المنشط (علم الوراثة)
المنشط النسخي هو بروتين ( عامل نسخ ) يزيد من نسخ جين أو مجموعة من الجينات. [1] يُعتقد أن المنشطات لها سيطرة إيجابية على التعبير الجيني، حيث تعمل على تعزيز نسخ الجينات، وفي بعض الحالات، تكون مطلوبة لحدوث نسخ الجينات. [1] [2] [3] [4] معظم المنشطات هي بروتينات مرتبطة بالحمض النووي ترتبط بمعززات أو عناصر قريبة من المحفز . [1] يشار إلى موقع الحمض النووي المرتبط بالمنشط باسم "موقع ربط المنشط". [3] يشار إلى جزء المنشط الذي يقوم بتفاعلات بروتين-بروتين مع آلية النسخ العامة باسم "منطقة التنشيط" أو "مجال التنشيط". [1]
تعمل معظم المنشطات عن طريق الارتباط بشكل خاص بالتسلسل بموقع تنظيمي في الحمض النووي يقع بالقرب من المحفز وإجراء تفاعلات بروتينية-بروتينية مع آلية النسخ العامة ( بوليميراز الحمض النووي الريبي وعوامل النسخ العامة )، وبالتالي تسهيل ارتباط آلية النسخ العامة بالمحفز. [1] [2] [3] [4] تساعد المنشطات الأخرى في تعزيز نسخ الجينات عن طريق تحفيز بوليميراز الحمض النووي الريبي للإفراج عن المحفز والمضي قدمًا على طول الحمض النووي. [2] في بعض الأحيان، يمكن أن يتوقف بوليميراز الحمض النووي الريبي مؤقتًا بعد مغادرة المحفز بفترة وجيزة؛ تعمل المنشطات أيضًا على السماح لهذه البوليميرازات الحمض النووي الريبي "المتوقفة" بمواصلة النسخ. [1] [2]
يمكن تنظيم نشاط المنشطات. بعض المنشطات لها موقع تآزري ولا يمكنها العمل إلا عندما يرتبط جزيء معين بهذا الموقع، مما يؤدي في الأساس إلى تشغيل المنشط. [4] يمكن للتعديلات التي تلي الترجمة على المنشطات أيضًا تنظيم النشاط، مما يزيد أو يقلل النشاط اعتمادًا على نوع التعديل والمنشط الذي يتم تعديله. [1]
في بعض الخلايا، وعادةً حقيقيات النوى، يمكن لمنشطات متعددة الارتباط بموقع الارتباط؛ وتميل هذه المنشطات إلى الارتباط بشكل تعاوني والتفاعل بشكل تآزري. [1] [2]
بناء
تتكون البروتينات المنشطة من مجالين رئيسيين : مجال ربط الحمض النووي الذي يرتبط بتسلسل الحمض النووي الخاص بالمنشط، ومجال التنشيط الذي يعمل على زيادة نسخ الجينات من خلال التفاعل مع جزيئات أخرى. [1] تأتي مجالات ربط الحمض النووي المنشطة في مجموعة متنوعة من التكوينات، بما في ذلك الحلزوني الحلزوني ، وإصبع الزنك ، وسحاب الليوسين وغيرها. [1] [2] [3] تكون مجالات ربط الحمض النووي هذه خاصة بتسلسل معين من الحمض النووي، مما يسمح للمنشطات بتشغيل جينات معينة فقط. [1] [2] [3] تأتي مجالات التنشيط أيضًا في مجموعة متنوعة من الأنواع التي يتم تصنيفها بناءً على تسلسل الأحماض الأمينية للمجال، بما في ذلك المجالات الغنية بالألانين والغنية بالجلوتامين والحمضية. [1] هذه المجالات ليست محددة، وتميل إلى التفاعل مع مجموعة متنوعة من جزيئات الهدف. [1]
يمكن أن تحتوي المنشطات أيضًا على مواقع متآزرة مسؤولة عن تشغيل المنشطات نفسها وإيقافها. [4]
آلية العمل
ارتباط المنشط بالتسلسلات التنظيمية
داخل أخاديد الحلزون المزدوج للحمض النووي، يتم الكشف عن المجموعات الوظيفية للأزواج القاعدية. [2] وبالتالي فإن تسلسل الحمض النووي يخلق نمطًا فريدًا من السمات السطحية، بما في ذلك مناطق الرابطة الهيدروجينية المحتملة ، والرابطة الأيونية ، وكذلك التفاعلات الكارهة للماء . [2] تحتوي المنشطات أيضًا على تسلسلات فريدة من الأحماض الأمينية ذات السلاسل الجانبية القادرة على التفاعل مع المجموعات الوظيفية في الحمض النووي. [2] [3] وبالتالي، فإن نمط السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية التي تشكل بروتين المنشط سيكون مكملًا للسمات السطحية لتسلسل التنظيم المحدد للحمض النووي الذي تم تصميمه للارتباط به. [1] [2] [3] تخلق التفاعلات التكميلية بين الأحماض الأمينية لبروتين المنشط والمجموعات الوظيفية للحمض النووي خصوصية "ملائمة تمامًا" بين المنشط وتسلسل الحمض النووي التنظيمي الخاص به. [2]
ترتبط معظم المنشطات بالأخاديد الرئيسية في الحلزون المزدوج، حيث تميل هذه المناطق إلى أن تكون أوسع، ولكن هناك بعضها يرتبط بالأخاديد الثانوية. [1] [2] [3]
قد توجد مواقع ربط المنشط قريبة جدًا من المحفز أو على بعد العديد من أزواج القواعد. [2] [3] إذا كان التسلسل التنظيمي يقع بعيدًا، فسوف يدور الحمض النووي حول نفسه (حلقة الحمض النووي) حتى يتفاعل المنشط المرتبط مع آلية النسخ في موقع المحفز. [2] [3]
في بدائيات النوى، يمكن نسخ جينات متعددة معًا ( أوبيرون )، وبالتالي يتم التحكم فيها بموجب نفس التسلسل التنظيمي. [2] في حقيقيات النوى، تميل الجينات إلى النسخ بشكل فردي، ويتم التحكم في كل جين من خلال تسلسلاته التنظيمية الخاصة. [2] توجد التسلسلات التنظيمية حيث ترتبط المنشطات عادةً في اتجاه مجرى المحفز، ولكن يمكن أيضًا العثور عليها في اتجاه مجرى النهر أو حتى داخل الإنترونات في حقيقيات النوى. [1] [2] [3]
وظائف لزيادة نسخ الجينات
يعمل ارتباط المنشط بتسلسله التنظيمي على تعزيز نسخ الجينات من خلال تمكين نشاط بوليميراز الحمض النووي الريبي. [1] [2] [3] [4] ويتم ذلك من خلال آليات مختلفة، مثل تجنيد آلية النسخ للمحفز وتحفيز بوليميراز الحمض النووي الريبي للاستمرار في الاستطالة. [1] [2] [3] [4]
توظيف
تتطلب الجينات التي يتحكم فيها المنشط ارتباط المنشطات بالمواقع التنظيمية من أجل تجنيد آلية النسخ اللازمة لمنطقة المحفز. [1] [2] [3]
تفاعلات المنشط مع بوليميراز الحمض النووي الريبي تكون مباشرة في الغالب في بدائيات النوى وغير مباشرة في حقيقيات النوى. [2] في بدائيات النوى، تميل المنشطات إلى الاتصال ببوليميراز الحمض النووي الريبي بشكل مباشر من أجل المساعدة في ربطه بالمحفز. [2] في حقيقيات النوى، تتفاعل المنشطات في الغالب مع بروتينات أخرى، وستكون هذه البروتينات هي التي تتفاعل مع بوليميراز الحمض النووي الريبي. [2]
بدائيات النوى
في بدائيات النوى، تحتوي الجينات التي يتحكم فيها المنشطون على محفزات غير قادرة على الارتباط بقوة ببوليميراز الحمض النووي الريبي من تلقاء نفسها. [2] [3] وبالتالي، تساعد بروتينات المنشط في تعزيز ارتباط بوليميراز الحمض النووي الريبي بالمحفز. [2] [3] يتم ذلك من خلال آليات مختلفة. قد تقوم المنشطات بثني الحمض النووي من أجل تعريض المحفز بشكل أفضل حتى يتمكن بوليميراز الحمض النووي الريبي من الارتباط بشكل أكثر فعالية. [3] قد تقوم المنشطات بالاتصال المباشر ببوليميراز الحمض النووي الريبي وتأمينه بالمحفز. [2] [3] [4]
حقيقيات النوى
في حقيقيات النوى، تحتوي المنشطات على مجموعة متنوعة من جزيئات الهدف المختلفة التي يمكنها تجنيدها من أجل تعزيز نسخ الجينات. [1] [2] ويمكنها تجنيد عوامل النسخ والعوامل المساعدة الأخرى اللازمة لبدء النسخ. [1] [2]
يمكن للمنشطات تجنيد جزيئات تُعرف باسم المنشطات المساعدة . [1] [2] ويمكن لجزيئات المنشطات المساعدة هذه بعد ذلك أن تؤدي الوظائف الضرورية لبدء النسخ بدلاً من المنشطات نفسها، مثل تعديلات الكروماتين. [1] [2]
يكون الحمض النووي أكثر كثافة في حقيقيات النوى؛ وبالتالي، تميل المنشطات إلى تجنيد البروتينات القادرة على إعادة هيكلة الكروماتين بحيث يسهل الوصول إلى المحفز بواسطة آلية النسخ. [1] [2] ستعيد بعض البروتينات ترتيب تخطيط النيوكليوسومات على طول الحمض النووي من أجل الكشف عن موقع المحفز ( مجمعات إعادة تشكيل الكروماتين المعتمدة على ATP ). [1] [2] تؤثر بروتينات أخرى على الارتباط بين الهستونات والحمض النووي من خلال تعديلات الهستونات بعد الترجمة ، مما يسمح للحمض النووي المغلف بإحكام في النيوكليوسومات بالتحرر. [1] [2]
تعمل كل هذه الجزيئات المجندة معًا من أجل تجنيد بوليميراز الحمض النووي الريبي في النهاية إلى موقع المحفز. [1] [2]
إطلاق بوليميراز الحمض النووي الريبوزي
يمكن للمنشطات تعزيز نسخ الجينات عن طريق إرسال إشارة إلى بوليميراز الحمض النووي الريبي للتحرك إلى ما هو أبعد من المحفز والاستمرار على طول الحمض النووي، مما يؤدي إلى بدء النسخ. [2] يمكن أن يتوقف بوليميراز الحمض النووي الريبي في بعض الأحيان بعد وقت قصير من بدء النسخ، ويطلب من المنشطات إطلاق بوليميراز الحمض النووي الريبي من هذه الحالة "المتوقفة". [1] [2] توجد آليات متعددة لإطلاق بوليميرازات الحمض النووي الريبي "المتوقفة". قد تعمل المنشطات ببساطة كإشارة لتحفيز الحركة المستمرة لبوليميراز الحمض النووي الريبي. [2] إذا كان الحمض النووي مكثفًا للغاية بحيث لا يسمح لبوليميراز الحمض النووي الريبي بمواصلة النسخ، فقد تجند المنشطات البروتينات التي يمكنها إعادة هيكلة الحمض النووي بحيث تتم إزالة أي كتل. [1] [2] قد تعزز المنشطات أيضًا تجنيد عوامل الاستطالة، والتي تعد ضرورية لبوليميراز الحمض النووي الريبي لمواصلة النسخ. [1] [2]
تنظيم المنشطات
توجد طرق مختلفة يمكن من خلالها تنظيم نشاط المنشطات نفسها، وذلك لضمان تحفيز المنشطات لنسخ الجينات في الأوقات والمستويات المناسبة. [1] يمكن أن يزيد نشاط المنشط أو ينقص استجابةً للمحفزات البيئية أو الإشارات داخل الخلايا الأخرى. [1]
تنشيط البروتينات المنشطة
غالبًا ما يتعين "تشغيل" المنشطات قبل أن تتمكن من تعزيز نسخ الجينات. [2] [3] [4] يتم التحكم في نشاط المنشطات من خلال قدرة المنشط على الارتباط بموقعه التنظيمي على طول الحمض النووي. [2] [3] [4] يحتوي مجال ربط الحمض النووي للمنشط على شكل نشط وشكل غير نشط، يتم التحكم فيهما من خلال ارتباط الجزيئات المعروفة باسم المؤثرات غير التآزرية بالموقع غير التآزري للمنشط. [4]
لا ترتبط المنشطات في شكلها غير النشط بأي من المؤثرين غير المتآزرين. [4] عندما تكون غير نشطة، لا تتمكن المنشطات من الارتباط بتسلسلها التنظيمي المحدد في الحمض النووي، وبالتالي لا يكون لها تأثير تنظيمي على نسخ الجينات. [4]
عندما يرتبط المؤثر غير التآزري بالموقع غير التآزري للمنشط، يحدث تغيير تكويني في مجال ربط الحمض النووي، مما يسمح للبروتين بالارتباط بالحمض النووي وزيادة نسخ الجينات. [2] [4]
التعديلات بعد الترجمة
بعض المنشطات قادرة على الخضوع لتعديلات ما بعد الترجمة والتي تؤثر على نشاطها داخل الخلية. [1] وقد لوحظ أن عمليات مثل الفسفرة والأستلة واليوبيكويتين ، من بين أمور أخرى، تنظم نشاط المنشطات. [1] واعتمادًا على المجموعة الكيميائية المضافة، بالإضافة إلى طبيعة المنشط نفسه، يمكن للتعديلات ما بعد الترجمة إما أن تزيد أو تقلل من نشاط المنشط. [ 1] على سبيل المثال، لوحظ أن الأستلة تزيد من نشاط بعض المنشطات من خلال آليات مثل زيادة تقارب ربط الحمض النووي. [1] من ناحية أخرى، يقلل اليوبيكويتين من نشاط المنشطات، حيث يضع اليوبيكويتين علامة على البروتينات للتحلل بعد أن تؤدي وظائفها الخاصة. [1]
التآزر
في بدائيات النوى، يكون بروتين منشط وحيد قادرًا على تعزيز النسخ. [2] [3] في حقيقيات النوى، عادةً ما يتجمع أكثر من منشط واحد في موقع الارتباط، لتكوين مركب يعمل على تعزيز النسخ. [1] [2] ترتبط هذه المنشطات بشكل تعاوني في موقع الارتباط، مما يعني أن ارتباط أحد المنشطات يزيد من تقارب الموقع لربط منشط آخر (أو في بعض الحالات منظم نسخ آخر) مما يجعل من السهل على العديد من المنشطات الارتباط بالموقع. [1] [2] في هذه الحالات، تتفاعل المنشطات مع بعضها البعض بشكل تآزري ، مما يعني أن معدل النسخ الذي يتم تحقيقه من خلال عمل العديد من المنشطات معًا أعلى بكثير من التأثيرات الإضافية للمنشطات إذا كانت تعمل بشكل فردي. [1] [2]
أمثلة
تنظيم استقلاب المالتوز
يتم التحكم في تحلل المالتوز في الإشريكية القولونية عن طريق تنشيط الجينات. [3] لا يمكن نسخ الجينات التي تشفر الإنزيمات المسؤولة عن تحلل المالتوز إلا في وجود منشط. [3] يكون المنشط الذي يتحكم في نسخ إنزيمات المالتوز "متوقفًا" في غياب المالتوز. [3] في شكله غير النشط، لا يتمكن المنشط من الارتباط بالحمض النووي وتعزيز نسخ جينات المالتوز. [3] [4]
عندما يكون المالتوز موجودًا في الخلية، فإنه يرتبط بالموقع غير المتجانس لبروتين المنشط، مما يتسبب في حدوث تغيير في تكوين مجال ربط الحمض النووي للمنشط. [3] [4] يعمل هذا التغيير التكويني على "تشغيل" المنشط من خلال السماح له بالارتباط بتسلسل الحمض النووي التنظيمي المحدد الخاص به. [3] [4] يعزز ارتباط المنشط بموقعه التنظيمي ارتباط بوليميراز الحمض النووي الريبي بالمحفز وبالتالي النسخ، مما ينتج الإنزيمات اللازمة لتفكيك المالتوز الذي دخل الخلية. [3]
تنظيملاكأوبيرون
يقوم بروتين منشط الكاتابوليت (CAP)، المعروف أيضًا باسم بروتين مستقبل cAMP (CRP)، بتنشيط النسخ عند أوبيرون اللاكتوز في بكتيريا Escherichia coli . [5] يتم إنتاج أحادي فوسفات الأدينوزين الحلقي (cAMP) أثناء تجويع الجلوكوز؛ يعمل هذا الجزيء كعامل مؤثر متآزر يرتبط بـ CAP ويسبب تغييرًا تكوينيًا يسمح لـ CAP بالارتباط بموقع DNA يقع بجوار مُحفز اللاكتوز. [5] ثم يقوم CAP بإجراء تفاعل مباشر بين البروتين والبروتين مع بوليميراز الحمض النووي الريبي الذي يجند بوليميراز الحمض النووي الريبي إلى مُحفز اللاكتوز. [5]
انظر أيضا
- تفعيل كريسبر
- النسخ البكتيري
- المنشط المساعد (علم الوراثة)
- النسخ حقيقيات النوى
- مسرد مصطلحات التعبير الجيني
- أوبيرون
- المروج (علم الأحياء)
- تنظيم التعبير الجيني
- مُثَبِّط
- إسكات
- عامل النسخ
مراجع
- ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxyz aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al am an Ma, Jun (2011). "المنشطات النسخية وآليات التنشيط". بروتين وخل . 2 (11): 879-888. doi :10.1007/s13238-011-1101-7. ISSN 1674-8018. PMC 4712173. PMID 22180087 .
- ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxyz aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al am an ao ap aq ar as at au Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Morgan, David; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter (2015). علم الأحياء الجزيئي للخلية (الطبعة السادسة). نيويورك، نيويورك: جارلاند ساينس. ص. 373-392. ISBN 978-0-8153-4432-2. OCLC 887605755.
- ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxyz aa ab Madigan, Michael T; Bender, Kelly S; Buckley, Daniel H; Sattley, Matthew W; Stahl, David A (2018). Brock Biology of Microorganisms (الطبعة الخامسة عشرة). نيويورك، نيويورك: بيرسون. ص. 174-179. ISBN 978-0-13-426192-8. OCLC 958205447.
- ^ abcdefghijklmnop Griffiths, Anthony JF; Gelbart, William M.; Miller, Jeffrey H.; Lewontin, Richard C. (1999). "أساسيات التنظيم النسخي في بدائيات النوى". التحليل الوراثي الحديث – عبر NCBI.
- ^ abc Busby, Steve; Ebright, Richard H (1999-10-22). "Transcription activation by catabolite activator protein (CAP)". مجلة علم الأحياء الجزيئي . 293 (2): 199–213. doi :10.1006/jmbi.1999.3161. ISSN 0022-2836. PMID 10550204.
