عنصر فك الحمض النووي

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
فك الحمض النووي عند نهاية الحمض النووي، مما يسمح بتكوين شوكة التضاعف لحدوث تضاعف الحمض النووي.

عنصر فك اللولب المزدوج للحمض النووي ( DUE أو DNAUE ) هو موقع بدء فتح بنية اللولب المزدوج للحمض النووي عند منشأ التضاعف لتخليق الحمض النووي . [ 1 ] وهو غني بالأدينين والثايمين (AT) ويتفكك بسهولة بسبب انخفاض استقراره الحلزوني، [ 2 ] مما يسمح لمركب التعرف على المنشأ بالتعرف على المنطقة أحادية السلسلة .

توجد عناصر فك التفاف الحمض النووي (DUEs) في كل من الكائنات بدائية النواة وحقيقية النواة ، ولكن اكتُشفت لأول مرة في مواقع بدء التضاعف في الخميرة والبكتيريا على يد د. كوالسكي وإم جيه إيدي. [ 1 ] يسمح فك التفاف الحمض النووي بوصول آلية التضاعف إلى الخيوط المفردة حديثًا. [ 1 ] في حقيقيات النوى، تُعد عناصر فك التفاف الحمض النووي (DUEs ) موقع ارتباط بروتينات ربط عنصر فك التفاف الحمض النووي (DUE-B) اللازمة لبدء التضاعف. [ 3 ] في بدائيات النوى، توجد عناصر فك التفاف الحمض النووي (DUEs) على شكل تسلسلات توافقية متتالية تُحيط بالنهاية 5' لنطاق ارتباط DnaA. [ 2 ] تحدث عملية فك الالتفاف عند هذه العناصر الغنية بالأدينين والثايمين حتى في غياب أي بروتينات ربط بموقع بدء التضاعف، وذلك بسبب قوى الالتفاف الفائق السالبة ، مما يجعلها عملية مواتية من الناحية الطاقية. [ 2 ] توجد عناصر فك التفاف الحمض النووي (DUEs) عادةً على امتداد 30-100 زوج قاعدي من مواقع بدء التضاعف. [ 4 ] [ 5 ]

وظيفة

يُتيح فكّ اللولب المزدوج (DUE) تحديدًا تجميع مُركّب بدء التضاعف في موقع التضاعف على الحمض النووي أحادي السلسلة. وبذلك، يصبح إنزيم فكّ اللولب والإنزيمات المرتبطة به قادرًا على الارتباط بالمنطقة المفكوكة، مما يُنشئ بداية شوكة التضاعف . يرتبط فكّ لولب هذه المنطقة المزدوجة بانخفاض متطلبات الطاقة الحرة، نظرًا لعدم استقرار اللولب الناتج عن تفاعلات تكديس القواعد المحددة، بالإضافة إلى الالتفاف الفائق المُعاكس. [ 4 ] [ 6 ] يسمح الالتفاف الفائق السالب للحمض النووي بالاستقرار عند الانصهار، مدفوعًا بانخفاض الإجهاد الالتوائي. [ 5 ] يوجد هذا في مواقع بدء التضاعف لكل من البكتيريا والخميرة، كما يوجد في بعض الثدييات. [ 5 ] يتراوح طوله بين 30 و100 زوج قاعدي. [ 4 ] [ 5 ]

بدائيات النوى

في بدائيات النوى، يحدث تضاعف الحمض النووي في أغلب الأحيان من منشأ تضاعف واحد على شريط واحد من تسلسل الحمض النووي. وسواء كان هذا الجينوم خطيًا أو دائريًا، فإن البكتيريا تمتلك آلياتها الخاصة اللازمة لحدوث التضاعف. [ 7 ]

عملية

في البكتيريا، يُعدّ بروتين DnaA مُحفّزًا لعملية تضاعف الحمض النووي. [ 8 ] يرتبط هذا البروتين بمنطقة بدء التضاعف oriC عند تسلسل صندوق DnaA، حيث يُشكّل خيوطًا لفتح اللولب المزدوج واستقطاب إنزيم DnaB الحلزوني بمساعدة DnaC . يتميز DnaA بدرجة عالية من الحفظ، ويحتوي على نطاقين لربط الحمض النووي. قبل صندوق DnaA مباشرةً، توجد ثلاثة تسلسلات متتالية من 13 نيوكليوتيدًا. تُسمى هذه التسلسلات المتتالية L وM وR من الطرف 5' إلى الطرف 3'، وهي مناطق فك اللولب المزدوج البكتيرية (DUEs). ينفك اثنان من هذه المناطق الغنية بالأدينين والثايمين (M وR) عند ارتباط DnaA بصندوق DnaA، نظرًا لقربهما من اللولب المزدوج القابل للفك. أما التسلسل الأخير L، وهو الأبعد عن صندوق DnaA، فينفك في النهاية عند إحاطة إنزيم DnaB الحلزوني به. يُشكّل هذا فقاعة تضاعف تسمح باستمرار عملية تضاعف الحمض النووي. [ 2 ]

تستخدم العتائق نظيراً أبسط لمركب التعرف على الأصل في حقيقيات النوى للعثور على أصل التضاعف، في تسلسلات تسمى صندوق التعرف على الأصل (ORB). [ 9 ]

الملاءمة

يُعدّ فكّ هذه المواقع الثلاثة (DUEs) خطوةً ضروريةً لبدء تضاعف الحمض النووي. ويؤدي السحب البعيد الناتج عن ذوبان اللولب المزدوج عند تسلسل صندوق DnaA إلى مزيد من الذوبان عند موقعي M وR. ثمّ يتمّ فكّ الموقع L الأبعد عن طريق ارتباط DnaB. ولا يعتمد فكّ هذه المواقع المكونة من 13 نيوكليوتيدًا على البروتينات المرتبطة بـ oriC، بل إنّ توليد الالتفاف الفائق السالب هو ما يُسبّب فكّها. [ 2 ]

تمت مقارنة معدلات فك الحمض النووي في ثلاثة أنواع من إنزيمات فك الحمض النووي في بكتيريا الإشريكية القولونية تجريبياً باستخدام مطيافية الرنين النووي. في الظروف الفيزيولوجية، اختلفت كفاءة فتح كل تسلسل من التسلسلات الغنية بالأدينين والثايمين عن بعضها البعض، ويعود ذلك بشكل كبير إلى اختلاف التسلسلات المحيطة بها. [ 2 ]

بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن انصهار أزواج قواعد AT/TA أسرع بكثير من انصهار أزواج قواعد GC/CG (15-240 ثانية⁻¹ مقابل ~20 ثانية⁻¹ ) . وهذا يدعم فكرة أن تسلسلات AT تحظى بتفضيل تطوري في عناصر DUE نظرًا لسهولة فكها. [ 2 ]

تسلسل توافقي

تُعدّ التسلسلات الثلاثة المكونة من 13 قاعدة، والتي تم تحديدها كعناصر DUEs في بكتيريا الإشريكية القولونية ، محفوظةً جيدًا في منشأ التضاعف لجميع البكتيريا المعوية الموثقة . وقد تم التوصل إلى تسلسل توافقي عام من خلال مقارنة البكتيريا المحفوظة لتكوين تسلسل مكون من 11 قاعدة، وهو GATCTnTTnTTTT . تحتوي بكتيريا الإشريكية القولونية على 9 قواعد من التسلسل التوافقي المكون من 11 قاعدة في موقع oriC الخاص بها، ضمن التسلسلات المكونة من 13 قاعدة. توجد هذه التسلسلات حصريًا في منشأ التضاعف الوحيد؛ ولا توجد في أي مكان آخر ضمن تسلسل الجينوم. [ 2 ]

حقيقيات النوى

تعمل آليات تضاعف الحمض النووي في حقيقيات النوى بطرق مشابهة نسبيًا لتلك الموجودة في بدائيات النوى، ولكنها تخضع لتنظيم أكثر دقة. [ 10 ] ثمة حاجة لضمان تضاعف كل جزيء من الحمض النووي مرة واحدة فقط، وأن يحدث ذلك في الموقع والوقت المناسبين . [ 7 ] تعمل هذه الآليات استجابةً لإشارات خارج الخلية تُنسق بدء الانقسام، وتختلف هذه الآلية من نسيج لآخر. تُحفز الإشارات الخارجية التضاعف في طور S عبر إنتاج السيكلينات التي تُنشط الكينازات المعتمدة على السيكلين (CDK) لتكوين مُركبات. [ 10 ]

تبدأ عملية تضاعف الحمض النووي في حقيقيات النوى عند ارتباط مُركَّب التعرُّف على الأصل (ORC) بموقع الأصل. يحدث هذا في طور G1 من دورة الخلية ، مما يدفع دورة الخلية إلى الأمام نحو طور S. يسمح هذا الارتباط بارتباط عوامل أخرى لتكوين مُركَّب ما قبل التضاعف (pre-RC). يُحفَّز مُركَّب ما قبل التضاعف (pre-RC) لبدء التضاعف عند ارتباط كينازات السيكلين المعتمدة (CDK) وكينازات Dbf4 المعتمدة (DDK) به. تسمح مُركَّبات البدء بعد ذلك باستقطاب مُنشِّط إنزيم الهيليكاز MCM، Cdc45، وما يتبعه من فك اللولب المزدوج عند موقع الأصل. [ 10 ] [ 11 ]

تبدأ عملية التضاعف في حقيقيات النوى من مواقع متعددة على التسلسل، مما يؤدي إلى تكوين شوكات تضاعف متعددة في وقت واحد. هذه الكفاءة ضرورية مع الجينومات الكبيرة التي تحتاج إلى التضاعف. [ 10 ]

في حقيقيات النوى، قد تُعقّد بنى النيوكليوسومات عملية بدء التضاعف. [ 4 ] إذ يُمكنها أن تمنع وصول DUE-B إلى DUE، وبالتالي تثبيط بدء النسخ. [ 4 ] كما يُمكن أن تُؤثر على معدل النسخ. مع ذلك، فإن الطبيعة الخطية للحمض النووي في حقيقيات النوى، مقارنةً بالحمض النووي الدائري في بدائيات النوى، تُسهّل فكّ اللولب المزدوج بمجرد فكّه بشكل صحيح من النيوكليوسوم. [ 4 ] يُمكن تعديل نشاط DUE بواسطة عوامل النسخ مثل ABF1. [ 4 ]

خميرة

يُعدّ Saccharomyces cerevisiae نموذجًا شائعًا لدراسة تضاعف الحمض النووي في حقيقيات النوى، حيث يُمثّل هذا النموذج عملية التضاعف في حقيقيات النوى بدقة. [ 12 ] يمتلك هذا النموذج تسلسلات تضاعف ذاتية (ARSs) يتم تحويلها والحفاظ عليها جيدًا داخل البلازميد . وقد لوحظ أن بعض هذه التسلسلات تعمل كمواقع بدء للتضاعف. تتكون هذه التسلسلات من ثلاثة نطاقات: A وB وC. يحتوي النطاق A على تسلسل التضاعف المتفق عليه [ 5 ] ، والذي يُطلق عليه اسم ACS. يحتوي النطاق B على DUE. أما النطاق C، فهو ضروري لتسهيل التفاعلات بين البروتينات . [ 12 ] تتوزع تسلسلات التضاعف الذاتية على 16 كروموسومًا، وتتكرر كل 30-40 كيلوبايت. [ 12 ]

تختلف تسلسلات ARS هذه بين الأنواع، لكن نطاقاتها A وB وC محفوظة جيدًا. [ 12 ] أي تغييرات في نطاق DUE (النطاق B) تؤدي إلى انخفاض الوظيفة العامة لـ ARS ككل في بدء التضاعف. وقد تم التوصل إلى ذلك من خلال دراسات باستخدام تبادل الإيمينو وطيف الرنين النووي المغناطيسي . [ 2 ]

الثدييات

تم العثور على عناصر DUEs في بعض مواقع بدء تضاعف الحمض النووي لدى الثدييات حتى الآن. وبشكل عام، لم يتم تحليل سوى عدد قليل جدًا من مواقع بدء تضاعف الحمض النووي لدى الثدييات بشكل جيد، مما يجعل من الصعب تحديد مدى انتشار عناصر DUEs في مواقع بدء التضاعف المحددة لها. [ 5 ]

لا تزال المعلومات المتوفرة عن أصول الخلايا البشرية شحيحة للغاية. [ 5 ] من المعروف أن عملية التضاعف تبدأ في مناطق بدء واسعة، مرتبطة ببروتينات معروفة مثل جين c-myc وجين بيتا غلوبين . يُعتقد أن الخلايا التي تحتوي على وحدات DUEs تعمل بطريقة مشابهة تقريبًا لخلايا الخميرة. [ 5 ]

تم اكتشاف أن DUE في أصل البلازميدات في خلايا الثدييات، SV40 ، مرتبط بسداسي T-ag، الذي يُدخل التفافًا فائقًا معاكسًا لزيادة تفضيل فك السلسلة. [ 4 ]

أظهرت الثدييات التي تمتلك وحدات DUEs أدلة على قدرات تكوين هياكل توفر استقرارًا أحادي السلسلة للحمض النووي غير الملتف. وتشمل هذه الهياكل الصليبية ، والثلاثيات الجزيئية الداخلية، وغيرها. [ 5 ]

البروتينات الرابطة لـ DUE

توجد بروتينات عنصر فك الحمض النووي (DUE-Bs) في حقيقيات النوى. [ 3 ]

تعمل هذه البروتينات على بدء فصل السلاسل عن طريق الارتباط بـ DUE. [ 3 ] توجد نظائر تسلسل DUE-B لدى أنواع حيوانية متنوعة - الأسماك والبرمائيات والقوارض. [ 3 ] تمتلك بروتينات DUE-B نطاقات طرفية كربونية غير منتظمة ترتبط بـ DUE عن طريق التعرف على هذا الطرف الكربوكسيلي . [ 3 ] لا توجد خصوصية تسلسلية أخرى متضمنة في هذا التفاعل. [ 3 ] تم تأكيد ذلك عن طريق إحداث طفرات على طول تسلسل DUE-B، ولكن في جميع الحالات ظلت قدرات التضاعف سليمة. [ 3 ] عند ارتباطها بالحمض النووي، يصبح الطرف الكربوكسيلي منتظمًا، مما يمنحها استقرارًا أكبر ضد التحلل بواسطة البروتياز . [ 3 ] تتكون بروتينات DUE-B من 209 بقايا في المجموع، 58 منها غير منتظمة حتى ترتبط بـ DUE. [ 3 ] تقوم بروتينات DUE-B بتحليل ATP لكي تعمل. [ 3 ] تمتلك أيضًا تسلسلًا مشابهًا لإنزيم أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز ، وقد صُنفت سابقًا على هذا النحو. [ 13 ] تُشكل إنزيمات DUE-B ثنائيات متجانسة تُكوّن بنية ثانوية من الصفائح بيتا الممتدة عبرها. [ 3 ] يتحد اثنان من هذه الثنائيات المتجانسة لتشكيل بنية DUE-B غير المتناظرة الكلية. [ 3 ]

أثناء تكوين معقد ما قبل التضاعف (pre-RC)، يتمركز بروتين Cdc45 في وحدة الحمض النووي المزدوجة (DUE) ليؤدي وظيفته من خلال التفاعل مع وحدة الحمض النووي المزدوجة المرتبطة بها (DUE-B). [ 11 ] مما يسمح بفك اللولب المزدوج وبدء عملية التضاعف. [ 11 ]

في البشر، يزيد طول بروتينات DUE-B بمقدار 60 حمضًا أمينيًا عن نظيراتها في الخميرة . [ 13 ] ويتمركز كلا البروتينين بشكل رئيسي في النواة. [ 13 ]

تبقى مستويات DUE-B ثابتة بغض النظر عن دورة الخلية. [ 13 ] مع ذلك، في طور S ، يمكن فسفرة DUE-B مؤقتًا لمنع التضاعف المبكر. [ 13 ] يتم التحكم في نشاط DUE-B تساهميًا. [ 13 ] يعتمد تجميع هذه البروتينات DUE-B في مناطق DUE على نشاط الكيناز والفوسفاتاز الموضعي . [ 13 ] يمكن أيضًا تثبيط DUE-B بواسطة siRNAs ، وقد ثبت تورطها في مراحل G1 الممتدة . [ 13 ]

الآثار المترتبة على الطفرات

تُعيق الطفرات التي تُضعف عملية فك الالتفاف في مواقع DUE نشاط تضاعف الحمض النووي بشكل مباشر. [ 14 ] قد يكون هذا نتيجةً لحذف/تغييرات في منطقة DUE، أو إضافة كواشف تفاعلية، أو إضافة نوكلياز مُحدد . [ 4 ] مع ذلك ، تُعد مواقع DUE غير حساسة نسبيًا للطفرات النقطية ، إذ تحافظ على نشاطها عند تغيير القواعد في مواقع ارتباط البروتين. [ 4 ] في كثير من الحالات، يُمكن استعادة نشاط DUE جزئيًا عن طريق رفع درجة الحرارة. [ 4 ] كما يُمكن استعادته أيضًا عن طريق إعادة إضافة موقع DUE. [ 3 ]

إذا حدثت طفرة شديدة في جين DUE تمنعه ​​من الارتباط بـ DUE-B، فلن يتمكن Cdc45 من الارتباط بعامل النسخ c-myc. ويمكن استعادة هذا الارتباط من خلال تمددات طولية (ATTCT)(n) في تسلسل DUE المرتبطة بالمرض. وإذا استُعيد نشاط DUE بشكل مفرط، فقد يؤدي ذلك إلى خلل في تكوين منشأ التضاعف وتقدم دورة الخلية. [ 11 ]

في حقيقيات النوى، عند تعطيل جينات DUE-B، لا تدخل الخلية في طور S من دورة حياتها، حيث يحدث تضاعف الحمض النووي. وينتج عن ذلك زيادة في موت الخلايا المبرمج. [ 3 ] ولكن، يمكن استعادة نشاط هذه الجينات بإعادة إضافة جينات DUE-B، حتى من نوع مختلف. وذلك لأن جينات DUE-B متماثلة بين الأنواع. [ 3 ] على سبيل المثال، إذا طُفرت جينات DUE-B في بيضة الضفدع الأفريقي (Xenopus) ، فلن يحدث تضاعف للحمض النووي، ولكن يمكن استعادة وظيفتها الكاملة بإضافة جينات DUE-B من خلايا HeLa . [ 3 ]

مراجع

  1. 1 2 3 كوالسكي د، إيدي إم جيه (ديسمبر 1989). "عنصر فك التفاف الحمض النووي: مكون جديد يعمل في نفس الموقع ويسهل فتح منشأ تضاعف الإشريكية القولونية" . مجلة EMBO . 8 (13): 4335-44 . doi : 10.1002/j.1460-2075.1989.tb08620.x . PMC 401646. PMID 2556269 .  
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 كومن د، روسو إم (مايو 2005). "فتح أزواج القواعد في ثلاثة عناصر لفك التفاف الحمض النووي" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 280 (21): 20216-2021 . doi : 10.1074/jbc.M502773200 . PMID 15784615 . 
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 كيمب م، باي ب، يو جيه بي، غوش م، ليفاك م، ناير إس كيه (أبريل 2007). " بنية ووظيفة بروتين DUE-B الرابط لعنصر فك التفاف الحمض النووي c-myc" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 282 (14): 10441-10448 . doi : 10.1074/jbc.M609632200 . PMID 17264083 . 
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 ديبامفيليس، إم. إل. (1993). "تضاعف الحمض النووي في حقيقيات النوى: تشريح الأصل". المراجعة السنوية للكيمياء الحيوية . 62 (1): 29-63 . doi : 10.1146/annurev.bi.62.070193.000333 . PMID 8352592 . 
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 بوتامان، في. إن.، بيتلوس، إم. جيه.، هاشم، في. آي.، بيسلر، جيه. جيه.، ليفاك، إم.، سيندن، آر. آر. (2006). ويلز، آر. دي.، أشيزاوا، تي. (محرران). عدم الاستقرار الجيني والأمراض العصبية (الطبعة الثانية ). بيرلينجتون: أكاديميك برس. الصفحات 447-460 . doi : 10.1016/B978-012369462-1/50031-4 . ISBN   9780123694621.
  6. ↑ ناتالي، د. أ.، وشوبرت، أ. إ.، وكوالسكي، د. (أبريل 1992). "استقرار البنية الحلزونية للحمض النووي يفسر العيوب الطفرية في منشأ تضاعف الخميرة" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 89 (7): 2654-2658 . Bibcode : 1992PNAS...89.2654N . doi : 10.1073/pnas.89.7.2654 . PMC 48720. PMID 1557369 .  
  7. 1 2 زيسكيند، جيه دبليو، وسميث، دي دبليو (2001). برينر، إس، وميلر، جيه إتش (محرران). موسوعة علم الوراثة . نيويورك: أكاديميك برس. ص 1381-1387 . doi : 10.1006/rwgn.2001.0938 . ISBN  9780122270802.
  8. ↑ شودافارابو إس، كاجوني جيه إم (2016-01-01). "بدء التضاعف في البكتيريا". في كاجوني إل إس، أوليفيرا إم تي (محرران). الإنزيمات . تضاعف الحمض النووي عبر التصنيفات. المجلد 39. دار النشر الأكاديمية. الصفحات 1-30 . doi : 10.1016/bs.enz.2016.03.001 . ISBN   9780128047354. PMC 5551690 . PMID 27241926 .  
  9. ↑ بيل إس دي (2012). "بروتينات Orc1/Cdc6 في العتائق". مُتَكَثِّف التضاعف في حقيقيات النوى: دليل لبنية البروتين ووظيفته . الكيمياء الحيوية دون الخلوية. المجلد 62. الصفحات 59-69 . doi : 10.1007/978-94-007-4572-8_4 . ISBN   978-94-007-4571-1PMID 22918580​​ 
  10. 1 2 3 4 بهاجافان، إن في؛ ها، تشونغ-يون (2015). أساسيات الكيمياء الحيوية الطبية ( الطبعة الثانية). سان دييغو: أكاديميك برس. الصفحات 401-417 . ISBN   9780124166875.
  11. 1 2 3 4 تشودري أ، ليو ج، كيمب م، تشين إكس، كاترانجي ن، مايرز س، غوش م، ياو ج، غاو ي، بوبوليا ب، ليفاك م (مارس 2010). "يتفاعل البروتين الرابط لعنصر فك الحمض النووي DUE-B مع Cdc45 في تكوين معقد ما قبل البدء" . علم الأحياء الجزيئي والخلوي . 30 (6): 1495-1507 . doi : 10.1128/MCB.00710-09 . PMC 2832489. PMID 20065034 .  
  12. 1 2 3 4 دار إم كيه، سهغال إس، كاول إس (مايو 2012). "بنية وكفاءة تضاعف وهشاشة عناصر ARS في الخميرة". بحث في علم الأحياء الدقيقة . 163 (4): 243-253 . doi : 10.1016/j.resmic.2012.03.003 . PMID 22504206 . 
  13. 1 2 3 4 5 6 7 8 كاسبر جيه إم، كيمب إم جي، غوش إم، راندال جي إم، فايان إيه، ليفاك إم (أبريل 2005). "بروتين ربط عنصر فك الحمض النووي c-myc يُعدِّل تجميع مُركَّبات تضاعف الحمض النووي في المختبر" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 280 (13): 13071-83 . doi : 10.1074/jbc.M404754200 . PMID 15653697 . 
  14. ↑ أوميك آر إم، كوالسكي دي (نوفمبر 1990). "عنصر فك التفاف الحمض النووي في منشأ تضاعف الخميرة يعمل بشكل مستقل عن التسلسلات سهلة الفك الموجودة في أماكن أخرى على البلازميد" . أبحاث الأحماض النووية . 18 (22): 6601-5 . doi : 10.1093/nar/18.22.6601 . PMC 332616. PMID 2174542 .