التعبير الجيني المكاني والزماني

يُعرَّف التعبير الجيني المكاني الزمني بأنه تنشيط الجينات داخل أنسجة محددة في الكائن الحي في أوقات محددة خلال مراحل نموه . وتتفاوت أنماط تنشيط الجينات بشكل كبير في تعقيدها. فبعضها بسيط وثابت، مثل نمط التوبولين، الذي يُعبَّر عنه في جميع الخلايا في جميع مراحل الحياة. بينما بعضها الآخر معقد للغاية ويصعب التنبؤ به ونمذجته، حيث يتذبذب التعبير الجيني بشكل كبير من دقيقة إلى أخرى أو من خلية إلى أخرى. ويلعب التباين المكاني الزمني دورًا رئيسيًا في توليد تنوع أنواع الخلايا الموجودة في الكائنات الحية المتطورة؛ فبما أن هوية الخلية تُحدد بمجموعة الجينات النشطة التعبير داخلها، فلو كان التعبير الجيني موحدًا مكانيًا وزمنيًا، لما وُجد سوى نوع واحد من الخلايا على الأكثر.

لنأخذ جين "وينغليس" كمثال، وهو أحد أفراد عائلة جينات "وونت" . في المراحل المبكرة من التطور الجنيني للكائن النموذجي "دروسوفيلا ميلانوغاستر" (ذبابة الفاكهة)، يُعبر عن جين "وينغليس" في جميع أنحاء الجنين تقريبًا على شكل خطوط متناوبة تفصل بينها ثلاث خلايا. يختفي هذا النمط عند تحول الكائن إلى يرقة، لكن جين "وينغليس" لا يزال يُعبر عنه في أنسجة متنوعة، مثل أقراص الجناح الخيالية ، وهي بقع نسيجية ستتطور إلى أجنحة الحشرة البالغة. يتحدد النمط المكاني والزماني لتعبير جين "وينغليس " بواسطة شبكة من التفاعلات التنظيمية التي تتكون من تأثيرات العديد من الجينات المختلفة، مثل " إيفن-سكيبد" و "كروپل".

ما الذي يُسبب الاختلافات المكانية والزمانية في التعبير الجيني لجين واحد؟ نظرًا لأن أنماط التعبير الحالية تعتمد كليًا على أنماط التعبير السابقة، فإن تفسير أسباب الاختلافات الأولى في التعبير الجيني يُشكل معضلةً رجعية. تُعرف العملية التي يتحول فيها التعبير الجيني المنتظم إلى تعبير تفاضلي مكانيًا وزمانيًا بكسر التناظر . على سبيل المثال، في حالة التطور الجنيني لذبابة الفاكهة، يُعبر عن الجينين nanos و bicoid بشكل غير متناظر في البويضة لأن الخلايا الأمومية تُودع الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) لهذين الجينين في قطبي البويضة قبل وضعها .

إحدى طرق تحديد نمط التعبير الجيني لجين معين هي وضع جين مُخبِر أسفل مُحفِّزه. في هذه الحالة، يُحفِّز الجين المُحفِّز التعبير عن الجين المُخبِر فقط في المكان والزمان اللذين يُعبَّر فيهما عن الجين المُراد دراسته. يُمكن تحديد توزيع التعبير عن الجين المُخبِر من خلال تصويره. على سبيل المثال، يُمكن تصوير الجين المُخبِر، وهو البروتين الفلوري الأخضر، عن طريق تحفيزه بضوء أزرق، ثم استخدام كاميرا رقمية لتسجيل انبعاث الفلورة الخضراء .

إذا كان مُحفِّز الجين المُراد دراسته غير معروف، فهناك عدة طرق لتحديد توزيعه المكاني والزماني. تتضمن تقنية الكيمياء النسيجية المناعية تحضير جسم مضاد ذي ألفة نوعية للبروتين المرتبط بالجين المُراد دراسته. ويمكن بعد ذلك تصوير توزيع هذا الجسم المضاد باستخدام تقنية مثل التأشير الفلوري. تتميز الكيمياء النسيجية المناعية بسهولة تطبيقها وانخفاض تكلفتها نسبيًا. أما عيوبها فتتمثل في عدم نوعية الجسم المضاد، مما يؤدي إلى نتائج إيجابية خاطئة في تحديد التعبير الجيني. كما أن ضعف نفاذية الجسم المضاد إلى النسيج المستهدف قد يؤدي إلى نتائج سلبية خاطئة . علاوة على ذلك، ولأن الكيمياء النسيجية المناعية تُصوِّر البروتين الناتج عن الجين، فإن انتشار هذا البروتين بين الخلايا، أو قصر أو طول عمر النصف له مقارنةً بالحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) المستخدم في ترجمته ، قد يؤدي إلى تفسير خاطئ للخلايا التي تُعبِّر عن هذا الحمض النووي الريبوزي الرسول .

التهجين الموضعي هو طريقة بديلة يتم فيها إضافة "مسبار"، وهو حمض نووي اصطناعي ذو تسلسل مكمل لـ mRNA الجين، إلى النسيج. ثم يُوسم هذا المسبار كيميائيًا ليُمكن تصويره لاحقًا. تُمكّن هذه التقنية من تصوير الخلايا المنتجة لـ mRNA تحديدًا دون أي من التشوهات المرتبطة بالكيمياء المناعية النسيجية. مع ذلك، فهي صعبة للغاية، وتتطلب معرفة تسلسل الحمض النووي (DNA) المطابق للجين المطلوب.

تكشف طريقة تُسمى فحص مُحسِّن التعبير الجيني عن تنوّع أنماط التعبير الجيني المكانية والزمانية الممكنة في الكائن الحي. في هذه التقنية، يُدخَل الحمض النووي الذي يُشفِّر جينًا مُخبِرًا عشوائيًا في الجينوم. وبناءً على مُحفِّزات الجينات القريبة من نقطة الإدخال، يُعبَّر عن الجين المُخبِر في أنسجة مُحدَّدة وفي مراحل مُحدَّدة من النمو. مع أن أنماط التعبير المُستمدة من فحص مُحسِّن التعبير الجيني لا تُعكس بالضرورة أنماط التعبير الفعلية لجينات مُحدَّدة، إلا أنها تكشف عن تنوّع الأنماط المكانية والزمانية التي يُمكن للتطور أن يُتيحها.

يمكن تصوير الجينات المُبلِّغة في الكائنات الحية، ولكن يتطلب كلٌّ من التلوين المناعي النسيجي والتهجين الموضعي إجراءهما على أنسجة مُثبَّتة . ولا تُتيح التقنيات التي تتطلب تثبيت الأنسجة سوى الحصول على نقطة زمنية واحدة لكل كائن حي. مع ذلك، يُعدّ استخدام الحيوانات الحية بدلًا من الأنسجة المُثبَّتة أمرًا بالغ الأهمية لفهم أنماط التعبير الجيني ديناميكيًا على مدار حياة الكائن الحي. وفي كلتا الحالتين، قد يُؤثِّر التباين بين الأفراد على تفسير أنماط التعبير الجيني الزمنية.

تُجرى حاليًا دراسة عدة طرق للتحكم في التعبير الجيني مكانيًا وزمنيًا وبدرجات متفاوتة. إحدى هذه الطرق هي استخدام نظام مُحفِّز /مُثبِّط الأوبيرون، الذي يوفر تحكمًا زمنيًا في التعبير الجيني. وللتحكم المكاني في التعبير الجيني، يجري تطوير طابعات نفث الحبر لطباعة الروابط على مزارع الهلام. ^{[ 1 ]} وتتضمن طريقة أخرى شائعة استخدام الضوء للتحكم في التعبير الجيني مكانيًا وزمنيًا. ونظرًا لإمكانية التحكم بالضوء بسهولة مكانيًا وزمنيًا ودرجةً، فقد طُوِّرت عدة طرق للتحكم في التعبير الجيني على مستوى الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبوزي RNA ^{[ 2 ]} ، وهي قيد الدراسة. على سبيل المثال، يمكن التحكم في تداخل الحمض النووي الريبوزي RNA باستخدام الضوء ^{[ 3 ] [ 4 ]} ، كما أُجريَ تنظيم نمط التعبير الجيني في طبقة أحادية من الخلايا ^{[ 5 ]} وفي أجنة سمك الزيبرا باستخدام مورفولينو محصور ^{[ 6 ]} أو حمض نووي ببتيدي ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]،} مما يُظهر التحكم في التعبير الجيني مكانيًا وزمنيًا. وقد تم مؤخرًا إثبات التحكم القائم على الضوء على مستوى الحمض النووي باستخدام نظام قائم على الجينات المعدلة ^{[ 10 ]} أو سلاسل قليلة النوكليوتيدات الثلاثية المحصورة ^{[ 11 ].}

• تقرير FlyBase عن التعبير الجيني لـ wingless في ذباب الفاكهة
• تصفح أنماط التعبير الجيني المكاني والزماني المصنفة حسب عدد الكروموسومات البشرية
• التعبير الجيني المكاني والزماني في برنامج Genevestigator
• ابحث عن جينات الثدييات ذات أنماط التعبير المحددة
• أنماط التعبير الجيني أثناء تكوين جنين ذبابة الفاكهة كما تم استنتاجها بواسطة التهجين الموضعي. مؤرشف بتاريخ 7 أغسطس 2008 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).