التعبير الجيني في بدائيات النوى مقابل حقيقيات النوى

لفهم كيفية تنظيم التعبير الجيني، يجب علينا أولاً فهم كيف يصبح الجين بروتينًا وظيفيًا في الخلية. تحدث العملية في كل من الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة، ولكن بطرق مختلفة قليلاً.

نظرًا لأن الكائنات بدائية النواة تفتقر إلى نواة الخلية، فإن عمليتي النسخ والترجمة تحدثان بشكل شبه متزامن. عندما لا يعود البروتين ضروريًا، يتوقف النسخ. ونتيجة لذلك، فإن الطريقة الأساسية للتحكم في نوع وكمية البروتين الذي يتم التعبير عنه في الخلية بدائية النواة هي من خلال تنظيم نسخ الحمض النووي (DNA) إلى الحمض النووي الريبي (RNA). تحدث جميع الخطوات اللاحقة تلقائيًا. عندما تكون هناك حاجة إلى المزيد من البروتين، يحدث المزيد من النسخ. لذلك، في الخلايا بدائية النواة، يكون التحكم في التعبير الجيني بالكامل تقريبًا على مستوى النسخ.

اكتُشف أول مثال لهذا التحكم باستخدام E. coli في الخمسينيات والستينيات من قبل باحثين فرنسيين ويُطلق عليه اسم أوبيرون lac. أوبيرون lac هو امتداد من الحمض النووي (DNA) يحتوي على ثلاثة جينات متجاورة تشفر بروتينات تشارك في امتصاص واستقلاب اللاكتوز، وهو مصدر غذاء لـ E. coli. عندما لا يكون اللاكتوز موجودًا في بيئة البكتيريا، يتم نسخ جينات lac بكميات صغيرة. عندما يكون اللاكتوز موجودًا، يتم نسخ الجينات وتكون البكتيريا قادرة على استخدام اللاكتوز كمصدر غذاء. يحتوي الأوبيرون أيضًا على تسلسل محفز يرتبط به بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase) لبدء النسخ؛ وبين المحفز والجينات الثلاثة توجد منطقة تسمى المشغل. عندما لا يكون هناك لاكتوز موجود، يرتبط بروتين يُعرف باسم الكابت بالمشغل ويمنع بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase) من الارتباط بالمحفز، باستثناء حالات نادرة. وبالتالي يتم إنتاج كمية قليلة جدًا من المنتجات البروتينية للجينات الثلاثة. عندما يكون اللاكتوز موجودًا، يرتبط منتج نهائي من استقلاب اللاكتوز ببروتين الكابت ويمنعه من الارتباط بالمشغل. يسمح هذا لبوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase) بالارتباط بالمحفز ونسخ الجينات الثلاثة بحرية، مما يسمح للكائن الحي باستقلاب اللاكتوز.

تختلف الخلايا حقيقية النواة، على النقيض من ذلك، بامتلاكها عضيات داخل خلوية وهي أكثر تعقيدًا بكثير. تذكر أنه في الخلايا حقيقية النواة، يوجد الحمض النووي (DNA) داخل نواة الخلية ويتم نسخه إلى الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) هناك. ثم يُنقل الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) المُخلّق حديثًا من النواة إلى السيتوبلازم، حيث تقوم الريبوسومات بترجمة الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) إلى بروتين. يتم فصل عمليتي 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 (شكل 9.22). قد يحدث التنظيم عندما يتم فك الحمض النووي (DNA) وتحريره من النيوكليوسومات ليرتبط بعوامل النسخ (المستوى فوق جيني (epigenetic))، أو عندما يتم نسخ الحمض النووي الريبي (RNA) (المستوى النسخي)، أو عندما تتم معالجة الحمض النووي الريبي (RNA) وتصديره إلى السيتوبلازم بعد نسخه (المستوى ما بعد النسخ (post-transcriptional))، أو عندما تتم ترجمة الحمض النووي الريبي (RNA) إلى بروتين (المستوى الترجمي)، أو بعد صنع البروتين (المستوى ما بعد الترجمة (post-translational)).

شكل 9.22 يُنظّم التعبير الجيني في حقيقيات النوى أثناء النسخ ومعالجة الحمض النووي الريبي (RNA)، اللذين يحدثان في النواة، وكذلك أثناء ترجمة البروتين، التي تحدث في السيتوبلازم. قد يحدث تنظيم إضافي من خلال التعديلات ما بعد الترجمة للبروتينات.

تُلخص الاختلافات في تنظيم التعبير الجيني بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى في جدول 9.2.

صلة بالتطور

التضفير البديل للحمض النووي الريبي (RNA)

في سبعينيات القرن الماضي، لوحظت لأول مرة جينات أظهرت التضفير البديل للحمض النووي الريبي (RNA) (alternative RNA splicing). التضفير البديل للحمض النووي الريبي (RNA) هو آلية تسمح بإنتاج منتجات بروتينية مختلفة من جين واحد عندما تُزال مجموعات مختلفة من الإنترونات (وأحيانًا الإكسونات) من النسخة (شكل 9.23). يمكن أن يكون هذا التضفير البديل عشوائيًا، ولكن في كثير من الأحيان يكون متحكمًا فيه ويعمل كآلية لتنظيم الجينات، حيث يتم التحكم في تكرار بدائل التضفير المختلفة بواسطة الخلية كوسيلة للتحكم في إنتاج منتجات بروتينية مختلفة في خلايا مختلفة، أو في مراحل مختلفة من التطور. يُفهم التضفير البديل الآن على أنه آلية شائعة لتنظيم الجينات في حقيقيات النوى؛ ووفقًا لأحد التقديرات، يتم التعبير عن 70% من الجينات في البشر كبروتينات متعددة من خلال التضفير البديل.

شكل 9.23 هناك خمسة أنماط أساسية من التضفير البديل. يمكن تضفير أجزاء من الحمض النووي الريبي الرسول الأولي (pre-mRNA) التي تظهر فيها الإكسونات باللون الأزرق والأحمر والبرتقالي والوردي لإنتاج مجموعة متنوعة من أجزاء الحمض النووي الريبي الرسول الناضجة الجديدة.

كيف يمكن أن يتطور التضفير البديل؟ تحتوي الإنترونات على تسلسل تعرف للبداية والنهاية، ومن السهل تخيل فشل آلية التضفير في تحديد نهاية إنترون والعثور على نهاية الإنترون التالي، وبالتالي إزالة إنترونين والإكسون الفاصل بينهما. في الواقع، توجد آليات لمنع تخطي الإكسون هذا، ولكن من المرجح أن تؤدي الطفرات إلى فشلها. من المرجح أن تنتج مثل هذه "الأخطاء" بروتينًا غير وظيفي. في الواقع، سبب العديد من الأمراض الوراثية هو التضفير البديل وليس الطفرات في التسلسل. ومع ذلك، فإن التضفير البديل سيخلق متغيرًا بروتينيًا دون فقدان البروتين الأصلي، مما يفتح إمكانيات لتكيف المتغير الجديد مع وظائف جديدة. لقد لعب تضاعف الجينات دورًا مهمًا في تطور وظائف جديدة بطريقة مماثلة - من خلال توفير جينات قد تتطور دون القضاء على البروتين الوظيفي الأصلي.