلف الجينات المختلفة في التعبير بحسب احتياجات الخلية.
• تعتبر عملية النسخ مُنظمة بشكل كبير.

بوليميراز الحمض النووي RNA وتسلسل المحفز

• تشكل الوحدات الفرعية مركب إنزيم يسمى holoenzyme بوليميراز الحمض النووي RNA.
• ينفصل بوليميراز الحمض النووي RNA الأساسي، وتنفصل سيجما.
• وظيفة سيجما هي فقط التعرف على الموقع المناسب على الحمض النووي DNA لبدء النسخ.
• لبدء النسخ، يجب أن يتعرف بوليميراز الحمض النووي RNA أولاً على مواقع البدء على الحمض النووي DNA، وتسمى هذه المواقع بالمحفزات.
• يتم التعرف على المحفزات بواسطة سيجما.
• يرتبط بوليميراز الحمض النووي RNA بالمحفز.
• يتم فتح حلزون الحمض النووي DNA في موقع المحفز بواسطة بوليميراز الحمض النووي RNA، ومع تحرك البوليميراز، يتم فتح الحلزون.

عوامل سيجما وتسلسل توافقي وإنهاء النسخ

• في الإشريكية القولونية E. Coli، يتم التعرف على جميع تسلسلات المحفز بواسطة نفس عامل سيجما E. القولونية المسمى σ70.

• تتعرف سيجما على منطقتين محفوظتين بشكل كبير داخل المحفز.

  • التسلسلات هي في اتجاه التيار من (قبل) موقع بدء النسخ.
  • هناك 10 قواعد في اتجاه التيار، في المنطقة (10-)أو في علبة بريبناو Pribnow box.
    • التسلسل التوافقي (10-) هو TATAAT box.
  • هناك 35 قاعدة في اتجاه التيار، في علبة (-35).
    • التسلسل التوافقي (-35) هو TTGACA box

• تسمى هذه المحفزات بالمحفزات القوية strong promoters.

وحدات النسخ و mRNA متعدد السيسترونات

• تحتوي بعض وحدات النسخ على الحمض النووي RNA المنسوخ من جين واحد، بينما يتشكل البعض الآخر من جينين أو أكثر (الجينات المترجمة cotranscribed genes).
• تشفر معظم الجينات البروتينات، ولكن البعض الآخر يشفر RNAs غير مترجمة، مثل rRNAs أو tRNA.
• تنتج خلايا بدائية النوى ثلاثة أحجام من rRNA: 16S و 23S و 5S، ويتم نسخ جيناتها لتشكيل وحدة نسخ واحدة تتضمن أيضاً tRNA.

وحدات النسخ و mRNA متعدد السيسترونات

• تشفر الجينات عدة إنزيمات لمسار أيضي معين في الخلايا بدائية النوى.
• مثال: غالباً ما تتجمع الجينات المشاركة في التخليق الحيوي لحمض أميني معين معاً في أوبرون operon.
• تجميع الجينات لنفس المسار البيوكيميائي أو الجينات المطلوبة في نفس الظروف في أوبرون يسمح بتنسيق التعبير عنها.
• أثناء النسخ، يتقدم بوليميراز الحمض النووي RNA عبر الأوبرون وينسخ المجموعة الكاملة من الجينات في mRNA واحد يسمى mRNA متعدد السيسترونات.
• يحتوي mRNA متعدد السيسترونات على إطارات قراءة مفتوحة متعددة، وأجزاء من mRNA تشفر فعلياً الأحماض الأمينية.
• عندما تتم ترجمة هذا الـ mRNA، يتم تخليق العديد من الببتيدات المتعددة على التوالي بواسطة نفس الريبوسوم.

إنهاء النسخ

• في البكتيريا، إشارة الإنهاء الشائعة هي تسلسل غني بـ GC يحتوي على تكرار معكوس مع قطعة مركزية غير متكررة.
• عندما يتم نسخ تسلسل الحمض النووي DNA هذا، يشكل الحمض النووي RNA هيكل حلقة ساق عن طريق الاقتران القاعدي داخل السلسلة.
• تعتبر الحلقات الجذعية التي تتبعها مجموعة من الأدينين في قالب الحمض النووي DNA (والتي تعطي مجموعة من اليوريدين في mRNA) منشطات نسخ قوية.
• يتوقف بوليميراز الحمض النووي RNA مؤقتاً عند الحلقة الجذعية، وينفصل الحمض النووي DNA و الحمض النووي RNA.

إنهاء النسخ

• آلية ثانية لإيقاف النسخ هي بروتين الرّو Rho.
• لا يرتبط Rho ببوليميراز الحمض النووي RNA أو الحمض النووي DNA.
  • لكنه يرتبط بإحكام بالـ RNA وينزل السلسلة نحو مركب RNA بوليميراز- الحمض النووي DNA.
• بمجرد أن يتوقف بوليميراز الحمض النووي RNA مؤقتاً عند موقع إنهاء معتمد على Rho (تسلسل محدد في قالب الحمض النووي RNA)، يتسبب Rho في إطلاق كل من الحمض النووي RNA وبوليميراز الحمض النووي RNA من الحمض النووي DNA، وبالتالي إنهاء النسخ.

نسخ حقيقيات النوى

• بوليميراز الحمض النووي RNA للعتائق وحقيقيات النوى متشابهة وأكثر تعقيداً من بوليميرازات البكتيريا.

• تحتوي العتائق على بوليميراز الحمض النووي RNA واحد فقط، بينما تحتوي حقيقيات النوى على ثلاثة.

• يشبه بوليميراز العتائق في معظم الأحيان بوليميراز الحمض النووي RNA II لحقيقيات النوى ويتكون من 11 إلى 13 وحدة فرعية اعتماداً على النوع.

• أهم تسلسل تعرف في منشطات العتائق وحقيقيات النوى

• عبارة عن علبة "تاتا" من 6 إلى 8 أزواج قاعدية. - تقع من 18 إلى 27 نيوكليوتيد في اتجاه التيار من موقع بدء النسخ.

• يتم التعرف على علبة تاتا بواسطة بروتين التحدب تاتا (TBP)، وهو أحد عوامل النسخ العديدة الموجودة في العتائق وحقيقيات النوى.

• في اتجاه التيار من علبة تاتا، يوجد عنصر التعرف B (BRE) الذي يتم التعرف عليه بواسطة عامل النسخ B العتائقي (TFB).

• بالإضافة إلى ذلك، يقع تسلسل عنصر البادئ المحدد في بداية النسخ.

• بمجرد ارتباط بروتين التحدب تاتا TBP بعلبة تاتا وارتباط عامل النسخ B TFB بعنصر التعرف (BRE)، يمكن لبوليميراز الحمض النووي RNA للعتائق أن يرتبط ويبدأ النسخ.

• هذه العملية شبيهة في حقيقيات النوى باستثناء أنه يلزم وجود العديد من عوامل النسخ الإضافية.

• تمتلك بعض جينات العتائق تكرارات معكوسة متبوعة بتسلسل غني بـ AT.

• يحتوي نوع آخر من منشط النسخ المشتبه به على مجموعات مكررة من الثايمين.

• في حقيقيات النوى: تختلف طريقة الإنهاء اعتماداً على بوليميراز الحمض النووي RNA، وغالباً ما تستغرق إضافة عامل إنهاء محدد عملية النسخ.

معالجة الحمض النووي RNA في حقيقيات النوى وتسلسلات التدخل في العتائق

• تحتوي حقيقيات النوى على العديد من الجينات مع منطقتين ترميز أو أكثر تفصل بينهما مناطق غير ترميز.
• التسلسلات المشفرة: exons.
• introns: المناطق غير المشفرة.
• معالجة RNA، لتشكيل RNAs ناضجة صالحة للترجمة.
• النسخة الأولية هي إزالة الإنترونات وتصبح سلسلة mRNA ناضجة تحوي exone فقط.
• العملية التي تتم فيها إزالة الإنترونات وربط الإكسونات تسمى التضفير.
• يحدث تضفير الحمض النووي RNA في النواة.
• تتم هذه العملية بنشاط مركب جزيئي كبير يحتوي على كل من الحمض النووي RNA والبروتين ويسمى الجسيم التضفيري spliceosome.
• تقوم بروتينات الجسيم التضفيري spliceosome بإزالة الإنترون (أو الإنترونات) من النسخة الأولية primary transcript وربط الإكسونات الموجودة على الجوانب لتشكيل mRNA ناضجة متجاورة تشفر البروتين.
• على الرغم من أن تسلسلات التدخل في الجينات التي تشفر البروتينات نادرة للغاية في العتائق، إلا أن العديد من جينات tRNA والـ RNA المشفر في العتائق تحتوي على نطاقات يجب إزالتها بعد النسخ لتكوين tRNA أو rRNA ناضجة. يتم استدعاء هذه التسلسلات المتدخلة "archaeal introns". ومع ذلك، تتم معالجتها بواسطة ريبونوكلياز خاص بدلاً من المركب spliceosome.

معالجة الحمض النووي RNA، والتضفير

• العملية التي يتم فيها إزالة الـ introns وربط الـ exons تسمى التضفير.
  • يحدث تضفير الحمض النووي RNA في النواة.
  • من خلال نشاط مركب جزيئي كبير يحتوي على كل من الحمض النووي RNA والبروتين يسمى الجسيم التضفيري spliceosome.
• تقوم بروتينات الجسيم التضفيري spliceosome باستئصال الـ intron(s) من النسخة الأولية وربط الـ exons الجانبية لتشكيل mRNA ناضجة متجاورة ترميز البروتين.
• على الرغم من أن تسلسلات التدخل في الجينات التي تشفر البروتينات نادرة للغاية في العتائق، إلا أن العديد من جينات tRNA والـ RNA المشفر في العتائق تحتوي على نطاقات يجب إزالتها بعد النسخ لتكوين tRNA أو rRNA ناضجة. تسمى هذه التسلسلات المتدخلة archaeal introns. ومع ذلك، تتم معالجتها بواسطة ريبونوكلياز خاص بدلاً من مركب الجسيم التضفيري spliceosome.
• تحدث خطوتان إضافيتان في معالجة الـ mRNA في حقيقيات النوى في النواة قبل عملية التضفير: - يحدث وضع الغطاء cappings قبل اكتمال عملية النسخ.
  • وضع الغطاء capping هو إضافة نيوكليوتيد الجوانين الميثيلي عند النهاية 5' - فوسفات للـ mRNA.
  • يضاف الغطاء في اتجاه عكسي بالنسبة لبقية mRNA.
    • يتكون Polyadenylation.
  • تقليم أو قطع النهاية 3' من النسخة الأولية - إضافة 100-200 بقايا أدينين، تسمى الذيل poly(A). - ذيل poly(A)يثبت الـ mRNA ضد هجوم النوكلياز ويجب إزالته قبل أن يتم تدهور الـ mRNA.