گفتار 1
رونویسی
کم‌خونی داسی‌شکل و پرسش‌هایی درباره جریان اطلاعات یاخته
مقدمه
تصویر زیر دو گویچه قرمز خون را نشان می‌دهد. گویچه سمت چپ سالم و طبیعی است، در حالی که گویچه سمت راست مربوط به فردی مبتلا به بیماری کم‌خونی داسی‌شکل است.
این بیماری ارثی، نتیجه یک تغییر ژنی جزئی است که باعث تغییر در ساختار پروتئین هموگلوبین شده و در نهایت، شکل طبیعی گویچه‌های قرمز را از حالت گرد به شکل داسی تغییر می‌دهد.
عامل ایجاد کم‌خونی داسی‌شکل
این بیماری ناشی از تغییر ژنی بسیار جزئی است و در آن تنها یک جفت از صدها جفت نوکلئوتید دنا در افراد بیمار تغییر یافته است.
تغییر ژنتیکی موجب ایجاد پروتئین هموگلوبینی با ساختاری متفاوت شده که عملکرد طبیعی گویچه‌های قرمز را مختل می‌کند.
در افراد سالم، مولکول هموگلوبین از چهار زیرواحد پلی‌پپتیدی تشکیل شده که با کنار هم قرار گرفتن، یک ساختار سه‌بعدی پیچیده (ساختار چهارم پروتئین) را می‌سازند.
بیماری کم‌خونی داسی‌شکل، نمونه‌ای از رابطه مستقیم بین ژن و پروتئین را نشان می‌دهد.
سوالات اساسی درباره جریان اطلاعات ژنتیکی
اطلاعات ژن‌ها چگونه در یاخته‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد؟
آیا همه یاخته‌ها دارای اطلاعات ژنتیکی یکسانی هستند؟
چرا برخی ژن‌ها مانند ژن سازنده هموگلوبین فقط در گویچه‌های قرمز فعال‌اند، اما در یاخته‌های بافت پوششی پوست بروز پیدا نمی‌کنند؟
در این فصل، به بررسی این پرسش‌ها پرداخته شده و سازوکار کنترل و تنظیم بیان ژن‌ها در انواع یاخته‌ها مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.
رمزهای ژنتیکی و توالی‌ها
دنا چگونه نوع آمینواسیدهای پلی‌پپتید را تعیین می‌کند؟
مولکول دنا (DNA) از واحدهای سازنده‌ای به نام نوکلئوتید تشکیل شده است، در حالی که پلی‌پپتیدها از آمینواسیدها ساخته می‌شوند. اگرچه اطلاعات ساخت پروتئین‌ها در ژن‌ها قرار دارد، اما این اطلاعات باید با سازوکاری خاص به فرایند تولید زنجیره‌های آمینواسیدی منتقل شوند.
رمزهای ژنتیکی
دنا دارای چهار نوع نوکلئوتید است که تفاوت آن‌ها در نوع باز آلی موجود در هر نوکلئوتید است.
همه نوکلئوتیدهای درون دنا از نظر نوع قند و تعداد فسفات به یکدیگر شباهت دارند.
پلی‌پپتیدها از بیست نوع آمینواسید تشکیل شده‌اند.
هر توالی سه‌تایی از نوکلئوتیدهای دنا معادل یک نوع آمینواسید است و این توالی‌های سه‌تایی را رمز ژنتیکی (کد ژنتیکی) می‌نامند.
با وجود چهار نوع نوکلئوتید در دنا، می‌توان 64 ترکیب سه‌تایی ایجاد کرد که اطلاعات مربوط به ساخت 20 نوع آمینواسید را دربرمی‌گیرند.
به هر توالی سه‌تایی از نوکلئوتیدهای دنا، رمز گفته می‌شود که می‌تواند بیانگر یک نوع آمینواسید باشد.
رمزهای ژنتیکی در دنا (DNA) قرار دارند، اما در مرحله ترجمه اطلاعات، این رمزها در رنای پیک (mRNA) به صورت کدون (رمزه) و در رنای ناقل (tRNA) به صورت آنتی‌کدون (پادرمزه) ظاهر می‌شوند.
از 64 رمز ژنتیکی موجود در دنا، سه رمز هیچ آمینواسیدی را مشخص نمی‌کنند و به عنوان رمز پایان شناخته می‌شوند. این رمزها پایان فرایند ترجمه را مشخص می‌کنند و در گفتار بعدی به توضیح بیشتر در مورد آن‌ها پرداخته خواهد شد.
توالی‌های بین ژنی
در دنا، توالی‌هایی بین ژنی وجود دارند که فاقد ژن بوده و هیچ رمزی ندارند.
رمزهای ژنتیکی تنها در ژن‌هایی که اطلاعات آن‌ها برای ساخت رنای پیک (mRNA) استفاده می‌شود، قرار دارند و در سایر بخش‌های دنا یافت نمی‌شوند.
نقش مولکول رنا به عنوان میانجی
پروتئین‌سازی و نقش رنا
پروتئین‌سازی بر اساس اطلاعات دنا و در رناتَن‌ها (ریبوزوم‌ها) انجام می‌شود. اما در یاخته‌های هسته‌دار، دنا در هسته قرار دارد و نمی‌تواند مستقیماً به رناتَن‌ها در سیتوپلاسم منتقل شود. ازاین‌رو، مولکول رنا به‌عنوان یک میانجی برای انتقال اطلاعات ژنتیکی به رناتَن‌ها عمل می‌کند. انواعی از رنا در یاخته وجود دارند که در پروتئین‌سازی نقش دارند.
عملکرد RNA پیام‌رسان در پروتئین‌سازی
در سلول‌های هسته‌دار، رناتن‌ها در ناحیه‌ای خارج از هسته یعنی سیتوپلاسم قرار دارند. از آنجایی که DNA درون هسته باقی می‌ماند و نمی‌تواند مستقیماً با رناتن‌ها تعامل داشته باشد، RNA پیام‌رسان (mRNA) نقش انتقال‌دهندهٔ اطلاعات ژنتیکی را بر عهده دارد. این RNA، داده‌های مورد نیاز برای ساخت پلی‌پپتیدها را از هسته خارج کرده و به محل ساخت پروتئین می‌برد.
فرایند رونویسی و مقایسه با همانندسازی
رونویسی: فرایند انتقال اطلاعات از دنا به رنا
رونویسی فرایندی است که طی آن یک مولکول رنا از روی بخشی از یک رشته دنا ساخته می‌شود. در این فرایند فقط یک رشته از دنا و تنها بخشی از آن که ژن نامیده می‌شود، به‌عنوان الگو مورد استفاده قرار می‌گیرد. این بخش فعال از DNA که به‌عنوان قالب به کار می‌رود، رشتهٔ الگو نام دارد.
نوکلئوتیدهای مکمل مطابق با توالی دنا در زنجیره در حال ساخت رنا قرار می‌گیرند و به هم متصل می‌شوند.
برخلاف همانندسازی که فقط یک‌بار در هر چرخهٔ یاخته‌ای انجام می‌شود، رونویسی می‌تواند چندین بار در یک چرخه انجام شود و چندین مولکول رنا تولید کند.
نوکلئوتیدهای موجود در رنا دارای قند ریبوز هستند، اما نوکلئوتیدهای دنا دارای قند دئوکسی‌ریبوز می‌باشند.
شکل 1 - طرح ساده‌ای از فرایند رونویسی
مقایسهٔ رونویسی و همانندسازی
شباهت‌های رونویسی و همانندسازی
اساس رونویسی شبیه همانندسازی است.
در هر دو فرایند زیستی (یعنی رونویسی و همانندسازی) رشته‌ای از DNA به‌عنوان مبنا یا قالب مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در هر دو، نوکلئوتیدهای جدید بر پایه توالی این قالب انتخاب شده و کنار یکدیگر قرار می‌گیرند.
همچنین، برای تثبیت این ساختار جدید، بین آن‌ها پیوندهایی از نوع فسفودی‌استر توسط آنزیم‌های ویژهٔ پلیمری برقرار می‌شود.
تفاوت‌های رونویسی و همانندسازی
در رونویسی، مولکول رنا ساخته می‌شود، درحالی‌که در همانندسازی، یک مولکول دنای جدید تولید می‌شود.
رونویسی ممکن است چند بار در طول چرخهٔ یاخته‌ای رخ دهد، در حالی‌که همانندسازی DNA هسته‌ای تنها یک‌بار انجام می‌شود.»
در RNA، باز یوراسیل به‌جای تیمین با آدنین جفت می‌شود؛ اما در DNA، ترکیب آدنین–تیمین رایج است.
در رونویسی، آنزیم RNA پلی‌مراز وظیفهٔ ساخت رشته را بر عهده دارد. در مقابل، همانندسازی به کمک DNA پلی‌مراز و هلیکاز انجام می‌گیرد.
در همانندسازی، آنزیم هلیکاز دو رشته را از هم باز می‌کند. اما در رونویسی، این وظیفه به عهدهٔ RNA پلی‌مراز است.
DNA پلی‌مراز توانایی اصلاح نوکلئوتیدهای اشتباه را دارد، اما RNA پلی‌مراز فاقد این توانایی است و رونویسی بدون ویرایش پیش می‌رود.
در رونویسی فقط بخش کوچکی از یک رشتهٔ DNA به‌عنوان قالب استفاده می‌شود، در حالی‌که همانندسازی کل هر دو رشته را شامل می‌شود.
RNA حاصل رونویسی تک‌رشته‌ای است، در حالی‌که DNA حاصل از همانندسازی، دو رشته‌ای است و ساختار مارپیچ دارد.
رشتهٔ تازه‌ساخته‌شدهٔ RNA به‌تدریج از قالب خود جدا می‌شود، اما در همانندسازی، رشتهٔ جدید به رشتهٔ اصلی متصل باقی می‌ماند.
جدول مقایسهٔ کلی بین رونویسی و همانندسازی
ویژگی | رونویسی | همانندسازی |
محصول فرایند | مولکول رنا (تک‌رشته‌ای) | مولکول دنا (دورشته‌ای) |
الگو | بخشی از یک رشتهٔ دنا | هر دو رشتهٔ دنا |
مکان انجام در یوکاریوت‌ها | هسته، میتوکندری، پلاست | هسته، میتوکندری، پلاست |
آنزیم‌های مؤثر | رنابسپاراز | هلیکاز و دنابسپاراز |
دقت و ویرایش | فاقد ویرایش | دارای ویرایش |
نوکلئوتیدها | یوراسیل به‌جای تیمین | تیمین در برابر آدنین |