موقع ارتباط الحمض النووي

مواقع ارتباط الحمض النووي هي نوع من مواقع الارتباط الموجودة في الحمض النووي ، حيث يمكن لجزيئات أخرى الارتباط بها. وتتميز مواقع ارتباط الحمض النووي عن مواقع الارتباط الأخرى بكونها (1) جزءًا من تسلسل الحمض النووي (مثل الجينوم)، و(2) مرتبطة ببروتينات مرتبطة بالحمض النووي . غالبًا ما ترتبط مواقع ارتباط الحمض النووي ببروتينات متخصصة تُعرف بعوامل النسخ ، وبالتالي فهي مرتبطة بتنظيم النسخ . يُشار إلى مجموع مواقع ارتباط الحمض النووي لعامل نسخ معين باسم "السيستروم" . تشمل مواقع ارتباط الحمض النووي أيضًا أهداف بروتينات أخرى، مثل إنزيمات التقييد ، وإنزيمات إعادة التركيب الموجهة للموقع (انظر إعادة التركيب الموجهة للموقع )، وإنزيمات نقل الميثيل . ^{[ 1 ]}

يمكن تعريف مواقع ارتباط الحمض النووي بأنها تسلسلات قصيرة من الحمض النووي (يتراوح طولها عادةً بين 4 و30 زوجًا قاعديًا، ولكنها قد تصل إلى 200 زوج قاعدي لمواقع إعادة التركيب) ترتبط بها على وجه التحديد بروتين واحد أو أكثر من بروتينات أو معقدات بروتينية مرتبطة بالحمض النووي . وقد أشارت التقارير إلى أن بعض مواقع الارتباط لديها القدرة على الخضوع لتغير تطوري سريع. ^{[ 2 ]}

يمكن تصنيف مواقع ارتباط الحمض النووي وفقًا لوظيفتها البيولوجية. وبالتالي، يمكننا التمييز بين مواقع ارتباط عوامل النسخ، ومواقع التقييد، ومواقع إعادة التركيب. وقد اقترح بعض الباحثين إمكانية تصنيف مواقع الارتباط أيضًا وفقًا لطريقة تمثيلها الأنسب. ^{[ 3 ]} فمن جهة، يمكن تمثيل مواقع التقييد عمومًا بتسلسلات توافقية، لأنها تستهدف في الغالب تسلسلات متطابقة، وتنخفض كفاءة التقييد بشكل حاد مع التسلسلات الأقل تشابهًا. ومن جهة أخرى، عادةً ما تكون مواقع ارتباط الحمض النووي لعامل نسخ معين مختلفة، مع تفاوت في درجة انجذاب عامل النسخ لكل موقع ارتباط. وهذا ما يجعل تمثيل مواقع ارتباط عوامل النسخ بدقة باستخدام التسلسلات التوافقية أمرًا صعبًا، ولذا يتم تمثيلها عادةً باستخدام مصفوفات التردد الموضعي (PSFM)، والتي غالبًا ما تُصوَّر بيانيًا باستخدام شعارات التسلسل . إلا أن هذا الطرح تعسفي جزئيًا. فمثل عوامل النسخ، تُنتج إنزيمات التقييد نطاقًا تدريجيًا، وإن كان حادًا، من الانجذاب لمواقع مختلفة ^{[ 4 ]،} وبالتالي فإن تمثيلها الأمثل هو أيضًا باستخدام مصفوفات التردد الموضعي (PSFM). وبالمثل، تُظهر إنزيمات إعادة التركيب الخاصة بمواقع محددة نطاقًا متنوعًا من الألفة لمواقع مستهدفة مختلفة. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

أُثيرت الشكوك حول وجود ما يشبه مواقع ارتباط الحمض النووي (DNA) من خلال التجارب التي أُجريت على بيولوجيا العاثية لامدا ^{[ 7 ]} وتنظيم أوبيرون اللاكتوز في الإشريكية القولونية ^{[ 8 ]} . وقد تأكد وجود مواقع ارتباط الحمض النووي في كلا النظامين ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} مع ظهور تقنيات تسلسل الحمض النووي . ومنذ ذلك الحين، تم اكتشاف مواقع ارتباط الحمض النووي للعديد من عوامل النسخ، وإنزيمات التقييد، وإنزيمات إعادة التركيب الموجهة للموقع، باستخدام مجموعة واسعة من الأساليب التجريبية. تاريخيًا، كانت تقنيات بصمة الحمض النووي (DNAse footprinting assay) وتقنية إزاحة الهجرة الكهربية (EMSA) هي التقنيات التجريبية المفضلة لاكتشاف وتحليل مواقع ارتباط الحمض النووي. ومع ذلك، فقد أدى تطوير المصفوفات الدقيقة للحمض النووي وتقنيات التسلسل السريع إلى ظهور أساليب جديدة ومتوازية على نطاق واسع لتحديد مواقع الارتباط في الكائنات الحية، مثل ChIP-chip و ChIP-Seq . ^{[ 12 ]} لتحديد كمية تقارب الارتباط ^{[ 13 ]} للبروتينات والجزيئات الأخرى بمواقع ارتباط الحمض النووي المحددة، يتم استخدام طريقة الترحيل الحراري على المستوى الميكروسكوبي ^{[ 14 ] .}

نظراً لتنوع التقنيات التجريبية المستخدمة في تحديد مواقع الارتباط، وللتغطية غير المتجانسة لمعظم الكائنات الحية وعوامل النسخ، لا توجد قاعدة بيانات مركزية (شبيهة بـ GenBank في المركز الوطني لمعلومات التقانة الحيوية ) لمواقع ارتباط الحمض النووي. ورغم أن المركز الوطني لمعلومات التقانة الحيوية يُدرج بيانات مواقع ارتباط الحمض النووي في تسلسلاته المرجعية ( RefSeq )، إلا أن معظم البيانات المُقدمة تُغفل هذه المعلومات. علاوة على ذلك، ونظراً لمحدودية نجاح المعلوماتية الحيوية في إنتاج أدوات فعالة للتنبؤ بمواقع ارتباط الحمض النووي (حيث ترتبط معدلات النتائج الإيجابية الخاطئة المرتفعة غالباً بطرق اكتشاف الأنماط/البحث عن المواقع الحاسوبية)، لم تُبذل جهود منهجية لشرح هذه الخصائص حاسوبياً في الجينومات المُسلسلة.

مع ذلك، توجد العديد من قواعد البيانات الخاصة والعامة المخصصة لتجميع مواقع الارتباط التي تم الإبلاغ عنها تجريبياً، وأحياناً التي تم التنبؤ بها حسابياً، لعوامل النسخ المختلفة في الكائنات الحية المختلفة. فيما يلي جدول غير شامل لقواعد البيانات المتاحة:

يمكن تمثيل مجموعة من مواقع ارتباط الحمض النووي، والتي تُعرف عادةً باسم نمط ارتباط الحمض النووي، بتسلسل توافقي . يتميز هذا التمثيل بالإيجاز، ولكنه يُغفل قدرًا كبيرًا من المعلومات. ^{[ 15 ]} وتُعد مصفوفات التردد الموضعي (PSFM) طريقةً أكثر دقةً لتمثيل مواقع الارتباط. تُقدم هذه المصفوفات معلوماتٍ عن تردد كل قاعدة في كل موضع من مواضع نمط ارتباط الحمض النووي. ^{[ 3 ]} عادةً ما تُصمم مصفوفات التردد الموضعي بافتراض ضمني للاستقلال الموضعي (حيث تُساهم المواضع المختلفة في موقع ارتباط الحمض النووي بشكلٍ مستقل في وظيفة الموقع)، على الرغم من أن هذا الافتراض قد تم التشكيك فيه بالنسبة لبعض مواقع ارتباط الحمض النووي. ^{[ 16 ]} ويمكن تفسير معلومات التردد في مصفوفة التردد الموضعي رسميًا في إطار نظرية المعلومات ، ^{[ 17 ]} مما يؤدي إلى تمثيلها بيانيًا كشعار تسلسلي .

تم استخلاص PSFM للمثبط النسخي LexA من 56 موقع ارتباط LexA مخزنة في Prodoric. يتم الحصول على الترددات النسبية بقسمة عدد المواقع في كل خلية على العدد الإجمالي (56).

في المعلوماتية الحيوية ، يمكن التمييز بين مشكلتين منفصلتين تتعلقان بمواقع ارتباط الحمض النووي: البحث عن أعضاء إضافية لنمط ارتباط معروف (مشكلة البحث عن الموقع)، واكتشاف أنماط ارتباط جديدة في مجموعات من التسلسلات ذات الصلة الوظيفية ( مشكلة اكتشاف نمط التسلسل ). ^{[ 18 ]} وقد طُرحت العديد من الطرق المختلفة للبحث عن مواقع الارتباط. يعتمد معظمها على مبادئ نظرية المعلومات، وتتوفر لها خوادم ويب (Yellaboina) (Munch)، بينما لجأ باحثون آخرون إلى أساليب التعلم الآلي ، مثل الشبكات العصبية الاصطناعية . ^{[ 3 ] [ 19 ] [ 20 ]} كما تتوفر وفرة من الخوارزميات لاكتشاف أنماط التسلسل . تعتمد هذه الطرق على فرضية أن مجموعة من التسلسلات تشترك في نمط ارتباط لأسباب وظيفية. ويمكن تقسيم طرق اكتشاف أنماط الارتباط تقريبًا إلى طرق تعدادية، وحتمية، وعشوائية. ^{[ 21 ]} يُعد كل من MEME ^{[ 22 ]} وConsensus ^{[ 23 ]} مثالين كلاسيكيين على التحسين الحتمي، بينما تُعتبر خوارزمية Gibbs sampler ^{[ 24 ]} التطبيق التقليدي لطريقة عشوائية بحتة لاكتشاف أنماط ارتباط الحمض النووي. ومن الأمثلة الأخرى على هذه الفئة من الطرق SeSiMCMC ^{[ 25 ]} التي تركز على مواقع ارتباط عوامل النسخ الضعيفة ذات التناظر. في حين أن الطرق التعدادية غالبًا ما تلجأ إلى تمثيل مواقع الارتباط باستخدام التعبيرات النمطية، فإن PSFM ومعالجتها الرسمية ضمن طرق نظرية المعلومات هي التمثيل المُفضل لكل من الطرق الحتمية والعشوائية. كما تستخدم الطرق الهجينة، مثل ChIPMunk ^{[ 26 ]} التي تجمع بين التحسين الجشع وأخذ العينات الفرعية، خوارزمية PSFM. وقد أدت التطورات الحديثة في تقنيات التسلسل إلى إدخال مناهج علم الجينوم المقارن لاكتشاف أنماط ارتباط الحمض النووي، كما يتضح من PhyloGibbs ^{[ 27 ] [ 28 ] .}

تعتمد الطرق الأكثر تعقيدًا للبحث عن مواقع الارتباط واكتشاف الأنماط على تكديس القواعد والتفاعلات الأخرى بين قواعد الحمض النووي، ولكن نظرًا لصغر حجم العينات المتاحة عادةً لمواقع الارتباط في الحمض النووي، فإن كفاءتها لا تزال غير مستغلة بالكامل. ومن الأمثلة على هذه الأدوات ULPB [ ^{29 ] .}

• بروتين ربط الحمض النووي
• موقع الربط
• التنظيم النسخي

• مستكشف خيوط ENCODE: أنماط عوامل النسخ في الطبيعة
• أنماط ربط عوامل النسخ المُنسقة يدويًا لـ 157 نوعًا نباتيًا. مؤرشفة بتاريخ 19 أكتوبر 2016 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).