معلومة

16.3: تنظيم الجينات الوراثية الوراثية حقيقية النواة - علم الأحياء


مهارات التطوير

  • اشرح عملية التنظيم اللاجيني
  • صف كيف يتم التحكم في الوصول إلى الحمض النووي عن طريق تعديل هيستون

يعد التعبير الجيني حقيقي النواة أكثر تعقيدًا من التعبير الجيني بدائية النواة لأن عمليات النسخ والترجمة منفصلة ماديًا. على عكس الخلايا بدائية النواة ، يمكن للخلايا حقيقية النواة أن تنظم التعبير الجيني على العديد من المستويات المختلفة. يبدأ التعبير الجيني حقيقي النواة بالتحكم في الوصول إلى الحمض النووي. يحدث هذا الشكل من التنظيم ، المسمى بالتنظيم اللاجيني ، حتى قبل بدء النسخ.

التحكم اللاجيني: تنظيم الوصول إلى الجينات داخل الكروموسوم

يشفر الجينوم البشري أكثر من 20000 جين ؛ كل زوج من 23 زوجًا من الكروموسومات البشرية يشفر آلاف الجينات. يتم جرح الحمض النووي في النواة بدقة ولفه وضغطه في الكروموسومات بحيث يتلاءم مع النواة. يتم تنظيمها أيضًا بحيث يمكن الوصول إلى مقاطع محددة حسب الحاجة بواسطة نوع خلية معين.

المستوى الأول من التنظيم ، أو التعبئة ، هو لف خيوط الحمض النووي حول بروتينات هيستون. تجمع الهستونات الحمض النووي وترتيبها في وحدات هيكلية تسمى المجمعات النووية ، والتي يمكنها التحكم في وصول البروتينات إلى مناطق الحمض النووي (الشكل ( PageIndex {1} ) أ). تحت المجهر الإلكتروني ، فإن هذا الالتفاف للحمض النووي حول بروتينات هيستون لتشكيل الجسيمات النووية يشبه حبات صغيرة على سلسلة (الشكل ( PageIndex {1} ) ب). يمكن لهذه الحبيبات (بروتينات هيستون) أن تتحرك على طول السلسلة (DNA) وتغير بنية الجزيء.

إذا كان من المقرر نسخ جين معين من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي ، فإن النيوكليوسومات المحيطة بتلك المنطقة من الحمض النووي يمكن أن تنزلق أسفل الحمض النووي لفتح تلك المنطقة الصبغية المحددة والسماح لآلية النسخ (بوليميريز الحمض النووي الريبي) لبدء النسخ (الشكل ( فهرس الصفحة) {2} )). يمكن للنيوكليوسومات أن تتحرك لفتح بنية الكروموسوم لفضح جزء من الحمض النووي ، ولكن تفعل ذلك بطريقة محكمة للغاية.

اتصال فني

في الإناث ، يتم تعطيل أحد الكروموسومين X أثناء التطور الجنيني بسبب التغيرات اللاجينية في الكروماتين. ما هو التأثير الذي تعتقد أن هذه التغييرات سيكون له على التعبئة nucleosome؟

تعتمد كيفية تحرك بروتينات الهيستون على الإشارات الموجودة في كل من بروتينات الهيستون وعلى الحمض النووي. هذه الإشارات هي علامات تُضاف إلى بروتينات الهيستون والحمض النووي التي تخبر الهيستونات ما إذا كانت المنطقة الكروموسومية يجب أن تكون مفتوحة أو مغلقة (الشكل ( PageIndex {3} )) يصور التعديلات على بروتينات الهيستون والحمض النووي). هذه العلامات ليست دائمة ، ولكن يمكن إضافتها أو إزالتها حسب الحاجة. وهي عبارة عن تعديلات كيميائية (مجموعات فوسفات أو ميثيل أو أسيتيل) مرتبطة بأحماض أمينية معينة في البروتين أو بالنيوكليوتيدات الموجودة في الحمض النووي. لا تغير العلامات تسلسل قاعدة الحمض النووي ، لكنها تغير مدى إحكام جرح الحمض النووي حول بروتينات هيستون. الحمض النووي جزيء سالب الشحنة ؛ لذلك ، فإن التغييرات في شحنة الهيستون ستغير مدى إحكام جرح جزيء الحمض النووي. عند عدم تعديلها ، يكون لبروتينات الهيستون شحنة موجبة كبيرة ؛ بإضافة تعديلات كيميائية مثل مجموعات الأسيتيل ، تصبح الشحنة أقل إيجابية.

يمكن أيضًا تعديل جزيء الحمض النووي نفسه. يحدث هذا في مناطق محددة جدًا تسمى جزر CpG. هذه تمتد مع تواتر عالٍ من أزواج الحمض النووي السيتوزين والغوانين ثنائي النوكليوتيد (CG) الموجودة في مناطق المروج للجينات. عند وجود هذا التكوين ، يمكن ميثلة عضو السيتوزين في الزوج (تتم إضافة مجموعة ميثيل). يغير هذا التعديل كيفية تفاعل الحمض النووي مع البروتينات ، بما في ذلك بروتينات الهيستون التي تتحكم في الوصول إلى المنطقة. يتم لف مناطق الحمض النووي عالية الميثيل (شديدة الميثيل) ذات الهيستونات المنزوعة الأسيتيل بإحكام وغير نشطة نسبيًا.

يسمى هذا النوع من التنظيم الجيني بالتنظيم اللاجيني. الوراثة اللاجينية تعني "حول علم الوراثة". التغييرات التي تحدث لبروتينات الهيستون والحمض النووي لا تغير تسلسل النوكليوتيدات وليست دائمة. بدلاً من ذلك ، تكون هذه التغييرات مؤقتة (على الرغم من أنها غالبًا ما تستمر من خلال جولات متعددة من الانقسام الخلوي) وتغير بنية الكروموسومات (مفتوحة أو مغلقة) حسب الحاجة. يمكن تشغيل الجين أو إيقاف تشغيله اعتمادًا على الموقع والتعديلات على بروتينات الهيستون والحمض النووي. إذا تم نسخ الجين ، يتم تعديل بروتينات الهيستون والحمض النووي المحيط بالمنطقة الصبغية التي تشفر ذلك الجين. يؤدي هذا إلى فتح منطقة الكروموسومات للسماح بوصول بوليميراز الحمض النووي الريبي والبروتينات الأخرى ، التي تسمى عوامل النسخ ، للارتباط بمنطقة المروج ، الموجودة في الجزء العلوي من الجين ، وبدء النسخ. إذا كان الجين سيظل مغلقًا أو صامتًا ، فإن بروتينات الهيستون والحمض النووي لها تعديلات مختلفة تشير إلى تكوين كروموسومي مغلق. في هذا التكوين المغلق ، لا تتمتع عوامل النسخ والبوليميراز RNA بإمكانية الوصول إلى الحمض النووي ولا يمكن حدوث النسخ (الشكل ( PageIndex {3} )).

ارتباط بالتعلم

شاهد هذا الفيديو الذي يصف كيف يتحكم التنظيم اللاجيني في التعبير الجيني.

ملخص

في الخلايا حقيقية النواة ، تحدث المرحلة الأولى من التحكم في التعبير الجيني على المستوى اللاجيني. تتحكم الآليات اللاجينية في الوصول إلى منطقة الكروموسومات للسماح بتشغيل الجينات أو إيقاف تشغيلها. تتحكم هذه الآليات في كيفية تكدس الحمض النووي في النواة من خلال تنظيم مدى إحكام الالتفاف حول بروتينات الهيستون. إضافة أو إزالة التعديلات الكيميائية (أو الأعلام) لبروتينات الهيستون أو إشارات الحمض النووي للخلية لفتح أو إغلاق منطقة صبغية. لذلك ، يمكن للخلايا حقيقية النواة التحكم في ما إذا كان يتم التعبير عن الجين عن طريق التحكم في إمكانية الوصول إلى عوامل النسخ وربط بوليميريز الحمض النووي الريبي لبدء النسخ.

اتصالات فنية

[رابط] في الإناث ، يتم تعطيل أحد الكروموسومين X أثناء التطور الجنيني بسبب التغيرات اللاجينية في الكروماتين. ما هو التأثير الذي تعتقد أن هذه التغييرات سيكون له على التعبئة النووية؟

[رابط] سوف تتراكم النيوكليوسومات معًا بشكل أكثر إحكامًا.

راجع الأسئلة

ما هي التعديلات الجينية؟

  1. إضافة تغييرات عكسية لبروتينات هيستون والحمض النووي
  2. إزالة النيوكليوسومات من الحمض النووي
  3. إضافة المزيد من النيوكليوسومات إلى الحمض النووي
  4. طفرة في تسلسل الحمض النووي

أ

أي مما يلي ينطبق على التغيرات اللاجينية؟

  1. السماح بنسخ الحمض النووي
  2. تحريك الهستونات لفتح أو إغلاق منطقة صبغية
  3. مؤقتة
  4. كل ما ورداعلاه

د

إستجابة مجانية

في الخلايا السرطانية ، يؤدي التغيير في التعديلات اللاجينية إلى إيقاف تشغيل الجينات التي يتم التعبير عنها بشكل طبيعي. افتراضيًا ، كيف يمكنك عكس هذه العملية لإعادة تشغيل هذه الجينات؟

يمكنك إنشاء الأدوية التي تعكس العمليات اللاجينية (لإضافة علامات أستلة هيستون أو لإزالة مثيلة الحمض النووي) وإنشاء تكوين كروموسومي مفتوح.

قائمة المصطلحات

عنصر الاستنساخ
البروتين الذي يرتبط بالحمض النووي في منطقة المحفز أو المحسن والذي يؤثر على نسخ الجين

تنظيم الجينات الوراثية حقيقية النواة

يعد التعبير الجيني حقيقي النواة أكثر تعقيدًا من التعبير الجيني بدائية النواة لأن عمليات النسخ والترجمة منفصلة ماديًا. على عكس الخلايا بدائية النواة ، يمكن للخلايا حقيقية النواة أن تنظم التعبير الجيني على العديد من المستويات المختلفة. يبدأ التعبير الجيني حقيقي النواة بالتحكم في الوصول إلى الحمض النووي. يحدث هذا الشكل من التنظيم ، المسمى بالتنظيم اللاجيني ، حتى قبل بدء النسخ.

التحكم اللاجيني: تنظيم الوصول إلى الجينات داخل الكروموسوم

يقوم الجينوم البشري بترميز أكثر من 20000 جين لكل زوج من 23 زوجًا من الكروموسومات البشرية يشفر آلاف الجينات. يتم جرح الحمض النووي في النواة بدقة ولفه وضغطه في الكروموسومات بحيث يتلاءم مع النواة. يتم تنظيمها أيضًا بحيث يمكن الوصول إلى مقاطع محددة حسب الحاجة بواسطة نوع خلية معين.

المستوى الأول من التنظيم ، أو التعبئة ، هو لف خيوط الحمض النووي حول بروتينات هيستون. تحزم الهيستونات الحمض النووي وترتبها في وحدات هيكلية تسمى المجمعات النووية ، والتي يمكنها التحكم في وصول البروتينات إلى مناطق الحمض النووي ([رابط]أ). تحت المجهر الإلكتروني ، فإن هذا الالتفاف للحمض النووي حول بروتينات الهيستون لتشكيل الجسيمات النووية يشبه حبات صغيرة على سلسلة ([رابط]ب). يمكن لهذه الحبيبات (بروتينات هيستون) أن تتحرك على طول السلسلة (DNA) وتغير بنية الجزيء.

إذا كان من المقرر نسخ جين معين من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي ، فإن النيوكليوسومات المحيطة بتلك المنطقة من الحمض النووي يمكن أن تنزلق أسفل الحمض النووي لفتح تلك المنطقة الصبغية المحددة والسماح لآلية النسخ (RNA polymerase) ببدء النسخ ([رابط]). يمكن أن تتحرك النيوكليوسومات لفتح بنية الكروموسوم لفضح جزء من الحمض النووي ، ولكن تفعل ذلك بطريقة محكمة للغاية.

في الإناث ، يتم تعطيل أحد الكروموسومين X أثناء التطور الجنيني بسبب التغيرات اللاجينية في الكروماتين. ما هو التأثير الذي تعتقد أن هذه التغييرات سيكون له على التعبئة النووية؟

تعتمد كيفية تحرك بروتينات الهيستون على الإشارات الموجودة في كل من بروتينات الهيستون وعلى الحمض النووي. هذه الإشارات هي علامات تضاف إلى بروتينات الهيستون والحمض النووي التي تخبر الهيستونات ما إذا كانت المنطقة الكروموسومية يجب أن تكون مفتوحة أو مغلقة ([رابط] يصور التعديلات على بروتينات الهيستون والحمض النووي). هذه العلامات ليست دائمة ، ولكن يمكن إضافتها أو إزالتها حسب الحاجة. وهي عبارة عن تعديلات كيميائية (مجموعات فوسفات أو ميثيل أو أسيتيل) مرتبطة بأحماض أمينية معينة في البروتين أو بالنيوكليوتيدات الموجودة في الحمض النووي. لا تغير العلامات تسلسل قاعدة الحمض النووي ، لكنها تغير مدى إحكام جرح الحمض النووي حول بروتينات هيستون. الحمض النووي عبارة عن جزيء سالب الشحنة ، وبالتالي فإن التغييرات في شحنة الهيستون ستغير مدى إحكام جرح جزيء الحمض النووي. عندما تكون بروتينات الهيستون غير معدلة ، يكون لها شحنة موجبة كبيرة عن طريق إضافة تعديلات كيميائية مثل مجموعات الأسيتيل ، تصبح الشحنة أقل إيجابية.

يمكن أيضًا تعديل جزيء الحمض النووي نفسه. يحدث هذا في مناطق محددة جدًا تسمى جزر CpG. هذه تمتد مع تردد عالٍ من أزواج الحمض النووي السيتوزين والغوانين ثنائي النوكليوتيد (CG) الموجودة في مناطق المروج للجينات. عند وجود هذا التكوين ، يمكن ميثلة عضو السيتوزين في الزوج (تتم إضافة مجموعة ميثيل). يغير هذا التعديل كيفية تفاعل الحمض النووي مع البروتينات ، بما في ذلك بروتينات الهيستون التي تتحكم في الوصول إلى المنطقة. يتم لف مناطق الحمض النووي عالية الميثيل (شديدة الميثيل) ذات الهيستونات المنزوعة الأسيتيل بإحكام وغير نشطة نسبيًا.

يسمى هذا النوع من التنظيم الجيني بالتنظيم اللاجيني. الوراثة اللاجينية تعني "حول علم الوراثة". التغييرات التي تحدث لبروتينات الهيستون والحمض النووي لا تغير تسلسل النوكليوتيدات وليست دائمة. بدلاً من ذلك ، تكون هذه التغييرات مؤقتة (على الرغم من أنها غالبًا ما تستمر من خلال جولات متعددة من الانقسام الخلوي) وتغير بنية الكروموسومات (مفتوحة أو مغلقة) حسب الحاجة. يمكن تشغيل الجين أو إيقاف تشغيله اعتمادًا على الموقع والتعديلات على بروتينات الهيستون والحمض النووي. إذا تم نسخ الجين ، يتم تعديل بروتينات الهيستون والحمض النووي المحيط بالمنطقة الصبغية التي تشفر ذلك الجين. هذا يفتح منطقة الكروموسومات للسماح بالوصول إلى بوليميراز RNA وبروتينات أخرى تسمى عوامل النسخ، للارتباط بمنطقة المروج ، الواقعة في أعلى منبع الجين ، وبدء النسخ. إذا كان الجين سيظل مغلقًا أو صامتًا ، فإن بروتينات الهيستون والحمض النووي لها تعديلات مختلفة تشير إلى تكوين كروموسومي مغلق. في هذا التكوين المغلق ، لا تستطيع عوامل النسخ والنسخ لبوليميراز الحمض النووي الريبي الوصول إلى الحمض النووي ولا يمكن حدوث النسخ ([رابط]).

شاهد هذا الفيديو الذي يصف كيف يتحكم التنظيم اللاجيني في التعبير الجيني.

ملخص القسم

في الخلايا حقيقية النواة ، تحدث المرحلة الأولى من التحكم في التعبير الجيني على المستوى اللاجيني. تتحكم الآليات اللاجينية في الوصول إلى منطقة الكروموسومات للسماح بتشغيل الجينات أو إيقاف تشغيلها. تتحكم هذه الآليات في كيفية تكدس الحمض النووي في النواة من خلال تنظيم مدى إحكام الالتفاف حول بروتينات الهيستون. إضافة أو إزالة التعديلات الكيميائية (أو الأعلام) لبروتينات الهيستون أو إشارات الحمض النووي للخلية لفتح أو إغلاق منطقة صبغية. لذلك ، يمكن للخلايا حقيقية النواة التحكم في ما إذا كان يتم التعبير عن الجين عن طريق التحكم في إمكانية الوصول إلى عوامل النسخ وربط بوليميريز الحمض النووي الريبي لبدء النسخ.

اتصالات فنية

[رابط] في الإناث ، يتم تعطيل أحد الكروموسومين X أثناء التطور الجنيني بسبب التغيرات اللاجينية في الكروماتين. ما هو التأثير الذي تعتقد أن هذه التغييرات سيكون له على التعبئة النووية؟

[رابط] سوف تتراكم النيوكليوسومات معًا بشكل أكثر إحكامًا.

راجع الأسئلة

ما هي التعديلات الجينية؟

  1. إضافة تغييرات عكسية لبروتينات هيستون والحمض النووي
  2. إزالة النيوكليوسومات من الحمض النووي
  3. إضافة المزيد من النيوكليوسومات إلى الحمض النووي
  4. طفرة في تسلسل الحمض النووي

أي مما يلي ينطبق على التغيرات اللاجينية؟

  1. السماح بنسخ الحمض النووي
  2. تحريك الهستونات لفتح أو إغلاق منطقة صبغية
  3. مؤقتة
  4. كل ما ورداعلاه

إستجابة مجانية

في الخلايا السرطانية ، يؤدي التغيير في التعديلات اللاجينية إلى إيقاف تشغيل الجينات التي يتم التعبير عنها بشكل طبيعي. افتراضيًا ، كيف يمكنك عكس هذه العملية لإعادة تشغيل هذه الجينات؟

يمكنك إنشاء الأدوية التي تعكس عمليات الوراثة اللاجينية (لإضافة علامات أستلة هيستون أو لإزالة مثيلة الحمض النووي) وإنشاء تكوين كروموسومي مفتوح.

قائمة المصطلحات


تعديلات على الحمض النووي والهستونات

تعتمد كيفية تحرك بروتينات الهيستون ، وما إذا كان الحمض النووي ملفوفًا بشكل فضفاض أو محكم حولها ، على الإشارات الموجودة في كل من بروتينات الهيستون وعلى الحمض النووي. هذه الإشارات عبارة عن علامات كيميائية تضاف إلى بروتينات الهيستون والحمض النووي التي تخبر الهيستونات إذا كانت منطقة الكروموسومات يجب أن تكون مفتوحة أو مغلقة. هذه العلامات ليست دائمة ، ولكن يمكن إضافتها أو إزالتها حسب الحاجة. وهي عبارة عن تعديلات كيميائية (مجموعات فوسفات أو ميثيل أو أسيتيل) مرتبطة بأحماض أمينية معينة في البروتين أو بالنيوكليوتيدات الموجودة في الحمض النووي. لا تغير العلامات تسلسل قاعدة الحمض النووي ، لكنها تغير مدى إحكام جرح الحمض النووي حول بروتينات هيستون.

يسمى هذا النوع من التنظيم الجيني تنظيم الوراثة اللاجينية. الوراثة اللاجينية تعني "حول أو فوق علم الوراثة". التغييرات التي تحدث لبروتينات الهيستون والحمض النووي لا تغير تسلسل النوكليوتيدات وليست دائمة. بدلاً من ذلك ، تكون هذه التغييرات مؤقتة ، على الرغم من أنها يمكن أن تستمر في كثير من الأحيان من خلال جولات متعددة من انقسام الخلايا. يغيرون بنية الكروموسومات (كروماتين حقيقي مفتوح أو كروماتين مغاير مغلق) حسب الحاجة ، لكن لا يغيرون تسلسل القواعد داخل الحمض النووي.

يمكن تشغيل الجين أو إيقاف تشغيله اعتمادًا على الموقع والتعديلات على بروتينات الهيستون والحمض النووي. إذا تم نسخ الجين ، يتم تعديل بروتينات الهيستون والحمض النووي المحيط بالمنطقة الصبغية التي تشفر ذلك الجين. هذا يفتح منطقة الكروموسومات (تصبح متجانسة اللون) للسماح بالوصول لبوليميراز الحمض النووي الريبي والبروتينات الأخرى ، التي تسمى عوامل النسخ ، للارتباط بمنطقة المروج ، الموجودة في الجزء العلوي من الجين ، وبدء النسخ. إذا كان الجين سيظل مغلقًا أو صامتًا ، فإن بروتينات الهيستون والحمض النووي لها تعديلات مختلفة تشير إلى تكوين كروموسومي مغلق. في هذا التكوين المغلق (الهيتروكروماتين) ، لا تتمكن عوامل النسخ والبوليميراز RNA من الوصول إلى الحمض النووي ولا يمكن حدوث النسخ (الشكل 2).


ملخص القسم

في الخلايا حقيقية النواة ، تحدث المرحلة الأولى من التحكم في التعبير الجيني على المستوى اللاجيني. تتحكم الآليات اللاجينية في الوصول إلى منطقة الكروموسومات للسماح بتشغيل الجينات أو إيقاف تشغيلها. تتحكم هذه الآليات في كيفية تكدس الحمض النووي في النواة من خلال تنظيم مدى إحكام الالتفاف حول بروتينات الهيستون. إضافة أو إزالة التعديلات الكيميائية (أو الأعلام) لبروتينات الهيستون أو إشارات الحمض النووي للخلية لفتح أو إغلاق منطقة صبغية. لذلك ، يمكن للخلايا حقيقية النواة التحكم في ما إذا كان يتم التعبير عن الجين عن طريق التحكم في إمكانية الوصول إلى عوامل النسخ وربط بوليميريز الحمض النووي الريبي لبدء النسخ.


علم الأحياء 171

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • اشرح كيف تتحكم إعادة تشكيل الكروماتين في الوصول إلى النسخ
  • صف كيف يتم التحكم في الوصول إلى الحمض النووي عن طريق تعديل هيستون
  • وصف كيف ترتبط مثيلة الحمض النووي بالتغيرات الجينية اللاجينية

يعد التعبير الجيني حقيقي النواة أكثر تعقيدًا من التعبير الجيني بدائية النواة لأن عمليات النسخ والترجمة منفصلة ماديًا. على عكس الخلايا بدائية النواة ، يمكن للخلايا حقيقية النواة أن تنظم التعبير الجيني على العديد من المستويات المختلفة. التغيرات اللاجينية هي تغييرات وراثية في التعبير الجيني لا تنتج عن تغيرات في تسلسل الحمض النووي. يبدأ التعبير الجيني حقيقي النواة بالتحكم في الوصول إلى الحمض النووي. يمكن التحكم في الوصول النسخي إلى الحمض النووي بطريقتين عامتين: إعادة تشكيل الكروماتين ومثيلة الحمض النووي. تغير إعادة تشكيل الكروماتين الطريقة التي يرتبط بها الحمض النووي بالهيستونات الصبغية. يرتبط مثيلة الحمض النووي بالتغيرات التنموية وإسكات الجينات.

التحكم اللاجيني: تنظيم الوصول إلى الجينات داخل الكروموسوم

يشفر الجينوم البشري أكثر من 20000 جين ، مع مئات إلى آلاف الجينات على كل من الكروموسومات البشرية الـ 23. يتم جرح الحمض النووي في النواة بدقة ولفه وضغطه في الكروموسومات بحيث يتلاءم مع النواة. يتم تنظيمها أيضًا بحيث يمكن الوصول إلى مقاطع محددة حسب الحاجة بواسطة نوع خلية معين.

المستوى الأول من التنظيم ، أو التعبئة ، هو لف خيوط الحمض النووي حول بروتينات هيستون. تقوم الهيستونات بتجميع وترتيب الحمض النووي في وحدات هيكلية تسمى مجمعات النيوكليوسوم ، والتي يمكنها التحكم في وصول البروتينات إلى مناطق الحمض النووي ((الشكل)أ). تحت المجهر الإلكتروني ، فإن هذا اللف للحمض النووي حول بروتينات الهيستون لتشكيل الجسيمات النووية يشبه حبات صغيرة على سلسلة ((الشكل)ب).


يمكن لهذه الحبيبات (بروتينات هيستون) أن تتحرك على طول السلسلة (DNA) لكشف أقسام مختلفة من الجزيء. إذا كان يجب نسخ ترميز الحمض النووي لجين معين إلى RNA ، فيمكن للنيوكليوسومات المحيطة بتلك المنطقة من الحمض النووي أن تنزلق إلى أسفل الحمض النووي لفتح تلك المنطقة الصبغية المحددة والسماح لآلية النسخ (RNA polymerase) لبدء النسخ ((الشكل)).


في الإناث ، يتم تعطيل أحد الكروموسومين X أثناء التطور الجنيني بسبب التغيرات اللاجينية في الكروماتين. ما هو التأثير الذي تعتقد أن هذه التغييرات سيكون له على التعبئة النووية؟

يتم تنظيم مدى ارتباط بروتينات الهيستون مع الحمض النووي عن طريق الإشارات الموجودة في كل من بروتينات هيستون وفي الحمض النووي. هذه الإشارات هي مجموعات وظيفية تضاف إلى بروتينات هيستون أو إلى الحمض النووي وتحدد ما إذا كانت منطقة الكروموسومات يجب أن تكون مفتوحة أو مغلقة ((الشكل) يصور التعديلات على بروتينات هيستون والحمض النووي). هذه العلامات ليست دائمة ، ولكن يمكن إضافتها أو إزالتها حسب الحاجة. ترتبط بعض المجموعات الكيميائية (مجموعات الفوسفات أو الميثيل أو الأسيتيل) بأحماض أمينية محددة في هيستون & # 8220 ذيل & # 8221 عند الطرف N للبروتين. لا تغير هذه المجموعات تسلسل قاعدة الحمض النووي ، لكنها تغير مدى إحكام جرح الحمض النووي حول بروتينات الهيستون. الحمض النووي عبارة عن جزيء سالب الشحنة ويتم شحن الهيستونات غير المعدلة بشكل إيجابي ، وبالتالي فإن التغييرات في شحنة الهيستون ستغير مدى إحكام جرح جزيء الحمض النووي. بإضافة تعديلات كيميائية مثل مجموعات الأسيتيل ، تصبح الشحنة أقل إيجابية ، ويتم تخفيف ارتباط الحمض النووي بالهيستونات. يؤدي تغيير موقع النيوكليوسومات وضيق ارتباط الهيستون إلى فتح بعض مناطق الكروماتين للنسخ وإغلاق مناطق أخرى.

يمكن أيضًا تعديل جزيء الحمض النووي نفسه عن طريق المثيلة. تحدث مثيلة الحمض النووي في مناطق محددة جدًا تسمى جزر CpG. هذه تمتد مع تردد عالٍ من أزواج الحمض النووي السيتوزين والغوانين ثنائي النوكليوتيد (CG) الموجودة في مناطق المروج للجينات. يمكن ميثلة عضو السيتوزين في زوج CG (تتم إضافة مجموعة ميثيل). عادة ما يتم إسكات الجينات الميثيلية ، على الرغم من أن الميثيل قد يكون له تأثيرات تنظيمية أخرى. في بعض الحالات ، تنتقل الجينات التي يتم إسكاتها أثناء تطور الأمشاج لأحد الوالدين في حالتها الصامتة إلى النسل. يقال إن هذه الجينات مطبوعة. قد يؤثر النظام الغذائي للوالدين أو الظروف البيئية الأخرى أيضًا على أنماط مثيلة الجينات ، والتي بدورها تعدل التعبير الجيني. تتفاعل التغييرات في تنظيم الكروماتين مع مثيلة الحمض النووي. يبدو أن ميثيل ترانسفيرازات الحمض النووي تنجذب إلى مناطق الكروماتين مع تعديلات محددة في هيستون. ميثيل للغاية (مفرط الميثيل) مناطق الحمض النووي ذات الهيستونات المنزوعة الأسيتونات ملفوفة بإحكام وغير نشطة نسبيًا.


التغيرات فوق الجينية ليست دائمة ، على الرغم من أنها غالبًا ما تستمر من خلال جولات متعددة من الانقسام الخلوي وربما عبر خطوط الأجيال. تعمل إعادة تشكيل الكروماتين على تغيير البنية الصبغية (مفتوحة أو مغلقة) حسب الحاجة. إذا كان الجين سيتم نسخه ، فإن بروتينات الهيستون والحمض النووي في منطقة الكروموسومات التي ترميز هذا الجين يتم تعديلها بطريقة تفتح منطقة المحفز للسماح لبوليميراز الحمض النووي الريبي والبروتينات الأخرى ، التي تسمى عوامل النسخ ، بربط وبدء النسخ. إذا كان الجين سيظل مغلقًا أو صامتًا ، فإن بروتينات الهيستون والحمض النووي لها تعديلات مختلفة تشير إلى تكوين كروموسومي مغلق. في هذا التكوين المغلق ، لا تستطيع عوامل النسخ والبوليميراز RNA الوصول إلى الحمض النووي ولا يمكن أن يحدث النسخ ((الشكل)).

عرض الكروماتين والنسيج والتعديلات (فيديو) الذي يصف كيف يتحكم التنظيم اللاجيني في التعبير الجيني.

ملخص القسم

في الخلايا حقيقية النواة ، تحدث المرحلة الأولى من التحكم في التعبير الجيني على المستوى اللاجيني. تتحكم الآليات اللاجينية في الوصول إلى منطقة الكروموسومات للسماح بتشغيل الجينات أو إيقاف تشغيلها. تتحكم إعادة تشكيل الكروماتين في كيفية تعبئة الحمض النووي في النواة من خلال تنظيم مدى إحكام التفاف الحمض النووي حول بروتينات الهيستون. يمكن ميثلة الحمض النووي نفسه لإسكات الجينات بشكل انتقائي. إن إضافة أو إزالة التعديلات الكيميائية (أو الأعلام) لبروتينات الهيستون أو الحمض النووي تشير إلى الخلية لفتح أو إغلاق منطقة صبغية. لذلك ، يمكن للخلايا حقيقية النواة التحكم في ما إذا كان يتم التعبير عن الجين عن طريق التحكم في إمكانية الوصول إلى ارتباط بوليميريز الحمض النووي الريبي وعوامل النسخ الخاصة به.

اتصالات فنية

(الشكل) في الإناث ، يتم تعطيل أحد الكروموسومين X أثناء التطور الجنيني بسبب التغيرات اللاجينية للكروماتين. ما هو التأثير الذي تعتقد أن هذه التغييرات سيكون له على التعبئة النووية؟

(الشكل) سوف تتراكم النيوكليوسومات معًا بشكل أكثر إحكامًا.

إستجابة مجانية

في الخلايا السرطانية ، يؤدي التغيير في التعديلات اللاجينية إلى إيقاف تشغيل الجينات التي يتم التعبير عنها بشكل طبيعي. افتراضيًا ، كيف يمكنك عكس هذه العملية لإعادة تشغيل هذه الجينات؟

يمكنك إنشاء الأدوية التي تعكس العمليات اللاجينية (لإضافة علامات أستلة هيستون أو لإزالة مثيلة الحمض النووي) وإنشاء تكوين كروموسومي مفتوح.

أظهرت دراسة علمية أن سلوك الأمومة عند الفئران يؤثر على استجابة صغارها للضغط. أظهرت الفئران التي ولدت ونشأت مع أمهات يقظات نشاطًا منخفضًا لجينات الاستجابة للتوتر في وقت لاحق من الحياة ، في حين أن الفئران التي لديها أمهات غافلات كان لديها تنشيط عالي لجينات الاستجابة للضغط في نفس الموقف. أظهرت دراسة إضافية قامت بتبادل الجراء عند الولادة (أي أن الفئران التي ولدت لأمهات غير مهتمات نشأت مع أمهات يقظات والعكس صحيح) أظهرت نفس التأثير الإيجابي للأمومة اليقظة. كيف تفسر الوراثة و / أو علم التخلق نتائج هذه الدراسة؟

تشير مبادلة الجراء عند الولادة إلى أن الجينات الموروثة من الأمهات اليقظات أو غير المنتبهات لا تفسر استجابات الفئران للتوتر في وقت لاحق من الحياة. وبدلاً من ذلك ، وجد الباحثون أن الأمومة اليقظة تسببت في مثيلة الجينات التي تتحكم في التعبير عن مستقبلات التوتر في الدماغ. وهكذا ، فإن الفئران التي تلقت رعاية الأم اليقظة أظهرت تغيرات جينية حدت من التعبير عن جينات الاستجابة للإجهاد ، وأن التأثير كان دائمًا على مدى حياتها.

تظهر بعض أمراض المناعة الذاتية ارتباطًا إيجابيًا مع انخفاض التعبير بشكل كبير عن هيستون ديستيلاز 9 (HDAC9 ، إنزيم يزيل مجموعات الأسيتيل من الهستونات). لماذا يتسبب انخفاض التعبير عن HDAC9 في إنتاج الخلايا المناعية لجينات التهابية في أوقات غير مناسبة؟

يقلل أستيل الهيستون من الشحنة الإيجابية لبروتينات الهيستون ، مما يؤدي إلى إرخاء الحمض النووي الملفوف حول الهستونات. يمكن لهذا الحمض النووي الخفيف أن يتفاعل بعد ذلك مع عوامل النسخ للتعبير عن الجينات الموجودة في تلك المنطقة. عادة ، بمجرد عدم الحاجة إلى الجين ، تقوم إنزيمات هيستون ديستيلاز بإزالة مجموعات الأسيتيل من الهستونات بحيث يصبح الحمض النووي جرحًا بإحكام ولا يمكن الوصول إليه مرة أخرى. ومع ذلك ، عندما يكون هناك عيب في HDAC9 ، فقد لا يحدث نزع الأسيتيل. في الخلية المناعية ، قد يعني هذا أن الجينات الالتهابية التي تم توفيرها أثناء الإصابة لا يتم لفها بإحكام حول الهستونات.

قائمة المصطلحات


ملخص القسم

في الخلايا حقيقية النواة ، تحدث المرحلة الأولى من التحكم في التعبير الجيني على المستوى اللاجيني. تتحكم الآليات اللاجينية في الوصول إلى منطقة الكروموسومات للسماح بتشغيل الجينات أو إيقاف تشغيلها. تتحكم هذه الآليات في كيفية تكدس الحمض النووي في النواة من خلال تنظيم مدى إحكام الالتفاف حول بروتينات الهيستون. إضافة أو إزالة التعديلات الكيميائية (أو الأعلام) لبروتينات الهيستون أو إشارات الحمض النووي للخلية لفتح أو إغلاق منطقة صبغية. لذلك ، يمكن للخلايا حقيقية النواة التحكم في ما إذا كان يتم التعبير عن الجين عن طريق التحكم في إمكانية الوصول إلى عوامل النسخ وربط بوليميريز الحمض النووي الريبي لبدء النسخ.


اتصال فني

يمكن أن تنزلق النيوكليوسومات على طول الحمض النووي. عندما تكون النيوكليوسومات متقاربة مع بعضها البعض (أعلى) ، لا يمكن لعوامل النسخ أن تترابط ويتوقف التعبير الجيني. عندما تكون النيوكليوسومات متباعدة (أسفل) ، ينكشف الحمض النووي. يمكن أن ترتبط عوامل النسخ ، مما يسمح بالتعبير الجيني. تؤثر التعديلات على الهيستونات والحمض النووي على التباعد بين الجسيمات النووية.

في الإناث ، يتم تعطيل أحد الكروموسومين X أثناء التطور الجنيني بسبب التغيرات اللاجينية في الكروماتين. ما هو التأثير الذي تعتقد أن هذه التغييرات سيكون له على التعبئة النووية؟

يتم تنظيم مدى ارتباط بروتينات الهيستون مع الحمض النووي عن طريق الإشارات الموجودة في كل من بروتينات هيستون وفي الحمض النووي. هذه الإشارات هي مجموعات وظيفية تُضاف إلى بروتينات الهيستون أو إلى الحمض النووي وتحدد ما إذا كان يجب أن تكون منطقة الكروموسومات مفتوحة أم مغلقة (الشكل يصور التعديلات على بروتينات الهيستون والحمض النووي). هذه العلامات ليست دائمة ، ولكن يمكن إضافتها أو إزالتها حسب الحاجة. ترتبط بعض المجموعات الكيميائية (مجموعات الفوسفات أو الميثيل أو الأسيتيل) بأحماض أمينية محددة في "ذيول" هيستون عند الطرف N للبروتين. لا تغير هذه المجموعات تسلسل قاعدة الحمض النووي ، لكنها تغير مدى إحكام جرح الحمض النووي حول بروتينات الهيستون. الحمض النووي عبارة عن جزيء سالب الشحنة ويتم شحن الهيستونات غير المعدلة بشكل إيجابي ، وبالتالي فإن التغييرات في شحنة الهيستون ستغير مدى إحكام جرح جزيء الحمض النووي. بإضافة تعديلات كيميائية مثل مجموعات الأسيتيل ، تصبح الشحنة أقل إيجابية ، ويتم تخفيف ارتباط الحمض النووي بالهيستونات. يؤدي تغيير موقع النيوكليوسومات وضيق ارتباط الهيستون إلى فتح بعض مناطق الكروماتين للنسخ وإغلاق مناطق أخرى.

يمكن أيضًا تعديل جزيء الحمض النووي نفسه عن طريق المثيلة. تحدث مثيلة الحمض النووي في مناطق محددة جدًا تسمى جزر CpG. هذه تمتد مع تردد عالٍ من أزواج الحمض النووي السيتوزين والغوانين ثنائي النوكليوتيد (CG) الموجودة في مناطق المروج للجينات. يمكن ميثلة عضو السيتوزين في زوج CG (تتم إضافة مجموعة ميثيل). عادة ما يتم إسكات الجينات الميثيلية ، على الرغم من أن الميثيل قد يكون له تأثيرات تنظيمية أخرى. في بعض الحالات ، تنتقل الجينات التي يتم إسكاتها أثناء تطور الأمشاج لأحد الوالدين في حالتها الصامتة إلى النسل. يقال إن هذه الجينات مطبوعة. قد يؤثر النظام الغذائي للوالدين أو الظروف البيئية الأخرى أيضًا على أنماط مثيلة الجينات ، والتي بدورها تعدل التعبير الجيني. تتفاعل التغييرات في تنظيم الكروماتين مع مثيلة الحمض النووي. يبدو أن ميثيل ترانسفيرازات الحمض النووي تنجذب إلى مناطق الكروماتين مع تعديلات محددة في هيستون. ميثيل للغاية (مفرط الميثيل) مناطق الحمض النووي ذات الهيستونات المنزوعة الأسيتونات ملفوفة بإحكام وغير نشطة نسبيًا.

يمكن تعديل بروتينات هيستون ونيوكليوتيدات الحمض النووي كيميائيًا. تؤثر التعديلات على تباعد النواة والتعبير الجيني. (الائتمان: تعديل العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة)

التغيرات فوق الجينية ليست دائمة ، على الرغم من أنها غالبًا ما تستمر من خلال جولات متعددة من الانقسام الخلوي وربما عبر خطوط الأجيال. تعمل إعادة تشكيل الكروماتين على تغيير البنية الصبغية (مفتوحة أو مغلقة) حسب الحاجة. إذا كان الجين سيتم نسخه ، فإن بروتينات الهيستون والحمض النووي في منطقة الكروموسومات التي ترميز هذا الجين يتم تعديلها بطريقة تفتح منطقة المروج للسماح لبوليميراز RNA والبروتينات الأخرى ، والتي تسمى عوامل النسخ، لربط وبدء النسخ. إذا كان الجين سيظل مغلقًا أو صامتًا ، فإن بروتينات الهيستون والحمض النووي لها تعديلات مختلفة تشير إلى تكوين كروموسومي مغلق. في هذا التكوين المغلق ، لا تستطيع عوامل النسخ والبوليميراز RNA الوصول إلى الحمض النووي ولا يمكن أن يحدث النسخ (الشكل).


اتصال فني

يمكن أن تنزلق النيوكليوسومات على طول الحمض النووي. عندما تكون النيوكليوسومات متقاربة عن بعضها البعض (أعلى) ، لا يمكن لعوامل النسخ أن تترابط ويتوقف التعبير الجيني. عندما تكون النيوكليوسومات متباعدة (أسفل) ، ينكشف الحمض النووي. يمكن أن ترتبط عوامل النسخ ، مما يسمح بالتعبير الجيني. تؤثر التعديلات على الهيستونات والحمض النووي على التباعد بين الجسيمات النووية.

في الإناث ، يتم تعطيل أحد الكروموسومين X أثناء التطور الجنيني بسبب التغيرات اللاجينية في الكروماتين. ما هو التأثير الذي تعتقد أن هذه التغييرات سيكون له على التعبئة nucleosome؟

تعتمد كيفية تحرك بروتينات الهيستون على الإشارات الموجودة في كل من بروتينات الهيستون وعلى الحمض النووي. هذه الإشارات هي علامات تُضاف إلى بروتينات الهيستون والحمض النووي التي تخبر الهيستونات ما إذا كانت منطقة الكروموسومات يجب أن تكون مفتوحة أو مغلقة (الشكل يصور التعديلات على بروتينات الهيستون والحمض النووي). هذه العلامات ليست دائمة ، ولكن يمكن إضافتها أو إزالتها حسب الحاجة. وهي عبارة عن تعديلات كيميائية (مجموعات فوسفات أو ميثيل أو أسيتيل) مرتبطة بأحماض أمينية معينة في البروتين أو بالنيوكليوتيدات الموجودة في الحمض النووي. لا تغير العلامات تسلسل قاعدة الحمض النووي ، لكنها تغير مدى إحكام جرح الحمض النووي حول بروتينات هيستون. الحمض النووي عبارة عن جزيء سالب الشحنة ، وبالتالي فإن التغييرات في شحنة الهيستون ستغير مدى إحكام جرح جزيء الحمض النووي. عندما تكون بروتينات الهيستون غير معدلة ، يكون لها شحنة موجبة كبيرة عن طريق إضافة تعديلات كيميائية مثل مجموعات الأسيتيل ، تصبح الشحنة أقل إيجابية.

يمكن أيضًا تعديل جزيء الحمض النووي نفسه. يحدث هذا في مناطق محددة جدًا تسمى جزر CpG. هذه تمتد مع تردد عالٍ من أزواج الحمض النووي السيتوزين والغوانين ثنائي النوكليوتيد (CG) الموجودة في مناطق المروج للجينات. When this configuration exists, the cytosine member of the pair can be methylated (a methyl group is added). This modification changes how the DNA interacts with proteins, including the histone proteins that control access to the region. Highly methylated (hypermethylated) DNA regions with deacetylated histones are tightly coiled and transcriptionally inactive.

Histone proteins and DNA nucleotides can be modified chemically. Modifications affect nucleosome spacing and gene expression. (credit: modification of work by NIH)

This type of gene regulation is called epigenetic regulation. Epigenetic means “around genetics.” The changes that occur to the histone proteins and DNA do not alter the nucleotide sequence and are not permanent. Instead, these changes are temporary (although they often persist through multiple rounds of cell division) and alter the chromosomal structure (open or closed) as needed. A gene can be turned on or off depending upon the location and modifications to the histone proteins and DNA. If a gene is to be transcribed, the histone proteins and DNA are modified surrounding the chromosomal region encoding that gene. This opens the chromosomal region to allow access for RNA polymerase and other proteins, called transcription factors, to bind to the promoter region, located just upstream of the gene, and initiate transcription. If a gene is to remain turned off, or silenced, the histone proteins and DNA have different modifications that signal a closed chromosomal configuration. In this closed configuration, the RNA polymerase and transcription factors do not have access to the DNA and transcription cannot occur (Figure).


What are epigenetic modifications?

  1. the addition of reversible changes to histone proteins and DNA
  2. the removal of nucleosomes from the DNA
  3. the addition of more nucleosomes to the DNA
  4. mutation of the DNA sequence

Which of the following are true of epigenetic changes?

  1. allow DNA to be transcribed
  2. move histones to open or close a chromosomal region
  3. are temporary
  4. all of the above


شاهد الفيديو: تابع التنظيم الجيني (كانون الثاني 2022).