معلومة

28: تنظيم التعبير الجيني - علم الأحياء

28: تنظيم التعبير الجيني - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

28: تنظيم التعبير الجيني

في الحمض النووي ، يحدث تنظيم التعبير الجيني عادةً على مستوى التخليق الحيوي للحمض النووي الريبي (النسخ) ، ويتم تحقيقه من خلال الارتباط المتسلسل المحدد للبروتينات (عوامل النسخ) التي تنشط أو تمنع النسخ. قد تعمل عوامل النسخ كمنشّطات أو مثبطات أو كليهما. تعمل المثبطات غالبًا عن طريق منع بوليميراز الحمض النووي الريبي من تكوين مركب إنتاجي مع منطقة بدء النسخ (المروج) ، بينما تسهل المنشطات تكوين مجمع إنتاجي. علاوة على ذلك ، فقد ثبت أن أشكال الحمض النووي تنبئ بالتعديلات اللاجينومية ، مما يشير إلى أن عوامل النسخ تلعب دورًا في تنظيم الإبيجينوم. [2]

في RNA ، قد يحدث التنظيم على مستوى التخليق الحيوي للبروتين (الترجمة) ، أو انقسام الحمض النووي الريبي ، أو ربط الحمض النووي الريبي ، أو إنهاء النسخ. غالبًا ما ترتبط التسلسلات التنظيمية بجزيئات الرنا المرسال (mRNA) ، حيث تُستخدم للتحكم في التكوُّن الحيوي للرنا المرسال أو ترجمته. قد ترتبط مجموعة متنوعة من الجزيئات البيولوجية بالـ RNA لإنجاز هذا التنظيم ، بما في ذلك البروتينات (على سبيل المثال ، المثبطات الترجمية وعوامل الربط) ، وجزيئات الحمض النووي الريبي الأخرى (مثل miRNA) والجزيئات الصغيرة ، في حالة المحولات الريبية.

لا ينظم تسلسل الحمض النووي التنظيمي ما لم يتم تنشيطه. يتم تنشيط التسلسلات التنظيمية المختلفة ثم تنفيذ تنظيمها من خلال آليات مختلفة.

تفعيل المحسن والتنفيذ تحرير

يمكن بدء التعبير المنظم للجينات في الثدييات عند إرسال الإشارات إلى المحفزات المرتبطة بالجينات. يمكن أن يكون لتسلسلات الحمض النووي التي تنظمها رابطة الدول المستقلة والموجودة في مناطق الحمض النووي البعيدة عن مروجي الجينات تأثيرات كبيرة جدًا على التعبير الجيني ، حيث تخضع بعض الجينات للتعبير المتزايد بمقدار 100 ضعف بسبب مثل هذا التسلسل التنظيمي لرابطة الدول المستقلة. [3] تتضمن هذه التسلسلات التنظيمية لرابطة الدول المستقلة معززات وكاتمات صوت وعوازل وعناصر ربط. [4] من بين هذه المجموعة من المتواليات ، تلعب المحسنات وبروتينات عامل النسخ المرتبطة بها دورًا رائدًا في تنظيم التعبير الجيني. [5]

المعززات هي سلاسل الجينوم التي تعد عناصر تنظيمية رئيسية للجينات. تتحكم المعززات في برامج التعبير الجيني الخاصة بنوع الخلية ، غالبًا عن طريق التنقل عبر مسافات طويلة لتقترب ماديًا من محفزات الجينات المستهدفة. [6] في دراسة أجريت على الخلايا العصبية القشرية في الدماغ ، تم العثور على 24،937 حلقة ، مما يجلب المعززات إلى المحفزات. [3] عدة معززات ، غالبًا ما تكون عند عشرات أو مئات الآلاف من النيوكليوتيدات البعيدة عن جيناتها المستهدفة ، تلتف إلى محفزات الجينات المستهدفة وتنسق مع بعضها البعض للتحكم في التعبير عن الجين المستهدف المشترك. [6]

يوضح الرسم التوضيحي التخطيطي في هذا القسم وجود مُحسِّن يلتف حوله ليقترب من محفز الجين المستهدف. يتم تثبيت الحلقة بواسطة ثنائى بروتين موصل (على سبيل المثال dimer لـ CTCF أو YY1) ، مع تثبيت أحد أعضاء dimer على شكل الربط الخاص به على المحسن والعضو الآخر مثبت على شكل الربط الخاص به على المحفز (يمثله متعرج أحمر في الرسم التوضيحي). [7] العديد من بروتينات عامل النسخ الخاصة بوظيفة الخلية (في 2018 أشار لامبرت وآخرون إلى أن هناك حوالي 1600 عامل نسخ في خلية بشرية [8]) ترتبط بشكل عام بزخارف معينة على مُحسِّن [9] ومجموعة صغيرة من هذه المُحسِنات تتحكم عوامل النسخ المرتبطة ، عندما تقترب من المحفز بواسطة حلقة DNA ، في مستوى نسخ الجين المستهدف. الوسيط (coactivator) (مركب يتكون عادة من حوالي 26 بروتينًا في بنية متفاعلة) يرسل إشارات تنظيمية من عوامل النسخ المرتبطة بالحمض النووي المحسن مباشرة إلى إنزيم RNA polymerase II (RNAP II) المرتبط بالمحفز. [10]

تُنسخ المُحسِّنات ، عندما تكون نشطة ، بشكل عام من كلا خيوط الحمض النووي مع بوليميرات الحمض النووي الريبي التي تعمل في اتجاهين مختلفين ، مما يؤدي إلى إنتاج اثنين من eRNAs كما هو موضح في الشكل. [11] قد يرتبط المُحسِّن غير النشط بعامل نسخ غير نشط. قد تؤدي الفسفرة لعامل النسخ إلى تنشيطه وقد يؤدي عامل النسخ النشط هذا إلى تنشيط المُحسِّن المرتبط به (انظر نجمة حمراء صغيرة تمثل فسفرة عامل النسخ المرتبط بمُحسِّن في الرسم التوضيحي). [12] يبدأ المُحسِّن المنشط في نسخ الحمض النووي الريبي الخاص به قبل تنشيط محفز لبدء نسخ الحمض النووي الريبي المرسال من الجين المستهدف. [13]

CpG Island methylation and demethylation تحرير

5-methylcytosine (5-mC) هو شكل ميثلي من السيتوزين الأساسي للحمض النووي (انظر الشكل). 5-mC هو علامة فوق جينية توجد في الغالب على السيتوزينات داخل CpG dinucleotides ، حيث 5 "سيتوزين يتبعه 3" جوانين (مواقع CpG). يوجد حوالي 28 مليون ثنائي نيوكليوتيد CpG في الجينوم البشري. [14] في معظم أنسجة الثدييات ، في المتوسط ​​، تتم ميثلة 70٪ إلى 80٪ من السيتوزينات CpG (مكونة 5-methylCpG أو 5-mCpG). [15] غالبًا ما تحدث السيتوزينات الميثيلية ضمن تسلسل 5’cytosine-guanine 3 في مجموعات تسمى جزر CpG. تحتوي حوالي 59٪ من سلاسل المحفز على جزيرة CpG بينما يحتوي حوالي 6٪ فقط من سلاسل المُحسِّن على جزيرة CpG. [16] تشكل جزر CpG تسلسلات تنظيمية ، لأنه إذا تمت ميثلة جزر CpG في محفز الجين ، يمكن أن يقلل هذا التعبير الجيني أو يسكته. [17]

ينظم مثيلة الحمض النووي التعبير الجيني من خلال التفاعل مع بروتينات مجال ربط الميثيل (MBD) ، مثل MeCP2 و MBD1 و MBD2. ترتبط بروتينات MBD هذه بشدة بجزر CpG عالية الميثيل. [18] تحتوي بروتينات MBD هذه على مجال ربط ميثيل- CpG بالإضافة إلى مجال قمع النسخ. [18] ترتبط بالحمض النووي الميثلي وتوجه أو توجه معقدات البروتين مع إعادة تشكيل الكروماتين و / أو نشاط تعديل هيستون لجزر CpG الميثيلية. تقوم بروتينات MBD عمومًا بقمع الكروماتين المحلي عن طريق تحفيز إدخال علامات هيستون القمعية ، أو إنشاء بيئة كروماتين قمعية شاملة من خلال إعادة تشكيل النواة وإعادة تنظيم الكروماتين. [18]

كما لوحظ في القسم السابق ، فإن عوامل النسخ عبارة عن بروتينات ترتبط بتسلسلات معينة من الحمض النووي من أجل تنظيم التعبير عن جين معين. عادةً ما يكون تسلسل الربط لعامل النسخ في الحمض النووي حوالي 10 أو 11 نيوكليوتيدًا. كما تم تلخيصه في عام 2009 ، فإن Vaquerizas et al. أشار إلى أن هناك ما يقرب من 1400 عامل نسخ مختلف مشفر في الجينوم البشري ويشكلون حوالي 6 ٪ من جميع جينات ترميز البروتين البشري. [19] حوالي 94٪ من مواقع ارتباط عامل النسخ (TFBSs) المرتبطة بالجينات المستجيبة للإشارة تحدث في المعززات بينما تحدث حوالي 6٪ فقط من هذه الخلايا في المحفزات. [9]

بروتين EGR1 هو عامل نسخ خاص مهم لتنظيم مثيلة جزر CpG. يوجد موقع ارتباط عامل نسخ EGR1 بشكل متكرر في متواليات المحسن أو المحفز. [20] يوجد حوالي 12000 موقع ربط لـ EGR1 في جينوم الثدييات وحوالي نصف مواقع ربط EGR1 موجودة في المحفزات ونصفها في المعززات. [20] إن ارتباط EGR1 بموقع ربط الحمض النووي المستهدف الخاص به غير حساس لمثيلات السيتوزين في الحمض النووي. [20]

في حين أن كميات صغيرة فقط من بروتين عامل النسخ EGR1 يمكن اكتشافها في الخلايا غير المحفزة ، فإن ترجمة EGR1 إلى بروتين في ساعة واحدة بعد التحفيز ترتفع بشكل كبير. [21] يمكن تحفيز التعبير عن بروتينات عامل النسخ EGR1 ، في أنواع مختلفة من الخلايا ، بواسطة عوامل النمو ، والناقلات العصبية ، والهرمونات ، والإجهاد والإصابة. [21] في الدماغ ، عندما يتم تنشيط الخلايا العصبية ، يتم تنظيم بروتينات EGR1 وترتبط (تجنيد) إنزيمات TET1 الموجودة مسبقًا والتي يتم التعبير عنها بشكل كبير في الخلايا العصبية. يمكن أن تحفز إنزيمات TET نزع ميثيل 5-ميثيل سيتوزين. عندما تجلب عوامل النسخ EGR1 إنزيمات TET1 إلى مواقع ربط EGR1 في المروجين ، يمكن لإنزيمات TET إزالة ميثيل جزر CpG الميثيلية في تلك المحفزات. عند إزالة الميثيل ، يمكن لهؤلاء المروجين البدء في نسخ جيناتهم المستهدفة. يتم التعبير عن مئات الجينات في الخلايا العصبية بشكل تفاضلي بعد تنشيط الخلايا العصبية من خلال توظيف EGR1 لـ TET1 في التسلسلات التنظيمية الميثيلية في مروجيها. [20]

المروجين والمعززات المستجيبة للإشارة تخضع لفواصل محدودة أو قصيرة الأجل أو مزدوجة الخيط أو أحادية الخيط.

يبدو أن حوالي 600 تسلسل تنظيمي في المروجين وحوالي 800 تسلسل تنظيمي في المعززات يعتمد على فواصل حبلا مزدوجة بدأها topoisomerase 2-beta (TOP2B) للتنشيط. [22] تحريض فواصل معينة مزدوجة الشريطة خاصة فيما يتعلق بإشارة تحفيزها. عندما يتم تنشيط الخلايا العصبية ، تحدث 22 فقط من فواصل الشرائط المزدوجة التي يسببها TOP2B في جينوماتها. [23]

هذه الفواصل المزدوجة التي يسببها TOP2B مصحوبة بأربعة إنزيمات على الأقل من مسار إصلاح الحمض النووي غير المتماثل (NHEJ) (DNA-PKcs و KU70 و KU80 و DNA LIGASE IV) (انظر الشكل). تعمل هذه الإنزيمات على إصلاح الشقوق المزدوجة في غضون حوالي 15 دقيقة إلى ساعتين. [23] [24] وبالتالي ترتبط الفواصل المزدوجة في المحفز بـ TOP2B وأنزيمات الإصلاح الأربعة هذه على الأقل. توجد هذه البروتينات في وقت واحد على نواة محفز واحد (يوجد حوالي 147 نيوكليوتيد في تسلسل الحمض النووي ملفوفًا حول نواة واحدة) يقع بالقرب من موقع بدء النسخ للجين المستهدف. [24]

يبدو أن كسر الشريط المزدوج الذي قدمه TOP2B يحرر جزء المروج في موقع بدء النسخ المرتبط ببوليميراز RNA للانتقال فعليًا إلى المحسن المرتبط به. يسمح هذا للمحسن ، بعوامل النسخ المرتبطة وبروتينات الوسيط ، بالتفاعل مباشرة مع بوليميريز الحمض النووي الريبي المتوقف مؤقتًا في موقع بدء النسخ لبدء النسخ. [23] [10]

يبدو أن إنزيمات Topoisomerase I (TOP1) موجودة في عدد كبير من المعززات ويتم تنشيط تلك المعززات عندما يقدم TOP1 فاصلًا أحادي الخيط. [25] يتسبب TOP1 في حدوث فواصل حبلا مفردة في متواليات تنظيمية معينة للحمض النووي المحسن عند الإشارة إليها بواسطة عامل نسخ ارتباط مُحسِّن محدد. [25] ترتبط فواصل Topoisomerase I بعوامل إصلاح مختلفة للحمض النووي عن تلك المحيطة بفواصل TOP2B. في حالة TOP1 ، ترتبط الفواصل بشكل مباشر بإنزيمات إصلاح الحمض النووي MRE11 و RAD50 و ATR. [25]

البحث جار للعثور على جميع المناطق التنظيمية في جينومات جميع أنواع الكائنات الحية. [26] غالبًا ما تحتوي التسلسلات غير المشفرة المحفوظة على مناطق تنظيمية ، ولذا فهي غالبًا موضوع هذه التحليلات.


خلفية

ربطت مجموعة كبيرة من الأبحاث الوبائية خصائص البيئة الاجتماعية بصحة الإنسان الجسدية [1 ، 2] ، لكن الآليات الجينية لهذه التأثيرات لا تزال غير مستكشفة إلى حد كبير. يتضمن أحد أقوى عوامل الخطر الاجتماعي عدد ونوعية العلاقات الشخصية الوثيقة للفرد. الأشخاص المعزولون اجتماعيًا لديهم مخاطر متزايدة للوفيات لجميع الأسباب [1 ، 2] ، والعديد من الأمراض المعدية ، والأورام ، وأمراض القلب والأوعية الدموية [3-6]. الأساس البيولوجي لهذه النتائج الوبائية غير مفهوم جيدًا ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنه من غير الواضح ما إذا كانت آثار العزلة الاجتماعية تنبع في الغالب من الحرمان الموضوعي للدعم الاجتماعي الفعال (على سبيل المثال ، المساعدة المادية أو المعرفية أو الاقتصادية) ، أو من العوامل البيولوجية. عواقب التهديد وخلل النطق المرتبط بالعزلة الاجتماعية الذاتية (أي الوحدة). لقد ميزت دراسات وبائية قليلة بوضوح بين العزلة الاجتماعية الموضوعية والذاتية ، ولكن من بين تلك التي لديها ، تدعم بعض الأدلة مساهمة مهمة من كل جانب [1 ، 5 ، 7-10]. ومع ذلك ، فإن مسارات الإشارات الفسيولوجية التي تؤثر من خلالها هذه الديناميات على علم الأحياء المرضي للمرض لا تزال غير مفهومة جيدًا.

يمكن أن يؤدي التلاعب التجريبي في الاتصال الاجتماعي في الحيوانات إلى تنشيط مسارات إشارات الغدد الصم العصبية [11-14] ، والتي لديها القدرة على تنظيم التعبير الجيني في كل من مسببات الأمراض (الفيروسات والبكتيريا والأورام) والاستجابات المناعية المضيفة [4 ، 14-26]. لم تحلل أي دراسات تجريبية التأثير النسخي للعزلة الاجتماعية المزمنة في البشر ، ولكن البيانات المستمدة من الدراسات القائمة على الملاحظة تشير إلى أن العزلة الاجتماعية الذاتية (الوحدة) مرتبطة بزيادة مستويات الدورة الدموية لهرمون الإجهاد الكورتيزول [27-30]. يمكن لهذا الجلوكوكورتيكويد الكظري أن ينظم مجموعة متنوعة من العمليات الفسيولوجية عن طريق التحكم بوساطة مستقبلات الهرمون النووي في النسخ الجيني [31]. يؤدي تنشيط الكورتيزول لمستقبلات الجلوكوكورتيكويد (GR) إلى تأثيرات واسعة النطاق مضادة للالتهابات عن طريق تثبيط عوامل النسخ (NF) -B / Rel وغيرها من مسارات الإشارات المؤيدة للالتهابات (على سبيل المثال ، محول إشارة Janus kinase ومنشط النسخ ( JAK / STAT) وإشارات عامل استجابة الإنترفيرون (IRF)) [32 ، 33]. ومع ذلك ، فإن زيادة مستويات الكورتيزول لدى الأفراد الذين يعانون من الوحدة المزمنة أمر متناقض في ضوء حقيقة أن معظم الأمراض المرتبطة بالعزلة ناتجة عن زيادة الالتهاب (على سبيل المثال ، تكاثر الفيروسة البطيئة ، وتصلب الشرايين ، والأورام الخبيثة في الأنسجة الصلبة) [34 - 36]. نظرًا للتأثيرات المضادة للالتهابات الواسعة للجلوكوكورتيكويد ، يجب حماية الأشخاص الذين يعانون من الوحدة المزمنة مع ارتفاع مستويات الكورتيزول نسبيًا من الأمراض التي يسببها الالتهاب بدلاً من التعرض للمخاطر المتزايدة التي يتم ملاحظتها تجريبياً.

أحد التفسيرات المحتملة للأمراض المرتبطة بالالتهابات لدى الأفراد الذين لديهم مستويات عالية من الكورتيزول ينطوي على إزالة التحسس الوظيفي لمسار GR الذي يتوسط الاستجابة النسخية للجلوكوكورتيكويد. لقد ثبت أن العديد من الآليات الجزيئية تجعل الخلايا غير حساسة للتأثيرات المضادة للالتهابات للجلوكوكورتيكويدات في المختبر، بما في ذلك انخفاض التعبير عن الموارد الوراثية NR3C1 الجين ، والتعديل اللاحق لبروتين GR ، وزيادة التعبير عن مضادات GR ، وانخفاض نشاط العوامل المساعدة لنسخ GR. في كل من النماذج البشرية والحيوانية ، تم ربط الإجهاد المطول بتقليل التعبير الخلوي عن NR3C1 وزيادة المقاومة الخلوية لتثبيط الجلوكوكورتيكويد لاستجابات السيتوكينات المؤيدة للالتهابات [37-40]. لذلك ، من الممكن تصور أن الإشارات المؤيدة للالتهابات تستمر في الأشخاص المعزولين اجتماعيًا الذين لديهم مستويات عالية من الكورتيزول لأن ضعف نقل الإشارات بوساطة GR يمنع الجينوم الخلوي من `` سماع '' الإشارات المضادة للالتهابات التي يتم إرسالها عن طريق تعميم الجلوكوكورتيكويد.

تستخدم الدراسة الحالية في الجسم الحي استراتيجية قائمة على علم الجينوم لتحديد الجينات التي يتم التعبير عنها تفاضليًا في الجهاز المناعي للأشخاص الذين يعانون من مستويات عالية بشكل مزمن من العزلة الذاتية (الوحدة) ، وتحديد مسارات التحكم في النسخ الأولية التي تتوسط هذه الاختلافات. تحليلات المعلومات الحيوية للمحفزات ذات التعبير التفاضلي [41 ، 42] تختبر الفرضيات المحددة التي تظهرها الخلايا المناعية من الأفراد الذين يعانون من الوحدة العالية في الجسم الحي، في ظل الظروف الفسيولوجية القاعدية: 1.) انخفاض نشاط مسار التحكم في نسخ الجلوكوكورتيكويد المضاد للالتهابات و 2) زيادة نشاط مسار NF-B / Rel المؤيد للالتهابات. تكشف النتائج عن `` بصمة نسخية '' مميزة من العزلة الاجتماعية المختبرة والتي تتضمن مؤشرات جينومية لتنشيط المناعة ، وتحول متبادل في نشاط مسارات التحكم في النسخ المؤيدة والمضادة للالتهابات التي تشكل التعبير الجيني العالمي في جهاز المناعة البشري.


شاهد الفيديو: الطفرات (قد 2022).