التحكم في التعبير الجيني

التحكم في التعبير الجيني

درست سابقًا أنه يُقال عن الجين ((معبر عنه)) عندما يُنسخ إلى mRNA، ثم تتم ترجمة mRNA لإنتاج البروتين. نسبة
ضئيلة فقط من الجينات الموجودة في نواة الخلية يتم التعبير عنها فعليًا في أي وقت. على سبيل المثال، لن يتم
التعبير عن جين إنتاج الميلانين مطلقًا في خلايا عضلة القلب.
ستتعرف في هذا الموضوع كيف يتم التحكم في التعبير الجيني في كائن حي بدائي النواة، بكتيريوم الإشريكية
القولونية Escherichia coli. ثم تتعرف على التحكم في التعبير الجيني في حقيقية النواة.

التحكم الجيني في بدائيات النواة
في البداية فهم العلماء لكيفية ((تشغيل On وإيقاف Off)) الجينات من الدراسات التي أجريت على البكتيريا. واحد من الجينات الأكثر دراسة هو الجين الذي يشفر لإنتاج إنزيم بيتا (β)- جلاكتوسيديز B-galactosidase (يعرف أيضًا باسم لاكتيز Lactase). تستخدم بعض البكتيريا هذا الإنزيم لتحليل اللاكتوز في بيئة البكتيريوم إلى جلوكوز وجلاكتوز، حيث يمكن امتصاصهما واستخدامهما كمصدر للطاقة في الخلية. الجين الذي يشفر لإنتاج إنزيم بيتا(β)- جالاكتوسيديز هو مثال على الجين التركيبي Structural gene. الجين التركيبي هو الذي يشفر لإنتاج بروتين تستخدمه الخلية. تشفر بعض الجينات التركيبية لبروتينات تصبح جزءًا من تركيب الخلية، ولكن العديد منها لها أدوار أخرى، مثل التشفير للإنزيمات. يتم التحكم في التعبير عن جين اللاكتيز من قبل جينات أخرى توجد بالقرب منه على .Regulatory genes

الجينات التركيبية والمناطق الأخرى من DNA المجاروة لها (المشغل Operator والمحفز Promoter) التي تعمل معًا؛ توجد بشكل عام في مجموعة تسمى أوبرون Lac ويسمّى الأوبرون المسؤول عن إنتاج إنزيم اللاكتيز في البكتيريا أوبرون .Operon
.Lacيظهر الشكل ٢-١٠ تركيب أوبرون .(Lactose اختصار لـ Lacحيث)Operon Lac يختلف عدد جزيئات إنزيم بيتا(β)-جلاكتوسيديز الموجودة في بكتيريوم الإشريكية القولونية Escherichia coli، مع اختلاف تركيز اللاكتوز في الوسط الذي تنمو فيه. وتتغير كمية الإنزيم عن طريق تشغيل أو إيقاف نسخ جين بيتا(β)-جلاكتوسيديز.

فيما يأتي تسلسل الأحداث عند عدم وجود لاكتوز في الوسط الذي تنمو فيه البكتيريوم.

• يشفر الجين المنظم لبروتين يسمّى المُثبط Repressor.
• يرتبط المُثبط بمنطقة المشغل، قريبًا من جين بيتا(B) – جلاكتوسيدیز.
• لأن المثبط مرتبط بمنطقة المشغل، فإن ذلك يمنع ارتباط RNA بوليميريز بمنطقة المحفز.

• نتيجة لذلك، لن تنسخ الجينات التركيبية الثلاثة.
  للبروتين المُثبط موقعا ارتباط، حيث يمكن أن يرتبط البروتين المُثبط مع DNA عند موقع، ومع اللاكتوز عند موقع
  آخر. ويتغير شكل البروتين المثبط عندما يرتبط اللاكتوز بموقعه، لذلك يغلق موقع ربط DNA.
  عندما يوجد اللاكتوز في الوسط الذي تنمو فيه البكتيريوم تحدث العمليات الآتية:
• تمتص البكتيريوم اللاكتوز.
• يرتبط اللاكتوز مع البروتين المُثبط، الأمر الذي يؤدي إلى تغيير شكله ومنعه من الارتباط مع DNA في موقع
  التشغیل.
• لم يعد النسخ مُثبطًا، الأمر الذي يؤدي إلى إنتاج mRNA من الجينات التركيبية الثلاثة.

تتيح هذه الآلية للبكتيريوم إنتاج بيتا(B) – جلاكتوسيديز والإنزيمين الآخرين (اللذان يُشفر لهما من الجينين lacY
و lacA) وبكميات متساوية فقط عندما يوجد اللاكتوز في الوسط المحيط. وهي بذلك تتجنب إهدار الطاقة والمواد.
إنزيم بيتا(B) – جلاكتوسيديز هو إنزيم قابل للتحفيز Inducible enzyme، أي أنه يتم
إنتاجه فقط عندما توجد مادته المتفاعلة. إذ يحُث وجود المادة المتفاعلة نسخ جين
الإنزيم. ويمنع ارتباط جزيء المستجيب (وهو في هذه الحالة اللاكتوز) بالمثبط من
ارتباط المثبط مع المشغل، ليتحرر بعد ذلك المثبط ثم يبدأ النسخ (الشكل ٢-١٠).
هناك إنزيمات أخرى يتم التحكم بإنتاجها بطريقة مختلفة قليلًا تسمّى الإنزيمات القابلة
للتثبيط Repressible enzymes حيث يساعد ارتباط جزيء المستجيب بالمثبط على
ارتباط المثبط مع المشغل، فيوقف النسخ.

عوامل النسخ في حقيقية النواة
لا تحتوي حقيقية النواة على أوبرونات مثل بدائية النواة، وبدلًا من ذلك، تتحكم عوامل النسخ Transcription factors في تعبير الجينات في حقيقية النواة.
عامل النسخ بروتين يرتبط مع DNA ويؤثر سواء بنسخ الجين أو عدم نسخه. وتعمل عوامل النسخ على التأكد من أنه تمّ التعبير عن الجينات في الخلية الصحيحة في الوقت الصحيح وبالمقدار الصحيح.
في الإنسان، على سبيل المثال، يعتقد أن %10 تقريبًا من الجينات تشفر لبروتينات تعمل كعوامل نسخ.
ترتبط بعض عوامل النسخ بمنطقة المحفّز أو بمناطق أخرى في DNA، للسماح بنسخ جين معيّن أو منع ذلك. وبالتالي
وجودها يزيد أو يقلل من معدل نسخ الجين.

يوجد العديد من الأنواع المختلفة من عوامل النسخ، لها تأثيرات مختلفة. وربما يكون العلماء قد اكتشفوا نسبة
صغيرة منها حتى الآن، ولا يزالون يبحثون للعثور على أنواع جديدة للمزيد من فهم كيفية عملها. يبيّن الشكل ٢-١١
آلية العمل المحتملة لنوعين من عوامل النسخ.

قد تساعد عوامل النسخ على تنظيم التعبير الجيني عن طريق تنشيط التسلسل الصحيح لجينات مختلفة (على
سبيل المثال عند التطور من زيجوت إلى جنين)، والاستجابة للمنبهات البيئية للتحكم في التعبير الجيني، والاستجابة
للهرمونات مثل التستوستيرون وتنظم نمو الخلايا وموتها.