تنظیم بیان ژن

باکتریها به منظور جلوگیری از هدر رفتن انرژی تنظیم بیان ژن را انجام می دهند. یکی از موارد تنظیم بیان ژن سنتز تریپتوفان است.

سنتز تریپتوفان توسط اپران repressor (سرکوب کننده) کنترل می شود.

 

توضیح شکل: در حالت عادی بر خلاف Repressor لک،  Repressor مسئول تنظیم اپران تریپتوفان، غیر فعال است؛  پس زمانی که تریپتوفان در محیط نیست repressor غیر فعال می باشد اما زمانی که در محیط حضور دارد نقش co repressor (مولکول همراهی کننده) را ایفا می کند. (نقش لاکتوز در اپران لک include بود یعنی repressor را از حالت فعال به حالت غیر فعال در می آورد اما تریپتوفان برعکس این را انجام می دهد و repressor را از حالت غیرفعال به صورت فعال درمی آورد تا جلوی نسخه برداری را بگیرد.)

* در مسیر تولید تریپتوفان ۵ آنزیم دخیل هستند.

زمانی که تریپتوفان در محیط نیست RNA پلیمراز می تواند از روی ژنهای ساختمانی نسخه برداری کند و یک mRNA پلی سیستولی را تولید کند و در نهایت پنج آنزیم دخیل در مسیر آنابولیسم تریپتوفان ساخته شده و تریپتوفان تولید می شود. اما اگر تریپتوفان در محیط وجود نداشته باشد هیچ نیازی به ساخته شدن آنزیمها نیست. به این ترتیب که تریپتوفان به repressor متصل شده باعث تغییر شکل فضایی repressor می شود. repressor به شکل فعال درآمده و قابلیت اتصال به اپراتور را پیدا می کند. در نتیجه RNA پلیمراز نمی تواند از روی ژن ساختمانی رونویسی کند و تولید آنزیمهای سنتز تریپتوفان متوقف می شود و انرژی سلول ذخیره می گردد.

* از روی ژن تنظیمی اپران تریپتوفان نسخه برداری می شود و  تولیدشدن آن در حالت عادی غیرفعال است.

اپران تریپتوفان از ژنهای ساختمانی، اپراتور و پروموتر و ژن تنظیمی تشکیل شده است. به طور کلی ژنهای ساختمانی مسئول یک مسیر متابولیسمی هستند که این مسیر می تواندکاتابولیک یا آنابولیک باشد که در مورد تریپتوفان این مسیر آنابولیک است یعنی سنتز صورت می گیرد. (در اپران لک مسیر کاتابولیک یا تجزیه ای بود.)

 

مقایسه اپران های inducible و repressible :

اپران های inducible در مسیر تجزیه ای فعالیت دارند. (مانند اپران لک که در مسیر تجزیه لاکتوز به گلوکز و گالاکتوز بود.) و شرایطی که آن را تنظیم می کند وجود substrate (ماده ای که آنزیم بر آن اثر می گذارد.) مسیر متابولیک است. اپرانهای repressible در تنظیم مسیر ساخته شدن فعالیت دارند (مثل اپران تریپتوفان )و شرایطی که آن را تنظیم می کند حضور محصول آن واکنش است.

تنظیم بیان ژن در یوکاریوتها :

به دلایل زیر، تنظیم بیان ژن در یوکاریوتها نسبت به پروکاریوتها بسیار پیچیده تر است:

• در یوکاریوتها محل ترجمه و رونویسی متفاوت است (coupled) در حالی که در پروکاریوتها در یک محل انجام شده و می توانند همزمان اتفاقد بیافتند (uncoupled)
• در پروکاریوتها ژنها به صورت کلاستر یا خوشه ای در کنار هم قرار می گیرند و توسط یک ناحیه تنظیمی، تنظیم می شوند. ولی در یوکاریوتها ژنها به صورت پراکنده در ژنوم قرار دارند و هر ژن ناحیه تنظیمی مخصوص به خود را دارد.
• حضور اگزونها و اینترونها در یوکاریوتها
• ژنوم پروکاریوتها نسبت به یوکاریوتها بسیار کوچکتر است. (بررسی ژنوم باکتری و ژنوم هاپلوئید یک یوکاریوت نشان می دهد که ژنوم یوکاریوتها  تا  و ژنوم پروکاریوتها در حدود  تا  جفت باز است.
• پروکاریوتها تک سلولی هستند و یوکاریوتها اغلب پرسلولی اند و دارای تمایز و رشد می باشند و همچنین سلولهای متنوع با فعالیتهای متنوع دارند که باعث می شود که هر سلول متناسب با فعالیتش ژنهای خاصی را بیان کند. (مثلا سلولهای کبدی بیشتر ژن مربوط به پروتئین آلبومین را بیان می کنند(۵/۳%) و سلولهای لوزالمعده ژن مربوط به ترکیب کربوکسیداز (۶/۷%)

* نکته: مهمترین علت پیچیده شدن تنظیم بیان ژن در یوکاریوتها تنوع سلولی آنهاست.

در سالهای ۱۹۶۰-۱۹۵۰ آزمایشهایی که روی گیاهان و دوزیستان انجام شد نشان داد که هر سلول تمام محتوای ژنتیکی را دارد. به طور مثال سلولی را از ریشه هویج جدا کردند و بعد در محیط آزمایشگاه کشت دادند و اجازه دادند که تکثیر شود. در نهایت مشاهده کردند که همه قسمتهای هویج از همان سلول ریشه ایجاد شده است. در مورد پستانداران هم برای اولین بار گوسفند دالی را در سال ۱۹۶۶ کلون کردند. به این صورت که یک سلول سوماتیک از پستان گوسفند را با یک تخمک از گوسفند دیگر که هسته آن را خارج کرده بودند ادغام کردند و بعد در محیط آزمایشگاه به مرحله ۱۶سلولی(بلاستوسیت) رساندند؛ و بلاستوسیت تولید شده را در رحم یک مادر جایگزین قرار دادند. خصوصیات دالی مشابه با گوسفتدی بود که از پستان آن سلول گرفته بودند.

* ۲۵تا۳۰ هزار ژن بیشتر در انسان رونویسی نمی شود و بقیه  DNAبخش تنظیمی است. به طور متوسط در هر سلول ۵۰۰۰ پلی پپتید مختلف کد می­شود که اغلب این پروتئین­ها برای فعالیت­های حیاتی سلول مورداستفاده قرار­می­گیرند اما یک ­سری از پروتئین­ها برای فعالیت­های تکاملی-تمایزی و در تغییر شرایط محیطی مورد استفاده قرار می­گیرند. *در پروکاریوت­ها تنظیم بیان ژن بیشتر در سطح نسخه­برداری انجام­می­شود.

در یوکاریوت ها تنظیم بیان ‍‍‍‍‍‍ در چهار سطح انجام می­گیرد:

• مهم­ترین سطح در هنگام نسخه­برداری است. (به دلیل ذخیره انرژی)
• در سطح processing mRNA یا پردازش mRNA است.
• در سطح translational (ترجمه) است.
• در سطح post translational (پس از ترجمه) است.

در تنظیم بیان ژن در سطح نسخه­برداری سلول مشخص می­کند که آیا ژنی نسخه­برداری بشود یا نه و اگر نسخه­برداری می­شود این کار با چه فرکانسی صورت می­گیرد. دو دسته عوامل هستند که در تنظیم در سطح نسخه برداری موثر هستند که شامل:

• Transcription factors (فاکتورهای نسخه­برداری): ماده­ای پروتئینی است.
• Regulatory regions (نواحی تنظیمی): DNA است.

تنظیم در سطح نسخه­برداری بر اثر برهم­کنش بین یکسری پروتئین­های تنظیمی و DNAاتفاق می­افتد. (مانند پروکاریوت­ها که در تنظیم بیان ژن با برهم­کنش بین repressor و اپران اتفاق می­افتد.)

Transcription factors:

• General (عمومی): برای همه ژن­ها لازم هستند.
• Specific (اختصاصی): برای همه ژن­های اختصاصی لازم هستند.

Regulatory regions:

• Promoter elements (عناصر پروموتور)
• Enhance & silence (افزایینده و سرکوب­کننده)

Transcription factor (TF) پروتئین­های تنظیمی هستند که کارشان عمدتا فعال­کردن یا گاهی مهارکردن نسخه­برداری از DNA از طریق اتصال به توالی­های خاصی از DNA است. تمایل این پروتئین­ها به قسمت­هایی از DNA که باید متصل شوند و اثر تنظیمی خود را اعمال کنند تقریبا ۱مییلون برابر بیشتر است.

TF general: به نواحی پروموتر مرکزی متصل می­شوند و هم­چنین به اتصال RNA پلیمراز װ به پروموتر مرکزی کمک می­کند. (اما DNA پلیمراز در پروکاریوت­ها نیاز به این فاکتورها ندارد و به­تنهایی می­تواند به پروموتر متصل شود.) برای تشکیل کمپلکس شروع به نسخه­برداری به این پروتئین­ها نیاز است.    (Tutu box ناحیه ای از پروموتر مرکزی است.)

Sequence-specific TFs:

• Activators: به توالی­های enhancer متصل می­شود و باعث افزایش رونویسی می­شوند.
• Repressors: به توالی­های silencer تصل می­شوند و باعث کاهش رونویسی می­شوند.

 

Transcription factorهای عمومی برای همه ژنها لازم اند و به نواحی پروموتور مرکزی متصل می شوند و RNA پلی مرازII بدون کمک آنها نمی تواند به پروموتور متصل گردد و کمپلکس شروع نسخه برداری را ایجاد می کند.

فاکتورهای نسخه برداری اختصاصی به ژنهای مختلف در سلول های مختلف و مسئول افزایش و کاهش نسخه برداری از ژن در پاسخ به سیگنال های رسیده به سلول دارد (این سیگنال ها می توانند به صورت هورمون هایی که در داخل بدن ترشح می شوند باشند یا فاز خاصی از تکامل یا تمایز سلول باشند)

نواحی تنظیمی ژنی به نام(          )را داشته باشیم که در واقع ژنی است که در متابولیسم گلوکز(مسیر تبدیل پیرووات به گلوکز) در داخل سلول نقش دارد.

Up stream: نواحی بالا دست؛ قسمت­های قبل از نواحی ژن در انتهای۵’ نقطه شروع…

Down stream: به نواحیای که که در پایین­تر از ژن یعنی در ۳’ ژن مورد نظر قرار دارند گویند. نواحی پروموتر (عناصر پروموتری) در بخش Up stream قراردارند یعنی همیشه قبل از شروع نسخه برداری در سمت ۵’ قراردارند. فاکتورهای نسخه برداری عمومی به آن­ها bind می شوند مانند RNAپلیمرازװ ، TBP که جزئی از TF₂D که این­ها فاکتورهای نسخه­برداری عمومی­اند. (general TF)

این ژن نواحی تنظیمی زیادی در بخش Up streamخود دارد؛ این­ها هرکدام مسئول پاسخ به یک­سری شرایطی ­اند که برای سلول به­وجود می­آید یعنی سلول را قادر می­سازند که به تحریکات محیطی خود (مانند هورمون­هایی که در محیط حضور دارند.) پاسخ دهند.

GRE یک ناحیه تنظیمی است. IE به معنای المنت، پاسخ حضور GIE در Up stream ژن باعث می­شود این زن به تغییرات بتواند پاسخ دهد…!!

TRE که به هورمون تیروئید می­تواند پاسخ دهد.

IRE  که به هورمون انسولین می­تواند پاسخ دهد.

به­خاطر حضور این نواحی تنظیمی که می­توانند به فاکتورهای نسخه­برداری اختصاصی که در Up stream ژن قرار دارند پاسخ دهد و نسخه­برداری را کم یا زیاد کنند.

پس فاکتورهای نسخه­برداری عمومی به پروموتر مرکزی متصل می­شوند و فاکتورهای نسخه­برداری اختصاصی که به نواحی ویژه روی ژن­های خاصی متصل شده و باعث می­شوند که نسخه­برداری ژن افزایش یا کاهش یابد.

ختم عمل­کرد فاکتورهای اختصاصی کار پیچیده ای است چون یک ژن ممکن است توسط نواحی تنظیمی بسیار متفاوت زیادی که به فاکتورهای نسخه­برداری متعددی متصل می­شوند تنظیم شوند. (مانند تصویر قبل که یک ژن توسط چندین فاکتور نسخه­برداری اختصاصی تنظیم شد که به نواحی تنظیمی مختلفی در Up stream آن متصل می­شدند.)

از طرفی ممکن است یک TF واحد چندین ژن مختلف را داخل سلول تنظیم کند که این هم ختم عمل­کرد را پیچیده می­کند.

مشخص شده که مجموعه transcription factor هایی که داخل سلول بیان می شوند مسئول تنظیم رفتار و ساختمان آن سلول خاص هستند(مثلا یک سلول کبدی یا یک سلول لوزالمعده در پروتئین های خود متفاوتند که علت آن تفاوت در مجموعه TF هایی است که در این دو سلول بیان می شود )

هر ژن نواحی خاصی برای اتصال عوامل نسخه برداری داردکه حضور و عدم حضور (بیان یا عدم بیان)فاکتور های نسخه برداری خاص باعث میشود که ما محصول آن ژن خاص را داشته باشیم یا نه…

خلاصه عملکرد فاکتورها:

الف)عمومی: این فاکتورها به پروموتور مرکزی متصل اند.
ب)اختصاصی: به این فاکتورها activator یا repressor گویند،که به enhancer یا silencer متصل میشوند.

نواحی تنظیمی شامل:

۱-پروموتورها
۲-silencer ها و Enhancer ها

پروموتورها:
این پروموتورها(عناصر پروموتوری) در ناحیه up stream یک ژن قرار دارند و شروع نسخه برداری را تنظیم می کنند و محل اتصال general TF هستند.
به general TF ها basical TF  هم گویند، چرا؟
چون نقش بنیادی و پایه ای دارند و از طرفی زمانی که حضور دارند express (بیان) می شوند ولی کم و زیاد آن به TFهای اختصاصی بستگی دارد پس حضورشان برای شروع لازم است در نتیجه basical  هستند .

یا افزاینده ها:Enhancers

این افزاینده ها  Tran را به بالای سطح پایه افزایش می دهند. همانطور که گفتیم GTF و RNA پلی مراز II برای Baical Transcription level را فراهم می کنند؛ اما اگر بخواهیم از این سطح  Baical Transcription levelفراتر برویم نیاز به فعالیت enhancers یا پروتئین های متصل شونده به enhancers یا activators داریم.

خصوصیات Enhancers :

• قابلیت جابه جایی در عین حفظ فعالیت خود برخلاف پروموترها که بسیار حساس اند (زیرا جایگاه قرار گرفتن توالی های پروموتوری نسبت به نقطه شروع خیلی مهم است و اژر این توالی پروموتوری اندکی جابه جا شود و فاصله اش با نقطه شروع کم و زیاد شود، عملکرد اصلی خود را از دست می دهد و نمی تواند شروع نسخه برداری را هدایت کند ولی در مورد enhancers اگر جابه جا شوند یا حتی توالی آنها در داخل DNA معکوس شود، باز هم عملکرد خود را حفظ می کنند).
• حذف enhancer می تواند میزان نسخه برداری از یک ژن را تا۱۰۰ برابر کاهش دهد.
• Enhancers می توانند هزارbp از محل شروع نسخه برداری فاصله داشته باشند در صورتی که توالی های پروموتوری خیلی به نقطه شروع نسخه برداری نزدیک اند.
• Enhancers می توانند اثر خود را down stream و گاهی هم در داخل خود ژن وجود داشته باشند.

* سؤال:Enhancers  با وجود فاصله زیادی(   (bp1000که از نقطه شروع رونویسی دارند چگونه می توانند اثر خود را اعمال کنند؟

از طریق ایجاد activator-loops به Enhancers متصل شده و پروتئین هایی که به آنها coactivator گویند باعث میشود که activators یک کمپلکس ایجاد میکند که در مورد Enhancers سبب افزایش  نسخه برداری ودر مورد silencers به کمک respressorsو  corepressorsسبب کاهش فرایند نسخه برداری میشود.

این  شکل تصویر واقعی اثبات تشکیل loopبوسیله ساختار Enhancersرا نشان میدهد.

توضیح شکل:

یک توالی Enhancers در شکل مشاهده میشود که یک پروتئین bind شونده به نام Enhancersکه به آنactivator میگویند.

 

(در اینجا E2 )متصل شده و ۱۸۲۰ bp با ناحیه پروموتوری ژن مورد نظر فاصله دارد و پروتئین دیگری به نام Activator به آن متصل شده است.

این تصویر نشان میدهد که با ایجاد  loop  این دو پروتیین  میتوانند کنار هم قرار گرفته وبا هم   intraction   داشته باشند.

به این ساختارinhansozom  گویند.

ساختار سه بعدی پروتیین زمانی که متصل به activator   میشود سبب میشود DNA    پیچ خورده و تشکیل لوپ بدهد نه عوامل شیمیایی که در محیط حضور دارند.