هناك تطابق بنسبة 99% بين جينوم الإنسان وجينوم الشمبانزي، بما في ذلك العناصر الجينية المتنقلة الصغيرة، والتي تسمى تسلسلات ألو، والتي توجد فقط في الرئيسيات.
جيل أست
هناك تطابق بنسبة 99% بين جينوم الإنسان وجينوم الشمبانزي، بما في ذلك العناصر الجينية المتنقلة الصغيرة، والتي تسمى تسلسلات ألو، والتي توجد فقط في الرئيسيات. من الممكن أن تكون تسلسلات ألو هي المسؤولة عن تكوين بروتينات جديدة من خلال الربط البديل، وهذه البروتينات هي التي تسببت في انحراف الرئيسيات عن الثدييات الأخرى. ربما كان انقسام الإنسان عن الرئيسيات الأخرى أيضًا بسبب الربط البديل. أظهرت الدراسات الحديثة أن الجينات المتطابقة تقريبًا بين البشر والشمبانزي تصنع بروتينات متطابقة في معظم الأنسجة، باستثناء مناطق معينة من الدماغ. في هذه المناطق، تكون بعض الجينات البشرية أكثر نشاطًا، والبعض الآخر ينتج بروتينات مختلفة بشكل كبير من خلال الربط البديل لنسخ الجينات.
الرابط المباشر لهذه الصفحة: https://www.hayadan.org.il/genime190805.html
التفسير التقليدي لـ "جين واحد، بروتين واحد" لم يعد صحيحا. كلما كان الحيوان أكثر تعقيدًا، زاد احتمال افتراض أنه وصل إلى مستوى التطور العالي من خلال استخلاص العديد من معاني البروتين المختلفة من جينات واحدة.
في ربيع عام 2000، كان علماء الأحياء الجزيئية يراهنون على عدد الجينات التي يمكن العثور عليها في الجينوم البشري عندما يتم تحديد تسلسل النيوكليوتيدات فيه. حتى أن التقديرات وصلت إلى 153,000 جين. بعد كل شيء، قال الكثيرون، إن البشر يصنعون حوالي 90,000 ألف بروتين مختلف، لذلك يجب أن يكون لدينا على الأقل نفس العدد من الجينات لتشفيرها. ونظرًا للتعقيد الذي نعيشه، فلابد أن يكون لدينا تنوع جيني أكبر من الدودة المستديرة Caenorhabditis elegans، التي تحتوي على 1,000 خلية ومجموعة مكونة من 19,500 جين، أو نبات الذرة، الذي يحتوي على حوالي 40,000 جين.
لذلك، في صيف عام 2000، عندما نشر فريق البحث المسودة الأولى لتسلسل الجينوم البشري، فوجئ بعض القراء بتقديرهم بأنه يحتوي فقط على 30,000 ألف إلى 35,000 ألف جينة مشفرة للبروتين. كان العدد المنخفض محرجًا تقريبًا. وفي السنوات التي تلت الانتهاء من خريطة الجينوم البشري والتقدير المحدث لعدد الجينات، انخفض عددها إلى أقل من 25,000. ولكن في هذه الأثناء، بدأ علماء الوراثة يدركون أن عدد الجينات في الجينوم البشري يمكن أن يشير في الواقع إلى مستوى التطور لدينا لأن البشر يستخدمون هذا العدد الصغير من الجينات بشكل متنوع بشكل لا يصدق.
بمساعدة آلية تعرف باسم الربط البديل، من الممكن تحرير المعلومات المخزنة في جينات الكائنات الحية المعقدة بعدة طرق، بحيث يمكن لجين واحد تشفير المعلومات لإنشاء بروتينين مختلفين وحتى أكثر. ومن خلال مقارنة الجينوم البشري بجينومات كائنات أخرى، بدأ العلماء يدركون أن التضفير البديل يفسر الكثير من الاختلاف بين الكائنات التي تتشابه مجموعات جيناتها نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، يسمح الربط البديل للأنسجة المختلفة في نفس الكائن الحي بأداء وظائف مختلفة باستخدام نفس مجموعة الجينات الصغيرة.
وفي الواقع، يبدو أن تواتر الربط البديل يزداد كلما زاد تعقيد المخلوق، وبالتالي فإن حوالي ثلاثة أرباع جميع الجينات البشرية تخضع للتضفير البديل. من المحتمل أن آلية الربط البديلة نفسها ساهمت في تطور جميع الحيوانات، وهي الآلية التي يمكن أن تساهم في تطورنا المستمر. وعلى المدى القريب، بدأ العلماء في فهم كيف يؤدي الربط المعيب للجينات إلى الإصابة بأنواع معينة من السرطان والأمراض الخلقية، وكذلك كيف يمكن استخدام آلية الربط في العلاج الطبي.
قرارات حاسمة
لا يمكن المبالغة في أهمية التحرير البديل في عمل العديد من الكائنات الحية. على سبيل المثال، تعتمد الحياة والموت عليها، على الأقل عندما تكون الخلية التالفة هي التي يجب أن تقرر ما إذا كانت ستستمر في الحياة أم لا. تستشعر كل خلية باستمرار الظروف الخارجية والداخلية، لذا يمكنها أن تقرر ما إذا كانت ستستمر في العيش أو تدمر نفسها في عملية خاضعة للرقابة تسمى موت الخلايا المبرمج. الخلايا التي لا تستطيع إصلاح الحمض النووي سوف تنشط عملية موت الخلايا المبرمج. أظهر كريغ طومسون من جامعة بنسلفانيا وشركاؤه في البحث مؤخرًا أن الجين المعروف باسم Bcl-x، المسؤول عن التحكم في موت الخلايا المبرمج، يخضع لعملية تضفير بديلة لتكوين أحد البروتينين المنفصلين، Bcl-x(L) أو Bcl -x(س). البروتين الأول يمنع موت الخلايا المبرمج بينما الثاني يعززه. لذا فإن القرار بشأن العيش أو الموت يعتمد على مسألة أي من البروتينين سيتم إنشاؤه من الجين في عملية التضفير البديل.
لقد تم بالفعل اكتشاف حقيقة أن الخلية يمكنها إنتاج بروتينات مختلفة من جين واحد منذ حوالي 25 عامًا، لكن هذه الظاهرة كانت تعتبر نادرة. كشفت المقارنات الأخيرة بين الجينومات المختلفة أن هذه الظاهرة شائعة للغاية وذات أهمية حاسمة. أدى هذا إلى تغيير جذري في النظرة الكلاسيكية لكيفية ترجمة المعلومات المخزنة في الجينات إلى بروتينات. لا تزال معظم الحقائق المعروفة صحيحة: فالجينوم الكامل يحتوي على جميع التعليمات اللازمة لإنتاج الكائن الحي والحفاظ عليه، ويتم تشفير هذه التعليمات بلغة النيوكليوتيدات المكونة للحمض النووي المكونة من أربعة أحرف (ويمثلها الحرفان A) ، ز، ج، تي). في كروموسومات الشخص، يتم نسج حوالي ثلاثة مليارات نيوكليوتيدات معًا على شريطين متكاملين يشكلان الحلزون المزدوج للحمض النووي (الحمض النووي الجينومي). عندما يحين الوقت الذي يجب فيه "التعبير" عن تعليمات الجينات، ينفتح السحاب الحلزوني المزدوج للحمض النووي على طول قطعة تسمح بإنشاء نسخة مفردة من تسلسل الجينات من نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي ("شقيق" الحمض النووي الريبي) الحمض النووي). ويسمى أي تسلسل نيوكليوتيد من الحمض النووي يتم نسخه إلى الحمض النووي الريبي (RNA) بهذه الطريقة بالجين. بعض جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي يتم تكوينها لا تترجم أبدًا إلى بروتينات ولكنها تستخدم في عمليات الصيانة والتحكم داخل الخلية [انظر: الجينوم المخفي - الماس في سلة المهملات، V. White Gibbs، Scientific American Israel، فبراير 2004]. في النهاية، تقوم آلية خلوية بقراءة نسخ الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي تقوم بتشفير البروتينات وترجمتها إلى تسلسل مناسب من الأحماض الأمينية، التي تشكل اللبنات الأساسية للبروتينات. ولكن أولاً يجب أن تمر نسخة الحمض النووي الريبي (RNA) الأولية بعملية تحرير.
في عام 1977، اكتشف فيليب أ. شارب من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) وريتشارد ج. روبرتس من نيو إنجلاند بيو لابس أن نسخ الحمض النووي الريبوزي الأولية هذه تشبه الكتب التي تحتوي على العديد من الفصول التي لا معنى لها والمنتشرة في جميع أنحاء النص. يجب إزالة هذه الفصول التي لا معنى لها، والتي تسمى الإنترونات، ويجب ضم الفصول ذات المعنى معًا حتى يتمكن الحمض النووي الريبي (RNA) من سرد قصة ذات معنى. في عملية القطع واللصق، المعروفة باسم الربط، يتم قطع الإنترونات، ويتم العثور عليها من النص الأساسي ويتم إلقاؤها جانبًا. يتم تجميع أجزاء النص التي تحتوي على تسلسل مهم لترميز البروتين، تسمى الإكسونات، معًا لتكوين نسخة نهائية من النص تُعرف الآن باسم messenger RNA (mRNA). (انظر المراجعة في نهاية المقال)
لكن في عام 1980، أظهر راندولف وول من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس أن هذه النظرة الأساسية لربط الحمض النووي الريبي المرسال، والتي بموجبها يتم التخلص دائمًا من جميع الإنترونات وربط جميع الإكسونات دائمًا بالحمض النووي الريبي المرسال، ليست صحيحة دائمًا. في الواقع، يمكن للآلية الخلوية أن "تقرر" قطع إكسون، أو ترك إنترون أو جزء من إنترون، في النسخة النهائية من الحمض النووي الريبي المرسال. هذه القدرة على تحرير نسخ الحمض النووي الريبي الأولية بشكل بديل يمكن أن تزيد بشكل كبير من قدرة التشفير لكل جين وتمنح آلية الربط قوة هائلة لتحديد ما إذا كان سيتم إنتاج نوع واحد من البروتين بشكل زائد عن أنواع البروتينات الأخرى المشفرة بواسطة نفس الجين.
في عام 1984، طور توم مانياتيس ومايكل جرين ومعاونوهم في جامعة هارفارد إجراءً يمكن إجراؤه في المختبر لتحديد الآلية الجزيئية المسؤولة عن قطع الإنترونات وربط الإكسونات. لا تزال تفاصيل تشغيل الآلية وكيفية التحكم فيها قيد البحث، لكن هذا البحث يكشف عن نظام معقد للغاية أجده رائعًا.
آلية الربط
في الكائنات الحية المعقدة، يشارك مستويان من الآليات الجزيئية في ربط نسخ الحمض النووي الريبي الأولية. الآلية الأساسية، المحفوظة جيدًا أثناء التطور، موجودة في كل كائن يحتوي جينومه على الإنترونات، من الخميرة إلى البشر. تتكون الآلية من خمسة جزيئات تعرف باسم الحمض النووي الريبوزي النووي الصغير (snRNA) وتسمى U5 وU4 وU2 وU1 وU6. ترتبط هذه الجزيئات بـ 150 بروتينًا وتشكل اقترانًا يسمى الجسيم التضفيري الذي تتمثل وظيفته في التعرف على مواقع البداية والنهاية للإنترونات، وقطعها من نسخة الحمض النووي الريبي الأولية وتوصيل الإكسونات لإنشاء RNA الرسول.
تعمل أربعة تسلسلات نيوكليوتيدية قصيرة داخل الإنترونات كإشارات تخبر الجسيم الضفيري بمكان القطع [انظر الإطار في الصفحة السابقة]. إحدى إشارات الربط هذه موجودة في بداية الإنترون ويشار إليها بموقع الربط "5"؛ أما المواقع الأخرى، الموجودة في نهاية الإنترون، فتسمى موقع الوصلة، وتسلسل البوليبيريميدين، وأخيرًا موقع الوصلة "3".
يتحكم نظام تحكم منفصل في عملية الربط عن طريق توجيه الآلية الأساسية إلى مواقع الربط هذه. حتى الآن تم تحديد أكثر من عشرة بروتينات مختلفة للتحكم في الربط (بروتينات SR). قد تكون هناك بروتينات SR مختلفة في أنسجة مختلفة أو في مراحل نمو مختلفة لنفس النسيج. يمكن أن ترتبط بروتينات SR بتسلسلات النيوكليوتيدات القصيرة في إكسونات نسخة الحمض النووي الريبي الأولية. تسمى مواقع الارتباط هذه بمحفزات الربط إكسون (ESE) لأنه عندما يرتبط بروتين SR مناسب بـ ESE، فإنه يقوم بتجنيد جزيئات snRNA الخاصة بالجهاز القاعدي إلى مواقع الربط المجاورة لكل طرف من أطراف الإكسون. لكن بروتين SR يمكن أن يرتبط أيضًا بتسلسل يعمل كمثبط لربط الإكسون (ESS)، وهذا سيثبط قدرة الآلية الأساسية على الارتباط بنهايات المحور العصبي ويتسبب في قطع الإكسون من النهاية النهائية. نسخة رسول RNA.
تخطي حتى إكسون واحد يمكن أن يسبب تأثيرات دراماتيكية. في ذبابة الفاكهة، على سبيل المثال، يتم استخدام الربط البديل للتحكم في مسارات تحديد جنس الذبابة. عندما يتم التعبير عن الجين المعروف باسم الجنس القاتل، يمكن تخطي إكسون ذكري أثناء الربط، بحيث يتم إنتاج بروتين قاتل للجنس الأنثوي. يمكن لهذا البروتين الآن الارتباط بجميع نسخ الحمض النووي الريبي (RNA) الأولية التي سيتم إنتاجها لاحقًا من هذا الجين والتأكد من أنه في جميع أحداث الربط اللاحقة سيتم قطع الإكسون الذكري وسيتم إنتاج البروتينات الأنثوية فقط. ومن ناحية أخرى، إذا بقي المحور العصبي الذكري في نسخة الحمض النووي الريبوزي (RNA) في الجولة الأولى من التحرير، فسيتم إنشاء RNA مرسال غير نشط يتسبب في تطور خلايا الذبابة وفقًا للمسار الذكري.
يعد تخطي إكسون النوع الأكثر شيوعًا من الربط البديل في الثدييات. ولكن تم تحديد عدة أنواع أخرى من الربط البديل، أحدها يتسبب في بقاء الإنترونات في الحمض النووي الريبي المرسال النهائي. هذا النوع شائع بشكل خاص في النباتات والكائنات متعددة الخلايا الأقل تطوراً. من المحتمل أن تكون مغادرة الإنترون هي النسخة التطورية الأقدم من الربط البديل. حتى اليوم، تعمل آلية الربط في الكائنات وحيدة الخلية مثل الخميرة من خلال التعرف على الإنترونات، على عكس نظام البروتين SR في الكائنات الأكثر تطورًا، والذي يعمل عن طريق تحديد الإكسونات لآلية الربط الأساسية.
في النظام أحادي الخلية، يمكن لآلة الربط أن تتعرف فقط على التسلسلات الإنترونية التي تحتوي على أقل من 500 نيوكليوتيدات. ليس لدى شيمار مشكلة مع هذا القيد لأنه يحتوي على عدد قليل جدًا من الإنترونات بمتوسط طول يبلغ 270 نيوكليوتيدات فقط. ولكن مع توسع الجينومات أثناء التطور، أصبحت تسلسلات الإنترون الخاصة بها أطول، ويُعتقد أن آلية الربط الخلوي كان عليها أن تتغير من نظام يتعرف على تسلسلات إنترونية قصيرة داخل الإكسونات إلى نظام يتعرف على الإكسونات القصيرة داخل بحار من الإنترونات. على سبيل المثال، يبلغ متوسط طول جين ترميز البروتين البشري 28,000 نيوكليوتيدات، مع 8.8 إكسونات مفصولة بـ 7.8 إنترونات. الإكسونات قصيرة نسبيًا، وعادةً ما تكون حوالي 120 نيوكليوتيدات، بينما يتراوح طول الإنترونات من 100 إلى 100,000 نيوكليوتيدات.
بالمقارنة مع أي مخلوق آخر، فإن عدد الإنترونات في كل جين في الجينوم البشري هو الأعلى، لذا فإن طولها وكميتها يثير قضية أخرى مثيرة للاهتمام. تكلفة الحفاظ على الإنترونات مرتفعة. يتم تخصيص جزء كبير من الطاقة التي نستهلكها يوميًا لصيانة وإصلاح الإنترونات في الحمض النووي، ونسخ الحمض النووي الريبي الأولي وإزالة الإنترونات، وحتى تفكيك الإنترونات في نهاية عملية الربط. عملية. علاوة على ذلك، يمكن لهذا النظام أن يسبب أخطاء مكلفة. أي خطأ في قطع وربط الحمض النووي الريبي الأولي يؤدي إلى تغيير في تسلسل ترميز البروتين وربما حتى إنتاج بروتين معيب.
على سبيل المثال، هناك مرض وراثي أقوم بأبحاثه، وهو خلل الوظائف المستقلة العائلي، ينجم عن طفرة نيوكليوتيدية واحدة في جين يعرف باسم IKBKAP، مما يؤدي إلى خضوعه لعملية التضفير البديل في الجهاز العصبي. ونتيجة لذلك، يتم إنتاج بروتين IKBKAP بشكل أقل طبيعيًا، وهذا يسبب ضعف نمو الجهاز العصبي. يموت حوالي نصف المرضى المصابين بهذا المرض قبل سن الثلاثين. ويؤثر ما لا يقل عن 30% من الطفرات التي تسبب الأمراض الوراثية (وربما أيضًا أنواع معينة من السرطان) على تضفير الحمض النووي الريبي الأولي. لماذا إذن حافظ التطور على مثل هذا النظام المعقد القادر على التسبب في المرض؟ ربما لأن المزايا تفوق العيوب.
مزايا البدائل
يتيح الربط البديل للبشر إنتاج أكثر من 90,000 ألف بروتين دون الحاجة إلى الحفاظ على 90,000 ألف جين. إن إنشاء عدة أنواع من الحمض النووي الريبي المرسال من جين واحد يتيح إنتاج عدة أنواع من البروتينات من نفس الجين. في المتوسط، ينتج كل جين من جيناتنا حوالي ثلاثة جزيئات مختلفة من الحمض النووي الريبي (RNA) المرسال التي تم إنشاؤها من خلال الربط البديل. لكن هذا العدد لا يزال لا يفسر حاجتنا إلى الكثير من الإنترونات، ولا يفسر أيضًا سبب كون تسلسل الإنترونات هو التسلسل الرئيسي داخل الجينات، إلى الحد الذي تشكل فيه التسلسلات الخارجية ما بين واحد إلى اثنين بالمائة فقط من الجينوم البشري.
وبعد أن اكتشفت الفرق البحثية التي قامت بتسلسل الجينوم، في عام 2001، أن معظم الجينوم يبدو خاليا من المعلومات، برز لغز آخر في عام 2002، بعد نشر جينوم الفأر. اتضح أن الفأر لديه نفس عدد الجينات تقريبًا مثل الإنسان. على الرغم من مرور حوالي 100 مليون سنة منذ أن عاش السلف المشترك للإنسان والفأر، فإن معظم الجينات الموجودة في الإنسان والفأر تنشأ من نفس الجد. تحتوي معظم هذه الجينات على نفس مجموعة الإكسونات والإنترونات، ويتم الحفاظ على تسلسل النيوكليوتيدات في الإكسونات إلى حد كبير. لذا فإن السؤال الذي يطرح نفسه، إذا كانت جينات الإنسان والفأر متشابهة إلى حد كبير، فما الذي يجعلنا مختلفين إلى هذا الحد عن القوارض؟
اكتشف كريستوفر ج. لي وبارماك مودرك من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس مؤخرًا أن ربع الإكسونات التي تخضع للتضفير البديل في الجينومين تكون فريدة بالنسبة للإنسان أو للفأر. أي أن هذه الإكسونات يمكنها إنشاء بروتينات فريدة للإنسان أو الفئران، لذا قد تكون مسؤولة عن الاختلافات بين الأنواع. في الواقع، هناك مجموعة واحدة من الإكسونات التي تخضع لعملية التضفير البديل تكون فريدة من نوعها بالنسبة للرئيسيات (البشر، والقردة العليا، والقرود) وربما تكون قد ساهمت في تمايز الرئيسيات عن الثدييات الأخرى. من خلال دراسة العمليات التي تسبب إنشاء هذه الإكسونات الفريدة، يمكننا البدء في اكتشاف المزايا الكامنة في الإنترونات، وبالتالي تبرير الجهد الذي نستثمره للحفاظ عليها.
أصل الإكسونات الفريدة لدى الرئيسيات هو من عناصر وراثية متنقلة تسمى متواليات Alu، والتي تنتمي إلى مجموعة أكبر من العناصر تسمى النواقل الرجعية، أي تسلسلات الحمض النووي القصيرة التي يبدو أن دورها هو تكرار نفسها ثم إدراج النسخ المكررة مرة أخرى في الجينوم في نقاط عشوائية، نوع من الطفيليات الجينومية الصغيرة. توجد النواقل الرجعية في جميع الجينومات تقريبًا ولها تأثير كبير لأنها تساهم في توسع الجينوم، وهي العملية التي رافقت تطور الكائنات متعددة الخلايا. يتكون ما يقرب من نصف الجينوم البشري من عناصر متحركة، وأكثرها شيوعًا تسلسلات ألو.
يبلغ طول تسلسلات Alu 300 نيوكليوتيدات فقط ولها تسلسل فريد ينتهي بـ "ذيل poly-A". يحتوي جينومنا اليوم على حوالي 1.4 مليون نسخة من تسلسلات ألو ويستمر العديد منها في التكاثر وإدخال نفسها في مواقع جديدة في الجينوم بمعدل مرة واحدة كل 100 إلى 200 ولادة.
لطالما اعتبرت تسلسلات ألو خردة جينية، لكنها الآن بدأت تحظى بالتقدير عندما بدأ العلماء في فهم كيف يمكن لتسلسلات ألو أن تزيد من قدرة الجينات على صنع البروتين. حوالي 5% من الإكسونات المقسمة بالتناوب في الجينوم البشري تحتوي على تسلسلات ألو. تم إنشاء هذه الإكسونات، على ما يبدو، عندما "قفز" عنصر Alu إلى إنترون الجين، والذي لن يكون له عادةً أي آثار سلبية على الرئيسيات لأن معظم الإنترونات يتم قطعها والتخلص منها. ولكن بعد الطفرات النقطية اللاحقة، يمكن لتسلسل Alu أن يحول الإنترون الذي يتواجد فيه إلى تسلسل مهم وراثيًا، أي إكسون. يمكن أن يحدث شيء من هذا القبيل إذا أدت التغييرات في تسلسل Alu إلى إنشاء مواقع وصلات "5" أو "3" جديدة داخل الإنترون وتسببت في التعرف على جزء من الإنترون على أنه "إكسون" بواسطة جسيم التضفير. (تحدث مثل هذه الطفرات عادة أثناء انقسام الخلايا، عندما يتم نسخ الجينوم ووقوع أخطاء التدقيق اللغوي فيه.)
إذا كان بإمكان Alu exon الجديد الخضوع لربط بديل والانضمام إلى نسخة messenger RNA، فيمكن للمخلوق الاستمتاع بكلا العالمين. ومن خلال تضمين Alu exon، يمكن لخلاياه أن تصنع بروتينًا جديدًا. لكن هذه القدرة الجديدة لا تضعف الوظيفة الأصلية للجين، لأن الأنواع السابقة من الحمض النووي الريبي المرسال لا تزال تنتج عند قطع ألو إكسون. تنشأ المشكلة فقط عندما يخضع تسلسل Alu المتحول للربط الدائم، مما يعني أنه ينضم إلى جميع نسخ الحمض النووي الريبي المرسال التي يتم إنشاؤها من الجين، ومن ثم قد يسبب مرضًا وراثيًا ناجمًا عن غياب البروتين القديم. حتى الآن، تم تحديد ثلاثة أمراض ناجمة عن تسلسلات Alu في غير محلها: متلازمات Alport وSly ومرض نقص OAT.
لقد أوضحت أنا وزميلي في البحث أنه لتحويل عنصر Alu intronic إلى إكسون حقيقي، يجب تغيير حرف واحد فقط في تسلسل Alu. حاليًا، يحتوي الجينوم البشري على ما يقرب من 500,000 تسلسل Alu موجود داخل الإنترونات، ما يقرب من 25,000 منها يمكن أن تصبح إكسونات جديدة من خلال نفس الطفرة النقطية. وهذا يعني أن تسلسلات Alu لديها القدرة على زيادة إثراء مجموعة المعلومات الوراثية المتاحة لإنشاء بروتينات بشرية جديدة.
الشفاء بمساعدة الحمض النووي الريبي (RNA).
يحاول ما لا يقل عن 400 معمل أبحاث وحوالي 3,000 باحث في جميع أنحاء العالم فهم العمليات المعقدة التي ينطوي عليها الربط البديل. على الرغم من أن هذا البحث لا يزال في مرحلة مبكرة، إلا أن هناك اتفاق بين الباحثين على أن النتائج تشير إلى إمكانيات الشفاء في المستقبل، مثل استراتيجيات العلاج الجيني الجديدة التي ستستفيد من آلية الربط لعلاج الأمراض الموروثة والمكتسبة مثل السرطان في الوقت المناسب. طريقة.
يمكن أن يكون أحد الأساليب هو توجيه تسلسل قصير من الحمض النووي الريبوزي (RNA) أو الحمض النووي الريبي (DNA)، يسمى التسلسل التكميلي، بحيث يرتبط مثل السحاب بموقع مستهدف فريد في الحمض النووي (DNA) أو الحمض النووي الريبي (RNA) للمريض. يمكن إدراج تسلسل تكميلي في الخلايا لإخفاء موقع لصق معين أو تسلسل تحكم آخر، وبالتالي تحويل نشاط الربط إلى موقع آخر. وقد أظهر ريتشارد كول من جامعة نورث كارولينا في تشابل هيل هذه الطريقة لأول مرة في خلايا الدم الجذعية المأخوذة من مرضى يعانون من مرض وراثي يعرف باسم بيتا ثلاسيميا. في هذا المرض، يؤدي موقع الوصلة 5 المعيب إلى إضعاف نشاط جزيئات الهيموجلوبين المسؤولة عن نقل الأكسجين في الدم. من خلال إخفاء الطفرة، تمكن كول من إعادة توجيه الوصلة مرة أخرى إلى موقع الوصلة الصحيح والتسبب في إنتاج الهيموجلوبين النشط.
ثم أظهر كول أنه يمكن استخدام نفس الطريقة في الخلايا السرطانية التي تنمو في المزرعة. من خلال إخفاء موقع الربط الخامس لنسخة الجينات Bcl-x التي تتحكم في موت الخلايا المبرمج، كان قادرًا على تحويل نشاط الربط وجعله ينتج نسخة الحمض النووي الريبي (RNA) من النوع Bcl-x(S) بدلاً من Bcl-x(L). أدى هذا إلى قيام الخلية السرطانية بإنتاج كمية أقل من البروتين المثبط لموت الخلايا المبرمج وزيادة إنتاج البروتين المعزز لموت الخلايا المبرمج. في بعض الخلايا السرطانية، أدى هذا التغيير إلى تنشيط مسار موت الخلايا المبرمج، بينما في خلايا أخرى أدى إلى زيادة تأثير موت الخلايا المبرمج للعلاج الكيميائي المعطى بالتزامن مع تسلسل القناع.
تم توضيح طريقة أخرى لاستخدام آلية الربط البديلة لأغراض الشفاء في عام 2003 من قبل أدريان كرينر ولوكا كارتانجي من مختبرات كولد سبرينج هاربور في لونغ آيلاند، ولاية نيويورك. لقد وجدوا طريقة لجعل الخلايا تضيف إكسونًا إلى نسخة الحمض النووي الريبي (RNA) التي يجب على الخلية تخطيها. لقد قاموا بإنشاء جزيء اصطناعي يمكن برمجته للارتباط بأي قطعة من الحمض النووي الريبي (RNA) وفقًا لتسلسلها، ومن ثم ربطها بمنطقة بروتين SR التي تربط الحمض النووي الريبي (RNA). لذلك، يمكن لهذا الجزيء أن يرتبط بتسلسل فريد في نسخة الحمض النووي الريبي الأولية، ويوظف آلية الربط الأساسية في منطقة الربط الصحيحة. استخدم كرينر وكارتنجي هذه الطريقة في الخلايا البشرية التي تنمو في المزرعة لتصحيح أخطاء الربط في الإصدارات الطافرة من جين BRCA1، الذي يشارك في سرطان الثدي، وجين SMN2، الذي يسبب ضمور العضلات الشوكي.
تستخدم الطريقة الثالثة قدرة جسيم التضفير على الانضمام إلى نسختين مختلفتين من الحمض النووي الريبي (RNA) الأساسيين المتولدتين من نفس الجين لإنشاء جزيء RNA المرسال المعقد. هذا النوع من الأحداث، والذي يسمى التضفير، شائع في الديدان ولكنه نادرًا ما يحدث في الخلايا البشرية. إذا نجحنا في إجبار جسيم التضفير على العبور، فيمكننا قطع منطقة متحولة من الحمض النووي الريبي الأولي الذي يسبب المرض واستبدالها بتسلسل يرمز إلى بروتين طبيعي. منذ وقت ليس ببعيد، استخدم جون إنجلهارت من جامعة أيوا هذه الطريقة في الخلايا المستنبتة لإصلاح الحمض النووي الريبي الأولي جزئيًا للجين الذي ينتج بروتينًا معيبًا في الخلايا التي تبطن المسالك الهوائية لمرضى التليف الكيسي.
قبل فك رموز الجينوم البشري، لم يكن سوى عدد قليل من العلماء يعتقدون أن كائنًا معقدًا مثل الإنسان يمكن أن يوجد بـ 25,000 جين فقط. منذ اكتمال التسلسل، ظهر الربط البديل باعتباره العملية المركزية التي تسمح لعدد صغير من الجينات بإنتاج مجموعة أكبر بكثير من البروتينات اللازمة لبناء الجسم والدماغ وأيضًا للتحكم في إنتاج البروتينات في الأنسجة المختلفة وفي مناطق مختلفة. مرات. علاوة على ذلك، تشرح عملية الربط كيف يمكن للاختلاف الهائل بين البشر والفئران وربما جميع الثدييات أن ينشأ من الجينومات المتشابهة إلى حد كبير.
يقدم التطور للكائنات إمكانيات جديدة ثم يختار لها الإمكانيات التي تمنحها الأفضلية. وهكذا، فإن البروتينات الجديدة التي تم إنشاؤها من خلال ربط الإكسونات الجديدة التي تم إنشاؤها بواسطة تسلسلات ألو من المحتمل أنها ساعدت في خلق الإنسان كما هو اليوم. إن استمرار البحث عن الربط البديل للشفرات يحمل الوعد بمواصلة تحسين نوعية حياتنا.
نظرة عامة / مدى تعقيد القص واللصق
من الممكن تحرير التعليمات الشمالية في جين واحد باستخدام آلية خلوية واستقبال عدة معاني من ذلك الجين. وهكذا، فإن مجموعة صغيرة من الجينات المشفرة للبروتين يمكن أن تنتج مجموعة أكبر بكثير من البروتينات.
لقد كان من المفهوم لفترة طويلة أن مثل هذا الربط البديل للمعلومات الوراثية ممكن، ولكن فقط عندما تم فك تشفير تسلسل الجينوم للإنسان والمخلوقات الأخرى وكان من الممكن مقارنتها، أدرك علماء الوراثة مدى شيوع الربط البديل في الكائنات الحية المعقدة. ومدى مساهمة هذه الآلية في خلق التنوع بين الكائنات ذات المجموعات الجينية المتشابهة.
يسمح التضفير البديل لعدد قليل من الجينات بإنتاج وصيانة كائنات حية شديدة التعقيد عن طريق التحكم في توقيت التعبير الجيني، ونوع البروتينات التي ينتجها الكائن الحي وموقعها. سيتمكن البشر قريبًا من التحكم في عملية ربط الجينات البشرية لمحاربة الأمراض.
جين واحد والعديد من البروتينات
كان التفسير التقليدي للتعبير الجيني بسيطًا: أولاً يتم نسخ الجين من DNA إلى RNA، ثم تقوم آلية الربط الخلوي بقطع تسلسلات "غير مرغوب فيها" تسمى الإنترونات وضم الأجزاء ذات المعنى التي تسمى exons إلى نسخة RNA النهائية (messenger RNA). وأخيرًا، تتم ترجمة الحمض النووي الريبي المرسال إلى بروتين. ومع ذلك، فقد تبين أن هذه القواعد ليست صحيحة دائما. في الكائنات الحية المعقدة، يمكن أن تخضع نسخة الحمض النووي الريبي الأولية للتضفير البديل، مما يعني أنه في بعض الأحيان يتم التخلص من الإكسونات على شكل إنترونات، أو يتم الاحتفاظ بأجزاء من الإنترونات في النسخة النهائية. وهذا يخلق مجموعة متنوعة من جزيئات الحمض النووي الريبي المرسال وبالتالي مجموعة متنوعة من البروتينات من درع واحد.
تعبير واضح عن الجينات
يتم نسخ تسلسل الحمض النووي إلى نسخة مفردة مكونة من الحمض النووي الريبي (RNA). تقوم الآلة الخلوية بقطع وتوصيلات (وصلات) النسخة الأولية. يتم تعريف كل إنترون في النص عن طريق تسلسلات نيوكليوتيدية فريدة في بداية ونهاية الإنترون تسمى مواقع الوصل "5" و"3" على التوالي. تقوم الآلية بإزالة الإنترونات والتخلص منها، في حين أنها تربط الإكسونات بنسخة الحمض النووي الريبي المرسال للجين، وهي النسخة التي ستترجمها الخلية في النهاية إلى بروتين.
*جيل أست هو محاضر كبير في قسم الوراثة البشرية والطب الجزيئي في كلية الطب بجامعة تل أبيب. تركز أبحاثه على الآلية الجزيئية لربط الحمض النووي الريبي (RNA) الأولي، وتطور الربط البديل وعيوب الربط المرتبطة بالسرطان والأمراض الوراثية والسيطرة عليها. ومؤخرًا، تعاون مع علماء في شركة Compugen الإسرائيلية لتطوير نظام المعلوماتية الحيوية للتنبؤ بأحداث الربط البديلة لتحديد الإصدارات الجديدة من البروتينات.
موقع Scientific American الإلكتروني باللغة العبرية، حيث يمكنك أيضًا شراء اشتراك في المجلة
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~242885665~~~48&SiteName=hayadan
