تنظیم بیان ژن
سلول‌ها از همه ژنهای خود به طور همزمان استفاده نمی‌کنند. مثلا باکتری اشریشیا کلای می‌تواند در غیاب گلوکز از لاکتوز هم به عنوان منبع انرژی استفاده کند. این باکتری در دستگاه گوارش ما زندگی می‌کند. وقتی یک محصول لبنی می خوریم، دی ساکارید لاکتوز (قند شیر)، در دسترس باکتری اِ. کلای قرار می‌گیرد. در این هنگام، این باکتری با ساختن آنزیم‌های لازم که برای جذب و تجزیه لاکتوز لازم هستند، از این قند به عنوان منبع انرژی استفاده می‌کند. توجه داشته باشید که وقتی لاکتوز در اختیار باکتری نباشد، دیگر لزومی‌به ساختن آنزیم‌های جذب و تجزیه‌کننده آن نیست و بنابراین از ژنهای این آنزیم ها، استفاده‌ای نمی‌شود. وقتی یک ژن مورد استفاده قرار می‌گیرد، می‌گویند آن ژن، بیان شده و به اصطلاح روشن است. وقتی ژن مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، می‌گویند آن ژن، خاموش است. این که در یک زمان مشخص، کدام ژنها روشن و کدام ژنها خاموش باشند، به تنظیم بیان ژن معروف است.
در یوکاریوت‌ها نیز می‌توان مثال‌های متعددی از تنظیم بیان ژن مطرح کرد. تنظیم بیان ژن علاوه بر پاسخ به تغییر شرایط محیط، مثل در دسترس بودن یا نبودن یک منبع غذایی، در نمو جاندار نقش مهمی‌دارد. توجه داشته باشید که بدن ما از صدها نوع سلول مختلف ساخته شده است که همگی حاصل تقسیم میتوز یک سلول اولیه – زیگوت – هستند. بنابراین ماده ژنتیک همه آنها یکسان است. اگر ماده ژنتیک سلول‌های پوششی، عصبی، ماهیچه‌ای و… بدن ما یکسان است، پس چرا شکل و کار این سلول‌ها با یکدیگر این قدر متفاوت است؟ پاسخ این است که در هر نوع سلول فقط بعضی از ژنها بیان می‌شوند. مثلا هموگلوبین که نقش انتقال گازهای تنفسی در گلبول‌های قرمز را برعهده دارد، در این سلول‌ها ساخته می‌شود و ژن آن در سلول‌های پوششی یا عصبی، که نیازی به آن ندارند، خاموش است. بنابراین، سلول‌هایی که شکل و کار متفاوتی دارند، پروتئینهای مختلفی دارند. در واقع، آنچه که فنوتیپ را تعیین می‌کند، نوع پروتئین هاست.
تنظیم بیان ژنها در پروکاریوتها بر عهده اپران‌هاست.
در پروکاریوتها، تنظیم بیان ژن ممکن است در سطوح مختلفی از جمله رونویسی، ترجمه، یا پس از ترجمه صورت گیرد. ولی عمدتا هنگام رونویسی انجام می‌شود، یعنی اگر نیازی به محصول ژن نباشد، از آن ژن رونویسی صورت نمی‌گیرد. چگونه می‌توان از رونویسی یک ژن جلوگیری کرد؟ به یاد بیاورید که RNA پلی مراز به قسمتی از DNA که راهانداز نام دارد، متصل و همانند قطاری که روی ریل حرکت می‌کند، رونویسی را انجام می‌دهد. بدیهی است اگر سدی بر سر راه RNA پلی مراز قرار بگیرد که مانع حرکت آن روی ژن شود، آن ژن رونویسی نخواهد شد. این سدها، در واقع پروتئینهای بزرگی هستند به نام مهار‌کننده که به توالی‌های مخصوصی از DNA به نام اپراتور متصل می‌شوند. اپراتور مجاور راهانداز قرار دارد و بنابراین وقتی پروتئین مهار‌کننده به توالی اپراتور متصل می‌شود، سدی پدید می آید که جلوی حرکت RNA پلی مراز را می‌گیرد و به این ترتیب ژن را خاموش می‌کند. رمزهای پروتئین مهار‌کننده روی ژنی به نام ژن تنظیم‌کننده قرار دارد.
بیایید دوباره به مثال متابولیسم لاکتوز باکتری اِ. کلای توجه کنیم. این باکتری برای آنکه بتواند از لاکتوز استفاده کند، به سه آنزیم نیاز دارد. ژنهای این سه آنزیم در شکل ۱ با شماره‌های ۱، ۲ و ۳ نشان داده شده‌اند. دانشمندان دریافتند که وقتی لاکتوز در محیط نیست، غلظت هر سه آنزیم اندک است، اما پس از حضور لاکتوز در محیط غلظت هر سه آنزیم یاد شده، هماهنگ باهم افزایش می‌یابد.
شکل ۱- خاموش و روشن کردن ژنهای پروکاریوتی
در سال ۱۹۶۱ دو دانشمند فرانسوی به نام‌های ژاکوب و مونو برای توضیح نحوه بیان هماهنگ ژنها در باکتری، مدل اپران را پیشنهاد کردند. هر اپران از یک یا چند ژن ساختاری و بخش تنظیم‌کننده ساخته شده است. منظور از ژن ساختاری قسمتی از DNA است که از روی آن RNA ساخته می‌شود. بخش تنظیم کننده، بیان همزمان ژنها را کنترل می‌کند. برای درک بهتر مطلب، دوباره به متابولیسم لاکتوز برمی‌گردیم.
اپرانی که متابولیسم لاکتوز را تنظیم می‌کند. اپران لک نام دارد. اپران لک از سه ژن ساختاری به نام‌های ژنهای ۱، ۲ و ۳ (در شکل ۱)، اپراتور و راهانداز ساخته شده است. اپراتور و راهانداز بخش تنظیم‌کننده ژن را تشکیل میدهند. دقت کنید که هر سه ژن ۱، ۲ و ۳ تحت کنترل یک بخش تنظیم‌کننده هستند و همگی یک راهانداز دارند. بنابراین از روی هر سه ژن، یک mRNA، ساخته می‌شود. به این نوع mRNA، mRNAچند ژنی می‌گویند. اگر ایران فقط از یک ژن ساختاری تشکیل شده باشد آنگاه mRNA حاصل تک ژنی خواهد بود.
چه چیزی روشن و خاموش‌کننده اپران لک است؟ وقتی لاکتوز در محیط نیست، مهار‌کننده به اپراتور متصل و بنابراین اپران خاموش است؛ اما وقتی لاکتوز در محیط باشد، درون باکتری به آلولاکتوز تبدیل می‌شود. آلولاکتوز به مهار‌کننده متصل می‌شود و تغییراتی در شکل آن پدید می آورد. بر اثر این تغییر شکل، مهار‌کننده دیگر نمی‌تواند به اپراتور متصل شود و بنابراین اپران روشن می‌شود. آلولاکتوز را عامل تنظیم‌کننده و مهار‌کننده را پروتئین تنظیم‌کننده می‌نامند.
تنظیم بیان ژن در یوکاریوت‌ها پیچیده‌تر است.
سلول‌های یوکاریوتی، در مقایسه با سلول‌های پروکاریوتی، از DNA بیشتری برخوردارند و همانند آنها، در پاسخ به تحریکات محیطی، بعضی ژنهای خود را روشن و بعضی دیگر را خاموش می‌کنند. اپران‌ها در سلول‌های یوکاریوتی وجود ندارند.
در سلول‌های یوکاریوتی، به دلیل وجود غشای هسته، پدیده رونویسی از پدیده ترجمه جداست و در نتیجه فرصت بیشتری برای تنظیم بیان ژن وجود دارد. مثلا، تنظیم بیان ژن ممکن است قبل از رونویسی، هنگام رونویسی، یا بعد از آن صورت گیرد. همچنین این تنظیم بعد از خروج mRNA از هسته، هنگام ترجمه یا بعد از عمل ترجمه، نیز ممکن است رخ دهد.
غالبا تنظیم بیان ژن در یوکاریوت‌ها، هنگام شروع رونویسی است. در یوکاریوت‌ها، برخلاف پروکاریوتها، آنزیم RNA پلی مراز به تنهایی نمی‌تواند راهانداز را شناسایی کند. شناسایی راهانداز به کمک پروتئینهای مخصوصی به نام عوامل رونویسی صورت می‌گیرد. عوامل رونویسی متعددند و ترکیبهای مختلفی از آنها ایجاد می‌شود. این ترکیبها، نقش‌های مختلفی را در تنظیم بیان ژن دارند.
گروهی از عوامل رونویسی به راهانداز متصل می‌شوند و بعد، آنزیم RNA پلی مراز به آنها می‌پیوندد. در یوکاریوت‌ها، علاوه بر راهانداز معمولا توالی‌های دیگری از DNA نیز در رونویسی دخالت دارند که عوامل رونویسی به آنها نیز متصل می‌شوند. افزاینده، بخشی از مولکول DNA است که به کمک عوامل رونویسی متصل به آن، عمل رونویسی را تقویت می‌کند. افزاینده، برخلاف راهانداز، ممکن است هزاران نوکلئوتید از ژن فاصله داشته باشد. در این صورت، این پرسش مطرح می‌شود که افزاینده چگونه اثر خود را بر ژن اعمال می‌کند؟
افزاینده و عوامل رونویسی متصل به آن (موسوم به فعال کننده) با تشکیل یک حلقه در DNA در کنار RNA پلی مراز و سایر عوامل رونویسی روی راهانداز قرار می‌گیرند. با قرار گرفتن کلیه این عوامل در کنار هم، عوامل رونویسی که به توالی افزاینده متصل هستند، می‌توانند عوامل رونویسی متصل به راهانداز را فعال کنند (شکل ۲).
شکل ۲- تنظیم رونویسی در یوکاریوت‌ها، عوامل رونویسی به افزاینده و RNA پلی‌مراز متصل می‌شوند. این اتصال، عوامل رونویسی متصل به راهانداز را فعال می‌کند.
فعالیت
جدولی برای سازماندهی اطلاعات مربوط به تنظیم ژن و پروتئین سازی تهیه کنید. در بالای جدول اختصاصات مهم پروکاریوتها و یوکاریوت‌ها را بنویسید و در کنار جدول پروتئین‌هایی را بنویسید که در تنظیم ژنها دخالت می‌کنند.
جهش‌ها پروتئینهای غیرطبیعی ایجاد می‌کنند.
تغییر در اطلاعات ژنتیک موجود زنده، نادر، اما انجام شدنی است. هر گونه تغییر در ساختار DNA را جهش می‌نامند. جهشی که در سلول‌های جنسی افراد روی می‌دهد، ممکن است به زاده‌ها منتقل شود؛ اما جهش در سلول‌های بدنی، فقط خود فردی را که در او جهش رخ داده است، متأثر می‌کند. جهش‌هایی که یک یا چند نوکلئوتید ژن را، روی یک کروموزوم، تغییر می‌دهد به جهش‌های نقطه‌ای موسوم اند. به طور عمده دو نوع جهش نقطه‌ای وجود دارد. در نوع اول یک نوکلئوتید یک ژن با نوکلئوتید نوع دیگری عوض می‌شود به چنین جهشی که از نوع نقطه‌ای است، جانشینی گفته می‌شود (شکل ۳).
در جهش‌های نقطه‌ای نوع دوم ممکن است، افزایش، یا کاهش یک یا چند نوکلئوتید ژن رخ دهد. چون پیام ژنتیکی به شکل نوکلئوتیدهای سه حرفی خوانده می‌شود، افزایش یا کاهش نوکلئوتیدها رمز سه حرفیها را به هم می‌ریزد. تصور کنید از جمله:
این م‌ر‌د ر‌‌ف‌ت حرف م حذف شود. در این صورت این جمله با حفظ کلمات سه حرفی به این شکل: این ر‌د‌ر ف‌ت خوانده می‌شود که بی‌معناست. چنین جهشی که باعث اشتباه خوانده شدن حروف سه نوکلئوتیدی می‌شود، به جهش تغییر چارچوب معروف است. زیرا، طی آن چارچوب الگوی خواندن در یک یا دو موضع جابه جا می‌شود.
به طور کلی جهش‌های نقطه‌ای ممکن است باعث شوند که پروتئین مورد نظر ساخته نشود، یا پروتئینی ساخته شود که ترتیب، تعداد، یا نوع آمینواسیدهای آن نسبت به پروتئینی که قبل از جهش ساخته می‌شده، متفاوت و در نتیجه عملکرد آن نیز متفاوت باشد. گاهی جانشینی‌ها در بیان ژن تأثیر ندارند. مثلا اگر کدون UGU به UGC تغییر یابد، چون هر دو کدون مربوط به آمینواسید سیستئین هستند، تأثیری در بیان ژن ایجاد نخواهد شد.
شکل ۳- انواع جهش‌های نقطه ای
خودآزمایی
١- اثر یک مهار‌کننده را بر پران لک به هنگام حضور لاکتوز توضیح دهید.
۲- اثر عوامل رونویسی و افزاینده‌ها را در بیان ژنهای یوکاریوتی تشریح کنید.
٣- تفاوت اگزون و اینترون را توضیح دهید.
۴- توضیح دهید کدام یک از انواع جهش‌ها اثر شدیدتری روی ترتیب آمینواسیدهای یک پروتئین خواهد داشت: جهشی از نوع جانشینی و یا از نوع تغییر چارچوب؟
