مناطق ذات تعقيد منخفض في البروتينات

المناطق منخفضة التعقيد ( LCRs ) في تسلسلات البروتين، والتي تُعرف أيضاً في بعض السياقات بالمناطق ذات التركيب المتحيز ( CBRs )، هي مناطق في تسلسلات البروتين تختلف عن تركيب وتعقيد معظم البروتينات المرتبطة عادةً بالبنية الكروية. ^{[ 1 ] [ 2 ]} تتميز المناطق منخفضة التعقيد بخصائص مختلفة عن المناطق العادية فيما يتعلق بالبنية والوظيفة والتطور .

كان يُعتقد في الأصل أن مناطق التكرار الموضعي (LCRs) عبارة عن روابط غير منظمة ومرنة تعمل على فصل المجالات المنظمة (والوظيفية) للبروتينات المعقدة، ^{[ 3 ]} ولكنها قادرة أيضًا على تكوين بنى ثانوية، مثل الحلزونات (في أغلب الأحيان) وحتى الصفائح. ^{[ 4 ]} وقد تلعب دورًا بنيويًا في بروتينات مثل الكولاجين، والميوسين، والكيراتين، والحرير، وبروتينات جدار الخلية . ^{[ 5 ]} تستطيع التكرارات المتتالية من الببتيدات قليلة الوحدات القصيرة الغنية بالجليسين ، أو البرولين ، أو السيرين، أو الثريونين تكوين بنى مرنة ترتبط بالروابط في ظل ظروف معينة من الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة. ^{[ 6 ]} يُعرف البرولين بقدرته على كسر الحلزونات ألفا، ومع ذلك، قد تُشكل تكرارات الأحماض الأمينية المكونة من البرولين حلزونات متعددة البرولين. ^{[ 7 ]}

كان يُعتقد في الأصل أن مناطق LCRs هي مناطق "غير وظيفية" أو روابط محايدة بين المجالات؛ ومع ذلك، تشير الأدلة التجريبية والحسابية بشكل متزايد إلى أنها قد تلعب أدوارًا تكيفية ومحفوظة مهمة، ذات صلة بالتكنولوجيا الحيوية، والتعبير عن البروتينات غير المتجانسة، والطب، بالإضافة إلى فهمنا لتطور البروتين. ^{[ 8 ]}

لقد تورطت المناطق المتحكمة بالطول (LCRs) للبروتينات حقيقية النواة في الأمراض البشرية، ^{[ 9 ] [ 10 ]} وخاصة الأمراض التنكسية العصبية، حيث تميل إلى تكوين الأميلويدات في البشر وحقيقيات النوى الأخرى . ^{[ 11 ]}

وقد ورد أن لها أدوارًا لاصقة، ^{[ 12 ]} وتعمل في البروتينات اللزجة المفرزة المستخدمة في اصطياد الفرائس، ^{[ 13 ]} أو لها أدوار كمحولات للحركة الجزيئية، على سبيل المثال في أنظمة TonB/TolA بدائية النواة. ^{[ 14 ]}

قد تشكل مناطق LCR أسطحًا للتفاعل مع طبقات الفوسفوليبيد الثنائية ، ^{[ 15 ]} أو تجمعات ذات شحنة موجبة لربط الحمض النووي، ^{[ 8 ] [ 16 ] [ 17 ]} أو تجمعات ذات شحنة سالبة أو حتى تجمعات ذات شحنة حمضية من الهيستيدين لتنسيق أيونات الكالسيوم أو المغنيسيوم أو الزنك. ^{[ 8 ] [ 16 ]}

قد تلعب هذه الجزيئات أيضًا أدوارًا مهمة في ترجمة البروتين، حيث تعمل كـ"إسفنجات" لجزيئات الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA)، مما يبطئ عملية الترجمة لإتاحة الوقت اللازم للطي الصحيح لسلسلة الببتيد الوليدة. ^{[ 18 ]} بل قد تعمل أيضًا كنقاط تفتيش لتغيير إطار القراءة، من خلال التحول إلى محتوى غير معتاد من الأحماض الأمينية يجعل البروتين غير مستقر أو غير قابل للذوبان، مما يؤدي بدوره إلى إعادة تدوير سريعة، قبل حدوث أي تلف خلوي إضافي. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

كشفت تحليلات البروتينات حقيقية النواة، النموذجية وغير النموذجية، أن مناطق التحكم منخفضة التردد (LCRs) توجد بكثرة في البروتينات المشاركة في ربط الأحماض النووية (DNA أو RNA)، وفي النسخ، ونشاط المستقبلات، والنمو، والتكاثر، والمناعة، بينما تفتقر البروتينات الأيضية إلى هذه المناطق. ^{[ 3 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} وقد لاحظت دراسة معلوماتية حيوية لبيانات UniProt الخاصة بالبروتينات التي تحتوي على مناطق التحكم منخفضة التردد أن 44% (9751/22259) من مناطق التحكم منخفضة التردد في البكتيريا و44% (662/1521) في العتائق موجودة في بروتينات ذات وظائف غير معروفة. ومع ذلك، وُجد أن عددًا كبيرًا من البروتينات ذات الوظائف المعروفة (من أنواع مختلفة عديدة)، وخاصة تلك المشاركة في الترجمة والريبوسوم ، وربط الأحماض النووية، وربط أيونات المعادن، وطَيّ البروتين ، تحتوي أيضًا على مناطق التحكم منخفضة التردد. ^{[ 8 ]}

تُعدّ مناطق التكرار المنخفضة (LCRs) أكثر وفرةً في حقيقيات النوى، ولكنها موجودة أيضًا بشكلٍ ملحوظ في العديد من بدائيات النوى. ^{[ 8 ]} في المتوسط، تُشكّل مناطق التكرار المنخفضة 0.05% و0.07% من البروتينات البكتيرية والأثرية (إجمالي الأحماض الأمينية لمناطق التكرار المنخفضة في بروتين معين/إجمالي الأحماض الأمينية في ذلك البروتين)، بينما كانت هذه النسبة أعلى بكثير في خمسة بروتينات نموذجية من حقيقيات النوى (الإنسان، ذبابة الفاكهة، الخميرة، خميرة الانشطار، نبات الرشاد ) (في المتوسط، 0.4%؛ أي ما بين ضعفين إلى 23 ضعفًا مقارنةً ببدائيات النوى). ^{[ 8 ]}

تميل مناطق التحكم الموضعي (LCRs) في حقيقيات النوى إلى أن تكون أطول من نظيراتها في بدائيات النوى. ^{[ 8 ]} يبلغ متوسط ​​طول منطقة التحكم الموضعي في حقيقيات النوى 42 حمضًا أمينيًا، بينما يبلغ طولها في البكتيريا والعتائق والبلعميات 38 و36 و33 حمضًا أمينيًا على التوالي. ^{[ 8 ]}

في العتائق ، تمتلك بكتيريا Natrialba magadii المحبة للملوحة أعلى عدد من مناطق التكرار المنخفضة (LCRs) وأعلى نسبة إثراء بها. ^{[ 8 ]} وفي البكتيريا، تمتلك بكتيريا Enhygromyxa salina ، وهي بكتيريا دلتا بروتينية تنتمي إلى الميكسوبكتيريا، أعلى عدد من مناطق التكرار المنخفضة (LCRs) وأعلى نسبة إثراء بها. ^{[ 8 ]} ومن المثير للاهتمام أن أربعة من البكتيريا الخمس الأعلى إثراءً بمناطق التكرار المنخفضة (LCRs) هي أيضًا من الميكسوبكتيريا. ^{[ 8 ]}

الأحماض الأمينية الثلاثة الأكثر وفرة في مناطق التحكم منخفضة التكرار (LCRs) في البكتيريا هي البرولين والجليسين والألانين ، بينما في العتائق فهي الثريونين والأسبارتات والبرولين. ^{[ 8 ]} أما في العاثيات، فهي الألانين والجليسين والبرولين. ^{[ 8 ]} يبرز الجليسين والبرولين كأحماض أمينية غنية جدًا في جميع السلالات التطورية الثلاث، بينما يكون الألانين غنيًا جدًا في البكتيريا والعاثيات ولكنه غير غني في العتائق. من ناحية أخرى، فإن الأحماض الأمينية الكارهة للماء (M، I، L، V) والأحماض الأمينية العطرية (F، Y، W) بالإضافة إلى السيستين والأرجينين والأسباراجين ممثلة تمثيلًا ناقصًا للغاية في مناطق التحكم منخفضة التكرار. ^{[ 8 ]} وقد لوحظت اتجاهات مماثلة جدًا للأحماض الأمينية ذات التكرار العالي (G، A، P، S، Q) والمنخفض (M، V، L، I، W، F، R، C) في مناطق التحكم منخفضة التكرار في حقيقيات النوى أيضًا. ^{[ 24 ] [ 21 ]} يمكن تفسير هذا النمط الملحوظ المتمثل في زيادة تمثيل بعض الأحماض الأمينية (إثراءها) أو نقص تمثيلها في مناطق التحكم منخفضة الكثافة (LCRs) جزئيًا بتكلفة الطاقة اللازمة لتخليق أو استقلاب كل حمض أميني. ^{[ 8 ]} ثمة تفسير آخر محتمل، لا ينفي التفسير السابق لتكلفة الطاقة، وهو تفاعلية بعض الأحماض الأمينية. ^{[ 8 ]} على سبيل المثال، السيستين حمض أميني شديد التفاعلية، ولا يُحتمل وجوده بأعداد كبيرة ضمن منطقة صغيرة من البروتين. ^{[ 25 ]} وبالمثل، يمكن للمناطق شديدة الكراهية للماء أن تُكوّن تفاعلات بروتين-بروتين غير نوعية فيما بينها ومع مناطق أخرى متوسطة الكراهية للماء ^{[ 26 ] [ 27 ]} في خلايا الثدييات. وبالتالي، قد يُخل وجودها بتوازن شبكات تفاعل البروتين-بروتين داخل الخلية، خاصةً إذا كانت البروتينات الحاملة مُعبر عنها بكثرة. ^{[ 8 ]} قد يستند تفسير ثالث إلى قوى التطور الدقيق ، وبشكل أكثر تحديدًا، إلى تحيز انزلاق بوليميراز الحمض النووي لبعض ثنائيات أو ثلاثيات أو رباعيات النوكليوتيدات. ^{[ 8 ]}

تُعدّ مناطق التكرار المنخفضة (LCRs) مثيرة للاهتمام للغاية من منظور التطور الجزئي والكلي. ^{[ 8 ]} قد تنشأ هذه المناطق عن طريق انزلاق الحمض النووي، وإعادة التركيب، والإصلاح. ^{[ 28 ]} وبالتالي، فهي مرتبطة بمناطق إعادة التركيب الساخنة، بل وقد تُسهّل عملية العبور الجيني. ^{[ 29 ] [ 30 ]} ونظرًا لنشأتها من عدم الاستقرار الجيني، فقد تُسبب، على مستوى الحمض النووي، تمدد أو انكماش منطقة معينة من البروتين، بل وقد تُسبب انزياحات في إطار القراءة (متغيرات الطور) التي تؤثر على ضراوة الميكروبات أو تُوفّر مادة خام للتطور. ^{[ 31 ]} والأكثر إثارة للاهتمام، أنها قد تُتيح لنا نافذةً على المراحل المبكرة جدًا لتطور الحياة. ^{[ 8 ] [ 32 ]} خلال المراحل المبكرة للتطور، عندما كانت الأحماض الأمينية قليلة ومتوفرة، وكان الكود الجيني الأساسي لا يزال يتوسع، كان يُفترض أن تكون البروتينات الأولى قصيرة ومتكررة، وبالتالي، ذات تعقيد منخفض. ^{[ 33 ] [ 34 ]} وبالتالي، قد تمثل مناطق التكرار المنخفضة الحديثة جوانب بدائية من التطور نحو عالم البروتين، وقد تقدم أدلة حول وظائف الببتيدات الأولية. ^{[ 8 ]}

ركزت معظم الدراسات على تطور ووظيفة وبنية مناطق التكرار الموضعي (LCRs) في حقيقيات النوى. ^{[ 8 ]} مع ذلك، توفر دراسة شاملة لمناطق التكرار الموضعي في بدائيات النوى من سلالات بدائية نوى متنوعة فرصة فريدة لفهم أصل هذه المناطق وتطورها وطبيعتها. نظرًا لكبر حجم التجمع الفعال وقصر دورة حياة بدائيات النوى، فإن ظهور تكرار حمض أميني ضار بشكل طفيف أو متوسط ​​أو منطقة تكرار موضعي (LCR) من جديد يُفترض أن يُستبعد بسرعة بفعل قوى انتقائية قوية. ^{[ 8 ]} وينطبق هذا بشكل خاص على مناطق التكرار الموضعي الموجودة في البروتينات عالية التعبير، إذ يُفترض أن يكون لها تأثير كبير على عبء الطاقة في ترجمة البروتين. ^{[ 35 ] [ 36 ]} وبالتالي، فإن أي مناطق تكرار موضعي في بدائيات النوى تُشكل طفرات تطورية عشوائية بدون أهمية وظيفية لا ينبغي تثبيتها بالانحراف الوراثي، وبالتالي لا ينبغي أن تُظهر أي مستوى من الحفظ بين الأقارب التطوريين متوسطي البعد. ^{[ 8 ]} على النقيض من ذلك، من المرجح جدًا أن تحتفظ أي منطقة تكرار موضعي موجودة بين نظائر العديد من أنواع بدائيات النوى متوسطة البعد بدور وظيفي. ^{[ 8 ]}

الأحماض الأمينية الأكثر شيوعًا في مناطق التحكم منخفضة التردد (LCRs) هي الجلايسين والألانين، حيث تُعدّ الكودونات GGC وGCC الأكثر تكرارًا، فضلًا عن كونها متكاملة. ^{[ 8 ]} في حقيقيات النوى، وتحديدًا في الحبليات (مثل الإنسان والفأر والدجاج وسمك الزيبرا والأسكيورت البحري)، تتواجد مناطق التحكم منخفضة التردد الغنية بالألانين والجلايسين بكثرة في المناطق حديثة التكوين، وربما يكون تحملها من قِبل الخلية أفضل. ^{[ 37 ]} ومن المثير للاهتمام، أنه قد اقتُرح أيضًا أنها تمثل أول حمضين أمينيين ^{[ 38 ]} وأول كودونين ^{[ 34 ] [ 39 ] [ 40 ]} من الشفرة الوراثية المبكرة. وبالتالي، لا بد أن هذين الكودونين وحمضيهما الأمينيين كانا من مكونات الببتيدات قليلة الوحدات الأولى، التي يتراوح طولها بين 10 و55 حمضًا أمينيًا ^{[ 41 ]} وتتميز بتعقيد منخفض للغاية. استنادًا إلى معايير ومصادر بيانات متعددة، اقترح هيغز وبودريتز ^{[ 38 ]} أن الأحماض الأمينية G، A، D، E، V، S، P، I، L، T هي الأحماض الأمينية المبكرة في الشفرة الوراثية. ويتفق عمل تريفونوف إلى حد كبير مع هذا التصنيف، ويقترح أن الأحماض الأمينية المبكرة، مرتبة زمنيًا، هي G، A، D، V، S، P، E، L، T، R. وقد لاحظ تحليل تطوري أن العديد من الأحماض الأمينية في الشفرة الوراثية المبكرة المقترحة (باستثناء الأحماض الكارهة للماء) موجودة بكثرة في مناطق التحكم منخفضة التعقيد (LCRs) في البكتيريا. ^{[ 8 ]} في المقابل، فإن معظم الإضافات اللاحقة للشفرة الوراثية ممثلة تمثيلًا ناقصًا بشكل ملحوظ في مناطق التحكم منخفضة التعقيد في البكتيريا. ^{[ 8 ]} ولذلك، يفترض الباحثون ويقترحون أنه في بيئة خالية من الخلايا، ربما تكون الشفرة الوراثية المبكرة قد أنتجت أيضًا ببتيدات قليلة التعقيد من الفالين والليوسين. ^{[ ٨ ]} مع ذلك، لاحقًا، وفي بيئة خلوية أكثر تعقيدًا، أصبحت هذه المناطق المتحكمة منخفضة الكراهية للماء غير مناسبة، بل وربما سامة، من منظور تفاعل البروتين، ومنذ ذلك الحين تم استبعادها من خلال الانتقاء. ^{[ ٨ ]} إضافةً إلى ذلك، يفترضون أن البروتوببتيدات المبكرة جدًا لم يكن لها دور في ربط الأحماض النووية، ^{[ ٨ ]} لأن المناطق المتحكمة منخفضة الكراهية للماء المرتبطة بالحمض النووي DNA والحمض النووي RNA غنية جدًا بالجليسين والأرجينين والليسين، مع أن الأرجينين والليسين ليسا من بين الأحماض الأمينية في الشفرة الوراثية المبكرة المقترحة.

يمكن الكشف عن المناطق منخفضة التعقيد في البروتينات حسابيًا من خلال تسلسلها باستخدام طرق وتعريفات متنوعة، كما هو موضح في المرجع ^{[ 2 ]} . ومن بين أكثر المنهجيات شيوعًا لتحديد هذه المناطق قياس إنتروبيا شانون الخاصة بها ^{[ 1 ]} . فكلما انخفضت قيمة الإنتروبيا المحسوبة، زادت تجانس المنطقة من حيث محتوى الأحماض الأمينية. إضافةً إلى ذلك، تم تطوير خادم ويب للشبكات العصبية، يُدعى LCR-hound، للتنبؤ بوظيفة المنطقة منخفضة التعقيد بناءً على محتواها من الأحماض الأمينية أو ثنائيات الأحماض الأمينية ^{[8 ]} . ^كما استُخدمت أدوات تعتمد على الضغط لإجراء هذا التحليل، مما يوفر حساسية أعلى مع تقليل مخاطر المبالغة في التقدير المتأصلة في الطرق الأخرى ^{[ 42 ] .}