Gene Expression یا بیان ژن چیست و چرا بیان ژن انجام می‌­شود؟

ژن‌ها پروتئین‌­ها را کد می­‌کنند و پروتئین‌­ها عملکرد سلول را دیکته می‌­کنند.

یک بار جمله قبل را به دقت بخوانید. در واقع جمله قبل، خود بیانگر یک نظریه جامع در زیست‌شناسی است. طبیعتاً بعد از خواندن این جمله، در ذهنمان یک زنجیره به‌هم پیوسته از اتفاقات را متصور می­‌شویم.

با دیدن کلمه دیکته کردن، یاد معلمی می‌­افتیم که درس  املای فارسی را به دانش‌­آموزانش دیکته می‌کند و از آن­ها انتظار دارد درست بنویسند. اما بیان ژن­‌ها چه ارتباطی به املا دارد؟ با ما همراه باشید تا با ژن‌ها، بیان ژن و عملکرد آن‌ها بیشتر آشنا شویم.

کیت تعیین ژنوتیپ ژن پروترومبین Real-Time PCR را از اینجا تهیه کنید.

کیت ژنوتایپینگ HPV به روش Real Time PCR

 بیان ژن چیست (مکانیسم بیان ژن)

هزاران ژن بیان‌شده در یک سلول خاص، تعیین می­‌کنند که آن سلول چه عملکردی داشته باشد. علاوه‌­بر این، هر مرحله در جریان اطلاعات از DNA به RNA و به پروتئین، یک نقطه کنترلی جهت خودتنظیمی عملکرد سلول وجود دارد که مقدار و نوع پروتئین‌هایی که در سلول تولید می‌شوند را تنظیم می‌کند.

در هر زمان، مقدار یک پروتئین خاص در یک سلول، حاصل تعادل بین مسیرهای سنتز و تخریب آن پروتئین در سلول است. در سمت سنتز این تعادل، به یاد بیاورید که تولید پروتئین از رونویسی (DNA به RNA) شروع می­‌شود و با ترجمه (RNA به پروتئین) ادامه می‌یابد.

بنابراین، کنترل این فرآیندها نقش مهمی در تعیین اینکه چه پروتئینی و با چه مقداری در یک سلول وجود داشته باشد، ایفا می­‌کند. علاوه‌بر این، روشی که در طی آن سلول رونوشت‌های RNA و پروتئین‌های تازه ساخته‌شده خود را پردازش می‌کند نیز، بر سطح پروتئین تأثیر زیادی دارد.

کیت تعیین ژنوتیپ ژن پروترومبین PCR را از اینجا تهیه کنید.

 

چگونه بیان ژن تنظیم می شود؟ (تنظیم بیان ژن)

آیا هر ژنی به هر میزانی و در هر زمانی قادر خواهد بود یک مسیر بیان ژن را آغاز کرده و منجر به تولید محصولات پروتئینی شود؟

اگر بیان ژن توسط فرایندی کنترل نشود، سلول دچار هرج‌­ومرج و بی‌­نظمی نمی‌شود؟ می­‌دانیم که مقدار و انواع مولکول­‌های mRNA در یک سلول، عملکرد آن سلول را منعکس می‌کند. در واقع، هزاران رونوشت در هر ثانیه در هر سلول تولید می­‌شود.

کنترل بیان ژن در یوکاریوت و پروکاریوت‌ها

با توجه به هوشمندی بالای موجودات، جای تعجب نیست که نقطه کنترل اولیه برای بیان ژن معمولاً در همان ابتدای فرآیند تولید پروتئین، یعنی شروع رونویسی (DNA به RNA) است.

رونویسی RNA یک نقطه کنترل کارآمد را ایجاد می­‌کند؛ زیرا بسیاری از پروتئین‌­ها را می­‌توان از یک مولکول mRNA واحد ساخت. پردازش رونوشت سطح بیشتری از تنظیم را برای یوکاریوت‌­ها فراهم می­‌کند. وجود یک هسته با غشای مشخص این امکان را به سلول می‌­دهد.

در پروکاریوت‌­ها، به دلیل نزدیکی ریبوزوم­‌ها به مولکول­‌های mRNA جدید، ترجمه رونوشت قبل از تکمیل رونوشت آغاز می­‌شود.

با این حال، در یوکاریوت‌­ها، رونوشت­‌ها قبل از اینکه برای ترجمه به سیتوپلاسم صادر شوند، در هسته اصلاح می‌­شوند. رونوشت‌­های یوکاریوتی نیز پیچیده‌­تر از رونوشت‌­های پروکاریوتی هستند.

به­‌عنوان مثال، رونوشت­‌های اولیه سنتزشده توسط RNA پلیمراز، حاوی توالی‌­هایی هستند که بخشی از RNA بالغ نیستند. این توالی‌های مداخله‌­گر،­ اینترون نامیده می­‌شوند و قبل از خروج mRNA بالغ از هسته حذف می­‌شوند؛ فرایندی که به آن ویرایش گفته می‌شود.

نواحی باقی­‌مانده از رونوشت، که شامل مناطق کدکننده پروتئین است، اگزون نامیده می‌شوند و برای تولید mRNA بالغ به­‌هم متصل می‌شوند. رونوشت­‌های یوکاریوتی نیز در انتهای خود اصلاح می­‌شوند که بر پایداری و ترجمه آن‌ها تأثیر می‌­گذارد.

نقاط کنترلی در تنظیم بیان ژن

البته در اغلب موارد سلول‌­ها باید به­‌سرعت، به شرایط متغیر محیطی، پاسخ دهند. در این شرایط، نقطه کنترل نظارتی ممکن است پس از رونویسی به­‌خوبی نقش ایفا کند. به­‌عنوان مثال، رشد اولیه در اکثر حیوانات به کنترل ترجمه بستگی دارد؛ زیرا رونویسی بسیار کمی در طول اولین تقسیمات سلولی پس از لقاح رخ می­‌دهد.

بنابراین سلول‌های تخم حاوی بسیاری از رونوشت‌های mRNA مادری هستند که به­‌عنوان یک ذخیره آماده برای ترجمه پس از لقاح مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در سمت دیگر تعادل در سلول، تخریب قرار گرفته است که پروتئین‌هایی که غلظت و تعدادشان بیش از میزان مورد نیاز است و همچنین پروتئین‌های معیوب، مورد تخریب قرار می‌گیرند. با تخریب پروتئین، سلول­‌ها می­‌توانند به‌­سرعت سطح پروتئین خود را از طریق تجزیه آنزیمی رونوشت­‌های RNA و مولکول­‌های پروتئین موجود تنظیم کنند.

هر دوی این اقدامات منجر به کاهش مقادیر پروتئین‌­های خاص می‌­شوند. اغلب، این تخریب با رویدادهای خاصی در سلول مرتبط است. چرخه سلولی یوکاریوتی مثال خوبی از چگونگی ارتباط تجزیه پروتئین با رویدادهای سلولی است.

تکنولوژی کریسپر و درمان بیماری هانتینگتون

کنترل تعادل سلول در چرخه سلولی

این چرخه به چند فاز تقسیم می‌شود که هر کدام با پروتئین‌های سیکلین متمایز مشخص می‌شوند که به‌­عنوان تنظیم‌کننده‌های کلیدی برای آن فاز عمل می‌کنند. قبل از اینکه یک سلول بتواند از یک مرحله از چرخه سلولی به مرحله بعدی پیشرفت کند، باید سیکلین را که مشخصه آن مرحله خاص از چرخه است، تجزیه کند. عدم تجزیه سیکلین، باعث توقف ادامه چرخه می­‌شود.

شکل 1: مروری بر روند انتقال اطلاعات از DNA به پروتئین در یوکاریوت

ابتدا، هر دو ناحیه کدکننده و غیرکدکننده DNA به mRNA رونویسی می‌شوند. برخی از مناطق (اینترون) در طول پردازش اولیه mRNA حذف می‌شوند.

اگزون‌های باقی‌مانده سپس به‌هم متصل می‌شوند و مولکول mRNA (قرمز) با افزودن یک endcap (کره) و یک دم polyA برای خروج از هسته آماده می‌شود. هنگامی که mRNA در سیتوپلاسم قرار گرفت، می توان از آن برای ساخت پروتئین استفاده کرد.

سلول­‌های مختلف چگونه ژن‌­های موردنیاز خود را بیان می­‌کنند؟

آیا همه ژن­‌ها، در همه سلول­‌ها، همیشه، بیان می­‌شوند؟

خیر! تنها بخشی از ژن‌­ها در یک سلول در هر زمان بیان می­‌شوند. پروفایل بیان ژنتیکی متنوع، تعیین‌کننده انواع سلول‌های موجود در بدن می‌باشند، زیرا سلول‌ها مجموعه‌های متمایزی برای تنطیم رونویسی در خود دارند.

برخی از این تنظیم‌­کننده‌­ها برای افزایش رونویسی کار می­‌کنند، در حالی که برخی دیگر از آن‌ها جهت جلوگیری یا سرکوب بیان ژن در سلول‌ها عمل می‌­کنند.

به‌­طور معمول، رونویسی زمانی آغاز می­‌شود که یک RNA پلیمراز به یک توالی به نام پروموتر که روی DNA قرار گرفته، متصل شود. این توالی تقریباً همیشه در بالادست نقطه شروع رونویسی (انتهای ‘5 DNA) قرار دارد، اگرچه می‌­تواند در پایین دست mRNA (انتهای ‘3) هم قرار گیرد.

ویروس پاپیلومای انسانی (HPV)

تنظیم بیان ژن در سطح مولکولی

در سال‌های اخیر، محققان کشف کرده‌اند که سایر توالی‌های DNA، که به‌­عنوان توالی‌های تقویت‌کننده (enhancer) شناخته می‌شوند، با ایجاد مکان‌های اتصال برای پروتئین‌های تنظیم‌کننده که بر فعالیت RNA پلیمراز تأثیر می‌گذارند، نقش مهمی در رونویسی بازی می‌کنند.

اتصال پروتئین‌های تنظیم‌کننده به یک توالی تقویت‌کننده باعث تغییر در ساختار کروماتین می‌شود که باعث تقویت یا مهار اتصال RNA پلیمراز و فاکتور رونویسی می‌شود. ساختار کروماتین بازتر و غیرفشرده‌تر نیز ارتباط مستقیم با افزایش فعالیت رونویسی دارد. در مقابل، ساختار کروماتین فشرده‌­تر با عدم فعالیت رونویسی همراه است.

برخی از پروتئین­‌های تنظیم­‌کننده، رونویسی ژن­‌های متعدد را تحت ­تأثیر قرار می‌­دهند. دلیل این امر این است که نسخه­‌های متعددی از محل­‌های اتصال پروتئین تنظیمی در ژنوم یک سلول وجود دارد.

در نتیجه، پروتئین‌های تنظیم‌کننده می‌توانند نقش‌های متفاوتی برای ژن‌های مختلف داشته باشند، و این مکانیزمی است که سلول‌ها می‌توانند تنظیم ژن‌های زیادی را به‌طور هم‌زمان هماهنگ کنند.

شکل 2: مدولاسیون رونویسی

یک پروتئین فعال‌کننده که به توالی enhancer بالادست متصل است می‌تواند پروتئین‌هایی را به ناحیه پروموتر جذب کند که باعث فعال شدن RNA پلیمراز (سبز) و در نتیجه فرایند رونویسی می‌شود. DNA می‌تواند روی خود حلقه بزند تا این برهم‌کنش بین پروتئین فعال‌کننده متصل به enhancer و سایر پروتئین‌هایی را که واسطه فعالیت RNA پلیمراز هستند، ایجاد کند.

چگونه بیان ژن در واکنش به تغییرات محیطی افزایش یا کاهش می‌­یابد؟

مثال اپران لک یا اپران لاکتوز را به خاطر بیاورید.

در پروکاریوت­‌ها، پروتئین‌­های تنظیم‌­کننده اغلب با در دسترس بودن مواد مغذی کنترل می­‌شوند. این به ارگانیسم‌­هایی مانند باکتری­‌ها اجازه می‌­دهد تا الگوهای رونویسی خود را به‌­سرعت در پاسخ به شرایط محیطی تنظیم کنند.

علاوه‌بر این، مکان‌های تنظیمی روی DNA پروکاریوتی معمولاً نزدیک به مکان‌های پروموتر رونویسی قرار دارند و نقش مهمی در بیان ژن ایفا می‌کنند.

شکل 3: سرکوب رونویسی در نزدیکی ناحیه پروموتر

مولکول‌ها می‌توانند با اتصال RNA پلیمراز تداخل داشته باشند. یک پروتئین سرکوبگر غیرفعال (آبی) می‌تواند توسط مولکول دیگری (دایره قرمز) فعال شود. این رپرسور فعال می‌تواند به ناحیه‌ای نزدیک به پروموتر به نام اپراتور (زرد) متصل شود و در نتیجه با اتصال RNA پلیمراز به پروموتر تداخل کند و به‌طور مؤثر از رونویسی جلوگیری کند.

برای مثال این که چگونه این کار را انجام می­‌دهند، یک باکتری با اسیدهای آمینه اضافی را تصور کنید که سیگنال «روشن» برخی از ژن‌ها و سیگنال «خاموش» برای برخی دیگر از ژن­‌ها باشد.

در این مثال خاص، سلول‌ها ممکن است ژن‌هایی را بیان کنند که پروتئین‌های متابولیزه‌کننده اسید آمینه مدنظرمان را کد کنند و ژن‌هایی که بیان‌کننده پروتئین‌های سنتز اسیدآمینه هستند را خاموش کنند.

عوامل خارجی دخیل در بیان ژن

برخی از این اسیدهای آمینه به پروتئین­‌های تنظیم‌­کننده مثبتی به نام فعال‌کننده (activator) متصل می­‌شوند. پروتئین‌های فعال‌کننده به مکان‌های تنظیم‌کننده روی DNA در نزدیکی نواحی پروموتر متصل می‌شوند که به­‌عنوان کلیدهای روشن/خاموش عمل می‌کنند.

این اتصال فعالیت RNA پلیمراز و رونویسی ژن‌­های مجاور را تسهیل می­‌دهد. با این حال، در همان زمان، اسیدهای آمینه دیگر به پروتئین‌­های تنظیم‌­کننده منفی به نام رپرسورها (repressors) متصل می­‌شوند که به نوبه خود به نواحی تنظیمی در DNA متصل می‌شوند که به‌­طور مؤثر اتصال RNA پلیمراز به پروموتر را مسدود می‌کنند.

کنترل پیچیده بیان ژن در یوکاریوت‌ها 

کنترل بیان ژن در یوکاریوت‌­ها پیچیده‌­تر از پروکاریوت‌­ها است.

به‌طور کلی، تعداد بیشتری از پروتئین‌های تنظیم‌کننده در یوکاریوت‌ها درگیر هستند و نواحی اتصال تنظیمی ممکن است کاملاً دور از مکان‌های پروموتور رونویسی قرار داشته باشند. همچنین، بیان ژن یوکاریوتی معمولاً با ترکیبی از چندین پروتئین تنظیمی که با هم عمل می‌­‎‌‌کنند تنظیم می­‌شود، که امکان انعطاف­‌پذیری بیشتری را در کنترل بیان ژن فراهم می‌­کند.

همانطور که قبلاً ذکر شد، توالی‌های enhancer، توالی‌هایی از DNA هستند که به آن‌ها یک پروتئین اکتیویتور متصل می‌شوند و می‌توانند هزاران جفت باز دور از یک پروموتر، چه در بالادست یا پایین دست یک ژن، قرار گیرند. تصور می‌شود که اتصال به پروتئین اکتیویتور باعث می‌شود که  در DNA حلقه شکل بگیرد و پروتئین اکتیویتور را در نزدیکی فیزیکی با RNA پلیمراز و سایر پروتئین‌های موجود در مجموعه که باعث شروع رونویسی می‌شوند، قرار دهد.

شکل 4: پیچیدگی تنظیم کننده‌های متعدد

تنظیم‌کننده‌های رونویسی هر کدام می‌توانند نقش متفاوتی داشته باشند.

ترکیبی از یک، دو یا سه تنظیم کننده (اشکال آبی، سبز و زرد) می‌تواند با تأثیر متفاوت بر یک کمپلکس واسطه (نارنجی)، که از پروتئین‌ها نیز تشکیل شده‌است، رونویسی را به روش‌های مختلف تحت‌تأثیر قرار دهد. در نتیجه این است که یک ژن می‌تواند به روش‌های متعددی رونویسی شود، بسته به ترکیب، وجود یا عدم وجود پروتئین‌های تنظیم‌کننده رونویسی‌های مختلف شکل می‌گیرد.

انواع مختلف سلول مجموعه‌­های مشخصه‌­ای از تنظیم‌­کننده‌­های رونویسی را بیان می­‌کنند. در واقع، با رشد موجودات چند سلولی، مجموعه‌های مختلف سلولی در این موجودات، ترکیبات خاصی از تنظیم‌کننده‌ها را روشن و خاموش می‌کنند.

سخن پایانی

سلول­‌ها برای زنده ماندن باید بتوانند به تغییرات محیط خود پاسخ دهند. تنظیم دو مرحله اصلی تولید پروتئین -رونویسی و ترجمه برای این سازگاری حیاتی است. سلول‌ها می­‌توانند کنترل کنند که کدام ژن رونویسی و کدام رونوشت، ترجمه شود.

علاوه‌­بر این، آنها می‌­توانند رونوشت‌ها و پروتئین­‌ها را به­‌صورت بیوشیمیایی پردازش کنند تا بر فعالیت آنها تأثیر بگذارند. تنظیم رونویسی و ترجمه هم در پروکاریوت‌­ها و هم در یوکاریوت­‌ها اتفاق می‌افتد، اما در یوکاریوت­‌ها بسیار پیچیده‌­تر است چراکه عوامل بسیار بیشتری در آن دخیل هستند.

گروه خونی و انواع آن در سرتاسر جهان

در نوشتن این محتوا، از این مقاله کمک گرفته شد. برای اطلاعات بیشتر می‌توانید به این سایت مراجعه کنید.