المنشط (علم الوراثة)
المُنشِّط النسخي هو بروتين ( عامل نسخ ) يزيد من نسخ جين أو مجموعة جينات. [ 1 ] تُعتبر المُنشِّطات مُتحكِّمة إيجابياً في التعبير الجيني، إذ تعمل على تعزيز نسخ الجينات، وفي بعض الحالات، تكون ضرورية لحدوث عملية النسخ. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] معظم المُنشِّطات هي بروتينات ترتبط بالحمض النووي DNA ، وتحديداً بالمُعزِّزات أو العناصر القريبة من المُحفِّز . [ 1 ] يُشار إلى موقع الحمض النووي DNA الذي يرتبط به المُنشِّط باسم "موقع ارتباط المُنشِّط". [ 3 ] يُشار إلى جزء المُنشِّط الذي يُجري تفاعلات بروتين-بروتين مع آلية النسخ العامة باسم "منطقة التنشيط" أو "نطاق التنشيط". [ 1 ]
تعمل معظم المنشطات عن طريق الارتباط بتسلسل محدد بموقع تنظيمي على الحمض النووي يقع بالقرب من المحفز ، وتكوين تفاعلات بروتين-بروتين مع آلية النسخ العامة ( بوليميراز الحمض النووي الريبي وعوامل النسخ العامة )، مما يسهل ارتباط آلية النسخ العامة بالمحفز. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] وتساعد منشطات أخرى في تعزيز نسخ الجينات عن طريق تحفيز بوليميراز الحمض النووي الريبي على الانفصال عن المحفز والتحرك على طول الحمض النووي. [ 2 ] في بعض الأحيان، قد يتوقف بوليميراز الحمض النووي الريبي مؤقتًا بعد مغادرته المحفز؛ وتعمل المنشطات أيضًا على السماح لبوليميرازات الحمض النووي الريبي "المتوقفة" بمواصلة النسخ. [ 1 ] [ 2 ]
يمكن تنظيم نشاط المنشطات. تحتوي بعض المنشطات على موقع تنظيمي ، ولا تعمل إلا عند ارتباط جزيء معين بهذا الموقع، مما يؤدي إلى تنشيطها. [ 4 ] كما يمكن للتعديلات اللاحقة للترجمة على المنشطات أن تنظم نشاطها، فتزيده أو تقلله تبعًا لنوع التعديل والمنشط المُعدَّل. [ 1 ]
في بعض الخلايا، وخاصة حقيقيات النوى، يمكن لعدة مُنشِّطات أن ترتبط بموقع الارتباط؛ وتميل هذه المُنشِّطات إلى الارتباط بشكل تعاوني والتفاعل بشكل تآزري. [ 1 ] [ 2 ]
بناء
Activator proteins consist of two main domains: a DNA-binding domain that binds to a DNA sequence specific to the activator, and an activation domain that functions to increase gene transcription by interacting with other molecules.[1] Activator DNA-binding domains come in a variety of conformations, including the helix-turn-helix, zinc finger, and leucine zipper among others.[1][2][3] These DNA-binding domains are specific to a certain DNA sequence, allowing activators to turn on only certain genes.[1][2][3] Activation domains also come in a variety of types that are categorized based on the domain's amino acid sequence, including alanine-rich, glutamine-rich, and acidic domains.[1] These domains are not as specific, and tend to interact with a variety of target molecules.[1]
Activators can also have allosteric sites that are responsible for turning the activators themselves on and off.[4]
Mechanism of action
Activator binding to regulatory sequences
Within the grooves of the DNA double helix, functional groups of the base pairs are exposed.[2] The sequence of the DNA thus creates a unique pattern of surface features, including areas of possible hydrogen bonding, ionic bonding, as well as hydrophobic interactions.[2] Activators also have unique sequences of amino acids with side chains that are able to interact with the functional groups in DNA.[2][3] Thus, the pattern of amino acid side chains making up an activator protein will be complementary to the surface features of the specific DNA regulatory sequence it was designed to bind to.[1][2][3] The complementary interactions between the amino acids of the activator protein and the functional groups of the DNA create an "exact-fit" specificity between the activator and its regulatory DNA sequence.[2]
ترتبط معظم المنشطات بالأخاديد الرئيسية للحلزون المزدوج، لأن هذه المناطق تميل إلى أن تكون أوسع، ولكن هناك بعضها يرتبط بالأخاديد الثانوية. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
قد تقع مواقع ارتباط المُنشِّط بالقرب من المُحفِّز أو على بُعد عدة أزواج قاعدية. [ 2 ] [ 3 ] إذا كان التسلسل التنظيمي بعيدًا، فإن الحمض النووي يلتف على نفسه (التفاف الحمض النووي) لكي يتفاعل المُنشِّط المرتبط مع آلية النسخ في موقع المُحفِّز. [ 2 ] [ 3 ]
في بدائيات النوى، يمكن نسخ عدة جينات معًا ( أوبيرون )، وبالتالي تخضع جميعها لنفس التسلسل التنظيمي. [ 2 ] أما في حقيقيات النوى، فتُنسخ الجينات عادةً بشكل فردي، ويخضع كل جين لتسلسله التنظيمي الخاص. [ 2 ] توجد التسلسلات التنظيمية التي ترتبط بها المنشطات عادةً في المنطقة المجاورة للمحفز، ولكنها قد توجد أيضًا في المنطقة المجاورة له أو حتى داخل الإنترونات في حقيقيات النوى. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
وظائف لزيادة نسخ الجينات
يعزز ارتباط المنشط بتسلسله التنظيمي عملية نسخ الجينات عن طريق تمكين نشاط بوليميراز الحمض النووي الريبي. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] ويتم ذلك من خلال آليات مختلفة، مثل استقطاب آليات النسخ إلى المحفز وتحفيز بوليميراز الحمض النووي الريبي على الاستمرار في عملية الاستطالة. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
توظيف
تتطلب الجينات التي يتم التحكم فيها بواسطة المنشطات ارتباط المنشطات بالمواقع التنظيمية من أجل استقطاب آليات النسخ اللازمة إلى منطقة المحفز. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
تكون تفاعلات المنشطات مع بوليميراز الحمض النووي الريبي مباشرة في الغالب في بدائيات النوى وغير مباشرة في حقيقيات النوى. [ 2 ] في بدائيات النوى، تميل المنشطات إلى الاتصال ببوليميراز الحمض النووي الريبي مباشرةً للمساعدة في ربطه بالمحفز. [ 2 ] أما في حقيقيات النوى، فتتفاعل المنشطات في الغالب مع بروتينات أخرى، وهذه البروتينات هي التي تتفاعل بدورها مع بوليميراز الحمض النووي الريبي. [ 2 ]
بدائيات النوى
في بدائيات النوى، تحتوي الجينات التي تتحكم بها المنشطات على محفزات غير قادرة على الارتباط بقوة بإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase) بمفردها. [ 2 ] [ 3 ] لذا، تساعد البروتينات المنشطة على تعزيز ارتباط إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي بالمحفز. [ 2 ] [ 3 ] ويتم ذلك عبر آليات مختلفة. قد تعمل المنشطات على ثني الحمض النووي (DNA) لكشف المحفز بشكل أفضل، مما يسمح لإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي بالارتباط بفعالية أكبر. [ 3 ] وقد تتصل المنشطات مباشرة بإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي وتثبته في المحفز. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
حقيقيات النوى
في حقيقيات النوى، تمتلك المنشطات مجموعة متنوعة من الجزيئات المستهدفة التي يمكنها استقطابها لتعزيز نسخ الجينات. [ 1 ] [ 2 ] كما يمكنها استقطاب عوامل النسخ الأخرى والعوامل المساعدة اللازمة لبدء عملية النسخ. [ 1 ] [ 2 ]
تستطيع المنشطات استقطاب جزيئات تُعرف باسم المنشطات المساعدة . [ 1 ] [ 2 ] ويمكن لهذه الجزيئات المساعدة أن تؤدي وظائف ضرورية لبدء عملية النسخ بدلاً من المنشطات نفسها، مثل تعديلات الكروماتين. [ 1 ] [ 2 ]
يكون الحمض النووي أكثر تكثفًا في حقيقيات النوى؛ لذا، تميل المنشطات إلى استقطاب بروتينات قادرة على إعادة هيكلة الكروماتين لتسهيل وصول آلية النسخ إلى المحفز. [ 1 ] [ 2 ] تقوم بعض البروتينات بإعادة ترتيب النيوكليوسومات على طول الحمض النووي لكشف موقع المحفز ( معقدات إعادة تشكيل الكروماتين المعتمدة على ATP ). [ 1 ] [ 2 ] تؤثر بروتينات أخرى على الارتباط بين الهستونات والحمض النووي عبر تعديلات ما بعد الترجمة للهستونات ، مما يسمح للحمض النووي الملتف بإحكام في النيوكليوسومات بالتفكك. [ 1 ] [ 2 ]
تعمل جميع هذه الجزيئات المُستقطبة معًا من أجل استقطاب بوليميراز الحمض النووي الريبي في نهاية المطاف إلى موقع المحفز. [ 1 ] [ 2 ]
إطلاق بوليميراز الحمض النووي الريبي
يمكن للمنشطات أن تعزز نسخ الجينات عن طريق إرسال إشارة إلى بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA) ليتحرك متجاوزًا المحفز ويواصل على طول الحمض النووي (DNA)، مما يبدأ عملية النسخ. [ 2 ] قد يتوقف بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA) أحيانًا بعد فترة وجيزة من بدء النسخ، وتكون المنشطات ضرورية لتحريره من هذه الحالة "المتوقفة". [ 1 ] [ 2 ] توجد آليات متعددة لتحرير بوليميرازات الحمض النووي الريبي (RNA) "المتوقفة". قد تعمل المنشطات ببساطة كإشارة لتحفيز استمرار حركة بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA). [ 2 ] إذا كان الحمض النووي (DNA) مكثفًا جدًا بحيث لا يسمح لبوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA) بمواصلة النسخ، فقد تستقطب المنشطات بروتينات قادرة على إعادة هيكلة الحمض النووي (DNA) لإزالة أي عوائق. [ 1 ] [ 2 ] قد تعزز المنشطات أيضًا استقطاب عوامل الاستطالة، وهي ضرورية لاستمرار بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA) في النسخ. [ 1 ] [ 2 ]
تنظيم المنشطات
توجد طرق مختلفة لتنظيم نشاط المنشطات نفسها، لضمان تحفيزها لنسخ الجينات في الأوقات والمستويات المناسبة. [ 1 ] يمكن أن يزداد نشاط المنشطات أو ينقص استجابةً للمؤثرات البيئية أو الإشارات الخلوية الأخرى. [ 1 ]
تنشيط البروتينات المنشطة
غالبًا ما يتطلب تنشيط المنشطات تفعيلها قبل أن تتمكن من تحفيز نسخ الجينات. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] يتم التحكم في نشاط المنشطات من خلال قدرتها على الارتباط بموقعها التنظيمي على طول الحمض النووي. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] يحتوي نطاق ارتباط الحمض النووي للمنشط على شكل نشط وشكل غير نشط، ويتم التحكم فيهما عن طريق ارتباط جزيئات تُعرف باسم المؤثرات التغايرية بالموقع التغايري للمنشط. [ 4 ]
لا ترتبط المنشطات في حالتها غير النشطة بأي مؤثرات تنظيمية. [ 4 ] عندما تكون غير نشطة، لا تستطيع المنشطات الارتباط بتسلسلها التنظيمي المحدد في الحمض النووي، وبالتالي لا يكون لها أي تأثير تنظيمي على نسخ الجينات. [ 4 ]
عندما يرتبط عامل مؤثر غير متجانس بالموقع غير المتجانس للمنشط، يحدث تغيير في بنية نطاق ارتباط الحمض النووي، مما يسمح للبروتين بالارتباط بالحمض النووي وزيادة نسخ الجينات. [ 2 ] [ 4 ]
التعديلات اللاحقة للترجمة
تخضع بعض المنشطات لتعديلات ما بعد الترجمة التي تؤثر على نشاطها داخل الخلية. [ 1 ] وقد لوحظ أن عمليات مثل الفسفرة ، والأسيتلة ، واليوبيكويتين ، من بين عمليات أخرى، تنظم نشاط المنشطات. [ 1 ] وبحسب المجموعة الكيميائية المضافة، وطبيعة المنشط نفسه، يمكن لتعديلات ما بعد الترجمة أن تزيد أو تقلل من نشاط المنشط. [ 1 ] فعلى سبيل المثال، لوحظ أن الأسيتلة تزيد من نشاط بعض المنشطات من خلال آليات مثل زيادة ألفة الارتباط بالحمض النووي. [ 1 ] ومن ناحية أخرى، يقلل اليوبيكويتين من نشاط المنشطات، حيث أن اليوبيكويتين يُعلِّم البروتينات للتحلل بعد أن تؤدي وظائفها. [ 1 ]
التآزر
في بدائيات النوى، يستطيع بروتين مُنشِّط واحد تحفيز عملية النسخ. [ 2 ] [ 3 ] أما في حقيقيات النوى، فعادةً ما يتجمع أكثر من مُنشِّط واحد في موقع الارتباط، مُشكِّلاً مُركَّباً يعمل على تحفيز عملية النسخ. [ 1 ] [ 2 ] ترتبط هذه المُنشِّطات بشكل تعاوني في موقع الارتباط، ما يعني أن ارتباط مُنشِّط واحد يزيد من ألفة الموقع لارتباط مُنشِّط آخر (أو في بعض الحالات مُنظِّم نسخ آخر)، مما يُسهِّل ارتباط مُنشِّطات مُتعددة بالموقع. [ 1 ] [ 2 ] في هذه الحالات، تتفاعل المُنشِّطات مع بعضها البعض بشكل تآزري ، ما يعني أن معدل النسخ الناتج عن عمل مُنشِّطات مُتعددة معًا يكون أعلى بكثير من التأثيرات التراكمية للمُنشِّطات لو كانت تعمل بشكل فردي. [ 1 ] [ 2 ]
أمثلة
تنظيم هدم المالتوز
تُتحكم عملية تحلل المالتوز في بكتيريا الإشريكية القولونية بتنشيط الجينات. [ 3 ] لا يمكن نسخ الجينات التي تُشفّر الإنزيمات المسؤولة عن هدم المالتوز إلا بوجود مُنشّط. [ 3 ] يكون المُنشّط الذي يتحكم في نسخ إنزيمات المالتوز غير نشط في غياب المالتوز. [ 3 ] في حالته غير النشطة، لا يستطيع المُنشّط الارتباط بالحمض النووي DNA وتحفيز نسخ جينات المالتوز. [ 3 ] [ 4 ]
عند وجود المالتوز في الخلية، يرتبط بالموقع التغايري لبروتين التنشيط، مما يُحدث تغييرًا في بنية نطاق ارتباط الحمض النووي (DNA) الخاص به. [ 3 ] [ 4 ] يُفعّل هذا التغيير البنيوي بروتين التنشيط، مما يسمح له بالارتباط بتسلسل الحمض النووي التنظيمي الخاص به. [ 3 ] [ 4 ] يُعزز ارتباط بروتين التنشيط بموقعه التنظيمي ارتباط بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA) بالمحفز، وبالتالي عملية النسخ، مما يُنتج الإنزيمات اللازمة لتحليل المالتوز الذي دخل الخلية. [ 3 ]
تنظيم أوبيرون اللاكتوز
يقوم بروتين مُنشِّط الهدم (CAP)، المعروف أيضًا باسم بروتين مستقبل cAMP (CRP)، بتنشيط عملية النسخ في أوبيرون اللاكتوز (lac operon) لبكتيريا الإشريكية القولونية . [ 5 ] يُنتَج أحادي فوسفات الأدينوزين الحلقي (cAMP) أثناء نقص الجلوكوز؛ ويعمل هذا الجزيء كمؤثر ألوستيري يرتبط بـ CAP ويُحدث تغييرًا في بنيته يسمح لـ CAP بالارتباط بموقع DNA مجاور لمُحفِّز اللاكتوز. [ 5 ] بعد ذلك، يُجري CAP تفاعلًا مباشرًا بين البروتين والبروتين مع بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase)، مما يؤدي إلى استقطاب بوليميراز الحمض النووي الريبي إلى مُحفِّز اللاكتوز. [ 5 ]
انظر أيضاً
مراجع
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 ما، جون (2011). "المنشطات النسخية وآليات التنشيط" . البروتين والخلية . 2 (11): 879-888 . doi : 10.1007/s13238-011-1101-7 . ISSN 1674-8018 . PMC 4712173. PMID 22180087 .
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 ألبرتس، بروس؛ جونسون، ألكسندر؛ لويس، جوليان؛ مورغان، ديفيد؛ راف، مارتن؛ روبرتس، كيث؛ والتر، بيتر (2015). البيولوجيا الجزيئية للخلية (الطبعة السادسة ). نيويورك، نيويورك: جارلاند ساينس. الصفحات 373-392 . ISBN 978-0-8153-4432-2. OCLC 887605755 .
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 مادجان ، مايكل ت؛ بيندر، كيلي س؛ باكلي، دانيال هـ؛ ساتلي، ماثيو و؛ ستال، ديفيد أ (2018). بيولوجيا الكائنات الدقيقة ( الطبعة الخامسة عشرة). نيويورك، نيويورك: بيرسون. الصفحات 174-179 . ISBN 978-0-13-426192-8. OCLC 958205447 .
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 غريفيث، أنتوني جيه إف؛ غيلبارت، ويليام إم؛ ميلر، جيفري إتش؛ ليونتين، ريتشارد سي (1999). "أساسيات تنظيم النسخ في بدائيات النوى" . التحليل الجيني الحديث - عبر المركز الوطني لمعلومات التقانة الحيوية (NCBI).
- 1 2 3 بوسبي، ستيف؛ إبرايت، ريتشارد هـ (22 أكتوبر 1999). "تنشيط النسخ بواسطة بروتين منشط الهدم (CAP)" . مجلة البيولوجيا الجزيئية . 293 (2): 199-213 . doi : 10.1006/jmbi.1999.3161 . ISSN 0022-2836 . PMID 10550204 .
- عوامل النسخ