إعادة ترتيب إكسون

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

إعادة ترتيب الإكسونات هي آلية جزيئية لتكوين جينات جديدة. وهي عملية يتم من خلالها دمج إكسونين أو أكثر من جينات مختلفة بشكل غير طبيعي ، أو تكرار الإكسون نفسه ، لتكوين بنية جديدة من الإكسونات والإنترونات. [ 1 ] توجد آليات مختلفة لحدوث إعادة ترتيب الإكسونات، منها: إعادة ترتيب الإكسونات بوساطة العناصر المتحركة، والعبور الجيني أثناء إعادة التركيب الجنسي للجينومات الأبوية، وإعادة التركيب غير الشرعي .

تخضع عملية إعادة ترتيب الإكسونات لقواعد محددة في إطار الربط. يمكن للإنترونات أن تقاطع إطار قراءة الجين بإدخال تسلسل بين كودونين متتاليين (إنترونات الطور 0)، أو بين النيوكليوتيد الأول والثاني من الكودون (إنترونات الطور 1)، أو بين النيوكليوتيد الثاني والثالث من الكودون (إنترونات الطور 2). بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيف الإكسونات إلى تسع مجموعات مختلفة بناءً على طور الإنترونات المحيطة بها (متناظرة: 0-0، 1-1، 2-2، وغير متناظرة: 0-1، 0-2، 1-0، 1-2، إلخ). الإكسونات المتناظرة هي الوحيدة التي يمكن إدخالها في الإنترونات، أو تكرارها، أو حذفها دون تغيير إطار القراءة. [ 2 ]

تاريخ

طُرح مفهوم إعادة ترتيب الإكسونات لأول مرة عام 1978 عندما اكتشف والتر جيلبرت أن وجود الإنترونات قد يلعب دورًا رئيسيًا في تطور البروتينات. [ 3 ] لوحظ أن إعادة التركيب داخل الإنترونات قد يساعد في فرز الإكسونات بشكل مستقل، وأن القطع المتكررة في منتصف الإنترونات قد تُنشئ نقاطًا ساخنة لإعادة التركيب لإعادة ترتيب تسلسل الإكسونات. مع ذلك، أثار وجود هذه الإنترونات في حقيقيات النوى وغيابها في بدائيات النوى جدلًا حول وقت ظهورها. ظهرت نظريتان: نظرية "ظهور الإنترونات مبكرًا" ونظرية "ظهور الإنترونات متأخرًا". اعتقد مؤيدو نظرية "ظهور الإنترونات مبكرًا" أن الإنترونات وتضفير الحمض النووي الريبوزي (RNA ) من بقايا عالم الحمض النووي الريبوزي ، وبالتالي فإن كلًا من بدائيات النوى وحقيقيات النوى احتوت على الإنترونات في البداية. مع ذلك، تخلصت بدائيات النوى من الإنترونات لتحقيق كفاءة أعلى، بينما احتفظت حقيقيات النوى بالإنترونات والمرونة الجينية لأسلافها. من جهة أخرى، يعتقد مؤيدو نظرية "الإنترونات المتأخرة" أن جينات بدائيات النوى تشبه جينات الأسلاف، وأن الإنترونات أُدخلت لاحقًا في جينات حقيقيات النوى. والواضح الآن أن بنية الإكسون-إنترون في حقيقيات النوى ليست ثابتة، فالإنترونات تُضاف وتُزال باستمرار من الجينات، ويتطور الإنترون بالتوازي مع إعادة ترتيب الإكسونات.

لكي يبدأ إعادة ترتيب الإكسونات بلعب دور محوري في تطور البروتينات، كان لا بد من ظهور الإنترونات الخاصة بالجسيمات الرابطة. ويعود ذلك إلى أن الإنترونات ذاتية الربط في عالم الحمض النووي الريبوزي (RNA) لم تكن مناسبة لإعادة ترتيب الإكسونات عبر إعادة التركيب الإنتروني. إذ كانت لهذه الإنترونات وظيفة أساسية، وبالتالي لم يكن من الممكن إعادة تركيبها. إضافةً إلى ذلك، توجد أدلة قوية على أن الإنترونات الخاصة بالجسيمات الرابطة قد تطورت حديثًا نسبيًا، وأن توزيعها التطوري محدود. لذلك، أصبح إعادة ترتيب الإكسونات عاملًا رئيسيًا في بناء البروتينات الحديثة.

علاوة على ذلك، ولتحديد الوقت الذي أصبح فيه إعادة ترتيب الإكسونات ذا أهمية في حقيقيات النوى بدقة أكبر، تم فحص التوزيع التطوري للبروتينات التركيبية التي تطورت عبر هذه الآلية في كائنات حية مختلفة مثل الإشريكية القولونية ، والخميرة ، ونبات الرشاد . أشارت هذه الدراسات إلى وجود علاقة عكسية بين كثافة الجينوم ونسبة التسلسلات المتكررة والإنترونات، وأن إعادة ترتيب الإكسونات أصبحت ذات أهمية بعد تشعب الحيوانات. [ 4 ]

الآليات

العبور أثناء إعادة التركيب الجنسي للجينومات الأبوية

يتم التوسط في تطور حقيقيات النوى عن طريق إعادة التركيب الجنسي للجينومات الأبوية، ونظرًا لأن الإنترونات أطول من الإكسونات، فإن معظم عمليات العبور تحدث في المناطق غير المشفرة. تحتوي هذه الإنترونات على أعداد كبيرة من العناصر القابلة للنقل وتسلسلات متكررة تعزز إعادة تركيب الجينات غير المتجانسة. بالإضافة إلى ذلك، فقد ثبت أيضًا أن البروتينات الفسيفسائية تتكون من نطاقات متحركة انتشرت إلى جينات مختلفة خلال التطور، وهي قادرة على طي نفسها.

توجد آلية لتكوين وإعادة ترتيب هذه النطاقات، وهي فرضية التجزئة. تنقسم هذه الآلية إلى ثلاث مراحل. المرحلة الأولى هي إدخال الإنترونات في مواقع تُطابق حدود نطاق البروتين. المرحلة الثانية هي عندما تخضع "الوحدة الأولية" لتضاعفات متتالية عن طريق إعادة التركيب داخل الإنترونات المُدخلة. المرحلة الثالثة هي عندما تُنقل وحدة أولية واحدة أو أكثر إلى جين غير متجانس مختلف عن طريق إعادة التركيب الإنتروني. وقد لوحظت جميع حالات التجزئة في نطاقات مختلفة، مثل نطاقات بروتينات الإرقاء. [ 2 ]

بوساطة الترانسبوزون

عنصر متداخل طويل (خط)-1

إحدى الآليات المحتملة لإعادة ترتيب الإكسونات هي النقل الجيني من الطرف 3' بواسطة عنصر LINE-1. مع ذلك، من المهم أولًا فهم ماهية عناصر LINE . عناصر LINE هي مجموعة من العناصر الجينية الموجودة بكثرة في جينومات حقيقيات النوى. [ 5 ] يُعد LINE-1 أكثر عناصر LINE شيوعًا في البشر. يُنسخ بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي II لإنتاج mRNA الذي يُشفّر بروتينين: ORF1 وORF2، وهما ضروريان لعملية النقل الجيني. [ 6 ]

عند الانتقال، يرتبط عنصر L1 بالحمض النووي المجاور له من الطرف 3'، وينقل التسلسل غير المرتبط بـ L1 إلى موقع جينومي جديد. لا يشترط أن يكون هذا الموقع الجديد ضمن تسلسل متماثل أو قريبًا من تسلسل الحمض النووي المانح. يبقى تسلسل الحمض النووي المانح دون تغيير طوال هذه العملية لأنه يعمل بطريقة النسخ واللصق عبر وسائط الحمض النووي الريبوزي (RNA)؛ ومع ذلك، فقد ثبت أن المناطق الموجودة في الطرف 3' من عنصر L1 فقط هي المستهدفة للتضاعف.

مع ذلك، ثمة ما يدعو للاعتقاد بأن هذا قد لا ينطبق دائمًا، كما يتضح من المثال التالي. يُعدّ جين ATM البشري مسؤولًا عن اضطراب ترنح توسع الشعيرات الدموية، وهو اضطراب وراثي متنحي ، ويقع على الكروموسوم 11. ومع ذلك، وُجد تسلسل جزئي لجين ATM على الكروموسوم 7. تشير الخصائص الجزيئية إلى أن هذا التضاعف قد تم بوساطة النسخ العكسي لعنصر L1: فقد كان التسلسل المُشتق محاطًا بتكرارات جانبية مستهدفة (TSD) بطول 15 زوجًا قاعديًا، وتطابق التسلسل حول الطرف 5' مع التسلسل المتفق عليه لموقع انقسام إنزيم L1، وسبق ذيل متعدد الأدينين (poly(A)) التكرار الجانبي المستهدف 3'. ولكن نظرًا لعدم وجود عنصر L1 في الجزء المنسوخ عكسيًا ولا في التسلسل الأصلي، فلا يمكن تفسير تحريك هذا الجزء عن طريق النقل 3'. وقد أدت معلومات إضافية إلى الاعتقاد بأن النقل العابر لتسلسل الحمض النووي هو آلية أخرى لعنصر L1 لإعادة ترتيب الإكسونات، ولكن لا بد من إجراء المزيد من الأبحاث حول هذا الموضوع. [ 7 ]

هيليترون

تتمثل إحدى الآليات الأخرى التي يحدث من خلالها إعادة ترتيب الإكسونات في استخدام الهيليترونات . وقد اكتُشفت عناصر الهيليترون المتحركة لأول مرة خلال دراسات أجريت على أجزاء الحمض النووي المتكررة في جينومات الأرز والديدان ونبات العرف الجبلي. وتم تحديد الهيليترونات في جميع ممالك حقيقيات النوى، ولكن يختلف عدد النسخ من نوع إلى آخر.

تتكون البروتينات المشفرة بواسطة الهيليترون من نطاق بدء تضاعف الحمض النووي الدائري (Rep) ونطاق فك لولب الحمض النووي (Hel). يشارك نطاق Rep في التفاعلات التحفيزية للقطع الداخلي للحمض النووي، ونقل الحمض النووي، وربطه. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي هذا النطاق على ثلاثة أنماط. النمط الأول ضروري لارتباط الحمض النووي. النمط الثاني يحتوي على اثنين من الهيستيدين ويشارك في ارتباط أيونات المعادن. وأخيرًا، النمط الثالث يحتوي على اثنين من التيروسين ويحفز قطع الحمض النووي وربطه.

توجد ثلاثة نماذج لالتقاط الجينات بواسطة الهيليترونات: نموذج "القراءة المباشرة" 1 (RTM1)، ونموذج "القراءة المباشرة" 2 (RTM2)، ونموذج الحمض النووي الحشو (FDNA). وفقًا لنموذج RTM1، يؤدي "خلل" عرضي في مُنهي التضاعف عند الطرف 3' للهيليترون إلى نقل الحمض النووي الجينومي. ويتكون هذا النموذج من عنصر الهيليترون للقراءة المباشرة ومناطقه الجينومية اللاحقة، محاطة بموقع حمض نووي عشوائي، يعمل كمُنهي تضاعف جديد. أما وفقًا لنموذج RTM2، فيعمل الطرف 3' لهيليترون آخر كمُنهي تضاعف للنقل. ويحدث هذا بعد خلل في مُنهي التضاعف. وأخيرًا، في نموذج FDNA، يمكن أن تعمل أجزاء من الجينات أو المناطق غير المشفرة كقوالب عرضية أثناء إصلاح كسور الحمض النووي المزدوج التي تحدث في الهيليترونات. [ 8 ] على الرغم من أن الهيليترونات قد ثبت أنها أداة تطورية مهمة للغاية، إلا أن التفاصيل المحددة لآليات نقلها لم يتم تحديدها بعد.

من الأمثلة على التطور باستخدام الهيليترونات التنوع الموجود عادةً في الذرة. تُحدث الهيليترونات في الذرة تغييرًا مستمرًا في المناطق الجينية وغير الجينية باستخدام العناصر القابلة للنقل، مما يؤدي إلى التنوع بين سلالات الذرة المختلفة.

عناصر النسخ العكسي ذات التكرارات الطرفية الطويلة (LTR)

تُعدّ عناصر النسخ العكسي ذات التكرارات الطرفية الطويلة (LTR) جزءًا من آلية أخرى يتم من خلالها إعادة ترتيب الإكسونات. وهي عادةً ما تُشفّر إطارين مفتوحين للقراءة (ORF). الإطار الأول، المسمى gag، يرتبط بالبروتينات التركيبية الفيروسية. أما الإطار الثاني، المسمى pol، فهو بروتين متعدد يتكون من بروتياز الأسبارتيك (AP) الذي يشطر البروتين المتعدد، وإنزيم RNase H (RH) الذي يفصل هجين DNR-RNA، وإنزيم النسخ العكسي (RT) الذي يُنتج نسخة cDNA من RNA الخاص بعناصر النسخ، وإنزيم DDE المُدمج الذي يُدخل cDNA في جينوم الخلية المضيفة. بالإضافة إلى ذلك، تُصنّف عناصر النسخ العكسي ذات التكرارات الطرفية الطويلة إلى خمس عائلات فرعية: Ty1/copia، وTy3/gypsy، وBel/Pao، والفيروسات القهقرية، والفيروسات القهقرية الداخلية. [ 9 ]

تتطلب عناصر النسخ العكسي ذات التكرارات الطرفية الطويلة (LTR) وسيطًا من الحمض النووي الريبي (RNA) في آلية دورة نقلها. تقوم هذه العناصر بتخليق نسخة من الحمض النووي التكميلي (cDNA) بناءً على شريط الحمض النووي الريبي باستخدام إنزيم النسخ العكسي المشابه لإنزيم النسخ العكسي الفيروسي. ثم تُدرج نسخة الحمض النووي التكميلي في مواقع جينومية جديدة لتكوين جين مُستنسخ. [ 10 ] وقد ثبتت أهمية هذه الآلية في تطور جينات الأرز وأنواع أخرى من الأعشاب من خلال إعادة ترتيب الإكسونات.

العناصر المتحركة ذات التكرارات المقلوبة الطرفية (TIRs)

يمكن أن تساهم عناصر النقل الجيني ذات التكرارات المقلوبة الطرفية (TIRs) في إعادة ترتيب الجينات. في النباتات، تستطيع بعض العناصر غير المستقلة، المسماة Pack-TYPE، التقاط أجزاء من الجينات أثناء انتقالها. [ 11 ] ويبدو أن هذه العملية تتم عبر اكتساب الحمض النووي الجيني الموجود بين عناصر النقل الجيني Pack-TYPE المتجاورة، ثم انتقاله لاحقًا. [ 12 ]

إعادة التركيب غير الشرعية

وأخيرًا، يُعدّ التأشيب غير الشرعي (IR) آلية أخرى من آليات إعادة ترتيب الإكسونات. ويُعرف التأشيب غير الشرعي بأنه إعادة التركيب بين تسلسلات متماثلة قصيرة أو تسلسلات غير متماثلة. [ 13 ]

يوجد نوعان من إعادة التركيب العكسي: الأول يتعلق بأخطاء الإنزيمات التي تقطع وتربط الحمض النووي (مثل إنزيمات DNase). تبدأ هذه العملية ببروتين التضاعف الذي يساعد في توليد بادئ لتخليق الحمض النووي. أثناء تخليق أحد خيوط الحمض النووي، يتم إزاحة الخيط الآخر. تنتهي هذه العملية عندما يتم ربط الخيط المُزاح من طرفيه بواسطة بروتين التضاعف نفسه. أما النوع الثاني من إعادة التركيب العكسي فيتعلق بإعادة تركيب تسلسلات متماثلة قصيرة لا تتعرف عليها الإنزيمات المذكورة سابقًا. مع ذلك، يمكن التعرف عليها بواسطة إنزيمات غير متخصصة تُحدث قطعًا بين التكرارات. ثم تُزال الأطراف بواسطة إنزيم الإكسونوكلياز لكشف التكرارات. بعد ذلك، تتحد التكرارات ويتم إصلاح الجزيء الناتج باستخدام إنزيم البوليميراز وإنزيم الليغاز. [ 14 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ لونغ م، بيتران إي، ثورنتون ك، وانغ و (نوفمبر 2003). "أصل الجينات الجديدة: لمحات من الصغار والكبار". مراجعات الطبيعة. علم الوراثة . 4 (11): 865-875 . doi : 10.1038/nrg1204 . PMID 14634634. S2CID 33999892 .  
  2. 1 2 كولكمان، جيه إيه، وستيمر، دبليو بي (مايو 2001). "التطور الموجه للبروتينات عن طريق إعادة ترتيب الإكسونات". مجلة نيتشر للتكنولوجيا الحيوية . 19 (5): 423-428 . doi : 10.1038/88084 . PMID 11329010. S2CID 10629066 .  
  3. ↑ جيلبرت، والتر (فبراير 1978). " لماذا الجينات مجزأة؟" . مجلة نيتشر . 271 (5645): 501. Bibcode : 1978Natur.271..501G . doi : 10.1038/271501a0 . ISSN 1476-4687 . PMID 622185. S2CID 4216649 .   
  4. ↑ باتي إل (سبتمبر 1999). "تطور الجينوم وتطور إعادة ترتيب الإكسونات - مراجعة". جين . 238 (1): 103-114 . doi : 10.1016/S0378-1119(99)00228-0 . PMID 10570989 . 
  5. ↑ سينغر إم إف (مارس 1982). "SINEs وLINEs: تسلسلات متناثرة قصيرة وطويلة متكررة بكثرة في جينومات الثدييات". الخلية . 28 (3): 433-434 . doi : 10.1016/0092-8674(82)90194-5 . PMID 6280868. S2CID 22129236 .  
  6. ↑ بوغرد إتش بي، ويغاند إتش إل، هولم إيه إي، غارسيا-بيريز جيه إل، أوشيا كيه إس، موران جيه في، كولين بي آر (يونيو 2006). "مثبطات خلوية للعنصر المتناثر الطويل 1 وعملية النسخ العكسي لعنصر ألو" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 103 (23): 8780-8785 . Bibcode : 2006PNAS..103.8780B . doi : 10.1073/ pnas.0603313103 . PMC 1482655. PMID 16728505 .  
  7. ↑ إيجيما واي، يانغ إل (يونيو 2003). "نقل الحمض النووي الجينومي كآلية لإعادة ترتيب الإكسونات بوساطة العناصر المتنقلة الرجعية" . علم الوراثة الجزيئية البشرية . 12 (11): 1321-1328 . doi : 10.1093/hmg/ddg138 . PMID 12761047 . 
  8. ↑ مورغانتي م، برونر س، بي ج، فينغلر ك، زوكولو أ، رافالسكي أ (سبتمبر 2005). "تضاعف الجينات وإعادة ترتيب الإكسونات بواسطة عناصر النقل الشبيهة بالهيليترون يُولّد تنوعًا داخل النوع الواحد في الذرة". علم الوراثة الطبيعية . 37 (9): 997-1002 . doi : 10.1038/ng1615 . PMID 16056225. S2CID 10401931 .  
  9. ↑ موسزوسكا أ، هوفمان-سومر م ، غرينبيرغ م (2011). "عناصر النسخ العكسي ذات التكرار الطرفي الطويل في الفطريات" . PLOS ONE . 6 (12) e29425. Bibcode : 2011PLoSO...629425M . doi : 10.1371/journal.pone.0029425 . PMC 3248453. PMID 22242120 .  
  10. ↑ وانغ وآخرون (أغسطس 2006). "معدل مرتفع لنشوء الجينات الهجينة عن طريق الاستبدال العكسي في جينومات النباتات" . خلية النبات . 18 (8): 1791-1802 . doi : 10.1105/tpc.106.041905 . PMC 1533979. PMID 16829590 .   
  11. ↑ جيانغ ن، باو ز، تشانغ إكس، إيدي إس آر، ويسلر إس آر (سبتمبر 2004). "عناصر Pack-MULE القابلة للنقل تُساهم في تطور الجينات في النباتات". مجلة Nature . 431 (7008): 569-573 . Bibcode : 2004Natur.431..569J . doi : 10.1038/nature02953 . PMID 15457261. S2CID 4363679 .  
  12. ↑ كاتوني م، جونزمان ت، سيروتي إ، باسزكوفسكي ج (فبراير 2019). "تعبئة عناصر النقل Pack-CACTA في نبات الأرابيدوبسيس تشير إلى آلية إعادة ترتيب الجينات" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 47 (3): 1311-1320 . doi : 10.1093/nar/gky1196 . PMC 6379663. PMID 30476196 .  
  13. ↑ فان رايك أ، بلوميندال هـ (يوليو 2003) . "الآليات الجزيئية لإعادة ترتيب الإكسونات: إعادة التركيب غير الشرعي". جينيتيكا . 118 ( 2-3 ): 245-249 . doi : 10.1023/A:1024138600624 . PMID 12868613. S2CID 1754730 .  
  14. ^ إرليخ إس دي، بيرن إتش، دالينسون إي، فيليت دي، بترانوفيتش إم، نويروت بي، ميشيل بي (ديسمبر 1993). “آليات إعادة التركيب غير المشروعة”. الجين . 135 ( 1– 2): 161– 166. دوى : 10.1016/0378-1119(93)90061-7 . بميد 8276254 .