منطقة الترميز

المنطقة المشفرة للجين ، والمعروفة أيضًا بتسلسل الحمض النووي المشفر ( CDS )، هي جزء من الحمض النووي (DNA) أو الحمض النووي الريبوزي (RNA) للجين الذي يشفر بروتينًا . [ ^{1 ] يمكن} أن توفر دراسة طول المناطق المشفرة، وتكوينها، وتنظيمها، وتضفيرها، وبنيتها، ووظائفها، مقارنةً بالمناطق غير المشفرة عبر أنواع مختلفة وفترات زمنية متباينة، كمية كبيرة من المعلومات المهمة حول تنظيم الجينات وتطور بدائيات النوى وحقيقيات النوى . ^{[ 2 ]} وهذا بدوره يمكن أن يساعد في رسم خريطة الجينوم البشري وتطوير العلاج الجيني. ^{[ 3 ]}

على الرغم من أن هذا المصطلح يُستخدم أحيانًا كمرادف لمصطلح إكسون ، إلا أنه ليس مطابقًا له تمامًا: إذ يمكن أن يتكون الإكسون من المنطقة المشفرة بالإضافة إلى منطقتي 3' و5' غير المترجمتين من الحمض النووي الريبوزي (RNA)، وبالتالي، فإن الإكسون يتكون جزئيًا من منطقة مشفرة. أما منطقتا 3' و5' غير المترجمتين من الحمض النووي الريبوزي (RNA)، واللتان لا تُشفِّران بروتينًا، فتُسميان بالمناطق غير المشفرة، ولن نتناولها في هذه الصفحة. ^{[ 4 ]}

كثيراً ما يحدث خلط بين المناطق المشفرة والإكسومات ، مع أن هناك فرقاً واضحاً بين هذين المصطلحين. فبينما يشير مصطلح الإكسوم إلى جميع الإكسونات داخل الجينوم، تشير المنطقة المشفرة إلى أجزاء من الحمض النووي (أو النسخة الأولية ) أو جزء واحد من الحمض النووي الريبوزي الرسول المعالج الذي يشفر نوعاً معيناً من البروتين. 

في عام 1978، نشر والتر جيلبرت كتابه "لماذا الجينات مجزأة؟" الذي بدأ فيه استكشاف فكرة أن الجين عبارة عن فسيفساء، أي أن كل سلسلة كاملة من الحمض النووي لا تُشفّر بشكل متواصل، بل تتخللها مناطق غير مشفرة "صامتة". وكان هذا أول مؤشر على ضرورة التمييز بين أجزاء الجينوم التي تُشفّر البروتين، والتي تُسمى الآن بالمناطق المشفرة، وتلك التي لا تُشفّره. ^{[ 5 ]}

تشير الأدلة إلى وجود ترابط عام بين أنماط تركيب القواعد وتوافر منطقة الترميز. ^{[ 6 ]} يُعتقد أن منطقة الترميز تحتوي على نسبة أعلى من محتوى GC مقارنةً بالمناطق غير المشفرة. وقد كشفت أبحاث أخرى أن محتوى GC يزداد كلما زاد طول سلسلة الترميز. لا تزال سلاسل الترميز القصيرة فقيرة نسبيًا بمحتوى GC، على غرار انخفاض محتوى GC في كودونات التوقف الترجمية ذات تركيب القواعد مثل TAG وTAA وTGA. ^{[ 7 ]}

تُعدّ المناطق الغنية بالـ GC أيضًا مناطق يتغير فيها نوع الطفرة النقطية بشكل طفيف: إذ يكثر فيها التحولات ، وهي تغييرات من بيورين إلى بيورين أو من بيريميدين إلى بيريميدين، مقارنةً بالتحولات العكسية ، وهي تغييرات من بيورين إلى بيريميدين أو من بيريميدين إلى بيورين. وتقل احتمالية أن تُغير التحولات الحمض الأميني المُشفّر، وتبقى طفرة صامتة (خاصةً إذا حدثت في النيوكليوتيد الثالث من الكودون)، وهو ما يُعدّ مفيدًا للكائن الحي عادةً أثناء عملية الترجمة وتكوين البروتين. ^{[ 8 ]}

يشير هذا إلى أن المناطق المشفرة الأساسية (الغنية بالجينات) تتميز بمحتوى GC أعلى، واستقرار أكبر، ومقاومة أعلى للطفرات مقارنةً بالمناطق الإضافية وغير الأساسية (الفقيرة بالجينات). ^{[ 9 ]} ومع ذلك، لا يزال من غير الواضح ما إذا كان هذا قد نتج عن طفرات عشوائية محايدة أم عن نمط من الانتقاء . ^{[ 10 ]} كما يوجد جدل حول مدى دقة وموضوعية الطرق المستخدمة، مثل نوافذ الجينات، لتحديد العلاقة بين محتوى GC والمنطقة المشفرة. ^{[ 11 ]}

في الحمض النووي ، تُحاط المنطقة المشفرة بتسلسل المحفز على الطرف 5' من الشريط القالب ، وتسلسل الإنهاء على الطرف 3'. أثناء عملية النسخ ، يرتبط إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNAP) بتسلسل المحفز ويتحرك على طول الشريط القالب وصولًا إلى المنطقة المشفرة. ثم يُضيف RNAP نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي المُكملة للمنطقة المشفرة لتكوين الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) ، مُستبدلًا اليوراسيل بالثايمين . ^{[ 12 ]} تستمر هذه العملية حتى يصل RNAP إلى تسلسل الإنهاء. ^{[ 12 ]}

بعد النسخ والنضج، يتكون الحمض النووي الريبوزي الرسول الناضج (mRNA) من أجزاء متعددة مهمة لترجمته لاحقًا إلى بروتين . تُحاط المنطقة المشفرة في الحمض النووي الريبوزي الرسول بمنطقة غير مترجمة 5' (5'-UTR) ومنطقة غير مترجمة 3' (3'-UTR)، ^{[ 1 ]} وغطاء 5' ، وذيل متعدد الأدينين . أثناء الترجمة ، يُسهّل الريبوسوم ارتباط الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA ) بالمنطقة المشفرة، ثلاث نيوكليوتيدات في كل مرة ( كودونات ). ^{[ 13 ]} ينقل الحمض النووي الريبوزي الناقل الأحماض الأمينية المرتبطة به إلى سلسلة الببتيد المتنامية ، مُشكلاً في النهاية البروتين المحدد في المنطقة المشفرة الأولية للحمض النووي.

يمكن تعديل المنطقة المشفرة من أجل تنظيم التعبير الجيني.

الألكلة هي إحدى طرق تنظيم المنطقة المشفرة. ^{[ 15 ]} يمكن إسكات الجين الذي كان من المفترض نسخه عن طريق استهداف تسلسل محدد. تُحجب القواعد في هذا التسلسل باستخدام مجموعات الألكيل ، مما يُحدث تأثير الإسكات . ^{[ 16 ]}

بينما تتحكم عملية تنظيم التعبير الجيني في وفرة الحمض النووي الريبوزي (RNA) أو البروتين المُنتَج في الخلية، يمكن التحكم في تنظيم هذه الآليات بواسطة تسلسل تنظيمي موجود قبل بدء إطار القراءة المفتوح في سلسلة الحمض النووي (DNA). سيحدد هذا التسلسل التنظيمي موقع ووقت حدوث التعبير لمنطقة ترميز البروتين. ^{[ 17 ]}

تُحدد عملية تضفير الحمض النووي الريبوزي (RNA) في نهاية المطاف أي جزء من التسلسل يُترجم ويُعبَّر عنه، وتتضمن هذه العملية قطع الإنترونات وتركيب الإكسونات. ومع ذلك، فإن موضع قطع جسيم التضفير (spliceosome) للحمض النووي الريبوزي (RNA ) يُحدد من خلال التعرف على مواقع التضفير ، وخاصة موقع التضفير 5'، الذي يُعد أحد الركائز للخطوة الأولى في عملية التضفير. ^{[ 18 ]} تقع المناطق المشفرة داخل الإكسونات، التي ترتبط معًا بروابط تساهمية لتكوين الحمض النووي الريبوزي الرسول الناضج (mRNA ).

قد تُحدث الطفرات في المنطقة المشفرة تأثيرات شديدة التباين على النمط الظاهري للكائن الحي. فبينما قد تُؤدي بعض الطفرات في هذه المنطقة من الحمض النووي (DNA/RNA) إلى تغييرات مفيدة، قد تكون طفرات أخرى ضارة، بل ومميتة أحيانًا، لبقاء الكائن الحي. في المقابل، قد لا تُؤدي التغييرات في المنطقة غير المشفرة دائمًا إلى تغييرات ملحوظة في النمط الظاهري.

أنواع الطفرات

توجد أشكال مختلفة من الطفرات التي قد تحدث في المناطق المشفرة. أحدها الطفرات الصامتة ، حيث لا يؤدي تغيير النيوكليوتيدات إلى أي تغيير في الأحماض الأمينية بعد النسخ والترجمة. ^{[ 20 ]} وهناك أيضًا طفرات التوقف ، حيث تُشفّر تغييرات القواعد في المنطقة المشفرة كودون توقف مبكر، مما ينتج عنه بروتين نهائي أقصر. تُسمى الطفرات النقطية ، أو تغييرات زوج قاعدي واحد في المنطقة المشفرة، والتي تُشفّر أحماضًا أمينية مختلفة أثناء الترجمة، طفرات الاستبدال . تشمل أنواع الطفرات الأخرى طفرات إزاحة الإطار مثل الإدخالات أو الحذف . ^{[ 20 ]}

على الرغم من أنه من المعروف أن جينوم فرد ما قد يختلف اختلافًا كبيرًا عن جينوم فرد آخر، فقد كشفت أبحاث حديثة أن بعض المناطق المشفرة تكون مقيدة للغاية، أو مقاومة للطفرات، بين أفراد النوع الواحد. وهذا يشبه مفهوم التقييد بين الأنواع في التسلسلات المحفوظة . أطلق الباحثون على هذه التسلسلات المقيدة للغاية اسم المناطق المشفرة المقيدة (CCRs)، واكتشفوا أيضًا أن هذه المناطق قد تكون متورطة في عملية انتقاء تطهيري عالية . في المتوسط، توجد طفرة واحدة تقريبًا تُغير البروتين لكل 7 قواعد مشفرة، ولكن قد تحتوي بعض المناطق المشفرة المقيدة على أكثر من 100 قاعدة متسلسلة دون رصد أي طفرات تُغير البروتين، بل إن بعضها لا يحتوي حتى على طفرات مترادفة. ^{[ 24 ]} قد تُقدم أنماط التقييد هذه بين الجينومات أدلة على مصادر أمراض النمو النادرة أو حتى الموت الجنيني. تم ربط المتغيرات التي تم التحقق منها سريريًا والطفرات الجديدة في مناطق التحكم في النسخ (CCRs) سابقًا باضطرابات مثل اعتلال الدماغ الصرعي عند الرضع ، وتأخر النمو، وأمراض القلب الحادة. ^{[ 24 ]}

على الرغم من سهولة تحديد الأطر المفتوحة للقراءة ضمن تسلسل الحمض النووي، فإن تحديد التسلسلات المشفرة ليس كذلك، لأن الخلية لا تترجم إلا مجموعة فرعية من جميع الأطر المفتوحة للقراءة إلى بروتينات. ^{[ 26 ]} يعتمد التنبؤ بالتسلسلات المشفرة حاليًا على أخذ عينات من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) وتسلسله من الخلايا، مع وجود مشكلة تحديد أي أجزاء من الحمض النووي الريبوزي الرسول تُترجم فعليًا إلى بروتين. يُعد التنبؤ بالتسلسلات المشفرة فرعًا من التنبؤ بالجينات ، والذي يشمل أيضًا التنبؤ بتسلسلات الحمض النووي التي لا تشفر البروتين فحسب، بل تشفر أيضًا عناصر وظيفية أخرى مثل جينات الحمض النووي الريبوزي والتسلسلات التنظيمية.

في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى ، يحدث تداخل الجينات بشكل متكرر نسبيًا في فيروسات الحمض النووي DNA وفيروسات الحمض النووي الريبي RNA، كميزة تطورية لتقليل حجم الجينوم مع الحفاظ على القدرة على إنتاج بروتينات متنوعة من المناطق المشفرة المتاحة. ^{[ 27 ] [ 28 ]} بالنسبة لكل من الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبي RNA، يمكن للمحاذاة الثنائية الكشف عن المناطق المشفرة المتداخلة، بما في ذلك أطر القراءة المفتوحة القصيرة في الفيروسات، ولكنها تتطلب وجود سلسلة مشفرة معروفة لمقارنة السلسلة المشفرة المتداخلة المحتملة بها. ^{[ 29 ]} هناك طريقة بديلة تستخدم تسلسلات جينومية مفردة، لا تتطلب تسلسلات جينومية متعددة لإجراء المقارنات، ولكنها تتطلب تداخل 50 نيوكليوتيدًا على الأقل لتكون حساسة. ^{[ 30 ]}

• شريط الترميز: شريط الحمض النووي الذي يرمز للبروتين
• الإكسون: الجزء الكامل من الشريط الذي يتم نسخه
• الحمض النووي الريبوزي الرسول الناضج: الجزء من ناتج نسخ الحمض النووي الريبوزي الرسول الذي تتم ترجمته
• بنية الجين: العناصر الأخرى التي تُكوّن الجين
• الجين المتداخل: يقع التسلسل الترميزي الكامل ضمن حدود جين خارجي أكبر
• الحمض النووي غير المشفر: أجزاء من الجينوم لا تشفر جينات ترميز البروتين
• جزيئات الحمض النووي الريبوزي غير المشفرة التي لا تشفر البروتينات، وبالتالي لا تحتوي على تسلسل ترميز البروتين.
• أجزاء من الحمض النووي غير الوظيفي: أجزاء من الجينومات ليس لها وظيفة بيولوجية ذات صلة