بروتين بنيوي شبيه بالهيستون

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

يُعدّ البروتين المُهيكل للنواة الشبيه بالهيستون (H-NS) أحد البروتينات الاثني عشر المرتبطة بالنواة (NAPs) [ 1 ] ، ووظيفته الرئيسية تنظيم المادة الوراثية ، بما في ذلك تنظيم التعبير الجيني عبر إسكات الجينات الغريبة. [ 2 ] يتميز H-NS بنطاق طرفي أميني (NTD) يتكون من موقعين للتضاعف ، ومنطقة رابطة غير مُهيكلة، ونطاق طرفي كربوكسيلي (CTD) مسؤول عن الارتباط بالحمض النووي. [ 2 ] على الرغم من صغر حجمه (15 كيلو دالتون)، [ 3 ] إلا أنه يُساهم في تكثيف النواة وتنظيم الجينات (وخاصةً إسكاتها) [ 2 ] ، ويُعبر عنه بكثرة، حيث يعمل كجزيء ثنائي أو متعدد . [ 3 ] يؤدي تغير درجة الحرارة إلى انفصال H-NS عن الحمض النووي المزدوج ، مما يسمح بنسخه بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي، وفي مناطق محددة يؤدي إلى سلسلة من التفاعلات المرضية في البكتيريا المعوية مثل الإشريكية القولونية وأنواع الشيغيلا الأربعة . [ 3 ]

الشكل 1: يُعرف النطاق الطرفي الكربوكسيلي (CTD) [ 4 ] أيضًا باسم نطاق ارتباط الحمض النووي. تتجمع نطاقات H-NS الطرفية الأمينية (NTD) معًا، بينما يرتبط النطاق الطرفي الكربوكسيلي (CTD) بمناطق محددة من الحمض النووي تحتوي على بنية محددة تُسمى خطوة TpA. [ 2 ] تم تمييز بقايا الأحماض الأمينية العطرية باللون الرمادي، والجسيمات سالبة الشحنة باللون الأحمر، والجسيمات موجبة الشحنة باللون الأزرق المخضر. تم عرض أطوال الروابط الهيدروجينية باللون الأرجواني.

يوجد بروتين H-NS في بكتيريا غاما بروتيو . وتوجد نظائر وظيفية له في مجموعات أخرى من الميكروبات. [ 5 ] يمنع بروتين نيتروبسين بروتين H-NS من أداء وظيفته عن طريق الارتباط بأجزاء الحمض النووي التي يرتبط بها بروتين H-NS عادةً. وبناءً على ذلك، يُستخدم لدراسة وظيفة بروتين H-NS. [ 6 ]

بناء

يتمتع بروتين H-NS ببنية طوبولوجية محددة تسمح له بتكثيف الحمض النووي البكتيري في بنية حلزونية فائقة، استنادًا إلى أدلة من علم البلورات بالأشعة السينية . [ 2 ] وقد أشارت هذه البنية الحلزونية الفائقة المكثفة إلى دور H-NS في كبت الجينات الناتج عن تكوين قليل الوحدات. تتشكل هذه القليل الوحدات نتيجة لتكوين ثنائيات في موقعين ضمن النطاق الطرفي الأميني لبروتين H-NS. [ 2 ] على سبيل المثال، في أنواع بكتيرية مثل السالمونيلا التيفية ، يحتوي النطاق الطرفي الأميني لبروتين H-NS على مواقع تكوين ثنائيات في الحلزونات ألفا 1 وألفا 2 وألفا 3. وتُعد الحلزونات ألفا 3 و4 مسؤولة عن تكوين البنية الحلزونية الفائقة لتفاعلات H-NS مع الحمض النووي من خلال ارتباط رأس برأس ( الشكل 2 ). [ 2 ] [ 7 ] يحتوي بروتين H-NS أيضًا على منطقة رابطة غير منتظمة، تُعرف أيضًا باسم رابطة Q. [ ٢ ] يُظهر النطاق الطرفي الكربوكسيلي، المعروف أيضًا باسم نطاق ربط الحمض النووي (DBD)، ألفةً عاليةً للمناطق الغنية بالأدينين والثايمين في الحمض النووي ، والتي تتواجد على شكل خطاف في الأخدود الصغير. [ ٢ ] يسمح تكديس القواعد في هذه المنطقة الغنية بالأدينين والثايمين بتوسع طفيف في الأخدود الصغير، وهو ما يُفضّل الارتباط. [ ٢ ] تشمل نطاقات ربط الحمض النووي الشائعة منطقتي AACTA وTACTA، اللتين قد تظهران مئات المرات في جميع أنحاء الجينوم. [ ٢ ] ضمن هذه المناطق الغنية بالأدينين والثايمين، يبلغ عرض الأخدود الصغير ٣.٥ أنغستروم، [ ٣ ] وهو ما يُفضّل ارتباط بروتين H-NS. في بكتيريا الإشريكية القولونية، لوحظ أن بروتين H-NS يُعيد هيكلة الجينوم إلى نطاقات دقيقة داخل الكائن الحي . [ 2 ] على الرغم من أن الجينوم البكتيري مُقسّم إلى أربعة نطاقات كبيرة مختلفة، بما في ذلك Ori و Ter (النطاق الكبير في الإشريكية القولونية وأنواع الشيغيلا حيث يتم ترميز H-NS)، [ 3 ] يُعتقد أن H-NS يلعب دورًا في تكوين هذه النطاقات الصغيرة التي يبلغ طولها 10 كيلوبايت في جميع أنحاء الجينوم. [ 2 ]

الشكل 2 : يوضح هذا الشكل عملية التجميع التي تحدث في حلزونات ألفا للنطاق الطرفي الأميني في H-NS (والمتماثلات) والتي تشكل ما يُعرف باسم "بنية المصافحة"، بالإضافة إلى تصور تقريبي لكيفية ارتباط النطاق الطرفي الكربوكسيلي بالحمض النووي. [ 2 ]

وظيفة

التحكم في التعبير

تتمثل إحدى الوظائف الرئيسية لبروتين H-NS في التأثير على بنية الحمض النووي ( الشكل 2 ). يُعدّ H-NS مسؤولاً عن تكوين الخيوط النووية على طول الحمض النووي وجسور الحمض النووي-الحمض النووي. يُعرف H-NS بأنه رابط سلبي للحمض النووي، أي أنه يرتبط بقطعتين متباعدتين من الحمض النووي ويبقى ثابتًا، مُشكّلاً حلقة. يسمح تكوين حلقة الحمض النووي هذه لـ H-NS بالتحكم في التعبير الجيني. [ 2 ] يمكن تخفيف تثبيط H-NS عن طريق ارتباط بروتين آخر، أو عن طريق تغييرات في بنية الحمض النووي التي قد تحدث نتيجة لتغيرات في درجة الحرارة والضغط الأسموزي ، على سبيل المثال. [ 8 ] يرتبط النطاق الطرفي الكربوكسيلي (CTD) بالحمض النووي البكتيري بطريقة تُثبّط وظيفة بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase). هذه سمة شائعة في الجينات المكتسبة أفقيًا. [ 9 ] تستخدم الدراسات البنيوية لـ H-NS أنواعًا بكتيرية مثل الإشريكية القولونية (E. coli) والشيغيلا (Shigella spp.) لأن النطاق الطرفي الكربوكسيلي (C-Terminal Domain) محفوظ تمامًا. [ 3 ]

تبدأ عملية تكوين معقدات H-NS-DNA بارتباط نطاق CTD بموقع مفضل في الجينوم. قد يكون هذا نتيجةً لوجود كمية كبيرة من بقايا الأحماض الأمينية موجبة الشحنة ضمن منطقة الربط، مما يدفع نطاق CTD للبحث عن موقع ارتباط ذي ألفة عالية. [ 2 ] بمجرد ارتباط نطاق CTD بمنطقته المفضلة، أي خطوة TpA، يمكن لنطاقات NTD أن تتجمع لتشكل خيوطًا نووية صلبة، والتي، في حال توفرت الظروف المناسبة، سترتبط ببعضها البعض بحرية أكبر لتكوين جسور DNA. يُعرف هذا النوع من الربط باسم "الربط السلبي"، وقد لا يسمح لإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNAP) بمواصلة عملية النسخ. [ 2 ] تستند التجارب المستخدمة لدعم هذه الطريقة في ربط DNA وإسكات الجينات إلى مجهر القوة الذرية ودراسات الجزيئات المفردة في المختبر . [ 2 ]

يجب أن تكون جميع البكتيريا حساسة للتغيرات في بيئتها الفيزيائية للبقاء على قيد الحياة. تسمح هذه الآليات بتفعيل أو تعطيل الجينات تبعًا للبيئة خارج الخلوية. [ 3 ] يعتقد العديد من الباحثين أن بروتين H-NS يساهم في هذه الوظائف الحسية. وقد لوحظ أن H-NS يتحكم في حوالي 60% من الجينات المنظمة بالحرارة، ويمكنه الانفصال عن الحمض النووي المزدوج عند 37  درجة مئوية. [ 2 ] هذه الحساسية الخاصة التي يتميز بها H-NS تسمح بإمراضية البكتيريا، وهي محور التركيز الرئيسي للدراسة. خارج الخلية المضيفة، تمنع درجة حرارة 32 درجة مئوية انفصال H-NS عن بلازميد  الضراوة في بكتيريا الشيغيلا ، وذلك للحفاظ على الطاقة اللازمة لإنتاج البروتينات المكلفة طاقيًا والمسؤولة عن الإمراضية. [ 10 ] وقد ثبت أن وجود أيونات المغنيسيوم (Mg2 + ) يسمح لـ H-NS بتكوين تغيير بنيوي، من مفتوح جزئيًا إلى مفتوح كليًا، مما يؤدي في النهاية إلى تغيير التفاعل بين نطاق NTD سالب الشحنة ونطاق CTD موجب الشحنة. [ ٢ ] تسمح تركيزات المغنيسيوم الأقل من ٢ ملي مولار بتكوين خيوط نووية بروتينية صلبة، بينما تعزز التركيزات العالية تكوين جسور الحمض النووي H-NS. [ ١١ ] قد تفسر الشحنات الموجودة في نطاقي NTD وCTD حساسية H-NS للتغيرات في درجة الحرارة والضغط الأسموزي (الأس الهيدروجيني أقل من ٧.٤). [ ٣ ]

تساهم قدرة بروتين H-NS على ربط الحمض النووي في الحد من انتشار العناصر المتحركة . وهذا أمر بالغ الأهمية لصحة الإنسان، إذ غالبًا ما تحمل هذه العناصر جينات ممرضة. [ 5 ] كما يُسهم بروتين H-NS في وظائف الصيانة الخلوية العامة من خلال الحفاظ على بنية الكروموسومات البكتيرية، مثل حلقات الشعر ومجالاتها. [ 6 ]

وظائف أخرى

يمكن لبروتين H-NS أيضًا أن يتفاعل مع بروتينات أخرى ويؤثر على وظائفها، فعلى سبيل المثال، يمكنه التفاعل مع بروتين المحرك السوطي FliG لزيادة نشاطه. [ 8 ]

الأهمية السريرية

الشكل 3 : (أ) توضيح لارتباط بروتين H-NS بحمض نووي S. flexneri عند درجة حرارة 32 درجة مئوية، ثم عند بلوغ درجة الحرارة 37 درجة مئوية، ينفصل بروتين H-NS عن الحمض النووي، مما يسمح بنسخ جين virF. (ب) في الجزء السفلي من الحمض النووي المزدوج، يؤدي التعبير عن جين VirB إلى تعطيل إسكات جين icsB بواسطة بروتين H-NS، ويمكن أن تستمر هذه السلسلة من التفاعلات مسببةً عدوى واسعة الانتشار. [ 3 ]

يلعب بروتين H-NS دورًا محفوظًا في إمراضية البكتيريا سالبة الغرام ، بما في ذلك أنواع الشيغيلا ، والإشريكية القولونية ، والسالمونيلا ، وغيرها الكثير. ويُعتقد أنه يُشارك في نسخ جين virF المُسبب لما يُعرف بداء الزحار العصوي ، وهو مرض يُصيب الأطفال، وخاصةً في البلدان النامية. تحتوي هاتان السلالتان البكتيريتان على بلازميد ضراوة مسؤول عن غزو خلايا العائل، ويتم تنظيمه بواسطة بروتين H-NS. [ 12 ] ومن المثير للاهتمام أن ما يقرب من 70% من الأطر المفتوحة للقراءة (ORF) لبلازميد الضراوة المتخصص في أنواع الشيغيلا غنية بالأدينين والثايمين، مما يسمح بتنظيم هذا البلازميد على المدى الطويل بواسطة بروتين H-NS. [ 3 ]

كما ذُكر سابقًا، تُظهر الدراسات أن بروتين H-NS الحساس للحرارة ينفصل عن الحمض النووي البكتيري عند درجة حرارة 37  درجة مئوية، مما يُحفز بوليميراز الحمض النووي الريبي على نسخ جين virF ، المسؤول عن التعبير عن بروتين VirF. يُعدّ VirF المنظم الرئيسي لسلسلة عوامل الضراوة، ويتم التعبير عنه نتيجة لتغير بنية منطقة "المفصل" الحساسة للحرارة في مُحفز virF، بحيث تصبح غير مُلائمة لربط الحمض النووي بواسطة H-NS ( الشكل 3 ). [ 3 ] بمجرد التعبير عن VirF، فإنه يزيد من إنتاج icsA ، الذي يعمل على تعزيز الحركة، و virB ، الذي يُشفّر بروتين التنظيم التالي في سلسلة عوامل الضراوة في الشيغيلا . بمجرد التعبير عن VirB، فإنه يُعطّل H-NS لبقية بلازميد الضراوة. [ 3 ]

تحتوي أنواع الشيغيلا على "نسخ احتياطية جزيئية"، أو نظائر ، لبروتين H-NS، وقد دُرست هذه النسخ بالتفصيل نظرًا لدورها الواضح في تنظيم بلازميد الضراوة. [ 3 ] يُعدّ StpA نظيرًا لبروتين H-NS محفوظًا عبر الأنواع، بينما يُعبّر عن النظير الآخر، Sfh، حصريًا في سلالة الشيغيلا الفلكسنرية الطافرة 2457T. [ 3 ] تحظى هذه السلالة الطافرة باهتمام كبير من الباحثين لأنها تعمل كبديل لبروتين H-NS، إذ لا تحتوي 2457T على جين hns . لا يزال فهم العلاقة بين H-NS ونظائره محدودًا في الوقت الحالي. [ 3 ] نظرًا لأهمية هذه النظائر في غياب H-NS في السلالة الطافرة، فإن إجراء المزيد من الأبحاث والتركيز عليها قد يُفضي إلى علاجات واعدة مضادة للبكتيريا. [ 3 ]

مراجع

  1. ↑ ويناردي آر إس، يان جيه، كيني إل جيه (أكتوبر 2015). "ينظم H-NS التعبير الجيني ويضغط النواة: رؤى من تجارب الجزيء المفرد" . مجلة الفيزياء الحيوية . 109 (7): 1321-1329 . Bibcode : 2015BpJ...109.1321W . doi : 10.1016/j.bpj.2015.08.016 . PMC 4601063. PMID 26445432 .  
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 تشين إل ، إركيلينز إيه إم ، بن بديرة إف ، دام آر تي (ديسمبر 2019). " مهندسو جسور الحمض النووي البكتيري: عائلة من البروتينات محفوظة هيكليًا ووظيفيًا" . علم الأحياء المفتوح . 9 (12) 190223. doi : 10.1098/rsob.190223 . PMC 6936261. PMID 31795918 .  
  3. ١ ٢ ٣ ٤ ٥ ٦ ٧ ٨ ٩ ١٠ ١١ ١٢ ١٣ ١٤ ١٥ ١٦ بيكر إم إيه، وينغ إتش جيه (ديسمبر ٢٠١٦). " H-NS، وأفراد عائلته، وتنظيمهم لجينات الضراوة في أنواع الشيغيلا" . الجينات . ٧ (١٢): ١١٢. doi : 10.3390/genes7120112 . PMC 5192488. PMID 27916940 .  
  4. ^ شيندو إتش، إيواكي تي، إيدا آر، كوروميزاكا إتش، أويجوتشي سي، ميزونو تي، وآخرون . (فبراير 1995). "بنية الحل لمجال ربط الحمض النووي للبروتين المرتبط بالنواة، H-NS، من الإشريكية القولونية" . رسائل فيبس . 360 (2): 125– 131. بيب كود : 1995FEBSL.360..125S . دوى : 10.1016/0014-5793(95)00079-س . بميد 7875316 . S2CID 44479751 .   
  5. 1 2 كوبر، تشارلز؛ ليجود، سيمون؛ ويت، راشيل ل.؛ فورست، ديفيد؛ شارما، براتيك؛ هايكوكس، جيمس آر جيه؛ غرينجر، ديفيد سي. (20 أغسطس 2024). "H-NS هو بروتين التقاط ترانسبوزون بكتيري" . نيتشر كوميونيكيشنز . 15 (1). doi : 10.1038/s41467-024-51407-5 . PMC 11335895 . 
  6. 1 2 جافريلوف، أليكسي أ؛ شاموفسكي، إيليا؛ زيجالوفا، إيرينا؛ بروشكين، سيرجي؛ شاموفسكي، يوسف؛ إيفكو، غريغوري؛ إبشتين، فيتالي؛ رسولي، أفيرام؛ بلافاتنيك، آنا؛ لاهيري، سوديبتا؛ روتنبرغ، ايلي. رازين، سيرجي V.؛ نودلر ، يفغيني (13 أغسطس 2025). "التنظيم الأولي ثلاثي الأبعاد لجينوم الإشريكية القولونية النشط والصامت" . طبيعة . دوى : 10.1038/s41586-025-09396-y . بمك 12460168 . 
  7. ↑ بلوخ ف، يانغ ي، مارجيه إ، شافانيو أ، أوجيه إم تي، روبرت ب، وآخرون (مارس 2003). "يحدد نطاق التماثل الثنائي H-NS طية جديدة تساهم في التعرف على الحمض النووي". مجلة نيتشر للبيولوجيا التركيبية . 10 (3): 212-218 . doi : 10.1038/nsb904 . PMID 12592399. S2CID 25761309 .   
  8. 1 2 دوناتو جي إم، وكاولا تي إتش (سبتمبر 1998). "يؤدي تعزيز ارتباط بروتين H-NS المُعدَّل ببروتين دوار السوط FliG إلى زيادة سرعة دوران السوط وفرط حركته في بكتيريا الإشريكية القولونية" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 273 (37): 24030-24036 . doi : 10.1074/jbc.273.37.24030 . PMID 9727020 . 
  9. ↑ لوتشيني إس، رولي جي، غولدبيرغ إم دي، هيرد دي، هاريسون إم، هينتون جي سي (أغسطس 2006). "بروتين H-NS يُساهم في إسكات الجينات المكتسبة أفقيًا في البكتيريا" . مجلة PLOS للأمراض . 2 (8) e81. doi : 10.1371/journal.ppat.0020081 . PMC 1550270. PMID 16933988 .  
  10. ↑ دورمان سي جيه (سبتمبر 2014). "بروتينات شبيهة بـ H-NS مرتبطة بالنواة، وعناصر وراثية متنقلة، ونقل الجينات الأفقي في البكتيريا" . بلازميد . 75 : 1-11 . doi : 10.1016/j.plasmid.2014.06.004 . PMID 24998344 . 
  11. ↑ فيرما إس سي، تشيان زد، أدهيا إس إل (ديسمبر 2019). "بنية النواة في بكتيريا الإشريكية القولونية" . مجلة PLOS Genetics . 15 (12) e1008456. doi : 10.1371/journal.pgen.1008456 . PMC 6907758. PMID 31830036 .  
  12. ↑ بيكر، إم. أ.، ووينغ، إتش. جيه . (ديسمبر 2016). "بروتين H-NS، وأفراد عائلته، ودورهم في تنظيم جينات الضراوة في أنواع الشيغيلا" . الجينات . 7 (12) E112. doi : 10.3390/genes7120112 . PMC 5192488. PMID 27916940 .