تنظيم وتنظيم الجينات في بدائيات النوى

تنظيم وتنظيم الجينات في بدائيات النوى!

إن الجينات المختلفة في الكائن الحي تهدف إلى تخليق بروتينات مختلفة مطلوبة في أوقات مختلفة.

هناك حاجة إلى إنزيمات محددة في أوقات مختلفة في دورة حياة الكائن الحي. ومع ذلك ، في كل الأوقات في دورة الحياة ، تحتوي كل خلية على نفس المجموعة من الجينات. ولذلك من الضروري وجود آليات تسمح للجينات المرغوبة فقط بالعمل في وقت معين وتقييد نشاط الجينات الأخرى. تعرف الآن مجموعة متنوعة من الآليات التي تنظم التعبير الجيني في مستويات مختلفة بما في ذلك النسخ ، وتجهيز mRNA والترجمة.

تنظيم الجينات في بدائيات النوى:

يتم التحكم في معدل التعبير من الجينات البكتيرية بشكل رئيسي على مستوى تخليق مرنا (النسخ). يمكن أن يحدث تنظيم في كل من بدء وإنهاء النسخ مرنا.

تنظيم lac operon في E. coli:

اقترح <جاكوب> و <مونود> ، وهما اثنان من علماء الأحياء المجهرية الفرنسية ، على أساس بحثهما في E.coli ، النموذج الأول لتنظيم الجينات المسمى نموذج الأوبرون في عام 1961. وفي هذه البكتيريا ، هناك ثلاثة إنزيمات تتسبب في انهيار اللاكتوز السكري. غالاكتوسيداز ، بيرمايز و transacetylase.

عندما تزرع خلايا E. coli على مصدر كربون آخر غير اللاكتوز فإن المستويات البينخلوية لهذه البروتينات الثلاثة تكون منخفضة للغاية - ربما 1/1000 من المستويات التي تصل إليها عند وجود اللاكتوز. ولذلك يقال إن اللاكتوز هو محفز لهذه البروتينات. أثبتت الدراسات المبكرة أن عملية الحث تتضمن تركيب دي نوفو من جالاكتوزيداز and-غال وليس تنشيط بعض الإنزيمات الموجودة من قبل.

وضع جاكوب ومونود نموذج اوبيرون لشرح مثل هذا التنظيم لجين اللاكتوز.

هناك ثلاث جينات بنيوية في lac operon تشمل ما يلي:

(1) الجينات lac z (3063 bp) من رموز الإنزيم P galactosidase ، التي تنشط كمتكرر tetramer وتكسر اللاكتوز إلى جلوكوز وجالاكتوز لاستخدامها في الخلية ؛

(ii) الجينات lac y (800 bp) رموز لـ perm الجلاكتوز permease ، وهو عبارة عن بروتين محدد الغشاء ويساعد في نقل المستقلبات و

(iii) gene lac a (800 bp) الذي يرمز إلى عابر الجلاكتوز transacetylase ، وهو إنزيم ينقل مجموعة الأسيتيل من acetyl-CoA إلى P galactosides.

بالتسلسل مع هذه الجينات والمجاورة لها ، هناك جين المشغل الذي لا يرمز للبروتين ولكنه يسيطر على الجينات البنيوية الثلاثة مما يسمح بنسخ mRNA للإنزيمات الثلاثة. وهذا ما يسمى جين العامل "o".

يقع جين المروج عند المنبع فقط من المشغل ويوفر موقع ربط ل بوليميراز الحمض النووي الريبي الذي ينفذ النسخ. جينة المشغل تحت سيطرة جزء آخر من الحمض النووي يسمى الجين المنظم الذي يقع بعيدا عن المشغل والجينات الإنشائية.

يبدو أن الجهة التنظيمية تحدد بروتيناً يسمى ضاغطاً يرتبط بجين المشغل ، ويجعله غير نشط. هذا يمنع الإنزيمات المرتبطة بالمحفز من التقدم إلى الجينات الإنشائية وبالتالي لا يمكن أن يحدث النسخ. يدعى المشغل والمروِّج والجينات الإنشائية معاً بـ operon.

من حين لآخر ، قد تترابط المواد الموجودة في السيتوبلازم والتي تسمى مواد محفزة مع جزيئات المانع. في نظام يعقوب و مونود وجد أن اللاكتوز يتفاعل بهذه الطريقة مع المانع ، وربطها بالسماح لجين المشغل "بتشغيل" الجينات الهيكلية التي تنتج بعد ذلك الرنا المرسال الذي يحدد توليف الإنزيمات التي تحفز انهيار اللاكتوز.

عندما يتم استقلاب اللاكتوز ، يتم تحرير جزيئات الضاغط ، والتي ترتبط بالمشغل ويتوقف نسخ الجينات الهيكلية ، أي يتم إيقاف تشغيلها. وهكذا يعمل جين المشغل كآلية تبديل لمجموعة الجينات الهيكلية بأكملها المرتبطة بها.

الكابتور:

الكباريات التي تنتجها الجينات التنظيمية هي بروتينات ترتبط بجينات المشغل ذات الصلة ولها أربع وحدات فرعية متطابقة تنضم لتشكل أخدودين متماثلين. على ما يبدو ، ينتمي المكبسون إلى مجموعة من البروتينات المتخلفة التي تغير شكلها على التفاعل مع جزيئات محددة.

بما أن المكبّر يرتبط عكسياً بحمض الحمض النووي (LC) والحامض اللايكولوز (allolactose) ، يبدو أنه يحتوي على موقعين ارتباطين مختلفين. في حالة عدم وجود محفز ، يكون موقع ارتباط DNA نشطًا ويرتبط المكبس بحمض الدنا Lac.

ولكن عندما يترابط اللولاكتوز مع جزيء المانع يتم تغيير موقع ربط الحمض النووي إلى حالة غير نشطة ، ولا يمكن للقمع بعد الآن الارتباط بحمض الدنا. ويمنع ربط المكبِّس بحامض الدنا DNA النسخ الجيني لجزيئات اللبن ، في حين أن إطلاقه من حمض الدنا Lac (بعد تفاعله مع المحرض) يسمح بنسخها.

المنبهات أو المحرضات:

ينظم المحرض أو الشبح المشترك جزيئات صغيرة تسمى أيضا المستجيبات. المستجيب الظاهر هو المركب الذي يبدو وكأنه عامل فاعل عندما يكون في تركيز كاف.

في كثير من الحالات ، يمكن تغيير المستجيب الظاهر بواسطة الخلية إلى مركب آخر يعمل كمرسل ؛ يعرف هذا المستجيب باسم المستجيب الفعلي. على سبيل المثال ، اللاكتوز هو المستجيب الظاهر لأورام lac operon في E. coli ، لكن المستجيب الفعلي هو allolactose.

سيطرة سلبية:

في التحكم السلبي ، يمنع ارتباط بروتين معين (موانع) مع الحمض النووي للمشغل عملية النسخ للأوبرون. ويعتقد أن النسخ منع بسبب تغيير في تكوين الحمض النووي للمشغل بحيث لا يستطيع بوليميريز RNA أداء وظيفته.

ولما كان تنظيم عمل الجينات في مثل هذا النظام يتحقق من خلال منع النسخ بواسطة مهاجم فهو معروف بالتحكم السلبي. يتم تجميع نظام التحكم السلبي إلى فئتين ، (i) محفز و (ii) قابل للضغط.

التحكم السلبي المحفز:

في هذا النظام ، يبدأ إنتاج الإنزيم فقط في وجود محفز (المستجيب) ، وعموما الركيزة من المسار الأيضي المعني. في حالة عدم وجود محفز ، يتم حظر إنتاج الإنزيم ، أي يتم كبت الجينات الخاصة بالأوبريو. إن lac operon من E. coli هو عبارة عن عمل محفز ، والعديد من الأوبونات الأخرى المعنية بالحث على استخدام الحث على الركيزة.

التحكم السلبي القابل للضغط:

في هذا النظام ، يعمل الأوبرون بشكل طبيعي ، أي مكتئب ، والإنزيمات المعنية والتي تنتجها الخلية. إن وجود مانع للقمع (المستجيب) بشكل عام هو المنتج النهائي لمسار التخليق الحيوي المعني يوقف إنتاج الإنزيم ، أي يقمع الأبرون.

تظهر الأوتار المعنية بمسارات التخليق الحيوي مثل توليف الهيستدين والتريبتوفان والعديد من الأحماض الأمينية الأخرى ، إلخ ، التحكم السلبي القابل للضغط. ينتج الجين المنظم في هذا النظام أداة قمع غير نشطة لا تستطيع الارتباط بجين المشغل.

يصبح الضاغط غير النشط ، المعروف أيضًا باسم aporepresser ، أداة قمع نشطة فقط عندما يرتبط بجزيء المستجيب. يعلق المفاعل الفعال جين المشغل ويمنع النسخ من الأوبرون.

مراقبة إيجابية:

في التحكم الإيجابي في النسخ ، فإن الارتباط ببروتين معين ، يُطلق عليه اسم المنشط إلى جزء من الحمض النووي في جين المروج أو إلى بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase) ، يسمح بنسخ الأبرون. ويعتقد أن التأثير الترويجي للمنشط يرجع إلى تأثيره على تكوين الحمض النووي في منطقة البادئ النسخ ، الذي يصبح بعد ذلك أكثر ملاءمة لعمل بوليميراز الحمض النووي الريبي. كما أن التحكم الإيجابي هو إما محفز أو قابل للضغط.

التحكم الإيجابي المحفز:

في هذا النظام ، يكون المنشط في حالة غير نشط وغير قادر على إرفاق الحمض النووي المروج. لا يرتبط المنشط بالمحرض إلا بعد تفاعله مع محفز محدد ينتج عنه نشاط نشط. إن الأوبرات الحسّاسة في الأي كولاي ، مثل الإنزيمات المنتجة للأوبرا لتدهور الأرابينوز (آرا) والجالاكتوز (غال) تعطي أمثلة على مثل هذه السيطرة.

التحكم الإيجابي القابل للضغط:

في هذا النظام ، يرتبط المنشط بجين المروج الذي يسمح بنسخ الأبرون. يؤدي التفاعل مع المُستجيب ، وهو جهاز ضغط أساسي ، إلى تغيير تكوين المنشط بحيث لا يستطيع الارتباط بالمُروج الذي يتسبب في قمع الأوبرون.