التعبير الجيني

تُسمى عملية إنتاج نسخة من الحمض النووي الريبوزي (RNA) من شريط الحمض النووي (DNA) بالنسخ ، وتتم بواسطة بوليميرازات الحمض النووي الريبوزي ، التي تضيف نيوكليوتيدًا ريبوزيًا واحدًا في كل مرة إلى شريط الحمض النووي الريبوزي المتنامي وفقًا لقانون التكامل بين قواعد النيوكليوتيدات. هذا الحمض النووي الريبوزي مكمل لشريط الحمض النووي القالب 3′ → 5′، ^{[ 2 ]} باستثناء استبدال الثايمين (T) باليوراسيل (U) في الحمض النووي الريبوزي، واحتمالية حدوث أخطاء.

في البكتيريا ، تتم عملية النسخ بواسطة نوع واحد من بوليميراز الحمض النووي الريبوزي (RNA)، والذي يحتاج إلى الارتباط بتسلسل الحمض النووي (DNA) المسمى صندوق بريبناو بمساعدة بروتين عامل سيجما (σ) لبدء عملية النسخ. أما في حقيقيات النوى، فتتم عملية النسخ في النواة بواسطة ثلاثة أنواع من بوليميراز الحمض النووي الريبوزي، يحتاج كل منها إلى تسلسل خاص من الحمض النووي يُسمى المحفز ومجموعة من البروتينات الرابطة للحمض النووي - عوامل النسخ - لبدء العملية (انظر تنظيم النسخ أدناه). بوليميراز الحمض النووي الريبوزي الأول (RNA I ) مسؤول عن نسخ جينات الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA). يقوم بوليميراز الحمض النووي الريبوزي الثاني (Pol II) بنسخ جميع الجينات المشفرة للبروتينات، بالإضافة إلى بعض أنواع الحمض النووي الريبوزي غير المشفر ( مثل الحمض النووي الريبوزي النووي الصغير snRNA، والحمض النووي الريبوزي النووي الصغير snoRNA ، والحمض النووي الريبوزي الطويل غير المشفر ). ​​يقوم بوليميراز الحمض النووي الريبوزي الثالث (RNA III ) بنسخ جينات الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي 5S ، وجينات الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA)، وبعض أنواع الحمض النووي الريبوزي الصغير غير المشفر ( مثل 7SK ) . تنتهي عملية النسخ عندما يصادف البوليميراز تسلسلًا يسمى المُنهي .

بينما ينتج عن نسخ الجينات المشفرة للبروتينات في بدائيات النوى الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) الجاهز للترجمة إلى بروتين، فإن نسخ الجينات في حقيقيات النوى ينتج عنه نسخة أولية من الحمض النووي الريبوزي (pre-RNA)، والتي يجب أن تخضع أولاً لسلسلة من التعديلات لتصبح حمضًا نوويًا ريبوزيًا ناضجًا. تختلف أنواع وخطوات عمليات النضج بين الحمض النووي الريبوزي الرسول المشفر وغير المشفر؛ أي أنه على الرغم من أن جزيئات الحمض النووي الريبوزي الرسول لكل من الحمض النووي الريبوزي الرسول والحمض النووي الريبوزي الناقل تخضع لعملية التضفير، إلا أن الخطوات والآليات المستخدمة مختلفة. ^{[ 3 ]} يرد وصف معالجة الحمض النووي الريبوزي غير المشفر أدناه (نضج الحمض النووي الريبوزي غير المشفر).

تتضمن معالجة ما قبل mRNA عملية إضافة غطاء 5′ ، وهي سلسلة من التفاعلات الإنزيمية التي تضيف 7-ميثيل غوانوزين (m7G ^{) إلى الطرف 5′ من ما قبل mRNA ،} وبالتالي تحمي الحمض النووي الريبوزي من التحلل بواسطة الإكسونوكليازات . ^{[ 4 ]} ثم يرتبط غطاء m7G بمركب ربط الغطاء ثنائي الوحدات (CBP20/CBP80)، مما يساعد في تصدير mRNA إلى السيتوبلازم ويحمي الحمض النووي الريبوزي أيضًا من إزالة الغطاء . ^{[ 5 ]}

من التعديلات الأخرى عملية قطع الطرف 3′ وإضافة ذيل عديد الأدينين . ^{[ 6 ]} تحدث هذه العملية إذا كان تسلسل إشارة إضافة ذيل عديد الأدينين (5′- AAUAAA-3′) موجودًا في الحمض النووي الريبوزي الرسول الأولي (pre-mRNA)، والذي يقع عادةً بين تسلسل ترميز البروتين وموقع الإنهاء. ^{[ 7 ]} يُقطع الحمض النووي الريبوزي الرسول الأولي أولًا، ثم تُضاف إليه سلسلة من حوالي 200 أدينين (A) لتكوين ذيل عديد الأدينين، الذي يحمي الحمض النووي الريبوزي من التحلل. ^{[ 8 ]} يرتبط ذيل عديد الأدينين بالعديد من البروتينات الرابطة لعديد الأدينين (PABPs) الضرورية لتصدير الحمض النووي الريبوزي الرسول وإعادة بدء الترجمة. ^{[ 9 ]} في العملية العكسية لإزالة ذيل عديد الأدينين، تُقصر ذيول عديد الأدينين بواسطة إنزيم إكسونوكلياز CCR4-Not 3′-5′، مما يؤدي غالبًا إلى تحلل النسخة بالكامل. ^{[ 10 ]}

يُعدّ التضفير الحمض النووي الريبوزي (RNA ) تعديلًا بالغ الأهمية في الحمض النووي الريبوزي الرسول الأولي (pre-mRNA) في حقيقيات النوى . تتكون غالبية جزيئات pre-mRNA في حقيقيات النوى من أجزاء متناوبة تُسمى الإكسونات والإنترونات . ^{[ 11 ]} خلال عملية التضفير، يُحفّز مُركّبٌ حفّازٌ من الحمض النووي الريبوزي والبروتين، يُعرف باسم الجسيم التضفيري ، تفاعلي نقل إستري ، حيث يُزيلان إنترونًا ويُحرّرانه على شكل بنية حلقية، ثم يُضفران الإكسونات المتجاورة معًا. ^{[ 12 ]} في بعض الحالات، يُمكن إزالة بعض الإنترونات أو الإكسونات أو الاحتفاظ بها في الحمض النووي الريبوزي الرسول الناضج. ^{[ 13 ]} يُنتج هذا التضفير البديل سلسلة من النسخ المختلفة المُشتقة من جين واحد. ولأن هذه النسخ يُمكن ترجمتها إلى بروتينات مختلفة، يُوسّع التضفير نطاق تعقيد التعبير الجيني في حقيقيات النوى، ويُزيد من حجم بروتيوم النوع . ^{[ 14 ]}

قد تكون المعالجة المكثفة للحمض النووي الريبوزي (RNA) ميزة تطورية أتاحتها نواة حقيقيات النوى. ففي بدائيات النوى، تحدث عمليتا النسخ والترجمة معًا، بينما في حقيقيات النوى، يفصل الغشاء النووي بين العمليتين، مما يتيح وقتًا كافيًا لمعالجة الحمض النووي الريبوزي. ^{[ 15 ]}

في معظم الكائنات الحية، تُنسخ الجينات غير المشفرة (ncRNA) كسلائف تخضع لمزيد من المعالجة. في حالة الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA)، غالبًا ما تُنسخ كسلائف rRNA تحتوي على واحد أو أكثر من جزيئات rRNA. تُقطع سلائف rRNA وتُعدّل ( مثيلة 2′- O وتكوين اليوريدين الكاذب ) في مواقع محددة بواسطة ما يقرب من 150 نوعًا مختلفًا من الحمض النووي الريبوزي الصغير المقيد بالنواة، والذي يُسمى snoRNAs. ترتبط جزيئات snoRNAs بالبروتينات، مُشكّلةً مركبات snoRNPs. بينما يُكوّن جزء snoRNA أزواج قواعد مع الحمض النووي الريبوزي المستهدف، وبالتالي يُحدد موضع التعديل بدقة، يقوم الجزء البروتيني بالتفاعل التحفيزي. في حقيقيات النوى، وعلى وجه الخصوص، يقوم مركب snoRNP يُسمى RNase، MRP، بقطع سلائف rRNA 45S إلى جزيئات rRNA 28S و 5.8S و 18 S. تشكل عوامل معالجة الحمض النووي الريبوزي (rRNA) وعوامل معالجة الحمض النووي الريبوزي تجمعات كبيرة تسمى النوية . ^{[ 16 ]}

في حالة الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA)، على سبيل المثال، تُزال متتالية 5′ بواسطة إنزيم RNase P ، ^{[ 17 ]} بينما تُزال متتالية 3′ بواسطة إنزيم tRNase Z ^{، [ 18 ]} ويُضاف ذيل CCA غير المُستنسخ 3′ بواسطة إنزيم ناقل النيوكليوتيدات . ^{[ 19 ]} أما في حالة الحمض النووي الريبوزي الميكروي (miRNA) ، فتُنسخ جزيئات miRNA أولًا كنسخ أولية أو pri-miRNA ذات غطاء وذيل متعدد الأدينين، ثم تُعالَج إلى تراكيب جذعية حلقية قصيرة مكونة من 70 نيوكليوتيدًا تُعرف باسم pre-miRNA في نواة الخلية بواسطة إنزيمي Drosha و Pasha . بعد تصديرها، تُعالَج إلى جزيئات miRNA ناضجة في السيتوبلازم من خلال التفاعل مع إنزيم Dicer ، الذي يُحفِّز أيضًا تكوين مُركَّب إسكات الحمض النووي الريبوزي (RISC) ، المُكوَّن من بروتين Argonaute .

حتى جزيئات الحمض النووي الريبوزي النووي الصغير (snRNA) وجزيئات الحمض النووي الريبوزي النووي الصغير (snoRNA) نفسها تخضع لسلسلة من التعديلات قبل أن تصبح جزءًا من مُركّب البروتين النووي الريبوزي الوظيفي. ^{[ 20 ]} ويتم ذلك إما في النواة أو في الحجيرات المتخصصة المسماة أجسام كاجال . ^{[ 21 ]} وتُضاف مجموعات الميثيل أو اليوريدين الكاذب إلى قواعدها بواسطة مجموعة من جزيئات الحمض النووي الريبوزي الصغيرة الخاصة بأجسام كاجال (scaRNA) ، والتي تُشبه في تركيبها جزيئات snoRNA. ^{[ 22 ]}

بالنسبة لبعض أنواع الحمض النووي الريبوزي غير المشفر، يُعد الحمض النووي الريبوزي الناضج هو الناتج النهائي للجين. ^{[ 23 ]} أما في حالة الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)، فهو ناقل للمعلومات يُشفّر لتخليق بروتين واحد أو أكثر. يُعرف الحمض النووي الريبوزي الرسول الذي يحمل تسلسل بروتين واحد (شائع في حقيقيات النوى) باسم أحادي السيسترون ، بينما يُعرف الحمض النووي الريبوزي الرسول الذي يحمل تسلسلات بروتينية متعددة (شائع في بدائيات النوى) باسم متعدد السيسترون .

يتكون كل جزيء mRNA من ثلاثة أجزاء: منطقة غير مترجمة 5′ (5′UTR)، ومنطقة ترميز البروتين أو إطار القراءة المفتوح (ORF)، ومنطقة غير مترجمة 3′ (3′UTR). تحمل منطقة الترميز معلومات تخليق البروتين، مشفرة بواسطة الشفرة الوراثية لتشكيل ثلاثيات. تُسمى كل ثلاثية من النيوكليوتيدات في منطقة الترميز كودونًا ، وتتوافق مع موقع ارتباط مكمل لثلاثية مضاد الكودون في جزيء tRNA. تحمل جزيئات tRNA التي لها نفس تسلسل مضاد الكودون دائمًا نفس نوع الحمض الأميني . ثم يقوم الريبوسوم بربط الأحماض الأمينية معًا وفقًا لترتيب الثلاثيات في منطقة الترميز. يساعد الريبوسوم جزيء tRNA على الارتباط بجزيء mRNA، ويأخذ الحمض الأميني من كل جزيء tRNA، ويُكوّن منه بروتينًا غير مُهيكل. ^{[ 24 ] [ 25 ]} يُترجم كل جزيء mRNA إلى العديد من جزيئات البروتين، بمعدل 2800 جزيء تقريبًا في الثدييات. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

في بدائيات النوى، تحدث عملية الترجمة عادةً عند نقطة النسخ (الترجمة المتزامنة)، وغالبًا باستخدام الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) الذي لا يزال قيد التكوين. أما في حقيقيات النوى، فيمكن أن تحدث الترجمة في مناطق مختلفة من الخلية، وذلك تبعًا لموقع البروتين المراد ترجمته. ومن أهم هذه المواقع السيتوبلازم للبروتينات السيتوبلازمية الذائبة، وغشاء الشبكة الإندوبلازمية للبروتينات التي تُصدَّر من الخلية أو تُدخَل في غشاء الخلية . وتُتعرف البروتينات التي يُفترض إنتاجها في الشبكة الإندوبلازمية في منتصف عملية الترجمة. ويتحكم في ذلك جسيم التعرف على الإشارة ، وهو بروتين يرتبط بالريبوسوم ويوجهه إلى الشبكة الإندوبلازمية عندما يجد ببتيدًا إشاريًا على سلسلة الأحماض الأمينية النامية (الحديثة التكوين). ^{[ 28 ]}

يمكن تقسيم تنظيم النسخ إلى ثلاثة مسارات تأثير رئيسية: وراثية (التفاعل المباشر لعامل تحكم مع الجين)، وتعديل التفاعل بين عامل تحكم وآلية النسخ، وفوق جينية (تغيرات غير متعلقة بتسلسل الحمض النووي تؤثر على النسخ). ^{[ 33 ] [ 34 ]}

يُعدّ التفاعل المباشر مع الحمض النووي (DNA) أبسط الطرق وأكثرها فعالية لتغيير مستويات النسخ بواسطة البروتين. ^{[ 35 ]} غالبًا ما تحتوي الجينات على عدة مواقع ارتباط بروتينية حول المنطقة المشفرة ، وظيفتها الأساسية تنظيم النسخ. ^{[ 36 ]} توجد أنواع عديدة من مواقع ارتباط الحمض النووي التنظيمية، تُعرف باسم المُعززات والعوازل والمثبطات . ^{[ 37 ]} تتنوع آليات تنظيم النسخ، بدءًا من حجب مواقع الارتباط الرئيسية على الحمض النووي لإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي ( RNA polymerase) ، وصولًا إلى العمل كمنشط وتعزيز النسخ من خلال تسهيل ارتباط إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي. ^{[ 38 ]}

تتأثر فعالية عوامل النسخ أيضًا بالإشارات الخلوية الداخلية التي تُسبب تعديلات ما بعد الترجمة للبروتينات، بما في ذلك الفسفرة ، والأسيتلة ، والغليكوزيل . ^{[ 39 ]} تؤثر هذه التغييرات على قدرة عامل النسخ على الارتباط، بشكل مباشر أو غير مباشر، بالحمض النووي للمحفز، أو على استقطاب بوليميراز الحمض النووي الريبي، أو على تسهيل استطالة جزيء الحمض النووي الريبي المُصنّع حديثًا. ^{[ 40 ]}

يسمح الغشاء النووي في حقيقيات النوى بتنظيم عوامل النسخ بشكلٍ أكبر من خلال مدة وجودها في النواة، والتي تُنظَّم بتغيرات قابلة للانعكاس في بنيتها وارتباطها ببروتينات أخرى. ^{[ 41 ]} قد تُؤدي المحفزات البيئية أو الإشارات الهرمونية ^{[ 42 ]} إلى تعديل البروتينات التنظيمية ^{[ 43 ]،} مما يُحفز سلسلة من الإشارات داخل الخلايا، ^{[ 44 ]} والتي تُؤدي بدورها إلى تنظيم التعبير الجيني.

لقد بات من الواضح وجود تأثير كبير لعوامل غير مرتبطة بتسلسل الحمض النووي على عملية النسخ. ^{[ 45 ]} تُعرف هذه العوامل بالعوامل فوق الجينية، وتشمل البنية العليا للحمض النووي، والبروتينات الرابطة للحمض النووي غير المرتبطة بتسلسل محدد، والتعديل الكيميائي للحمض النووي. ^{[ 46 ]} وبشكل عام، تُغير العوامل فوق الجينية إمكانية وصول البروتينات إلى الحمض النووي، وبالتالي تُعدّل عملية النسخ. ^{[ 47 ]}

في حقيقيات النوى، تنظم بنية الكروماتين ، التي يتحكم فيها رمز الهيستون ، الوصول إلى الحمض النووي، مما يؤثر بشكل كبير على التعبير الجيني في مناطق الكروماتين الحقيقي والكروماتين المغاير . ^{[ 48 ]}

المحفزات، وعوامل النسخ، ومركب الوسيط، وحلقات الحمض النووي

يُنظَّم التعبير الجيني في الثدييات بواسطة العديد من العناصر التنظيمية المجاورة ، بما في ذلك المحفزات الأساسية والعناصر القريبة من المحفزات، والتي تقع بالقرب من مواقع بدء النسخ الجيني، في اتجاه 5' من الحمض النووي (باتجاه المنطقة 5' من السلسلة الموجبة ). وتتمركز وحدات تنظيمية مجاورة أخرى مهمة في مناطق الحمض النووي البعيدة عن مواقع بدء النسخ، وتشمل هذه الوحدات المُعزِّزات ، والمثبطات ، والعوازل ، وعناصر الربط. ^{[ 49 ]} وتلعب المُعزِّزات وعوامل النسخ المرتبطة بها دورًا رئيسيًا في تنظيم التعبير الجيني. ^{[ 50 ]}

المُعززات هي مناطق جينومية تُنظم الجينات. تتحكم المُعززات في برامج التعبير الجيني الخاصة بنوع الخلية، وذلك غالبًا عن طريق الالتفاف عبر مسافات طويلة للوصول إلى قرب فيزيائي من مُحفزات جيناتها المستهدفة. ^{[ 51 ]} تتشابك مُعززات متعددة، غالبًا ما يبعد كل منها عشرات أو مئات الآلاف من النيوكليوتيدات عن جيناتها المستهدفة، مع مُحفزات جيناتها المستهدفة وتنسق فيما بينها للتحكم في التعبير الجيني. ^{[ 51 ]}

يوضح الرسم التوضيحي حلقة مُحسِّنة تلتف حول مُحفِّز الجين المستهدف. وتُثبَّت هذه الحلقة بواسطة ثنائي من بروتين رابط (مثل ثنائي CTCF أو YY1 ). يرتبط أحد جزئي الثنائي بموقع ارتباطه على المُحسِّن، بينما يرتبط الجزء الآخر بموقع ارتباطه على المُحفِّز (مُمثَّل بالخطوط الحمراء المتعرجة في الرسم التوضيحي). ^{[ 52 ]} ترتبط العديد من عوامل النسخ الخاصة بوظائف الخلية (من بين حوالي 1600 عامل نسخ في الخلية البشرية) ^{[ 53 ]} عمومًا بمواقع محددة على المُحسِّن. ^{[ 54 ]} وعندما تقترب مجموعة صغيرة من عوامل النسخ المرتبطة بالمُحسِّن من المُحفِّز بواسطة حلقة من الحمض النووي، فإنها تتحكم في مستوى نسخ الجين المستهدف. يقوم الوسيط (وهو مركب يتكون عادةً من حوالي 26 بروتينًا في بنية متفاعلة) بنقل الإشارات التنظيمية من عوامل النسخ المرتبطة بالحمض النووي المحسن مباشرة إلى إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي II (pol II) المرتبط بالمحفز. ^{[ 55 ]}

تُنسخ المُعززات، عند تنشيطها، عادةً من كلا شريطي الحمض النووي بواسطة بوليميرازات الحمض النووي الريبي التي تعمل في اتجاهين مختلفين، مُنتجةً جزيئين من الحمض النووي الريبي المُعزز (eRNA) كما هو موضح في الشكل. ^{[ 56 ]} قد يرتبط مُعزز غير نشط بعامل نسخ غير نشط. قد يؤدي فسفرة عامل النسخ إلى تنشيطه، ثم يقوم عامل النسخ المُنشط بتنشيط المُعزز المرتبط به (انظر النجمة الحمراء الصغيرة التي تُمثل فسفرة عامل النسخ المرتبط بالمُعزز في الرسم التوضيحي). ^{[ 57 ]} يبدأ المُعزز المُنشط بنسخ الحمض النووي الريبي الخاص به قبل تنشيط نسخ الحمض النووي الريبي الرسول من جينه المستهدف. ^{[ 58 ]}

يُعدّ مثيلة الحمض النووي آليةً واسعة الانتشار للتأثير فوق الجيني على التعبير الجيني، وتُلاحظ في البكتيريا وحقيقيات النوى ، ولها أدوار في إسكات النسخ الموروث وتنظيم النسخ. تحدث المثيلة غالبًا على السيتوزين (انظر الشكل). وتحدث مثيلة السيتوزين بشكل أساسي في تسلسلات ثنائية النوكليوتيدات حيث يتبع السيتوزين غوانين، وهو موقع CpG . يبلغ عدد مواقع CpG في الجينوم البشري حوالي 28 مليون موقع. ^{[ 59 ]} اعتمادًا على نوع الخلية، يحتوي حوالي 70% من مواقع CpG على سيتوزين مثيل. ^{[ 60 ]}

يلعب مثيلة السيتوزين في الحمض النووي دورًا رئيسيًا في تنظيم التعبير الجيني. فمثيلة مواقع CpG في منطقة المحفز الجيني عادةً ما تثبط نسخ الجين ^{[ 61 ]} ، بينما تزيد مثيلة مواقع CpG في جسم الجين من التعبير الجيني ^{[ 62 ]} . وتلعب إنزيمات TET دورًا محوريًا في إزالة مثيلة السيتوزينات المثيلة. وتؤدي إزالة مثيلة مواقع CpG في محفز الجين بواسطة نشاط إنزيمات TET إلى زيادة نسخ الجين ^{[ 63 ] .}

في حقيقيات النوى، حيث يُعد تصدير الحمض النووي الريبوزي (RNA) ضروريًا قبل إمكانية الترجمة، يُعتقد أن التصدير النووي يوفر تحكمًا إضافيًا في التعبير الجيني. يتم نقل جميع المواد من وإلى النواة عبر المسام النووية ، ويتم التحكم في هذا النقل بواسطة مجموعة واسعة من بروتينات الإمبورتين والإكسبورتين . ^{[ 64 ]}

لا يُمكن التعبير عن جين يُشفّر بروتينًا إلا إذا بقي الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) الحامل للشيفرة لفترة كافية ليتم ترجمته. ^{[ 65 ]} في الخلية النموذجية، لا يكون جزيء الحمض النووي الريبوزي مستقرًا إلا إذا كان محميًا بشكلٍ خاص من التحلل. ^{[ 66 ]} يُعد تحلل الحمض النووي الريبوزي ذا أهمية خاصة في تنظيم التعبير الجيني في الخلايا حقيقية النواة، حيث يتعين على الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) قطع مسافات طويلة قبل ترجمته. ^{[ 67 ]} في حقيقيات النوى، يتم تثبيت الحمض النووي الريبوزي (RNA) بواسطة تعديلات ما بعد النسخ، ولا سيما غطاء 5′ والذيل متعدد الأدينين . ^{[ 9 ]}

لا يُستخدم التحلل المتعمد للرنا المرسال (mRNA) كآلية دفاعية ضد الرنا الغريب (عادةً من الفيروسات) فحسب، بل يُستخدم أيضًا كوسيلة لزعزعة استقرار الرنا المرسال . ^{[ 68 ]} إذا كان لجزيء الرنا المرسال تسلسل مكمل لتسلسل رنا متداخل صغير ، فإنه يُستهدف للتدمير عبر مسار تداخل الرنا . ^{[ 69 ]}

تحتوي المناطق غير المترجمة 3′ (3′UTRs) في الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) غالبًا على تسلسلات تنظيمية تؤثر على التعبير الجيني بعد النسخ. تحتوي هذه المناطق عادةً على مواقع ارتباط لكل من الحمض النووي الريبوزي الميكروي (miRNAs) والبروتينات التنظيمية. ^{[ 70 ]} من خلال الارتباط بمواقع محددة داخل منطقة 3′-UTR، يمكن للـ miRNAs أن تقلل من التعبير الجيني لمختلف أنواع mRNA إما عن طريق تثبيط الترجمة أو التسبب مباشرةً في تحلل النسخة. ^{[ 71 ]} قد تحتوي منطقة 3′-UTR أيضًا على مناطق كابتة ترتبط ببروتينات مثبطة تمنع التعبير عن mRNA. ^{[ 72 ]}

غالبًا ما تحتوي منطقة 3′-UTR على عناصر استجابة الحمض النووي الريبوزي الميكروي (MREs) . عناصر الاستجابة هي تسلسلات ترتبط بها جزيئات الحمض النووي الريبوزي الميكروي. وهي أنماط شائعة ضمن مناطق 3′-UTR. ومن بين جميع الأنماط التنظيمية ضمن مناطق 3′-UTR (بما في ذلك مناطق كبت التعبير الجيني)، تشكل عناصر الاستجابة حوالي نصف الأنماط. ^{[ 73 ]}

اعتبارًا من عام 2014، احتوى موقع miRBase الإلكتروني ^{[ 74 ]} ، وهو أرشيف لتسلسلات miRNA وشروحها، على 28,645 مدخلًا في 233 نوعًا بيولوجيًا. من بين هذه المدخلات، وُجد 1,881 miRNA في مواقع miRNA بشرية مُشروحة. وتشير التوقعات إلى أن miRNAs لها ما معدله 400 mRNA مستهدف (مؤثرة على التعبير عن عدة مئات من الجينات). ^{[ 75 ]} ويُقدّر فريدمان وآخرون ^{[ 75 ]} أن أكثر من 45,000 موقع مستهدف لـ miRNA ضمن مناطق 3′UTR لـ mRNA البشري محفوظة فوق مستويات الخلفية، وأن أكثر من 60% من الجينات البشرية المُشفّرة للبروتينات قد خضعت لضغط انتقائي للحفاظ على ارتباطها بـ miRNAs.

تُظهر التجارب المباشرة أن جزيء miRNA واحدًا يُمكنه تقليل استقرار مئات من جزيئات mRNA الفريدة. ^{[ 76 ]} وتُظهر تجارب أخرى أن جزيء miRNA واحدًا قد يُثبط إنتاج مئات البروتينات، ولكن هذا التثبيط غالبًا ما يكون طفيفًا نسبيًا (أقل من الضعف). ^{[ 77 ] [ 78 ]}

يبدو أن تأثيرات اضطراب التعبير الجيني بواسطة الحمض النووي الريبوزي الميكروي (miRNA) مهمة في السرطان. ^{[ 79 ]} على سبيل المثال، في سرطانات الجهاز الهضمي، تم تحديد تسعة أنواع من الحمض النووي الريبوزي الميكروي (miRNA) على أنها متغيرة جينيًا وفعالة في تثبيط إنزيمات إصلاح الحمض النووي. ^{[ 80 ]}

يبدو أن تأثيرات خلل تنظيم التعبير الجيني بواسطة الحمض النووي الريبوزي الميكروي (miRNA) مهمة أيضاً في الاضطرابات النفسية العصبية، مثل الفصام، والاضطراب ثنائي القطب، والاكتئاب الشديد، ومرض باركنسون، ومرض الزهايمر، واضطرابات طيف التوحد. ^{[ 81 ] [ 82 ]}

يُعدّ التنظيم المباشر للترجمة أقل شيوعًا من التحكم في النسخ أو استقرار الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)، ولكنه يُستخدم أحيانًا. ^{[ 83 ]} ويُعتبر تثبيط ترجمة البروتين هدفًا رئيسيًا للسموم والمضادات الحيوية ، إذ يمكنها قتل الخلية عن طريق تعطيل تنظيم التعبير الجيني الطبيعي فيها. ^{[ 84 ]} وتشمل مثبطات تخليق البروتين المضاد الحيوي نيوميسين وسم الريسين . ^{[ 85 ]}

التعديلات اللاحقة للترجمة (PTMs) هي تعديلات تساهمية تطرأ على البروتينات. ومثل عملية ربط الحمض النووي الريبوزي (RNA)، تُسهم هذه التعديلات في تنويع البروتينات بشكل ملحوظ. وعادةً ما تُحفز هذه التعديلات بواسطة الإنزيمات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن عكس عمليات مثل الإضافات التساهمية إلى بقايا السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية بواسطة إنزيمات أخرى. مع ذلك، فإن بعض هذه العمليات، مثل التحلل البروتيني للهيكل الأساسي للبروتين، لا رجعة فيها. ^{[ 86 ]}

تؤدي التعديلات ما بعد الترجمة (PTMs) أدوارًا مهمة عديدة في الخلية. ^{[ 87 ]} فعلى سبيل المثال، يُعد الفسفرة عنصرًا أساسيًا في تنشيط البروتينات وتثبيطها، وفي مسارات الإشارات الخلوية. ^{[ 88 ]} كما تُشارك التعديلات ما بعد الترجمة في تنظيم النسخ: إذ تتمثل إحدى الوظائف المهمة للأستلة والمثيلة في تعديل ذيل الهيستون، مما يُغير مدى سهولة الوصول إلى الحمض النووي (DNA) لعملية النسخ. ^{[ 86 ]} ويمكن ملاحظة هذه التعديلات أيضًا في الجهاز المناعي، حيث تلعب الغلكزة دورًا محوريًا. ^{[ 89 ]} ويمكن لنوع واحد من التعديلات ما بعد الترجمة أن يُحفز نوعًا آخر، كما يتضح في كيفية وسم اليوبيكويتين للبروتينات لتحللها عبر التحلل البروتيني. ^{[ 86 ]} وإلى جانب دوره في تكسير البروتينات، يُعد التحلل البروتيني مهمًا أيضًا في تنشيطها وتثبيطها، وفي تنظيم العمليات البيولوجية مثل نسخ الحمض النووي وموت الخلايا. ^{[ 90 ]}

يمكن قياس مستويات الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) كميًا باستخدام تقنية التلطيخ الشمالي ، التي توفر معلومات عن حجم وتسلسل جزيئات mRNA. ^{[ 91 ]} تُفصل عينة من الحمض النووي الريبوزي على هلام الأغاروز وتُهجن مع مسبار RNA موسوم إشعاعيًا ومكمل للتسلسل المستهدف. ^{[ 92 ]} ثم يُكشف عن الحمض النووي الريبوزي الموسوم إشعاعيًا بواسطة جهاز التصوير الإشعاعي الذاتي . ^{[ 93 ]} نظرًا لأن استخدام الكواشف المشعة يجعل الإجراء يستغرق وقتًا طويلاً وقد يكون خطيرًا، فقد طُوّرت طرق بديلة للوسم والكشف، مثل تقنيات الديجوكسيجينين والبيوتين. ^{[ 94 ]} من عيوب التلطيخ الشمالي أنه يتطلب كميات كبيرة من الحمض النووي الريبوزي، وقد لا يكون القياس الكمي دقيقًا تمامًا، لأنه يعتمد على قياس شدة الحزمة في صورة الهلام. ^{[ 95 ]} من ناحية أخرى، تسمح معلومات حجم mRNA الإضافية من التلطيخ الشمالي بالتمييز بين النسخ المنسوخة بالتضفير البديل. ^{[ 96 ] [ 97 ]}

يُعدّ تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي في الوقت الحقيقي (RT-qPCR) طريقة أخرى لقياس وفرة الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA ). في هذه التقنية، تُجرى عملية النسخ العكسي متبوعةً بتفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR) . تُنتج عملية النسخ العكسي أولًا قالبًا من الحمض النووي (DNA) من الحمض النووي الريبوزي الرسول، ويُسمى هذا القالب أحادي السلسلة الحمض النووي التكميلي (cDNA ). ثم يُضخّم قالب الحمض النووي التكميلي في الخطوة الكمية، حيث يتغير مستوى الفلورة المنبعثة من مجسات التهجين الموسومة أو الأصباغ المتداخلة مع تقدم عملية تضخيم الحمض النووي . ^{[ 98 ]} باستخدام منحنى معياري مُعدّ بعناية، يُمكن لتفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR) إنتاج قياس مطلق لعدد نسخ الحمض النووي الريبوزي الرسول الأصلي، عادةً بوحدات نسخ لكل نانولتر من الأنسجة المتجانسة أو نسخ لكل خلية. ^{[ 99 ]} يتميز تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR) بحساسية عالية جدًا (يُمكن نظريًا الكشف عن جزيء واحد من الحمض النووي الريبوزي الرسول)، ولكنه قد يكون مكلفًا اعتمادًا على نوع المؤشر المستخدم؛ فمجسات الأوليغونوكليوتيدات الموسومة بالفلورة أغلى من الأصباغ الفلورية المتداخلة غير النوعية. ^{[ 100 ]}

لتحليل التعبير الجيني ، أو التحليل عالي الإنتاجية للعديد من الجينات ضمن عينة واحدة، يمكن إجراء تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR) لمئات الجينات في وقت واحد في حالة المصفوفات منخفضة الكثافة. ^{[ 101 ]} وثمة نهج آخر يتمثل في مصفوفة التهجين . قد تحتوي مصفوفة واحدة أو "شريحة" على مجسات لتحديد مستويات النسخ لكل جين معروف في جينوم كائن حي واحد أو أكثر. ^{[ 102 ]} وبدلاً من ذلك، يمكن استخدام تقنيات "الوسم" مثل التحليل التسلسلي للتعبير الجيني (SAGE) وتسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA-Seq )، والتي توفر قياسًا نسبيًا للتركيز الخلوي لأنواع مختلفة من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA). ^{[ 103 ]} ومن مزايا الطرق القائمة على الوسم "بنيتها المفتوحة"، مما يسمح بالقياس الدقيق لأي نسخة، سواء كانت ذات تسلسل معروف أو غير معروف. ^{[ 104 ]} ويُعد تسلسل الجيل التالي (NGS) مثل تسلسل الحمض النووي الريبوزي ( RNA-Seq ) نهجًا آخر، حيث ينتج كميات هائلة من بيانات التسلسل التي يمكن مطابقتها مع جينوم مرجعي. على الرغم من أن تقنية التسلسل الجيني من الجيل التالي (NGS) تستغرق وقتاً طويلاً نسبياً، ومكلفة، وتستهلك موارد كثيرة، إلا أنها قادرة على تحديد تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة ، والمتغيرات الناتجة عن التضفير، والجينات الجديدة، ويمكن استخدامها أيضاً لتحليل التعبير الجيني في الكائنات الحية التي لا تتوفر عنها معلومات تسلسلية كافية أو معدومة. ^{[ 105 ]}

بالنسبة للجينات التي تشفر البروتينات، يمكن تقييم مستوى التعبير بشكل مباشر من خلال عدد من الطرق مع بعض أوجه التشابه الواضحة مع تقنيات تحديد كمية الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA).

إحدى أكثر الطرق شيوعًا هي إجراء تحليل ويسترن بلوت ضد البروتين المطلوب. ^{[ 106 ]} يوفر هذا التحليل معلومات عن حجم البروتين بالإضافة إلى هويته. تُفصل عينة (غالبًا مستخلص خلوي) على هلام بولي أكريلاميد ، ثم تُنقل إلى غشاء، وتُفحص باستخدام جسم مضاد للبروتين المطلوب. يمكن ربط الجسم المضاد إما بصبغة فلورية أو بإنزيم بيروكسيداز الفجل للتصوير و/أو القياس الكمي. طبيعة هذا التحليل القائمة على الهلام تجعل القياس الكمي أقل دقة، ولكنه يتميز بقدرته على تحديد التعديلات اللاحقة على البروتين، مثل التحلل البروتيني أو إضافة اليوبيكويتين، من خلال التغيرات في الحجم.

بينما يعكس النسخ التعبير الجيني بشكل مباشر، فإن عدد نسخ جزيئات mRNA لا يرتبط ارتباطًا مباشرًا بعدد جزيئات البروتين المترجمة من mRNA. يسمح قياس كل من البروتين وmRNA بربط المستويين. يمكن أن يؤثر تنظيم كل خطوة من خطوات التعبير الجيني على هذا الارتباط، كما هو موضح بالنسبة لتنظيم الترجمة ^{[ 27 ]} أو استقرار البروتين ^{[ 107 ]} . كما يمكن أن تؤثر عوامل ما بعد الترجمة، مثل نقل البروتين في الخلايا شديدة الاستقطاب ^{[ 108 ]،} على الارتباط المقاس بين mRNA والبروتين.

لا يقتصر تحليل التعبير الجيني على التحديد الكمي فحسب، بل يمكن أيضاً تحديد موقعه. يُمكن الكشف عن الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) باستخدام شريط mRNA مكمل مُوسَم بشكل مناسب، كما يُمكن الكشف عن البروتين باستخدام أجسام مضادة مُوسَمة. بعد ذلك، تُفحص العينة المُراد تحليلها بالمجهر لتحديد موقع mRNA أو البروتين.

باستبدال الجين بنسخة جديدة مُدمجة مع بروتين فلوري أخضر أو ​​ما شابه، يُمكن قياس التعبير الجيني مباشرةً في الخلايا الحية. ويتم ذلك بالتصوير باستخدام مجهر فلوري . من الصعب جدًا استنساخ بروتين مُدمج مع البروتين الفلوري الأخضر في موقعه الأصلي في الجينوم دون التأثير على مستويات التعبير، لذا غالبًا ما يتعذر استخدام هذه الطريقة لقياس التعبير الجيني الداخلي. مع ذلك، تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع لقياس التعبير عن جين مُدخل اصطناعيًا إلى الخلية، على سبيل المثال عبر ناقل تعبير . بدمج بروتين مُستهدف مع مُؤشر فلوري، يُمكن تغيير سلوك البروتين بشكل ملحوظ، بما في ذلك موقعه الخلوي ومستوى تعبيره.

يعتمد اختبار المقايسة المناعية المرتبطة بالإنزيم (ELISA) على استخدام أجسام مضادة مثبتة على صفيحة ميكروية لالتقاط البروتينات المستهدفة من العينات المضافة إلى البئر. وباستخدام جسم مضاد كاشف مرتبط بإنزيم أو فلوروفور، يمكن قياس كمية البروتين المرتبط بدقة عن طريق الكشف الفلوري أو اللوني . تشبه عملية الكشف إلى حد كبير عملية لطخة ويسترن، ولكن بتجنب خطوات الهلام، يمكن تحقيق قياس كمي أكثر دقة.