گفتار 3
تنظیم بیان ژن
اهمیت تنظیم بیان ژن
مقدمه
همه یاخته‌های پیکری بدن از تقسیم رشتمان یاخته تخم منشأ می‌گیرند و از نظر فام‌تنی (کروموزومی) و ژن‌ها یکسان هستند. با این حال، در طی رشد و تقسیمات جنینی، یاخته‌های متفاوتی با عملکردها و شکل‌های مختلف ایجاد می‌شوند. این تفاوت به دلیل فعال و غیرفعال بودن ژن‌ها در یاخته‌های مختلف است.
ژن فعال (روشن): ژنی که اطلاعات آن در یاخته مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ژن غیرفعال (خاموش): ژنی که بیان نمی‌شود.
فرایندهایی که تعیین می‌کنند در چه هنگام، به چه مقدار و کدام ژن‌ها بیان شوند یا خاموش بمانند، فرایندهای تنظیم بیان ژن نام دارد. تنظیم بیان ژن فرایندی بسیار دقیق و پیچیده است و عوامل متعددی ممکن است بر آن اثر بگذارند.
این فرایند موجب می‌شود تا جاندار به تغییرات پاسخ دهد؛ مثلا در گیاه، نور می‌تواند باعث فعال شدن ژن سازنده آنزیمی شود که در فتوسنتز مورد استفاده قرار می‌گیرد. در نبود نور این ژن بیان نمی‌شود. یاخته‌های بنیادی مغز استخوان نیز به انواع گوناگونی از یاخته‌ها تبدیل می‌شوند.
بیان و عدم بیان ژن‌ها
همه‌ی یاخته‌های پیکری بدن از تقسیم یاخته‌ی تخم منشأ می‌گیرند، لذا از نظر ژن‌ها یکسان‌اند.
با ادامه‌ی رشد و تقسیم، یاخته‌های مختلفی ایجاد می‌شوند که اعمال متفاوتی انجام می‌دهند. مثلا یاخته‌های عصبی و ماهیچه‌ای بدن یک فرد ژن‌های یکسانی دارند اما عملکرد و ساختارشان متفاوت است.
علت این تفاوت این است که در هر یاخته، تنها برخی از ژن‌ها فعال هستند و بقیه غیرفعال‌اند.
در جریان فرایند تمایز، تعدادی از ژن‌ها خاموش شده و فقط برخی ژن‌ها فعال باقی می‌مانند.
همه‌ی یاخته‌های هسته‌دار یک جاندار پرسلولی، نوع ژن‌های کاملاً یکسانی دارند، اما تفاوت عملکرد آن‌ها ناشی از تنظیم بیان ژن است.
استفاده از ژن در یاخته‌های مختلف یک جاندار به شکل متفاوتی انجام می‌شود. مثلا ژن هموگلوبین در تمامی یاخته‌های هسته‌دار بدن وجود دارد اما فقط در گلبول‌های قرمز خون بیان می‌شود.
حتی استفاده از ژن در یک یاخته هم می‌تواند بسته به نیاز متغیر باشد. برای مثال، ژن‌های مربوط به رنای رناتنی (rRNA) در یاخته‌های تازه تقسیم‌شده فعال‌ترند.
تعاریف مهم
بیان شدن ژن: هرگاه اطلاعات ژنی در یک یاخته مورد استفاده قرار بگیرد، می‌گوییم آن ژن فعال (روشن) است.
بیان نشدن ژن: ژنی که مورد استفاده قرار نگیرد، غیرفعال (خاموش) است.
تنظیم بیان ژن: فرایندهایی که تعیین می‌کنند در چه زمانی، به چه مقدار و کدام ژن‌ها فعال یا غیرفعال شوند.
نقش تنظیم بیان ژن
کمک به پاسخگویی به تغییرات محیطی
برخی ژن‌ها در گیاهان تنها در حضور نور فعال شده و به ساخت آنزیم‌هایی که در فرایند فتوسنتز نقش دارند، منجر می‌شوند.
در نبود نور، این ژن‌ها خاموش می‌شوند و آنزیم‌های فتوسنتزی ساخته نمی‌شوند.
ایجاد انواع مختلف یاخته‌ها از یک یاخته‌ی مشترک
در مغز استخوان، یاخته‌های بنیادی می‌توانند به انواع یاخته‌های خونی سفید، مگاکاریوسیت و دیگر یاخته‌ها تمایز پیدا کنند.
تنظیم بیان ژن در این یاخته‌ها مشخص می‌کند که کدام ژن‌ها فعال و کدام غیرفعال باشند تا تمایز مناسب ایجاد شود.
تنظیم بیان ژن در پروکاریوت‌ها
مقدمه
محصول ژن‌ها رنا و پروتئین است. تغییر در فعالیت ژن‌ها بر تولید این محصولات تأثیر می‌گذارد. تنظیم بیان ژن در پروکاریوت‌ها می‌تواند در هر یک از مراحل ساخت رنا و پروتئین تاثیر بگذارد:
تنظیم رونویسی: رایج‌ترین مرحله تنظیم که در آن فعالیت رنابسپاراز کنترل می‌شود.
پایداری رنا: تغییر در طول عمر رنا می‌تواند بیان ژن را تنظیم کند.
پایداری پروتئین: تنظیم طول عمر پروتئین نیز بر فعالیت ژن اثر می‌گذارد.
تنظیم رونویسی در پروکاریوت‌ها
روش‌های تنظیم رونویسی
تنظیم مثبت: عواملی به پیوستن رنابسپاراز به توالی راه‌انداز کمک می‌کنند و رونویسی ژن را تسهیل می‌کنند.
تنظیم منفی: عواملی مانع حرکت رنابسپاراز می‌شوند و از رونویسی ژن جلوگیری می‌کنند.
مراحل تنظیم بیان ژن در پروکاریوت‌ها
مرحله رونویسی: رایج‌ترین مرحله‌ای که در آن تنظیم صورت می‌گیرد.
پایداری رنا: میزان پایداری رنای پیک می‌تواند تأثیر زیادی بر بیان ژن داشته باشد.
پایداری پروتئین: طول عمر و میزان تخریب پروتئین‌ها می‌تواند بر بیان ژن اثر بگذارد.
عوامل محیطی: برخی از شرایط محیطی نظیر حضور مواد مغذی می‌توانند در میزان بیان ژن‌ها تأثیرگذار باشند.
نمونه‌ای از تنظیم رونویسی در پروکاریوت‌ها: باکتری اشرشیاکلای
مصرف گلوکز و لاکتوز:
گلوکز، قند مصرفی ترجیحی در باکتری اشرشیاکلی است.
اگر گلوکز موجود نباشد اما لاکتوز در محیط باشد، باکتری از لاکتوز به عنوان منبع انرژی استفاده کند.
در صورتی که گلوکز و لاکتوز هر دو در محیط باشند، باکتری ابتدا از گلوکز استفاده می‌کند و نه از لاکتوز.
بیان ژن‌های مربوط به تجزیه لاکتوز، زمانی که لاکتوز در محیط موجود باشد و گلوکز نباشد، افزایش می‌یابد.
تنظیم بیان ژن بر اساس حضور یا عدم حضور لاکتوز:
اگر لاکتوز در محیط وجود داشته باشد (و گلوکز نباشد)، باکتری آنزیم‌های تجزیه‌کننده لاکتوز را تولید می‌کند.
اگر لاکتوز موجود نباشد (یا گلوکز در محیط وجود داشته باشد)، تولید آنزیم‌های تجزیه‌کننده لاکتوز متوقف یا کاهش می‌یابد.
تنظیم منفی در مصرف لاکتوز:
رونویسی با چسبیدن رنابسپاراز به راه‌انداز مربوط به ژن شروع می‌شود. حال اگر مانعی بر سر راه رنابسپاراز وجود داشته باشد، رونویسی انجام نمی‌شود. به این نوع تنظیم، تنظیم منفی رونویسی گفته می‌شود.
مانع پیشروی رنابسپاراز نوعی پروتئین به نام مهارکننده است. این پروتئین به توالی خاصی از دنا به نام اپراتور متصل می‌شود و جلوی حرکت رنابسپاراز را می‌گیرد.
در حضور لاکتوز، با اتصال این دی ساکارید به پروتئین مهارکننده، شکل آن را تغییر داده و باعث جدا شدن این پروتئین از توالی اپراتور و همچنین مانع از اتصال آن می‌شود و در نتیجه رنابسپاراز روی دنا شروع به حرکت کرده و ژن‌های لازم برای تجزیه لاکتوز را رونویسی کند.
در غیاب لاکتوز، پروتئین مهارکننده به اپراتور متصل می‌ماند و مانع حرکت رنابسپاراز روی دنا می‌شود، در نتیجه رونویسی انجام نمی‌شود.
در حضور همزمان گلوکز و لاکتوز، باکتری از گلوکز استفاده می‌کند. محصولات این ژن‌ها تجزیه لاکتوز را ممکن می‌سازد.
تنظیم منفی و مثبت رونویسی
تنظیم منفی رونویسی
در برخی موارد، یاخته‌های پروکاریوتی با استفاده از سازوکار تنظیم منفی رونویسی مانع بیان برخی ژن‌ها می‌شوند. این تنظیم زمانی رخ می‌دهد که نوعی پروتئین به نام مهارکننده بر سر راه رنابسپاراز قرار گرفته و از انجام رونویسی جلوگیری کند.
سازوکار تنظیم منفی رونویسی
نقش مهارکننده:
مهارکننده نوعی پروتئین تنظیمی است که به دنا متصل می‌شود و مانع از بیان ژن می‌شود.
مهارکننده به توالی خاصی از دنا به نام اپراتور متصل شده و حرکت رنابسپاراز را متوقف می‌کند.
اپراتور:
اپراتور توالی خاصی از دنا است که بین راه‌انداز و ژن‌های هدف قرار دارد.
در تنظیم منفی رونویسی، مهارکننده در حالت طبیعی به اپراتور متصل می‌شود و مانع از حرکت رنابسپاراز می‌گردد.
اجزای اصلی در تنظیم منفی رونویسی
جزء | ماهیت | نقش | محل اتصال |
مهارکننده | پروتئین تنظیمی | مانع بیان ژن | اپراتور |
اپراتور | توالی خاصی از دنا | جایگاه اتصال مهارکننده | بین راه‌انداز و ژن‌های هدف |
رنابسپاراز | آنزیم | انجام رونویسی | راه‌انداز |
نمونه‌ای از تنظیم منفی رونویسی
تنظیم منفی بیان ژن‌های تجزیه لاکتوز در باکتری اشرشیاکلای:
در غیاب لاکتوز (شکل ۱۶- الف)
مهارکننده به اپراتور متصل می‌شود و مانع از حرکت رنابسپاراز می‌گردد.
در این شرایط، ژن‌های مربوط به تجزیه لاکتوز خاموش هستند.
در حضور لاکتوز (شکل ۱۶- ب)
لاکتوز وارد باکتری شده و به مهارکننده متصل می‌شود.
اتصال لاکتوز باعث تغییر شکل مهارکننده شده و دیگر امکان اتصال آن به اپراتور وجود ندارد.
در این حالت، رنابسپاراز می‌تواند روی ژن‌های هدف رونویسی انجام دهد.
شکل 16 - الف) عدم رونویسی ژن‌ها در غیاب لاکتوز، ب) رونویسی ژن‌ها در حضور لاکتوز
نتیجه
در حضور لاکتوز: لاکتوز به مهارکننده متصل شده، آن را غیرفعال می‌کند و ژن‌های تجزیه لاکتوز بیان می‌شوند.
در غیاب لاکتوز: مهارکننده فعال باقی می‌ماند و با متصل شدن به اپراتور، بیان ژن‌های تجزیه‌کننده لاکتوز را متوقف می‌کند.
در حضور همزمان لاکتوز و گلوکز: باکتری ترجیح می‌دهد ابتدا از گلوکز استفاده کند و مسیر تجزیه لاکتوز را غیرفعال نگه دارد.
تنظیم منفی بیان ژن‌های تجزیه لاکتوز در شرایط مختلف
شرایط | وضعیت مهارکننده | اتصال مهارکننده به اپراتور | بیان ژن‌های تجزیه لاکتوز |
غیاب لاکتوز | فعال | بله | خاموش |
حضور لاکتوز و عدم حضور گلوکز | غیرفعال | خیر | بیان می‌شوند |
حضور لاکتوز و گلوکز | غیرفعال | خیر | غیرفعال (ترجیح گلوکز) |
تنظیم مثبت رونویسی
تنظیم مثبت رونویسی فرآیندی است که در آن پروتئین‌های فعال‌کننده به رنابسپاراز کمک می‌کنند تا به راه‌انداز متصل شود و رونویسی آغاز شود. این نوع تنظیم به جاندار کمک می‌کند تا در شرایط مناسب، ژن‌های موردنیاز را بیان کند.
اگر در محیط باکتری، قند مالتوز وجود داشته باشد، درون باکتری آنزیم‌هایی ساخته می‌شود که در تجزیۀ آن دخالت دارند.
سازوکار تنظیم مثبت رونویسی
نقش پروتئین فعال‌کننده:
انواعی از پروتئین که برای اتصال به دنا نیاز به فعال شدن دارد.
این پروتئین پس از اتصال قند مالتوز به آن، تغییر شکل داده و به جایگاه اتصال فعال‌کننده متصل می‌شود.
اتصال آن باعث هدایت رنابسپاراز به راه‌انداز شده و رونویسی را تسهیل می‌کند.
جایگاه اتصال فعال‌کننده:
توالی خاصی از دنا است که با فاصله‌ای از ژن‌های هدف قرار دارد.
در صورت اتصال پروتئین فعال‌کننده، رنابسپاراز می‌تواند به راه‌انداز متصل شود و رونویسی را آغاز کند.
اجزای اصلی در تنظیم مثبت رونویسی
جزء | ماهیت | نقش | نحوه فعال شدن | مکان اتصال |
پروتئین فعال‌کننده | پروتئین تنظیمی | کمک به رنابسپاراز برای اتصال به راه‌انداز | اتصال مالتوز به آن | جایگاه اتصال فعال‌کننده |
جایگاه اتصال فعال‌کننده | توالی خاصی از دنا | محل اتصال پروتئین فعال‌کننده | - | با فاصله از ژن‌های هدف |
رنابسپاراز | آنزیم | آغاز رونویسی | - | راه‌انداز |
نمونه‌ای از تنظیم مثبت رونویسی
تنظیم مثبت بیان ژن‌های تجزیه مالتوز در باکتری اشرشیاکلای:
در حضور مالتوز (شکل 17 - الف و ب)
مالتوز وارد باکتری شده و به پروتئین فعال‌کننده متصل می‌شود.
اتصال مالتوز باعث تغییر شکل پروتئین فعال‌کننده شده و آن را قادر می‌سازد که به جایگاه اتصال فعال‌کننده متصل شود.
پروتئین فعال‌شده با قرارگیری در جایگاه خود، مسیر اتصال آنزیم رنابسپاراز به ناحیه آغازگر را تسهیل کرده و آغاز رونویسی را ممکن می‌سازد.
در غیاب مالتوز
در نبود مالتوز، پروتئین فعال‌کننده در وضعیت غیرفعال باقی می‌ماند و نمی‌تواند به دنا متصل شود.
در نتیجه، رنابسپاراز نمی‌تواند به راه‌انداز متصل شود و رونویسی را شروع کند.
آنزیم‌های تجزیه‌کننده مالتوز ساخته نمی‌شوند، زیرا باکتری نیازی به آن‌ها ندارد.
شکل 17 - تنظیم مثبت رونویسی ژن‌های موثر در تجزیه مالتوز: الف) عدم رونویسی
شکل 17 - تنظیم مثبت رونویسی ژن‌های موثر در تجزیه مالتوز: ب) انجام رونویسی
تنظیم مثبت بیان ژن‌های تجزیه مالتوز در شرایط مختلف
شرایط | وضعیت پروتئین فعال‌کننده | اتصال پروتئین فعال‌کننده | اتصال رنابسپاراز به راه‌انداز | رونویسی ژن‌ها |
حضور مالتوز | فعال | بله | تسهیل شده | آغاز می‌شود. |
غیاب مالتوز | غیرفعال | خیر | نمی‌تواند متصل شود. | آغاز نمی‌شود. |
مقایسه جامع تنظیم منفی و مثبت رونویسی
نوع تنظیم | تنظیم منفی رونویسی | تنظیم مثبت رونویسی |
پروتئین تنظیمی | مهارکننده | فعال‌کننده |
عملکرد پروتئین تنظیمی | متصل شدن به دنا و ممانعت از رونویسی | اتصال به دنا و کمک به رنابسپاراز |
نیاز به قند (دی‌ساکارید) | برای جدا شدن از دنا | برای متصل شدن به دنا |
قند متصل‌شونده | لاکتوز | مالتوز |
محل اتصال پروتئین تنظیمی به دنا | اپراتور | جایگاه اتصال فعال‌کننده |
اثر اتصال قند | مهارکننده را غیرفعال می‌کند و باعث رونویسی می‌شود. | فعال‌کننده را فعال کرده و باعث رونویسی می‌شود. |
مراحل بیان ژن‌های تجزیه مالتوز
با ورود مالتوز، این قند به پروتئین خاصی موسوم به فعال‌کننده متصل می‌شود.
پروتئین فعال‌کننده تغییر شکل داده و به جایگاه اتصال فعال‌کننده متصل می‌شود.
فعال‌کننده به رنابسپاراز کمک می‌کند تا به راه‌انداز متصل شود.
رنابسپاراز پس از اتصال به راه‌انداز، رونویسی را آغاز می‌کند.
تنظیم بیان ژن در یوکاریوت‌ها
پیچیدگی تنظیم بیان ژن در یوکاریوت‌ها
تنظیم بیان ژن در یوکاریوت‌ها پیچیده‌تر از پروکاریوت‌ها است و می‌تواند در مراحل مختلفی انجام شود.
بیشتر ژن‌های یوکاریوتی در هسته و برخی در راکیزه‌ها (میتوکندری) و دیسه‌ها (پلاست‌ها) قرار دارند.
به دلیل وجود غشاهای درون‌یاخته‌ای، مواد باید از این غشاها عبور کنند تا بتوانند ژن‌ها را تحت تأثیر قرار دهند.
در یوکاریوت‌ها، تنظیم بیان ژن می‌تواند در مراحل مختلفی انجام شود، درحالی‌که در پروکاریوت‌ها معمولاً تنظیم بیان در مرحله رونویسی انجام می‌شود.
گوناگونی مراحل تنظیم بیان ژن در یوکاریوت‌ها بیشتر است و ممکن است در چندین سطح، شامل رونویسی، پایداری رنا و تنظیم ترجمه، انجام شود.
شکل 18 - تنظیم بیان ژن در یوکاریوت‌ها