عنصر قابل للنقل

تُنسخ عناصر النسخ العكسي من الفئة الأولى على مرحلتين: أولاً، تُنسخ من الحمض النووي DNA إلى الحمض النووي RNA ، ثم يُنسخ الحمض النووي RNA الناتج عكسيًا إلى DNA. بعد ذلك، يُسهّل إنزيم يُسمى النسخ العكسي عملية تحويل الحمض النووي RNA إلى DNA، والذي غالبًا ما يكون مُشفّرًا بواسطة عنصر النسخ العكسي نفسه. ثم يُعاد إدخال الحمض النووي DNA المنسوخ حديثًا في الجينوم في موقع جديد. ^{[ 10 ]} تتشابه خصائص عناصر النسخ العكسي مع خصائص الفيروسات القهقرية ، مثل فيروس نقص المناعة البشرية (HIV)، حيث يستخدم فيروس نقص المناعة البشرية إنزيم النسخ العكسي لإنتاج نسخة مزدوجة السلسلة من جينوم الحمض النووي RNA الخاص به، والذي يُدمج بعد ذلك في جينوم الخلية المضيفة. ^{[ 11 ]}

على الرغم من الآثار السلبية المحتملة لإدخال العناصر المتنقلة الرجعية ذاتيًا في تسلسلات الحمض النووي الضرورية، مما قد يؤدي إلى فقدان جينات مهمة لوظيفتها، إلا أنها ضرورية للحفاظ على سلامة الحمض النووي الريبوزي (rDNA) لمختلف الأنواع عبر الأجيال، وبالتالي منع العقم. ^{[ 12 ]} يُحدث العنصر المتنقل الرجعي R2 في ذبابة الفاكهة فواصل في سلسلتي الحمض النووي بواسطة نشاط الإندونوكلياز أثناء عملية تضاعفه داخل الحمض النووي الريبوزي المستهدف، مما يسمح بإعادة التركيب المتماثل بين الكروماتيدات الشقيقة لإصلاح هذه الفواصل. ^{[ 13 ] [ 14 ]} تُوسم الكروماتيدات الناتجة، التي يحتوي كل منها على كميات مختلفة من الحمض النووي الريبوزي، وتُفصل بشكل تفاضلي أثناء الانقسام غير المتماثل للخلايا السلفية إلى خلايا جذعية ابنة، تستقبل الكروماتيدات التي تحتوي على كمية أكبر من الحمض النووي الريبوزي، وخلايا سلفية للخلايا الجنسية. ^{[ 15 ]}

تُصنف العناصر المتحركة الرجعية حاليًا بشكل شائع إلى فئتين رئيسيتين:

• العناصر المتحركة الرجعية ذات التكرارات الطرفية الطويلة (LTRs)، والتي تشفر لإنزيم النسخ العكسي المشابه للفيروسات الرجعية؛ ^{[ 16 ]}
• العناصر المتنقلة الرجعية ذات التكرارات الطرفية غير الطويلة (non-LTR)، والتي تحتوي على عناصر نووية متناثرة طويلة (LINEs، أو LINE-1s، أو L1s) أو عناصر نووية متناثرة قصيرة (SINEs). ^{[ 17 ]}

تحتوي التجمعات النووية المتباعدة الطويلة على جينات النسخ العكسي، ويتم نسخها بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي II . في المقابل، لا تحتوي عناصر SINE على جينات النسخ العكسي، ويتم نسخها بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي III . ^{[ 17 ]}

لا تتضمن آلية النقل من النوع الثاني (TEs) التي تعتمد على القص واللصق وسيطًا من الحمض النووي الريبي (RNA). ^{[ 19 ]} تُحفز عمليات النقل بواسطة العديد من إنزيمات الترانسبيوزاز . ترتبط بعض إنزيمات الترانسبيوزاز بشكل غير محدد بأي موقع مستهدف في الحمض النووي، بينما يرتبط البعض الآخر بتسلسلات مستهدفة محددة. يقوم إنزيم الترانسبيوزاز بعمل قطع متداخل في الموقع المستهدف، مُنتجًا نهايات لاصقة ، ثم يقطع عنصر الحمض النووي المتحرك ويربطه بالموقع المستهدف. يقوم إنزيم بوليميراز الحمض النووي بملء الفجوات الناتجة عن النهايات اللاصقة، بينما يقوم إنزيم ليغاز الحمض النووي بإغلاق هيكل السكر والفوسفات. ينتج عن ذلك تكرار الموقع المستهدف، ويمكن تحديد مواقع إدخال عناصر الحمض النووي المتحركة من خلال تكرارات مباشرة قصيرة (قطع متداخل في الحمض النووي المستهدف يتم ملؤه بواسطة إنزيم بوليميراز الحمض النووي) متبوعة بتكرارات معكوسة (وهي مهمة لاستئصال عنصر الحمض النووي المتحرك بواسطة إنزيم الترانسبيوزاز).

قد تتضاعف عناصر النسخ واللصق إذا حدث انتقالها خلال طور S من دورة الخلية ، عندما يكون موقع المانح قد تضاعف بالفعل بينما لم يتضاعف موقع الهدف بعد. يمكن أن تؤدي هذه التضاعفات في موقع الهدف إلى تضاعف الجينات ، وهو ما يلعب دورًا مهمًا في التطور الجينومي . ^{[ 20 ] : 284}

لا تنتقل جميع عناصر النقل الجيني (الترانسبوزون) عبر آلية القص واللصق. في بعض الحالات، يُلاحظ انتقال تضاعفي حيث يقوم "ترانسبوزون معقد" بتكرار نفسه إلى موقع هدف جديد (مثل الهيليترون ). ^{[ 21 ]}

تشكل العناصر المتحركة من الفئة الثانية أقل من 2٪ من الجينوم البشري، مما يجعل العناصر المتحركة الأخرى من الفئة الأولى. ^{[ 22 ]}

يُعد نظام Sleeping Beauty transposon ، وهو أول ترانسبوزون اصطناعي مصمم للاستخدام في خلايا الفقاريات (بما في ذلك الإنسان)، ترانسبوزونًا شبيهًا بـ Tc1/mariner. تنتشر نسخه غير النشطة ("الأحفورية") على نطاق واسع في جينوم السلمونيات، وقد تم هندسة نسخة وظيفية منه من خلال مقارنة تلك النسخ. ^{[ 39 ]} تُقسم الترانسبوزونات البشرية الشبيهة بـ Tc1 إلى عائلتين فرعيتين: Hsmar1 وHsmar2. على الرغم من أن كلا النوعين غير نشط، إلا أن نسخة واحدة من Hsmar1 الموجودة في جين SETMAR تخضع للانتقاء لأنها توفر ارتباط الحمض النووي لبروتين تعديل الهيستون. ^{[ 40 ]} تُشتق العديد من الجينات البشرية الأخرى بشكل مماثل من الترانسبوزونات. ^{[ 41 ]} أُعيد بناء Hsmar2 عدة مرات من التسلسلات الأحفورية. ^{[ 42 ]}

قد تؤثر العناصر المتحركة على شبكات تنظيم الجينات، وبالتالي تتمتع بمزايا تطورية. ^{[ 43 ]} تتكون التكرارات المتناثرة عن طريق النقل؛ وبما أنها قادرة على تثبيط تحويل الجينات ، فإنها تحمي تسلسلات الجينات الجديدة من الكتابة فوقها بواسطة تسلسلات جينية مماثلة، مما يسهل بالتالي تطور جينات جديدة. ربما يكون الجهاز المناعي للفقاريات قد استغل العناصر المتحركة كوسيلة لإنتاج تنوع الأجسام المضادة. يعمل نظام إعادة التركيب V(D)J بآلية مشابهة لآلية بعض العناصر المتحركة. كما تعمل العناصر المتحركة على توليد تسلسلات متكررة يمكنها تكوين الحمض النووي الريبوزي المزدوج (dsRNA) ليكون بمثابة ركيزة لعمل إنزيم ADAR في تحرير الحمض النووي الريبوزي. ^{[ 44 ]}

قد تحتوي العناصر الجينية المتنقلة (TEs) على أنواع عديدة من الجينات، بما في ذلك تلك التي تمنح مقاومة للمضادات الحيوية والقدرة على الانتقال إلى البلازميدات الاقترانية. كما تحتوي بعض هذه العناصر على الإنتغرونات ، وهي عناصر جينية قادرة على التقاط الجينات من مصادر أخرى والتعبير عنها. تحتوي هذه الإنتغرونات على إنزيم الإنتغراز ، القادر على دمج كاسيتات الجينات . وقد تم تحديد أكثر من 40 جينًا لمقاومة المضادات الحيوية على هذه الكاسيتات، بالإضافة إلى جينات الضراوة.

لا تقوم العناصر المتحركة دائمًا باستئصال عناصرها بدقة، فقد تزيل أحيانًا أزواج القواعد المتجاورة؛ وهذا قد يؤدي إلى دمج الإكسونات في عملية تُسمى إعادة ترتيب الإكسونات . ويمكن أن يؤدي إعادة ترتيب إكسونين غير مرتبطين إلى إنشاء منتج جيني جديد، أو على الأرجح، إنترون. ^{[ 45 ]}

تستطيع بعض العناصر الجينية المتنقلة غير المستقلة الموجودة في النباتات التقاط الحمض النووي المشفر من الجينات وإعادة ترتيبه عبر الجينوم. ^{[ 46 ]} يمكن لهذه العملية أن تضاعف الجينات في الجينوم (ظاهرة تُسمى التضاعف المتبادل)، ويمكن أن تُسهم في توليد جينات جديدة عن طريق إعادة ترتيب الإكسونات. ^{[ 47 ]}

هناك فرضية مفادها أن العناصر المتحركة قد توفر مصدرًا جاهزًا للحمض النووي يمكن للخلية استخدامه للمساعدة في تنظيم التعبير الجيني. وقد أظهرت الأبحاث أن العديد من أنماط التطور المشترك للعناصر المتحركة، إلى جانب بعض عوامل النسخ التي تستهدف العناصر الجينومية المرتبطة بالعناصر المتحركة والكروماتين، تتطور من تسلسلات العناصر المتحركة. وفي أغلب الأحيان، لا تتبع هذه الأنماط النموذج البسيط للعناصر المتحركة وتنظيم التعبير الجيني للخلية المضيفة. ^{[ 48 ]}

قدّرت إحدى الدراسات معدل انتقال عنصر Ty1 ، وهو عنصر ناقل رجعي معين، في خميرة Saccharomyces cerevisiae . وبناءً على عدة افتراضات، تبيّن أن معدل نجاح عملية الانتقال لكل عنصر Ty1 يتراوح بين مرة كل بضعة أشهر إلى مرة كل بضع سنوات. ^{[ 49 ]} تحتوي بعض العناصر الناقلة على محفزات شبيهة بمحفزات الصدمة الحرارية ، ويزداد معدل انتقالها إذا تعرضت الخلية للإجهاد، ^{[ 50 ]} مما يزيد من معدل الطفرات في ظل هذه الظروف، وهو ما قد يكون مفيدًا للخلية.

تشير إحدى الفرضيات إلى أن حوالي 100 تسلسل فقط من تسلسلات LINE1 نشطة، على الرغم من أن هذه التسلسلات تشكل 17% من الجينوم البشري. في الخلايا البشرية، يتم إسكات تسلسلات LINE1 بواسطة آلية التداخل الرناوي (RNAi). ومن المثير للدهشة أن تسلسلات RNAi مشتقة من المنطقة غير المترجمة 5′ (UTR) لتسلسل LINE1، وهي منطقة طرفية طويلة تتكرر ذاتيًا. يُفترض أن منطقة 5′ غير المترجمة لتسلسل LINE1، التي تشفر المحفز المباشر لنسخ LINE1، تشفر أيضًا المحفز العكسي للـ miRNA الذي يصبح ركيزة لإنتاج siRNA. وقد أظهر تثبيط آلية إسكات RNAi في هذه المنطقة زيادة في نسخ LINE1. ^{[ 3 ] [ 51 ]}

تدافع الخلايا ضد تكاثر العناصر الجينية المتنقلة بعدة طرق. وتشمل هذه الطرق جزيئات الحمض النووي الريبوزي الصغيرة المتفاعلة مع بروتينات بي آي (piRNAs) وجزيئات الحمض النووي الريبوزي الصغيرة المتداخلة (siRNAs) ، التي تعمل على إسكات العناصر الجينية المتنقلة بعد نسخها. ^{[ 52 ]}

إذا كانت الكائنات الحية تتكون في الغالب من عناصر جينية متنقلة (TEs)، فقد يُفترض أن الأمراض الناجمة عن وجود هذه العناصر في غير موضعها شائعة جدًا، ولكن في معظم الحالات، يتم إسكات هذه العناصر عبر آليات فوق جينية مثل مثيلة الحمض النووي ، وإعادة تشكيل الكروماتين، وpiRNA، بحيث لا تحدث تأثيرات ظاهرية تُذكر، ولا تحدث تحركات لهذه العناصر - كما هو الحال بالنسبة لبعض العناصر الجينية المتنقلة في النباتات البرية. وقد وُجد أن بعض النباتات المتحولة تعاني من عيوب في الإنزيمات المرتبطة بالمثيلة (ناقلات الميثيل) التي تُسبب نسخ العناصر الجينية المتنقلة، مما يؤثر على النمط الظاهري. ^{[ 3 ] [ 53 ]}

يُعدّ تحديد التكرارات الجديدة عملية مسح أولية لبيانات التسلسل بهدف العثور على المناطق المتكررة في الجينوم وتصنيف هذه التكرارات. توجد العديد من برامج الحاسوب التي تُجري هذه العملية، وتعمل جميعها وفق المبادئ العامة نفسها. ^{[ 54 ]} ونظرًا لأن التكرارات الترادفية القصيرة تتراوح أطوالها عادةً بين 1 و6 أزواج قاعدية، وغالبًا ما تكون متتالية، فإن تحديدها يُعدّ بسيطًا نسبيًا. ^{[ 55 ]} أما العناصر المتكررة المتفرقة، فهي أكثر صعوبة في التحديد، نظرًا لطولها واحتوائها في كثير من الأحيان على طفرات مكتسبة. ومع ذلك، من المهم تحديد هذه التكرارات لأنها غالبًا ما تُكتشف على أنها عناصر قابلة للنقل (TEs). ^{[ 54 ]}

يتضمن تحديد العناصر المتحركة من الصفر ثلاث خطوات: 1) إيجاد جميع التكرارات داخل الجينوم، 2) بناء توافق في كل عائلة من التسلسلات، 3) تصنيف هذه التكرارات. توجد ثلاث مجموعات من الخوارزميات للخطوة الأولى. تُعرف إحدى هذه المجموعات بنهج k-mer ، حيث k-mer هو تسلسل بطول k. في هذا النهج، يُفحص الجينوم بحثًا عن k-mers المُفرطة التمثيل؛ أي k-mers التي تظهر بتكرار أكبر من المُحتمل بناءً على الاحتمالية وحدها. يُحدد الطول k بنوع العنصر المتحرك الذي يتم البحث عنه. يسمح نهج k-mer أيضًا بوجود حالات عدم تطابق، ويُحدد المحلل عددها. تستخدم بعض برامج نهج k-mer الـ k-mer كأساس، وتُمدد طرفي كل k-mer مُكرر حتى يختفي التشابه بينهما، مما يُشير إلى نهايات التكرارات. ^{[ 54 ]} تستخدم مجموعة أخرى من الخوارزميات طريقة تُسمى المقارنة الذاتية للتسلسل. تستخدم برامج المقارنة الذاتية للتسلسلات قواعد بيانات مثل AB-BLAST لإجراء محاذاة أولية للتسلسلات . ونظرًا لأن هذه البرامج تجد مجموعات من العناصر المتداخلة جزئيًا، فهي مفيدة في العثور على العناصر المتحركة شديدة التباين، أو العناصر المتحركة التي نُسخت منطقة صغيرة منها فقط إلى أجزاء أخرى من الجينوم. ^{[ 56 ]} تتبع مجموعة أخرى من الخوارزميات نهج الدورية. تُجري هذه الخوارزميات تحويل فورييه على بيانات التسلسل، لتحديد الدوريات، أي المناطق التي تتكرر دوريًا، وتستطيع استخدام القمم في الطيف الناتج للعثور على العناصر المتكررة المرشحة. تُعد هذه الطريقة الأنسب للتكرارات المتتالية، ولكن يمكن استخدامها أيضًا للتكرارات المتفرقة. ومع ذلك، فهي عملية بطيئة، مما يجعلها خيارًا غير مرجح لتحليل الجينوم على نطاق واسع. ^{[ 54 ]}

تتضمن الخطوة الثانية من تحديد التكرارات الجديدة بناء تسلسل توافقي لكل عائلة من التسلسلات. التسلسل التوافقي هو تسلسل يُنشأ بناءً على التكرارات التي تُشكل عائلة من العناصر المتحركة. يُمثل الزوج القاعدي في التسلسل التوافقي الزوج الأكثر تكرارًا في التسلسلات المُقارنة. على سبيل المثال، في عائلة من 50 تكرارًا، حيث يحتوي 42 منها على زوج قاعدي T في نفس الموضع، سيحتوي التسلسل التوافقي على T في هذا الموضع أيضًا، لأن هذا الزوج القاعدي يُمثل العائلة ككل في ذلك الموضع تحديدًا، وهو على الأرجح الزوج القاعدي الموجود في سلف العائلة في ذلك الموضع. ^{[ 54 ]} بمجرد إنشاء تسلسل توافقي لكل عائلة، يُمكن الانتقال إلى مزيد من التحليل، مثل تصنيف العناصر المتحركة وإخفاء الجينوم لتحديد المحتوى الإجمالي للعناصر المتحركة في الجينوم.

تُعتبر العناصر القابلة للانتقال مرشحةً جيدةً لتحفيز تكيف الجينات، وذلك لقدرتها على تنظيم مستويات التعبير الجيني للجينات المجاورة. ^{[ 57 ]} وبفضل "حركتها"، يمكن نقل هذه العناصر إلى جوار الجينات المستهدفة، والتحكم في مستويات التعبير الجيني تبعًا للظروف.

استخدمت الدراسة التي أُجريت عام 2008 بعنوان "معدل مرتفع للتكيفات الحديثة الناجمة عن العناصر القابلة للنقل في ذبابة الفاكهة (Drosophila melanogaster )"، ذباب الفاكهة الذي هاجر حديثًا من أفريقيا إلى مناطق أخرى من العالم، كأساس لدراسة التكيفات الناتجة عن العناصر القابلة للنقل. على الرغم من أن معظم هذه العناصر كانت موجودة على الإنترونات، فقد أظهرت التجربة اختلافًا كبيرًا في التعبير الجيني بين المجموعة السكانية في أفريقيا وبقية أنحاء العالم. كانت العناصر الأربعة التي تسببت في هذا الانتشار الانتقائي أكثر شيوعًا في ذباب الفاكهة من المناطق المعتدلة، مما دفع الباحثين إلى استنتاج أن الضغوط الانتقائية للمناخ حفزت التكيف الجيني. ^{[ 58 ]} من خلال هذه التجربة، تأكد أن العناصر القابلة للنقل التكيفية منتشرة في الطبيعة، حيث تُمكّن الكائنات الحية من تكييف التعبير الجيني نتيجةً للضغوط الانتقائية الجديدة.

مع ذلك، ليست كل آثار العناصر الجينية المتنقلة التكيفية مفيدةً للسكان. ففي بحثٍ أُجري عام ٢٠٠٩ بعنوان "إدخال عنصر جيني متنقل تكيفي حديث بالقرب من مواقع نمائية محفوظة للغاية في ذبابة الفاكهة (Drosophila melanogaster )"، كشف إدخال عنصر جيني متنقل بين جيني Jheh 2 وJheh 3 عن انخفاض في مستوى التعبير الجيني لكلا الجينين. وقد تسبب انخفاض التعبير عن هذين الجينين في زيادة مدة نمو ذبابة الفاكهة وانخفاض قدرتها على البقاء من البيضة إلى البلوغ. ورغم أن هذا التكيف لوحظ بتردد عالٍ في جميع المجموعات السكانية غير الأفريقية، إلا أنه لم يكن ثابتًا في أي منها. ^{[ ٥٩ ]} وهذا ليس بالأمر المستغرب، إذ من المنطقي أن تُفضّل أي مجموعة سكانية زيادة قدرة البيضة على البقاء من البيضة إلى البلوغ، وبالتالي تسعى للتخلص من السمة الناتجة عن هذا التكيف المحدد للعنصر الجيني المتنقل.

في الوقت نفسه، وردت عدة تقارير تُظهر التكيف المفيد الناتج عن العناصر القابلة للنقل. ففي بحث أُجري على ديدان القز، بعنوان "إدخال عنصر قابل للنقل تكيفي في المنطقة التنظيمية لجين EO في دودة القز المستأنسة"، لوحظ إدخال عنصر قابل للنقل في المنطقة التنظيمية المجاورة لجين EO، الذي ينظم هرمون الانسلاخ 20E، وسُجّل تعبير مُعزز له. وبينما غالبًا ما تعجز المجموعات التي لا تحمل العنصر القابل للنقل عن تنظيم هرمون 20E بفعالية في ظروف المجاعة، أظهرت المجموعات التي تحمل العنصر نموًا أكثر استقرارًا، مما أدى إلى تجانس أكبر في النمو. ^{[ 60 ]}

أظهرت هذه التجارب الثلاث طرقًا مختلفة يمكن من خلالها أن تكون عمليات إدخال العناصر الجينية المتنقلة مفيدة أو ضارة، وذلك عبر تنظيم مستوى التعبير الجيني للجينات المجاورة. لا يزال مجال أبحاث العناصر الجينية المتنقلة التكيفية قيد التطوير، ومن المتوقع ظهور المزيد من النتائج في المستقبل.

أكدت دراسات حديثة أن العناصر المتحركة (TEs) تُسهم في إنتاج عوامل النسخ. مع ذلك، يبقى السؤال مطروحًا حول كيفية تأثير هذه المساهمة على مشاركة شبكات التحكم الجيني. تنتشر العناصر المتحركة بكثرة في مناطق عديدة من الحمض النووي، إذ تُشكل 45% من إجمالي الحمض النووي البشري. كما تُساهم هذه العناصر في 16% من مواقع ارتباط عوامل النسخ. ويُلاحظ وجود عدد أكبر من الأنماط في الحمض النووي غير المُشتق من العناصر المتحركة، وهو عدد يفوق نظيره في الحمض النووي المُشتق منها. تُشير كل هذه العوامل إلى المشاركة المباشرة للعناصر المتحركة في العديد من جوانب شبكات التحكم الجيني. ^{[ 48 ]}