أوبرون

في علم الوراثة ، الأوبيرون هو وحدة وظيفية من الحمض النووي (DNA) تحتوي على مجموعة من الجينات تحت سيطرة مُحفِّز واحد . ^{[ 1 ]} تُنسخ الجينات معًا إلى شريط mRNA ، ثم تُترجم إما معًا في السيتوبلازم، أو تخضع لعملية التضفير لإنتاج mRNA أحادي السيسترون يُترجم بشكل منفصل، أي عدة شرائط من mRNA، كل منها يُشفِّر منتجًا جينيًا واحدًا. ونتيجةً لذلك، تُعبَّر الجينات الموجودة في الأوبيرون إما معًا أو لا تُعبَّر على الإطلاق. يجب أن تُنسخ عدة جينات معًا لتحديد الأوبيرون. ^{[ 2 ]}

كان يُعتقد في الأصل أن الأوبيرونات موجودة فقط في بدائيات النوى (والتي تشمل عضيات مثل البلاستيدات المشتقة من البكتيريا )، ولكن تم اكتشافها في حقيقيات النوى في أوائل التسعينيات، وتُعتبر نادرة. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} بشكل عام، يؤدي التعبير عن الأوبيرونات في بدائيات النوى إلى إنتاج mRNA متعدد الجينات ، بينما تؤدي الأوبيرونات في حقيقيات النوى إلى إنتاج mRNA أحادي الجين.

توجد الأوبيرونات أيضًا في الفيروسات مثل العاثيات . ^{[ 7 ] [ 8 ]} على سبيل المثال، تحتوي عاثيات T7 على أوبيرونين. يشفر الأوبيرون الأول منتجات متنوعة، بما في ذلك بوليميراز RNA خاص بـ T7 يمكنه الارتباط بالأوبيرون الثاني ونسخه. يحتوي الأوبيرون الثاني على جين التحلل الذي تتمثل وظيفته في التسبب في انفجار الخلية المضيفة. ^{[ 9 ]}

طُرح مصطلح "الأوبيرون" لأول مرة في ورقة بحثية موجزة نُشرت في وقائع الأكاديمية الفرنسية للعلوم عام 1960. ^{[ 10 ]} ومن هذه الورقة، طُوّرت ما يُعرف بالنظرية العامة للأوبيرون. أشارت هذه النظرية إلى أن الجينات داخل الأوبيرون، في جميع الحالات، تخضع لسيطرة سلبية من خلال مُثبِّط يعمل على مُشغِّل واحد يقع قبل الجين الأول. لاحقًا، اكتُشف أن الجينات يُمكن تنظيمها إيجابيًا، وكذلك في المراحل اللاحقة لبدء عملية النسخ. لذا، لا يُمكن الحديث عن آلية تنظيمية عامة، لأن لكل أوبيرون آلية تنظيمية مختلفة. اليوم، يُعرَّف الأوبيرون ببساطة على أنه مجموعة من الجينات تُنسخ إلى جزيء mRNA واحد. ومع ذلك، يُعتبر تطوير هذا المفهوم حدثًا بارزًا في تاريخ البيولوجيا الجزيئية. أول أوبيرون وُصف كان أوبيرون اللاكتوز في بكتيريا الإشريكية القولونية . ^{[ 10 ]} تم منح جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء والطب لعام 1965 إلى فرانسوا جاكوب وأندريه ميشيل لوف وجاك مونود لاكتشافاتهم المتعلقة بالأوبيرون وتخليق الفيروس.

أوبيرون متعدد الجينات التسلسل التنظيمي التسلسل التنظيمي معزز معزز كاتم الصوت كاتم الصوت المشغل المروج 5'UTR ORF ORF UTR 3'UTR يبدأ يبدأ قف قف تيرميناتور النسخ الحمض النووي بنك رويال بانك أوف سكوتلاند بنك رويال بانك أوف سكوتلاند منطقة ترميز البروتين منطقة ترميز البروتين mRNA ترجمة بروتين بنية أوبيرون بدائيات النوى لجينات ترميز البروتين . يتحكم التسلسل التنظيمي في وقت التعبير عن مناطق ترميز البروتين المتعددة (باللون الأحمر). تنظم مناطق المحفز والمشغل والمعزز (باللون الأصفر) نسخ الجين إلى mRNA. تنظم المناطق غير المترجمة من mRNA (باللون الأزرق) عملية الترجمة إلى منتجات البروتين النهائية. [ 11 ]

توجد الأوبيرونات بشكل أساسي في بدائيات النوى، ولكنها توجد أيضًا نادرًا في بعض حقيقيات النوى ، بما في ذلك الديدان الأسطوانية مثل C. elegans وذبابة الفاكهة Drosophila melanogaster . ^{[ 3 ]} غالبًا ما توجد جينات الحمض النووي الريبوزي (rRNA) في أوبيرونات وُجدت في مجموعة من حقيقيات النوى، بما في ذلك الحبليات . يتكون الأوبيرون من عدة جينات بنيوية مرتبة تحت مُحفِّز مشترك ، ويتم تنظيمها بواسطة مُشغِّل مشترك. يُعرَّف الأوبيرون بأنه مجموعة من الجينات البنيوية المتجاورة، بالإضافة إلى الإشارات التنظيمية المجاورة التي تؤثر على نسخ هذه الجينات. ^{[ 5 ] [ 12 ]} لا تُشفَّر مُنظِّمات أوبيرون معين، بما في ذلك الكابتات والمُثبِّطات المساعدة والمُنشِّطات ، بالضرورة بواسطة هذا الأوبيرون. يمكن لموقع وحالة المُنظِّمات والمُحفِّز والمُشغِّل وتسلسلات الحمض النووي البنيوية أن تُحدِّد آثار الطفرات الشائعة.

ترتبط الأوبيرونات بالريجولونات والمحفزات والمودولونات ؛ فبينما تحتوي الأوبيرونات على مجموعة من الجينات التي ينظمها نفس المشغل، تحتوي الريجولونات على مجموعة من الجينات التي ينظمها بروتين تنظيمي واحد، وتحتوي المحفزات على مجموعة من الجينات التي ينظمها محفز خلوي واحد. ووفقًا لمؤلفيها، فإن مصطلح "أوبيرون" مشتق من الفعل "يعمل". ^{[ 13 ]}

تحتوي الأوبيرون على جين واحد أو أكثر من الجينات البنيوية التي تُنسخ عادةً إلى جزيء mRNA متعدد السيسترونات (جزيء mRNA واحد يُشفّر لأكثر من بروتين واحد ). مع ذلك، لا يشترط تعريف الأوبيرون أن يكون جزيء mRNA متعدد السيسترونات، على الرغم من أنه في الواقع العملي يكون كذلك في الغالب. ^{[ 6 ]} يقع تسلسل المحفز في اتجاه 5' من الجينات البنيوية، وهو يوفر موقعًا لربط بوليميراز RNA وبدء عملية النسخ. بالقرب من المحفز، يوجد جزء من الحمض النووي يُسمى المُشغّل .

تُفعَّل أو تُعطَّل جميع الجينات البنيوية للأوبيرون معًا، بفضل مُحفِّز ومُشغِّل واحد يقعان في اتجاه 5' منها، ولكن في بعض الأحيان تكون هناك حاجة إلى مزيد من التحكم في التعبير الجيني. ولتحقيق ذلك، تقع بعض الجينات البكتيرية بالقرب من بعضها، ولكن يوجد مُحفِّز خاص لكل منها؛ وهذا ما يُسمى بتجميع الجينات . عادةً ما تُشفِّر هذه الجينات بروتينات تعمل معًا في نفس المسار، مثل مسار الأيض. يُساعد تجميع الجينات الخلية بدائية النواة على إنتاج إنزيمات الأيض بالترتيب الصحيح. ^{[ 14 ]} في إحدى الدراسات، طُرحت فرضية مفادها أنه في أسغارد (العتائق) ، توجد جينات ترميز البروتين الريبوسومي في تجمعات أقل حفظًا في تنظيمها مقارنةً بالعتائق الأخرى ؛ فكلما اقتربت أسغارد (العتائق) من حقيقيات النوى ، كلما كان ترتيب جينات ترميز البروتين الريبوسومي أكثر تشتتًا. ^{[ 15 ]}

يتكون الأوبيرون من 3 مكونات أساسية من الحمض النووي:

• المحفز – تسلسل نيوكليوتيدي يمكّن من نسخ الجين . يتعرف إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase) على المحفز، فيبدأ عملية النسخ. في عملية تخليق الحمض النووي الريبي، تشير المحفزات إلى الجينات التي يجب استخدامها لإنتاج الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA)، وبالتالي، تتحكم في البروتينات التي تنتجها الخلية.
• المُشغِّل – قطعة من الحمض النووي يرتبط بها المُثبِّط . يُعرَّف تقليديًا في أوبيرون اللاكتوز بأنه قطعة تقع بين المُحفِّز وجينات الأوبيرون. ^{[ 16 ]} يقع المُشغِّل الرئيسي (O1) في أوبيرون اللاكتوز أسفل المُحفِّز بقليل؛ ويقع مُشغِّلان إضافيان، O2 وO3، عند -82 و+412 على التوالي. في حالة المُثبِّط، يعيق بروتين المُثبِّط فعليًا بوليميراز الحمض النووي الريبي من نسخ الجينات.
• الجينات البنيوية - الجينات التي يتم تنظيمها بشكل مشترك بواسطة الأوبيرون.

لا يُعدّ الجين المنظم جزءًا من الأوبيرون دائمًا، ولكنه مهم في وظيفته ، وهو جين يُعبَّر عنه باستمرار ويُشفِّر بروتينات كابحة . ولا يشترط أن يكون الجين المنظم داخل الأوبيرون أو مجاورًا له أو حتى قريبًا منه للتحكم فيه. ^{[ 17 ]}

يمكن للمحفز (جزيء صغير) أن يزيح الكابت (بروتين) من موقع المشغل (DNA)، مما يؤدي إلى أوبيرون غير مثبط.

بدلاً من ذلك، يمكن لبروتين كابح أن يرتبط بالبروتين الكابح ليسمح بارتباطه بموقع المشغل. ومن الأمثلة الجيدة على هذا النوع من التنظيم ما يُرى في أوبيرون التربتوفان .

يُعدّ التحكم في الأوبيرون نوعًا من تنظيم الجينات، يمكّن الكائنات الحية من تنظيم التعبير عن جينات مختلفة تبعًا للظروف البيئية. ويمكن أن يكون تنظيم الأوبيرون سلبيًا أو إيجابيًا عن طريق التحفيز أو التثبيط. ^{[ 16 ]}

تتضمن عملية التحكم السلبي ربط مثبط بالمشغل لمنع النسخ.

• في الأوبيرونات المحفزة السلبية ، يرتبط بروتين كابح تنظيمي عادةً بالمشغل، مما يمنع نسخ الجينات الموجودة على الأوبيرون. في حال وجود جزيء محفز ، فإنه يرتبط بالبروتين الكابح ويغير بنيته بحيث يعجز عن الارتباط بالمشغل، مما يسمح بتعبير الأوبيرون. يُعد أوبيرون اللاكتوز مثالًا على الأوبيرونات المحفزة ذات التحكم السلبي، حيث يكون جزيء المحفز هو الألولاكتوز .
• في الأوبيرونات القابلة للتثبيط السلبي ، تتم عملية نسخ الأوبيرون بشكل طبيعي. تُنتَج البروتينات الكابتة بواسطة جين منظم ، لكنها لا تستطيع الارتباط بالمشغل في هيئتها الطبيعية. مع ذلك، ترتبط جزيئات معينة تُسمى الكابتات المساعدة بالبروتين الكابت، مما يُحدث تغييرًا في هيئة الموقع النشط. يرتبط البروتين الكابت المُنشَّط بالمشغل ويمنع عملية النسخ. يُعد أوبيرون trp ، المُشارك في تخليق التربتوفان (الذي يعمل بدوره ككابت مساعد)، أوبيرونًا قابلًا للتثبيط ذي تحكم سلبي.

يمكن أيضًا التحكم الإيجابي في الأوبيرونات. في حالة التحكم الإيجابي، يقوم بروتين منشط بتحفيز النسخ عن طريق الارتباط بالحمض النووي (عادةً في موقع آخر غير موقع المشغل).

• في الأوبيرونات المحفزة الإيجابية ، لا تستطيع البروتينات المنشطة عادةً الارتباط بالحمض النووي ذي الصلة. عندما يرتبط المحفز بالبروتين المنشط، فإنه يخضع لتغيير في بنيته الفراغية ليتمكن من الارتباط بالحمض النووي وتنشيط عملية النسخ. ومن أمثلة الأوبيرونات المحفزة الإيجابية عائلة MerR من منشطات النسخ.
• في الأوبيرونات الموجبة القابلة للكبح ، ترتبط البروتينات المنشطة عادةً بقطعة الحمض النووي ذات الصلة. ولكن، عندما يرتبط المنشط بمثبط، فإنه يُمنع من الارتباط بالحمض النووي، مما يوقف تنشيط النظام ونسخه.

يُعدّ أوبيرون اللاكتوز في بكتيريا الإشريكية القولونية النموذجية أول أوبيرون يُكتشف، وهو مثال نموذجي لوظيفة الأوبيرون. يتكون من ثلاثة جينات هيكلية متجاورة ، ومحفز ، ومنهي ، ومشغل . يُنظّم أوبيرون اللاكتوز بواسطة عدة عوامل، منها توافر الجلوكوز واللاكتوز . ويمكن تنشيطه بواسطة الألولاكتوز . يرتبط اللاكتوز بالبروتين الكابت ويمنعه من كبح نسخ الجينات. هذا مثال على نموذج الأوبيرون القابل للتنشيط السلبي (كما ذُكر سابقًا: الأوبيرون القابل للتنشيط السلبي). لذا، فهو أوبيرون قابل للتنشيط السلبي يُحفّز بوجود اللاكتوز أو الألولاكتوز .

اكتُشف أوبيرون التربتوفان (trp) في بكتيريا الإشريكية القولونية عام 1953 على يد جاك مونود وزملاؤه، وكان أول أوبيرون قابل للتثبيط يُكتشف. بينما يُمكن تنشيط أوبيرون اللاكتوز (lac) بواسطة مادة كيميائية ( الألولاكتوز )، يُثبَّط أوبيرون التربتوفان (Trp) بواسطة مادة كيميائية (التربتوفان). يحتوي هذا الأوبيرون على خمسة جينات بنيوية: trp E، وtrp D، وtrp C، وtrp B، وtrp A، الذي يُشفِّر إنزيم سينثاز التربتوفان . كما يحتوي على مُحفِّز يرتبط بإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase)، ومُشغِّل يمنع النسخ عند ارتباطه بالبروتين المُصنَّع بواسطة جين الكابت (trp R) الذي يرتبط بدوره بالمُشغِّل. في أوبيرون اللاكتوز، يرتبط اللاكتوز بالبروتين الكابت ويمنعه من كبح نسخ الجينات، بينما في أوبيرون التربتوفان، يرتبط التربتوفان بالبروتين الكابت ويُمكّنه من كبح نسخ الجينات. وعلى عكس أوبيرون اللاكتوز، يحتوي أوبيرون التربتوفان على ببتيد قائد وتسلسل مُخفِّف يسمح بالتنظيم التدريجي. ^{[ 18 ]} هذا مثال على نموذج الكبح المشترك .

تمت دراسة عدد وتنظيم الأوبيرونات بشكل دقيق للغاية في بكتيريا الإشريكية القولونية . ونتيجة لذلك، يمكن وضع تنبؤات بناءً على التسلسل الجينومي للكائن الحي.

تعتمد إحدى طرق التنبؤ على المسافة بين الجينات في إطار القراءة كمؤشر رئيسي لعدد الأوبيرونات في الجينوم. لا يؤدي هذا الفصل إلا إلى تغيير الإطار، ويضمن كفاءة عملية القراءة. توجد امتدادات أطول حيث تبدأ الأوبيرونات وتنتهي، وغالبًا ما تصل إلى 40-50 قاعدة. ^{[ 19 ]}

تعتمد طريقة بديلة للتنبؤ بالأوبيرونات على إيجاد تجمعات جينية حيث يتم الحفاظ على ترتيب الجينات واتجاهها في اثنين أو أكثر من الجينومات. ^{[ 20 ]}

تزداد دقة التنبؤ بالأوبيرونات عند مراعاة الفئة الوظيفية للجزيئات. فقد قامت البكتيريا بتجميع إطارات القراءة الخاصة بها في وحدات، معزولة من خلال مشاركتها في مركبات بروتينية، أو مسارات مشتركة، أو ركائز ونواقل مشتركة. وبالتالي، يتطلب التنبؤ الدقيق جميع هذه البيانات، وهي مهمة صعبة بالفعل.

كان مختبر باسكال كوسارت أول من حدد تجريبياً جميع الأوبيرونات الخاصة بالكائن الحي الدقيق، الليستيريا المستوحدة . وقد وردت قائمة بالأوبيرونات متعددة الجينات البالغ عددها 517 في دراسة أجريت عام 2009 تصف التغيرات الشاملة في النسخ التي تحدث في الليستيريا المستوحدة في ظل ظروف مختلفة. ^{[ 21 ]}

تُعدّ المحفزات الأولية هي المتحكمات الرئيسية في الأوبيرونات. مع ذلك، تحتوي العديد من الأوبيرونات على محفزات داخلية. على سبيل المثال، نصف جميع الأوبيرونات في بكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli) تحتوي على محفزات داخلية . ماذا يحدث عند اضطراب كل من المحفزات الأولية والداخلية في آنٍ واحد؟ تتبعت دراسة حديثة كيفية استجابة كل جين في كل أوبيرون لمثل هذه الضغوطات على مستوى الجينوم. ^{[ 22 ]} ووجد الباحثون أن العديد من عمليات نسخ الأوبيرونات تنتهي قبل الأوان في تلك الظروف. كما وجدوا أن المحفزات الداخلية تُعوّض بشكل كبير عن هذه النهايات، مما يُنشئ نمط استجابة موجي على طول الأوبيرونات. بعد ذلك، تبيّن أن الأمر نفسه يحدث في بكتيريا متباعدة تطوريًا، مثل العصوية الرقيقة (Bacillus subtilis) والوتدية الغلوتاميكية (Corynebacterium glutamicum) والملوية البوابية (Helicobacter pylori).

• علم الأحياء التطوري النمائي
• الشفرة الوراثية
• شبكة تنظيم الجينات
• أوبيرون L-أرابينوز
• تخليق البروتين
• صندوق تاتا
• اختبار كروموتست أومو

• متصفح ارتباط أوبرون لبكتيريا السل المتفطرة H37Rv
• قاعدة بيانات OBD - أوبرون (مع أنها صعبة الاستخدام بعض الشيء)