التنظيم النسخي

عوامل النسخ هي بروتينات ترتبط بتسلسلات محددة من الحمض النووي (DNA) لتنظيم التعبير الجيني. يوجد ما يقارب 1400 عامل نسخ في الجينوم البشري، وتشكل حوالي 6% من جميع الجينات البشرية المشفرة للبروتينات. ^{[ 21 ]} تكمن قوة عوامل النسخ في قدرتها على تنشيط و/أو تثبيط مجموعة واسعة من الجينات المستهدفة. ولأن هذه العوامل تعمل بطريقة تركيبية، فإن جزءًا صغيرًا فقط من جينوم الكائن الحي يشفر عوامل النسخ. تعمل عوامل النسخ من خلال آليات متنوعة. في إحدى هذه الآليات، يؤثر مثيلة CpG على ارتباط معظم عوامل النسخ بالحمض النووي، سلبًا في بعض الحالات وإيجابًا في حالات أخرى. ^{[ 31 ]} إضافةً إلى ذلك، غالبًا ما تكون عوامل النسخ في نهاية مسار نقل الإشارة الذي يعمل على تغيير خصائصها، مثل موقعها داخل الخلية أو نشاطها. يمكن أن تؤدي التعديلات اللاحقة للترجمة على عوامل النسخ الموجودة في السيتوبلازم إلى انتقالها إلى النواة حيث تتفاعل مع مُحسِّناتها المقابلة. وتوجد عوامل نسخ أخرى في النواة بالفعل، وتخضع لتعديلات تُمكّنها من التفاعل مع عوامل نسخ شريكة. ومن بين التعديلات اللاحقة للترجمة المعروفة بتنظيم الحالة الوظيفية لعوامل النسخ: الفسفرة ، والأسيتلة ، والسومويليشن، واليوبيكويتين . ويمكن تقسيم عوامل النسخ إلى فئتين رئيسيتين: المُنشِّطات والمُثبِّطات . بينما تتفاعل المُنشِّطات بشكل مباشر أو غير مباشر مع الآلية الأساسية للنسخ من خلال الارتباط بالمُحسِّنات، فإن المُثبِّطات تستقطب في الغالب مُركَّبات مُثبِّطة مُساعدة، مما يؤدي إلى تثبيط النسخ عن طريق تكثيف الكروماتين في مناطق المُحسِّنات. وقد يحدث أيضًا أن يعمل المُثبِّط من خلال التنافس التغايري مع مُنشِّط مُحدَّد لتثبيط التعبير الجيني: إذ تُحفِّز أنماط ارتباط الحمض النووي المُتداخلة لكلٍّ من المُنشِّطات والمُثبِّطات تنافسًا فيزيائيًا على شغل موقع الارتباط. إذا كان للمثبط ألفة أكبر لنمطه من المنشط، فسيتم حجب النسخ بشكل فعال في وجود المثبط. ويتحقق التحكم التنظيمي المحكم من خلال الطبيعة الديناميكية العالية لعوامل النسخ. ومرة ​​أخرى، توجد آليات عديدة للتحكم في نشاط عامل النسخ. وتشمل هذه الآليات التحكم في تموضع البروتين أو التحكم في قدرة البروتين على الارتباط بالحمض النووي. ^{[ 32 ]} ومن الأمثلة على ذلك البروتين HSF1 ، الذي يبقى مرتبطًا بـيتواجد بروتين Hsp70 في السيتوبلازم، ولا ينتقل إلى النواة إلا عند تعرض الخلية للإجهاد، مثل الصدمة الحرارية. وبالتالي، تبقى الجينات الخاضعة لسيطرة هذا العامل النسخي غير منسوخة ما لم تتعرض الخلية للإجهاد. ^{[ 33 ]}

المُعززات أو وحدات/عناصر التنظيم المجاورة (CRM/CRE) هي تسلسلات DNA غير مشفرة تحتوي على مواقع ارتباط متعددة للمنشطات والمثبطات. يتراوح طول المُعززات من 200 زوج قاعدي إلى 1 كيلوبايت، ويمكن أن تكون قريبة، في الطرف 5' قبل المحفز أو داخل الإنترون الأول للجين المُنظم، أو بعيدة، في إنترونات الجينات المجاورة أو المناطق بين الجينات البعيدة عن الموضع. من خلال التفاف DNA، تتصل المُعززات النشطة بالمحفز اعتمادًا على خصوصية وحدة ارتباط DNA الأساسية للمحفز. ^{[ 34 ]} يوفر التباين بين المحفز والمُعزز الأساس للتفاعل الوظيفي بين عوامل النسخ وآلية النسخ الأساسية لتحفيز هروب بوليميراز RNA II من المحفز. في حين أنه قد يعتقد المرء أن هناك نسبة 1:1 بين المُعزز والمحفز، فإن دراسات الجينوم البشري تتوقع أن المحفز النشط يتفاعل مع 4 إلى 5 مُعززات. وبالمثل، يمكن للمُحسِّنات تنظيم أكثر من جين واحد دون قيود على الارتباط، ويُقال إنها "تتجاوز" الجينات المجاورة لتنظيم الجينات الأبعد. وعلى الرغم من ندرة حدوث ذلك، إلا أن التنظيم النسخي قد يشمل عناصر موجودة في كروموسوم مختلف عن الكروموسوم الذي يوجد فيه المُحفِّز. ويمكن للمُحسِّنات القريبة أو مُحفِّزات الجينات المجاورة أن تعمل كمنصات لاستقطاب عناصر أبعد. ^{[ 35 ]}

يمكن أن يبدأ التعبير الجيني المُحفَّز في الثدييات عند انتقال الإشارات إلى المحفزات المرتبطة بالجينات. ويمكن أن يكون لتسلسلات الحمض النووي التنظيمية المجاورة ، الموجودة في مناطق الحمض النووي البعيدة عن محفزات الجينات، تأثيرات كبيرة جدًا على التعبير الجيني، حيث قد تشهد بعض الجينات زيادة في التعبير تصل إلى 100 ضعف نتيجةً لوجود مثل هذه التسلسلات التنظيمية المجاورة. ^{[ 36 ]} تشمل هذه التسلسلات التنظيمية المجاورة المُعزِّزات ، والمثبطات ، والعوازل ، وعناصر الربط. ^{[ 37 ]} ومن بين هذه المجموعة من التسلسلات، تلعب المُعزِّزات وبروتينات عوامل النسخ المرتبطة بها دورًا رئيسيًا في تنظيم التعبير الجيني. ^{[ 38 ]}

المُعززات هي تسلسلات في الجينوم تُعدّ عناصر تنظيمية رئيسية للجينات. تتحكم المُعززات في برامج التعبير الجيني الخاصة بنوع الخلية، وذلك غالبًا عن طريق الالتفاف عبر مسافات طويلة للوصول إلى قرب فيزيائي من مُحفزات جيناتها المستهدفة. ^{[ 39 ]} في دراسة أجريت على خلايا عصبية في قشرة الدماغ، وُجد 24937 التفافًا، تربط المُعززات بالمُحفزات. ^{[ 36 ]} تتشابك مُعززات متعددة، غالبًا ما يكون كل منها على بُعد عشرات أو مئات الآلاف من النيوكليوتيدات من جيناتها المستهدفة، مع مُحفزات جيناتها المستهدفة وتنسق فيما بينها للتحكم في التعبير عن جينها المستهدف المشترك. ^{[ 39 ]}

يوضح الرسم التخطيطي في هذا القسم حلقةً من المُحسِّن تلتف حول مُحفِّز الجين المستهدف لتقترب منه فيزيائيًا. تُثبَّت هذه الحلقة بواسطة ثنائي من بروتين رابط (مثل ثنائي CTCF أو YY1 )، حيث يرتبط أحد جزئي الثنائي بموقع ارتباطه على المُحسِّن، بينما يرتبط الجزء الآخر بموقع ارتباطه على المُحفِّز (مُمثَّل بالخطوط الحمراء المتعرجة في الرسم). ^{[ 40 ]} ترتبط العديد من بروتينات عوامل النسخ الخاصة بوظائف الخلية (أشار لامبرت وآخرون في عام 2018 إلى وجود حوالي 1600 عامل نسخ في الخلية البشرية ^{[ 41 ]} ) عادةً بمواقع محددة على المُحسِّن ^{[ 22 ]} ، وتتحكم مجموعة صغيرة من عوامل النسخ المرتبطة بالمُحسِّن، عند تقريبها من المُحفِّز بواسطة حلقة من الحمض النووي، في مستوى نسخ الجين المستهدف. يقوم الوسيط (المنشط المساعد) (وهو مركب يتكون عادةً من حوالي 26 بروتينًا في بنية متفاعلة) بنقل الإشارات التنظيمية من عوامل النسخ المرتبطة بالحمض النووي المحسن مباشرة إلى إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي II (RNAP II) المرتبط بالمحفز. ^{[ 42 ]}

تُنسخ المُعززات، عند تنشيطها، عادةً من كلا شريطي الحمض النووي بواسطة بوليميرازات الحمض النووي الريبي التي تعمل في اتجاهين مختلفين، مُنتجةً جزيئين من الحمض النووي الريبي المُعزز (eRNA) كما هو موضح في الشكل. ^{[ 43 ]} قد يرتبط مُعزز غير نشط بعامل نسخ غير نشط. قد يؤدي فسفرة عامل النسخ إلى تنشيطه، ثم يقوم عامل النسخ المُنشط بتنشيط المُعزز المرتبط به (انظر النجمة الحمراء الصغيرة التي تُمثل فسفرة عامل النسخ المرتبط بالمُعزز في الرسم التوضيحي). ^{[ 44 ]} يبدأ المُعزز المُنشط بنسخ الحمض النووي الريبي الخاص به قبل تنشيط المُحفز لبدء نسخ الحمض النووي الريبي الرسول من جينه المستهدف. ^{[ 45 ]}

عادةً ما يكون حجم المحسنات النموذجية من 151 إلى 240 زوجًا من القواعد. ^{[ 46 ]}

بينما تكون المعززات ضرورية لنسخ الجين فوق مستوى منخفض، فإن مجموعات المعززات، والمعروفة باسم المعززات الفائقة ، يمكن أن تتسبب في نسخ الجين المستهدف بمستوى عالٍ جدًا.

المُعززات الفائقة هي مجموعة من المُعززات النموذجية، تقع جميعها ضمن منطقة يتراوح طولها بين 10,000 و60,000 نيوكليوتيد. ^{[ 47 ] [ 48 ]} تتشابك المُعززات النموذجية داخل المُعزز الفائق بشكل متزامن من مسافة بعيدة لزيادة بدء نسخ الجين بشكل كبير. يوضح الرسم التوضيحي في هذا القسم مُعززًا فائقًا يبلغ طوله حوالي 12,000 زوج قاعدي، ويحتوي على أربعة مُعززات نموذجية. يرتبط كل مُعزز بنفس الجين، حيث ينقل الإشارات من عوامل النسخ الموجودة على كل مُعزز عبر مُركب بروتيني وسيط إلى مُحفز الجين. يتفاعل كل مُعزز نموذجي داخل المجموعة مع مُركبه البروتيني الوسيط الخاص به. يرتبط البروتين BRD4 بكل مُعزز نموذجي، مما يُساهم في استقرار بنية المُعزز الفائق. ^{[ 49 ]} بالتالي، يوجد عدد كبير من البروتينات المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالمُحسِّن الفائق، بما في ذلك بروتينات BRD4، وعوامل النسخ، و26 بروتينًا وسيطًا لكل مُحسِّن، إلخ. تحتوي معظم هذه البروتينات على نطاق مُهيكل بالإضافة إلى ذيل ذي منطقة غير مُنظَّمة جوهريًا. ^{[ 50 ]} تتفاعل المناطق غير المُنظَّمة جوهريًا لهذه البروتينات مع بعضها البعض، وعادةً ما تُشكِّل هلامًا مانعًا للماء (مُكثَّفًا مُنفصل الطور) حول المُحسِّن الفائق. ^{[ 50 ]}

على سبيل المثال، في حالة المُحسِّن الفائق لجين ألفا غلوبين في الفأر، تعمل المُحسِّنات الخمسة النموذجية الموجودة ضمن هذا المُحسِّن الفائق معًا على زيادة نسخ جين ألفا غلوبين بمقدار 450 ضعفًا. ^{[ 51 ]} وفي حالة المُحسِّن الفائق لجين Wap في الفأر، تعمل المُحسِّنات الثلاثة النموذجية معًا على زيادة نسخ جين Wap بمقدار 1000 ضعف. ^{[ 52 ]}

في العديد من أنواع الخلايا، يوجد عادةً آلاف من المُحسِّنات النموذجية النشطة وبضع مئات من المُحسِّنات الفائقة. تُحفِّز المُحسِّنات الفائقة عادةً ما بين 2% إلى 4% من المناطق النشطة النسخ في الجينوم. على سبيل المثال، تحتوي الخلايا البائية غير المُحفَّزة في الجهاز المناعي على 140 مُحسِّنًا فائقًا و4290 مُحسِّنًا نموذجيًا (3.2% مُحسِّنات فائقة). ^{[ 53 ]} وبالمثل، في الخلايا الجذعية الجنينية للفئران، يوجد 231 مُحسِّنًا فائقًا مقارنةً بـ 8794 مُحسِّنًا نموذجيًا (2.6% مُحسِّنات فائقة). ^{[ 54 ]} وفي الخلايا الجذعية العصبية، يوجد 445 مُحسِّنًا فائقًا و9436 مُحسِّنًا نموذجيًا (4.7% مُحسِّنات فائقة). ^{[ 55 ]}

على الرغم من أن المعززات الفائقة لا تنشط إلا في 2-4% من مواقع النسخ النشطة في الخلية، إلا أنها تستقطب بقوة آليات النسخ. وتستخدم هذه المعززات في الخلية عمومًا ما بين 12% و36% من بوليميرازات الحمض النووي الريبي، والبروتينات الوسيطة، وبروتينات BRD4، وغيرها من آليات النسخ في الخلية. ^{[ 56 ]}

تتم عملية بدء النسخ وإنهاؤه وتنظيمه عبر "التفاف الحمض النووي" الذي يجمع بين المحفزات والمعززات وعوامل النسخ وعوامل معالجة الحمض النووي الريبوزي لتنظيم التعبير الجيني بدقة. ^{[ 57 ]} وقد قدمت تقنيات التقاط بنية الكروموسوم (3C)، وتقنيات Hi-C الأحدث، أدلة على أن مناطق الكروماتين النشطة "مضغوطة" في نطاقات أو أجسام نووية حيث يتم تعزيز تنظيم النسخ. ^{[ 58 ]} يُعد تكوين الجينوم أساسيًا لتقارب المعزز والمحفز. وتتم قرارات مصير الخلية بناءً على عمليات إعادة تنظيم جينومية ديناميكية للغاية في الطور البيني، وذلك لتشغيل أو إيقاف شبكات تنظيم الجينات بأكملها بشكل معياري من خلال عمليات إعادة ترتيب الكروماتين قصيرة المدى إلى طويلة المدى. ^{[ 59 ]} تُظهر الدراسات ذات الصلة أن جينومات الحيوانات متعددة الخلايا مُقسّمة إلى وحدات هيكلية ووظيفية حول نطاق ضخم يُسمى نطاقات الارتباط الطوبولوجي (TADs)، ويحتوي على عشرات الجينات التي يتم تنظيمها بواسطة مئات المعززات الموزعة داخل مناطق جينومية كبيرة تحتوي فقط على تسلسلات غير مشفرة. تتمثل وظيفة نطاقات التفاعل الطوبولوجي (TADs) في إعادة تجميع المحفزات والمعززات المتفاعلة معًا ضمن نطاق وظيفي كبير واحد، بدلًا من توزيعها في نطاقات تفاعل طوبولوجي مختلفة. ^{[ 60 ]} ومع ذلك، تشير دراسات نمو الفئران إلى أن نطاقي تفاعل طوبولوجي متجاورين قد ينظمان نفس مجموعة الجينات. تُظهر الدراسة الأكثر صلة بتطور الأطراف أن نطاق التفاعل الطوبولوجي الموجود في الطرف 5' لمجموعة جينات HoxD في جينومات رباعيات الأطراف يحفز التعبير عنها في براعم الأطراف البعيدة للأجنة، مما يؤدي إلى تكوين اليد، بينما يقوم النطاق الموجود في الطرف 3' بذلك في براعم الأطراف القريبة، مما يؤدي إلى تكوين الذراع. ^{[ 61 ]} مع ذلك، لا يزال من غير المعروف ما إذا كانت نطاقات التفاعل الطوبولوجي استراتيجية تكيفية لتعزيز التفاعلات التنظيمية أم أنها ناتجة عن القيود المفروضة على هذه التفاعلات نفسها. غالبًا ما تتكون حدود نطاقات التفاعل الطوبولوجي من جينات أساسية، وجزيئات tRNA، وتسلسلات أخرى عالية التعبير، وعناصر متناثرة قصيرة (SINE). في حين أن هذه الجينات قد تستفيد من موقعها الحدودي للتعبير عنها بشكل واسع، إلا أنها لا ترتبط بشكل مباشر بتكوين حواف نطاقات التفاعل الطوبولوجي. تُسمى الجزيئات المحددة الموجودة على حدود نطاقات التفاعل الطوبولوجي (TADs) بالعوازل أو البروتينات البنائية، لأنها لا تمنع فقط التعبير غير المتجانس للمُحسِّن، بل تضمن أيضًا تقسيمًا دقيقًا للمدخلات التنظيمية المجاورة للمُحفِّز المستهدف. هذه العوازل هي بروتينات ترتبط بالحمض النووي، مثل CTCF وTFIIIC، وتساعد في استقطاب الشركاء البنيويين مثل الكوهيسينات والكوندنسينات. يتم تنظيم تموضع البروتينات البنائية وارتباطها بمواقع ارتباطها المقابلة عن طريق تعديلات ما بعد الترجمة. ^{[ 62 ]}تتواجد أنماط ارتباط الحمض النووي التي تتعرف عليها البروتينات البنائية إما بكثافة عالية وعلى مسافة تقارب ميغابايت واحد، أو بكثافة منخفضة داخل نطاقات TAD. عادةً ما تكون المواقع ذات الكثافة العالية محفوظة وثابتة، بينما تكون المواقع داخل نطاقات TAD ديناميكية وفقًا لحالة الخلية. ولذلك، تُقسّم نطاقات TAD نفسها إلى نطاقات فرعية تُسمى subTADs، يتراوح طولها من بضعة كيلوبايتات إلى نطاق TAD كامل (19). عندما تكون مواقع الارتباط البنائية على مسافة أقل من 100 كيلوبايت من بعضها، تتعاون بروتينات الوسيط مع بروتين الكوهيسين. أما بالنسبة لنطاقات subTADs الأكبر من 100 كيلوبايت وحدود نطاقات TAD، فإن CTCF هو العازل النموذجي الذي يتفاعل مع الكوهيسين. ^{[ 63 ]}